微机电系统压电换能器及其制作方法

技术领域

本公开涉及微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术领域，特别是涉及一种微机电系统压电换能器及其制作方法。

背景技术

压电换能器是指基于压电效应，将机械能转换为电能或将电能转换为机械能的器件，例如换能器受到声波、水波或外力挤压等机械应力激励时，可实现能量转换产生电信号，广泛应用于水下侦听、爆炸压力触发器、指纹解锁、实时监测管道压力、地震警报等各种军民应用领域。

目前，换能器通常采用压电陶瓷球体或块体接收机械应力，压电陶瓷球体或块体的体积大、质量重、能耗大，限制了换能器的应用场景，已不适应于当今社会各类传感器小型化、轻量化的发展需求。

发明内容

以下是对本公开详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

第一方面，本公开提供了一种微机电系统压电换能器的制作方法，包括以下步骤：

提供基底，在所述基底的正面上依次形成第一金属层和压电材料层；

图案化所述压电材料层，形成压电薄膜；

图案化所述第一金属层，在所述压电薄膜的下方形成第一电极；

在所述压电薄膜上形成第二电极，所述第一电极、所述压电薄膜和所述第二电极在所述基底上形成换能单元；

刻蚀所述基底的背面，在所述换能单元的下方形成背腔。

可选地，在所述压电薄膜上形成第二电极，包括：

形成第二金属层，所述第二金属层覆盖所述压电薄膜、所述第一电极以及所述基底的正面；

在所述第二金属层上形成光刻胶掩膜，所述光刻胶掩膜定义有所述第二电极的图案；

采用剥离工艺剥离去除所述光刻胶掩膜以及和所述光刻胶掩膜相连的所述第二金属层，保留的所述第二金属层形成所述第二电极。

可选地，图案化所述第一金属层，在所述压电薄膜的下方形成第一电极的同时，在所述基底上形成第一导线以及第一导电连接端，所述第一电极通过所述第一导线和所述第一导电连接端连接。

可选地，在所述压电薄膜上形成第二电极之后，还包括：

形成隔离层，所述隔离层填充相邻的所述换能单元之间的区域；

形成导电桥和第二导电连接端，所述第二电极通过所述导电桥和所述第二导电连接端连接。

可选地，所述制作方法在所述基底上形成多个所述换能单元；多个所述换能单元的所述第一电极通过所述第一导线串联；

在形成所述导电桥和所述第二导电连接端的同时，形成第二导线，多个所述换能单元的所述第二电极通过所述第二导线串联连接至所述导电桥，所述第二导线和所述第一导线在所述基底上形成的投影无重合区域。

可选地，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺图案化所述压电材料层；

采用湿法刻蚀工艺图案化所述第一金属层。

第二方面，本公开提供了一种微机电系统压电换能器，包括：

基底，所述基底的背面设置有背腔；

换能单元，背离所述背腔设置在所述基底的正面上，所述换能单元包括依次设置在所述基底的正面上的第一电极、压电薄膜和第二电极。

可选地，所述第二电极在所述第一电极上形成的正投影的面积为所述第一电极的面积的20％-50％。

可选地，还包括：

第一导线和第一导电连接端，所述换能单元的所述第一电极通过所述第一导线和第一导电连接端连接；

导电桥和第二导电连接端，所述换能单元的所述第二电极通过所述导电桥和所述第二导电连接端连接。

可选地，所述基底上设置多个所述换能单元，多个所述换能单元串联连接；

多个所述换能单元的所述第一电极通过所述第一导线串联；

多个所述换能单元的所述第二电极通过第二导线串联连接至所述导电桥，所述第二导线和所述第一导线在所述基底上的投影无重合区域。

本公开的微机电系统压电换能器及其制作方法，基于微机电系统(MEMS)加工技术，采用压电材料形成压电薄膜替代传统的压电陶瓷接收机械应力，减轻了换能单元的重量，有利于换能单元的尺寸减小、提高换能单元的设置密度，微机电系统压电换能器的整体的重量轻、尺寸小，解除了重量和尺寸对微机电系统压电换能器的应用领域的限制，拓宽了微机电系统压电换能器的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中提供的微机电系统压电换能器的制作方法的制作方法的流程图；

图2为一实施例中提供的在基底上形成第一金属层和压电材料层之后的示意图；

图3为一实施例中形成压电薄膜之后的示意图；

图4为一实施例中形成压电薄膜之后的俯视图；

图5为一实施例中形成第一电极之后的示意图；

图6为一实施例中形成第一电极之后的俯视图；

图7为一实施例中第一电极在基底上形成的正投影的示意图；

图8为一实施例中形成第二金属层之后的示意图；

图9为一实施例中形成第二电极之后的示意图；

图10为一实施例中形成第二电极之后的俯视图；

图11为一实施例中形成隔离层之后的示意图；

图12为一实施例中图案化隔离层暴露出第二电极的顶面之后的示意图；

图13为一实施例中形成第二导线、导电桥和第二导电接触端之后的俯视图；

图14为一实施例中形成背腔之后的示意图。

附图说明：

10、基底；10a、基底的正面；10b、基底的背面；120、第一金属层；130、压电材料层；140、第二金属层；100、换能单元；20、第一电极；30、压电薄膜；40、第二电极；50、背腔；61、第一导线；62、第一导电连接端；71、导线；72、第二导电连接端；73、导电桥；80、隔离层。

具体实施方式

为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的首选实施例。但是，本公开可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本公开的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。

微机电系统(MEMS)压电换能器是受到声波、水波、挤压等机械应力激励时，实现机械能转换产生电信号，广泛应用于水下侦听、爆炸压力触发器、指纹解锁、实时监测管道压力、地震警报等各种应用领域。

目前，换能器通常采用压电陶瓷球体或块体接收机械应力，压电陶瓷球体或块体的体积大、质量重、能耗大，限制了换能器的应用场景，已不适应于当今社会各类传感器小型化、轻量化的发展需求。

根据一示例性实施例一种微机电系统压电换能器的制作方法，如图1示出了本示例性实施例的微机电系统压电换能器的制作方法的流程图，如图1所示，本示例性实施例的微机电系统压电换能器的制作方法包括以下步骤：

步骤S11：提供基底，在基底的正面上依次形成第一金属层和压电材料层。

参照图2所示，基底10可以为半导体衬底，比如可以为硅晶衬底。基底10包括相对设置的正面10a和背面10b。

然后，可以采用化学气相沉积工艺(Chemical Vapor Deposition，CVD)、原子层沉积工艺(Atomic Layer Deposition，ALD)、等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)或低压化学气相沉积(Low Pressure ChemicalVapor Deposition，LPCVD)或溅射或蒸镀等工艺在基底10的正面10a上依次生长第一金属层120和压电材料层130。

可以根据调控沉积时间和沉积参数调控第一金属层120和压电材料层130的厚度。

第一金属层120的材料可以包括钼(Mo)、铬(Cr)、铂(Pt)、金(Au)等高导电率金属；第一金属层120的厚度可以为200nm-500nm。

压电材料层130的材料可以为氮化铝(AlN)、铝钪氮(AlScN)、铁酸铋(BFO)、铌酸钾钠(KNN)等无铅压电材料；压电材料层130的厚度可以为1.5μm-3μm。

示例性的，第一金属层120的厚度为200nm；压电材料层130的厚度为2μm。

本实施例中，在基底10上依次形成第一金属层120和压电材料层130之后，采用SC-1溶液清洗基底10，以去除压电材料层130表面的灰尘颗粒、油渍点、污渍点、多余薄膜碎屑等脏污。

其中，SC-1溶液包括按照1:1:5比例配置的氢氧化铵(NH

步骤S12：图案化压电材料层，形成压电薄膜。

如图3、图4所示，参照图2，在压电材料层130上形成第一光刻胶层(图中未示出)，第一光刻胶层定义有压电薄膜30的图形。根据第一光刻胶层图案化压电材料层130，形成多个独立设置的压电薄膜30。

示例性的，可以采用电感耦合等离子体反应离子蚀刻工艺(Inductively coupledplasma，ICP-RIE)图案化压电材料层130。

示例性的，第一光刻胶层的厚度为2.8μm；第一光刻胶层的材料选择型号为AZ5214、AZ4620或NR26的光刻胶。

在本实施例中，图案化压电材料层130形成压电薄膜30之后，清洗去除残留的第一光刻胶层。

示例性的，可采用选择型号为AZ400T、NMP、JSP的去胶液清洗去除第一光刻胶层。

步骤S13：图案化第一金属层，在压电薄膜的下方形成第一电极。

如图5、图6、图7所示，参照图3、图4，形成第二光刻胶层(图中未示出)，第二光刻胶层定义有第一电极20的图形，本实施例中第二光刻胶层覆盖压电薄膜30的顶面。

根据第二光刻胶层图案化第一金属层120，去除被第二光刻胶层暴露出的第一金属层120，在压电薄膜30的下方形成第一电极20。第一电极20的形状和压电薄膜30的形状相同，第一电极20和压电薄膜30依次叠置设置在基底10的正面10a上。

本实施例中，可以采用湿法刻蚀工艺图案化第一金属层120。

示例性的，将基底10浸没在刻蚀液中，刻蚀液腐蚀去除第二光刻胶层暴露出的第一金属层120；刻蚀液为硫酸(H

示例性的，可以将100ml的85％的硫酸溶液、60ml的70％的硝酸溶液以及240ml的水混合后作为刻蚀液。

示例性的，第二光刻胶层的厚度为2.8μm；第二光刻胶层的材料选择型号为AZ5214、AZ4620或NR26的光刻胶。

形成第一电极20之后，清洗去除残留的第二光刻胶层。比如，可采用选择型号为AZ400T、NMP、JSP的去胶液清洗去除第二光刻胶层。

步骤S14：在压电薄膜上形成第二电极，第一电极、压电薄膜和第二电极在基底上形成换能单元。

参照图8、图9、图10，可以沉积形成第二金属层140之后，对第二金属层140执行图案化处理，在压电薄膜30上形成第二电极40。第一电极20、压电薄膜30和第二电极40在基底10上形成换能单元100。

在一些实施例中，参照图10所示，第二电极40的面积小于压电薄膜30的面积。第二电极40在第一电极20上形成的正投影的面积为第一电极20的面积的20％-50％。比如，第二电极40在第一电极20上形成的正投影的面积可以为第一电极20的面积的20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。

示例性的，第二电极40在第一电极20上形成的正投影的面积为第一电极20的面积的25％。

步骤S15：刻蚀基底的背面，在换能单元的下方形成背腔。

参照图10所示，将基底10倒置，以基底10的背面10b作为工艺面，在基底10的背面10b形成第六光刻胶层(图中未示出)，第六光刻胶层定义有形成背腔50的图形，根据第六光刻胶层刻蚀基底10的背面10b，去除部分基底10，在基底10的背面10b形成背腔50，参照图10所示的方位，背腔50设置在换能单元100的正下方，和换能单元100的第一电极20之间被刻蚀保留的基底10隔开。

沿基底10的厚度方向，背腔50的深度可以为300μm-400μm，比如，背腔50的深度可以为300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm、360μm、370μm、380μm、390μm或400μm。

示例性的，背腔50的深度为350μm。

在一些实施例中，基底10的背面10b覆盖有钝化层(图中未示出)，钝化层的材料层包括氧化硅。在形成背腔50的过程中，还要根据第六光刻胶层刻蚀去除部分钝化层，然后再刻蚀基底10的背面10b形成背腔50。

示例性的，第六光刻胶层的厚度为17μm；第六光刻胶层的材料选择型号为AZ4620或NR26的光刻胶。

示例性的，形成背腔50之后，可采用选择型号为AZ400T、NMP、JSP的去胶液清洗去除第六光刻胶层。

本实施例的微机电系统压电换能器的制作方法，通过设计微机电系统压电换能器的制作过程，以使微机电系统压电换能器的制作可重复、可操作，能够量产微机电系统压电换能器。

本实施例的微机电系统压电换能器的制作方法，基于微机电系统(MEMS)技术形成微机电系统压电换能器，采用氮化铝、铝钪氮、铁酸铋、铌酸钾钠等无铅压电材料形成压电薄膜，压电薄膜替代传统的压电陶瓷接收机械应力，减轻了换能单元的重量，有利于换能单元的尺寸减小、提高换能单元的设置密度，微机电系统压电换能器的整体的重量轻、尺寸小，解除了重量和尺寸对微机电系统压电换能器的应用领域的限制，拓宽了微机电系统压电换能器的应用领域。

本实施例的微机电系统压电换能器的制作方法，压电薄膜、第一电极和第二电极分别在不同的工序中形成，如此，每个工序在执行前能够根据前序的工艺结果进行调控，优化工艺参数，有利于提高形成微机电系统压电换能器的产品质量和产品良率。

在一些实施例中，在压电薄膜上形成第二电极，包括以下步骤：

步骤S141：形成第二金属层，第二金属层覆盖压电薄膜、第一电极以及基底的正面。

如图8所示，参照图5，使用磁控溅射机溅射形成第二金属层140，第二金属层140覆盖压电薄膜30、第一电极20并覆盖基底10的暴露的正面10a。

第二金属层140的材料包括钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)、铬(Cr)等高导电率金属；第二金属层140的厚度可以为200nm-500nm。比如，第二金属层140的厚度可以为200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm。

示例性的，第二金属层140的厚度为300nm。

步骤S142：在第二金属层上形成光刻胶掩膜，光刻胶掩膜定义有第二电极的图案。

光刻胶掩膜(图中未示出)定义有形成第二电极40的图案，光刻胶掩膜暴露出位于压电薄膜30上方的部分第二金属层140。

光刻胶掩膜的厚度为2.8μm；光刻胶掩膜的材料选择型号为AZ5214、AZ4620或NR26的光刻胶。

步骤S143：采用剥离工艺剥离去除光刻胶掩膜以及和光刻胶掩膜相连的第二金属层，保留的第二金属层形成第二电极。

如图9、图10所示，参照图8，本实施例中剥离工艺为金属剥离工艺(metal lift-off technology)，采用剥离液剥离去除光刻胶掩膜以及和光刻胶掩膜相连的第二金属层140，保留被光刻胶掩膜暴露出的第二金属层140，在压电薄膜30的顶面上形成第二电极40。

本实施例中，采用剥离工艺剥离光刻胶掩膜及与其相连的第二金属层，以保留的第二金属层作为第二电极，能够避免形成第二电极的过程损伤压电薄膜，保证压电薄膜的结构完整，保证换能单元能够灵敏感应机械应力，将机械能转换为电能；同时，本实施例中以光刻胶掩膜暴露出的第二金属层形成第二电极，如此，可以通过调整光刻胶掩膜以及剥离工艺的参数保证第二电极形成在压电薄膜上，通过能够精准调整第二电极的尺寸以及第二电极和压电薄膜的尺寸比例。

在一些实施例中，图案化第一金属层，在压电薄膜的下方形成第一电极的同时，还执行了步骤S13-1：

步骤S13-1：在基底上形成第一导线以及第一导电连接端，第一电极通过第一导线和第一导电连接端连接。

如图6、图7所示，在形成第二光刻胶层(图中未示出)时，在第二光刻胶层同时定义出第一电极20、第一导线61以及第一导电连接端62的图形。根据第二光刻胶层图案化第一金属层120，在基底10上同时形成第一电极20、第一导线61以及第一导电连接端62，第一电极20通过第一导线61和第一导电连接端62连接。

在一些实施例中，在压电薄膜上形成第二电极之后，还包括：

步骤S16：形成隔离层，隔离层填充相邻的换能单元之间的区域。

如图11所示，参照图9，可以采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)沉积形成隔离层80，隔离层80覆盖换能单元100、基板保留的正面10a并填充换能单元100之间的区域。

隔离层80的材料可以包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料。隔离层80的厚度为1μm-3μm。

示例性的，隔离层80的厚度为2μm。

如图12所示，参照图11，形成隔离层80之后，在隔离层80上形成第四光刻胶层(图中未示出)，第四光刻胶层暴露处位于第二电极40上方的隔离层80。根据第四光刻胶层刻蚀隔离层80，去除位于第二电极40上方的隔离层80，暴露出第二电极40的顶面。

第四光刻胶层的厚度为2.8μm；第四光刻胶层的材料选择型号为AZ5214、AZ4620或NR26的光刻胶。

暴露出第二电极40的顶面之后，清洗去除残留的第四光刻胶层。比如，可采用选择型号为AZ400T、NMP、JSP的去胶液清洗去除第四光刻胶层。

步骤S17：形成导电桥和第二导电连接端，第二电极通过导电桥和第二导电连接端连接。

首先，使用磁控溅射机溅射形成导电材料层(图中未示出)，导电材料层覆盖第二电极40的顶面以及隔离层80的顶面。

然后，在导电材料层上形成第五光刻胶层(图中未示出)，第五光刻胶层定义有形成导电桥73和第二导电连接端72的图案。

接着，根据第五光刻胶层刻蚀导电材料层，去除被第五光刻胶层暴露出的导电材料层，如图13所示，刻蚀保留的导电材料层形成导电桥73和第二导电连接端72，第二电极40通过导电桥73和第二导电连接端72连接，如此，换能单元100感应机械应力，将机械应力转换成电能之后能够通过第二导电连接端72将电能向外传出。

第五光刻胶层的厚度为2.8μm；第五光刻胶层的材料选择型号为AZ5214、AZ4620或NR26的光刻胶。

形成导电桥73和第二导电连接端72之后，清洗去除残留的第五光刻胶层。比如，可采用选择型号为AZ400T、NMP、JSP的去胶液清洗去除第五光刻胶层。

本实施例的微机电系统压电换能器的制作方法，采用六次光刻工序形成各个部件，能够根据前序制程的工艺结果调整每次工艺参数，进而优化制作过程，有利于提高形成微机电系统压电换能器的产品质量和产品良率。

在一些实施例中，如图6、图7、图13所示，在基底10上形成多个换能单元100，多个换能单元100的第一电极20通过第一导线61串联；在压电薄膜30上形成导电桥73和第二导电连接端72的同时，形成第二导线71，多个换能单元100的第二电极40通过第二导线71串联连接至导电桥73，并通过导电桥73和第二导电连接端72连接，第二导线71和第一导线61在基底10上形成的投影无重合区域。

如此，本实施例形成的微机电系统压电换能器的多个换能单元100串联，多个串联的换能单元100通过第一导线61连接至第一导电连接端62，多个串联的换能单元100通过导电桥73连接至第二导电连接端72，多个串联的换能单元100串联感应机械应力，将机械应力转换成电能之后能够通过第二导电连接端72将电能向外传出，能够增强微机电系统压电换能器对机械应力的感应灵敏性，能够感应更小、更轻微的压力并将其转换成电能。

同时，第二导线71和第一导线61在基底10上形成的投影无重合区域，也即第一导线61和第二导线71无正对面积，避免第一导线61和第二导线71产生电容耦合影响微机电系统压电换能器能量转换的过程，保证微机电系统压电换能器的感应灵敏性。

根据一示例性实施例，本实施例提供了一种微机电系统压电换能器，如图13、图14所示，参照图4、图6、图7，微机电系统压电换能器包括基底10以及换能单元100，基底10的背面10b设置有背腔50；换能单元100背离背腔50设置在基底10的正面10a，换能单元100包括依次设置在基底10的正面10a上的第一电极20、压电薄膜30和第二电极40。

第一电极20的材料可以包括钼(Mo)、铬(Cr)、铂(Pt)、金(Au)等高导电率金属。第一电极20的厚度可以为200nm-500nm。比如，第一电极20的厚度可以为200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm。

压电薄膜30的材料可以包括氮化铝(AlN)、铝钪氮(AlScN)、铁酸铋(BFO)、铌酸钾钠(KNN)等无铅压电材料。压电薄膜30的厚度可以为1.5μm-3μm，比如，压电薄膜30的厚度可以为1.5μm、1.8μm、2μm、2.5μm、2.8μm或3μm。

第二电极40的材料包括钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)、铬(Cr)等高导电率金属；第二电极40的厚度可以为200nm-500nm。比如，第二电极40的厚度可以为200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm。

在一些实施例中，第二电极40在第一电极20上形成的正投影的面积为第一电极20的面积的20％-50％。比如，第二电极40在第一电极20上形成的正投影的面积可以为第一电极20的面积的20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。

示例性的，第二电极40在第一电极20上形成的正投影的面积为第一电极20的面积的25％。

在一些实施例中，如图13、图14所示，参照图4、图6、图7，微机电系统压电换能器还包括第一导线61和第一导电连接端62，换能单元100的第一电极20通过第一导线61和第一导电连接端62连接。

微机电系统压电换能器还包括导电桥73和第二导电连接端72，换能单元100的第二电极40通过导电桥73和第二导电连接端72连接。

在一些实施例中，如图13、图14所示，基底10上设置多个换能单元100，多个换能单元100串联连接。

多个换能单元100的第一电极20通过第一导线61串联。

多个换能单元100的第二电极40通过第二导线71串联连接至导电桥73，并通过导电桥73连接至第二导电连接端72，第二导线71和第一导线61在基底10上的投影无重合区域。

如此，多个串联的换能单元100共同感应机械应力，将机械应力转换成电能之后通过第二导电连接端72将电能向外传出，能够增强微机电系统压电换能器对机械应力的感应灵敏性，能够感应更小、更轻微的压力并将其转换成电能。

第二导线71和第一导线61在基底10上形成的投影无重合区域，第一导线61和第二导线71无正对面积，避免第一导线61和第二导线71产生电容耦合影响微机电系统压电换能器能量转换的过程，保证微机电系统压电换能器的感应灵敏性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本公开的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。