一种基于AlN的压电MEMS水听器及其制备方法
技术领域
本发明涉及压电水听器领域，具体为一种以AlN为压电材料的低频、高灵敏度的MEMS压电水听器。
背景技术
随着MEMS技术的快速发展，微型化、低功耗的传感器受到越来越多人的关注。水听器作为探测水下声信号的设备也随着MEMS技术的发展迅速发展。其中压电水听器由于其独特的性能优势逐渐成为水听器的重要形式。压电材料是一类具有压电效应的材料，可以实现应力与电荷之间的转换。正压电效应是指压电材料在机械应力作用下产生电荷，逆压电效应是指压电材料在受到电场作用时产生应力的物理效应。超声换能器发射声波和接收声波时分别利用的是压电材料的逆压电和正压电效应。
压电水听器的大部分研究工作都是基于锆钛酸铅和氮化铝两种压电材料。PZT作为最常用的压电材料，压电系数大，但损耗也严重，且难以制成微米级的薄膜，常用于大功率压电换能器。氮化铝具有电绝缘性和优异的导热性，对于需散热的应用而言，它是理想之选。此外，由于其热膨胀系数接近硅，且具有优异的等离子体抗性，可被用于制造半导体加工设备部件。A1N压电系数相对较小，但介电系数也很小，且工艺能和COMS集成。此外由于PZT材料本身具有较高的声阻抗（～35MRayl），远远大于空气的声阻抗（～430Rayl），大量的声能在界面处被反射。
另外聚偏氟乙烯（PVDF），氧化锌（ZnO）和石英也是常见的的压电材料。PVDF是另一种工作在厚度模式的压电材料，具有良好的声阻抗匹配性能（～2MRayl）和低密度的特点，可制作成柔性压电器件。主要应用有心电图传感器，压力传感器和水声超声测量等。由于压电应变常数低，尺寸控制难度大，不适合用作超声换能器。石英为单晶，具有高Q值和高温度稳定性，但介电常数低，压电效应弱，且压电效应受切型的限制，主要用作时钟振荡器。氧化锌具有优良的光电，压电和介电特性，且高强度，抗辐射。由于氧化锌为两性氧化物，抗腐蚀能力不强，不适合一些恶劣环境检测，多用于太阳能电池透明电极和紫外探测器等领域。
基于AlN压电材料的上述独特性能，将AlN压电材料应用于水听器正在成为当前的热点方向。
发明内容
本发明目的是提供一种基于AlN的压电MEMS水听器及其制备方法，通过在SOI的器件硅层上溅射的Mo/AlN/Mo作为下电极层、压电层、上电极层以及器件表面的SiO2保护层，在SOI背部进行深硅刻蚀至SOI的埋氧层来释放振动薄膜，可以实现对微弱声信号的探测，具有较高的灵敏度和线性度。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于AlN的压电MEMS水听器，包括SOI基底，所述SOI基底的器件硅层上依次溅射沉积下电极层、AlN压电层及上电极层，所述上电极层采用干法刻蚀形成图形化后的上电极，之后采用等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层，之后刻蚀掉图形化后的上电极上的SiO2保护层，采用剥离的方法在上电极上溅射沉积上电极焊盘，之后刻蚀掉下电极焊盘对应位置的SiO2保护层及AlN压电层后裸露出部分下电极，在裸露出的下电极上采用剥离的方法溅射沉积下电极焊盘；所述SOI基底的硅衬底背部深硅刻蚀空腔以释放振动薄膜；所述图形化后的上电极大小应位于空腔对应的区域内。
优选的，所述SOI基底的器件硅层和下电极层之间溅射沉AlN种子层。
优选的，所述SOI基底的器件硅层厚度为5μm、埋氧层厚度为1μm、硅衬底厚度为475μm；AlN种子层厚度为0.2μm，下电极层厚度为0.2μm，AlN压电层厚度为1μm，上电极层厚度为0.2μm。
整个工艺是在SOI上进行的，SOI由器件硅层、埋氧层以及衬底硅层组成，SOI的埋氧层可以减少器件中的寄生电容，降低器件的功耗，此外SOI还可以实现背部深硅刻蚀过程的自停止，即刻蚀硅至埋氧层时，刻蚀自停止。在SOI溅射Mo/AlN/Mo作为下电极层、压电层及上电极层，接着再生长SiO2保护层，通过SOI背部深硅刻蚀至埋氧层来释放振动薄膜。通过优化AlN压电薄膜的厚度和对上电极进行图形化以获得最大的输出。在生长下电极层时先在SOI器件硅层上沉积一层薄的AlN种子层，以使下电极更加平整，有利于提高后续生长的压电层的径向进而提高压电性。由于在空腔处的振动薄膜中央处受到拉伸应力而产生正电荷，在边缘处受到压缩应力而产生负电荷，为了避免正负电荷相互中和，上电极的尺寸应小于空腔半径（图形化后的上电极与空腔同轴，且上电极应位于空腔对应的区域内）。
当声信号作用在振动薄膜上时，振动薄膜会发生变形，由于正压电效应，AlN上下表面会产生感应电荷，上下电极将收集到的感应电荷传送到后端的电荷放大器中实现对声信号的检测。
上述基于AlN的压电MEMS水听器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、选择SOI作为基底，其规格为器件硅层5μm，埋氧层1μm，硅衬底475μm；
步骤二、SOI基底清洗后，在器件硅层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的AlN种子层、0.2μm的下电极层、1μm的AlN压电层、0.2μm的上电极层；
步骤三、在上电极层上进行光刻，使用干法刻蚀形成图形化后的上电极；图形化后的上电极大小应位于空腔对应的区域内；
步骤四、采用等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层；
步骤五、在SiO2保护层进行光刻，刻蚀掉图形化后的上电极上的保护层，采用剥离的方法在上电极上溅射沉积上电极焊盘；
步骤六、在SiO2保护层进行光刻，刻蚀掉下电极焊盘对应位置的保护层及AlN压电层，用剥离的方法在裸露出的下电极上溅射沉积下电极焊盘；
步骤七、SOI基底的硅衬底背部深硅刻蚀空腔以释放振动薄膜；完成AlN压电MEMS水听器的制备。
本发明具有的有益效果为：
（1）、采用MEMS标准加工工艺，可实现该压电水听器的批量生产且制造出的器件一致性好。
（2）、振动薄膜的厚度非常小，可实现对微弱声信号的探测。
（3）、与以前的压电水听器加工工艺相比，所设计的压电水听器的加工步骤得到简化，使生产成本大大降低，成品率得到有效提高。
（4）、制造出的压电水听器，线性度好，灵敏度高，在通频带内灵敏度平坦性好。可通过调整水听器空腔半径来改变水听器的谐振频率，扩宽了声信号探测的频率范围，更广泛地满足各类场合的需要。
本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1a表示本发明的以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤一）。
图1b表示本发明的以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤二）。
图1c表示本发明的以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤三）。
图1d表示本发明的以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤四）。
图1e表示本发明的以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤五）。
图1f表示本发明的以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤六）。
图1g表示本发明的以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤七）。
图2表示本发明的压电式MEMS水听器的线性度图。
图3表示本发明的压电式MEMS水听器的灵敏度图。
图中：1-SOI基底，2-下电极层，3-AlN压电层，4-上电极层，5-（图形化后的）上电极，6-SiO2保护层，7-（金属剥离后的）上电极焊盘，8-（金属剥离后的）下电极焊盘，9-空腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案的优点更加清楚，下面对本发明实施方式做进一步地详细描述。
一种基于AlN的压电MEMS水听器，该传感器由多个阵元组成，每个阵元即为一个敏感单元，将所有阵元用电极互相连接，可以增大对声信号产生电荷的收集、积累，进而提高传感器的灵敏度与线性度。敏感单元从上到下依次为保护层、上电极、AlN压电层、下电极层、压电层种子层。敏感单元沉积在SOI的器件硅层上，用深硅刻蚀的方法来释放振动薄膜。具体结构包括SOI基底1，SOI基底1的器件硅层上依次溅射沉积下电极层2、AlN压电层3及上电极层4，上电极层4采用干法刻蚀形成图形化后的上电极5，之后采用等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层6，之后刻蚀掉图形化后的上电极5上的SiO2保护层，采用剥离的方法在上电极5上溅射沉积金属剥离后的上电极焊盘7，之后刻蚀掉下电极焊盘对应的部分SiO2保护层及AlN压电层后裸露出部分下电极，在裸露出的下电极上采用剥离的方法溅射沉积金属剥离后的下电极焊盘8；SOI基底1的硅衬底背部深硅刻蚀空腔9以释放振动薄膜；图形化后的上电极5大小应位于空腔9对应的区域内。
而且SOI基底1的器件硅层和下电极层2之间溅射沉AlN种子层。在沉积AlN压电层前，在下电极层下先沉积一层AlN种子层可以使AlN压电层具有良好的002径向，从而有更好的压电性。
SOI中的埋氧层可以减少器件中的寄生电容，降低器件的功耗，此外SOI还可以实现刻蚀过程的自停止，精确控制振动薄膜的厚度。
工作原理为：当声信号作用在水听器的振动薄膜上时，振动薄膜将发生形变，并在内部产生应力、应变，压电层在应力、应变的作用下将产生感应电荷，感应电荷经上下电极收集后输出至外部电荷放大器，实现对声信号的探测。
对所设计的水听器用有限元仿真软件得到水听器的线性度与灵敏度如图2和图3所示，可以看出水听器的线性度很好为0.0089mV/Pa，在通频带内，灵敏度平坦为-211dB（参考1V/uPa），相比于以前的压电水听器性能得到明显的提升。
水听器的电极材料可以选择任何适用于MEMS加工技术的金属或者非金属导体，研究表明AlN生长在Mo电极上时有良好的002径向，进而有着良好的压电性。由于Mo和MEMS引线工艺不兼容，所以需要在电极Mo层上沉积一层Au来便于后续的引线。
上述基于AlN的压电MEMS水听器的制备方法具体如下：
步骤一、选择SOI作为基底，其规格为器件硅层5μm，埋氧层1μm，硅衬底475μm，如图1a所示；
步骤二、在SOI基底清洗后，如图1b所示，在器件硅层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的AlN种子层、0.2μm的Mo作为下电极层2、1μm的AlN压电层3、0.2μm的Mo作为上电极层4；
步骤三、在顶层Mo上进行光刻，如图1c所示，使用干法刻蚀来形成图形化Mo的形状作为图形化后的上电极5；
步骤四、如图1d所示，采用等离子增强化学气相淀积（PECVD）生长的SiO2保护层6；
步骤五、在SiO2保护层进行光刻，刻蚀掉作为上电极5上的保护层，采用剥离的方法在上电极5上沉积0.2μm的Au作为金属剥离后的上电极焊盘7，如图1e所示；
步骤六、在SiO2保护层进行光刻，刻蚀掉下电极焊盘对应位置上的保护层和AlN压电层，裸露出下电极，用剥离的方法在下电极上沉积0.2μm的Au作为金属剥离后的下电极焊盘8，如图1f所示；
步骤七、SOI基底1的硅衬底背部深硅刻蚀空腔9以释放振动薄膜，而且图形化后的上电极5大小应位于空腔9对应的区域内，如图1g所示；完成AlN压电MEMS水听器的制备。
对上述步骤完成的压电MEMS水听器，使用晶圆切割机，对硅晶圆上的水听器阵列进行分割划片。然后使用环氧树脂将切割后的水听器阵列固定在印刷电路板（PCB）之上。
本发明通过优化AlN压电薄膜的厚度和对上电极进行图形化以获得最大的输出，该压电水听器具有体积小、线性度好、灵敏度高、可批量制造的优点。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或改动。这里无需也无法对所有的实施方式予以举例。凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
