基于弹性梁结构的MEMS压电声压传感芯片的制作方法
本发明属于水听器技术领域，尤其涉及一种基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片。
背景技术：
水听器是基于水声学原理制造的可以测量流体中声场的器件。水听器可以为封装了mems声压传感芯片的器件。声波在水中以纵波的形式传播，传播过程中产生声压，水听器输出感应电压信号的过程中，当声波传播到mems微型水听器上时，声压首先与水听器的封装结构相互作用，由于水听器封装结构是透声设计，所以声压几乎可以无损的透过，透过封装结构的声压作用到mems声压传感芯片上，由于压电效应，从而输出感应电压信号。目前的mems声压传感芯片的结构主要包括支撑衬底、真空腔以及压电感应薄膜，当声压作用到压电感应薄膜上时，使压电感应薄膜产生形变，由于压电效应，形变的压电薄膜上下电极产生电压差，从而输出感应电压信号。但是目前的mems声压传感芯片的性能还是不够，且加工工艺复杂、芯片体积较大。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片，旨在解决现有技术中mems声压传感芯片的性能较差，且加工工艺复杂、芯片体积较大的问题。
为实现上述目的，本发明实施例的第一方面提供了一种基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片，包括：键合连接的第一基片和第二基片；
所述第一基片的键合面上设置一凹槽，与所述第二基片的键合面形成一真空腔；
所述第二基片的第二面上与所述凹槽对应位置设置感应结构，所述第二基片的第二面为所述键合面对应的一面；所述第二基片的键合面上所述感应结构对应区域周围设置多个弹性梁结构，所述多个弹性梁结构位于所述真空腔的顶部，且所述多个弹性梁结构的边缘位置与所述真空腔的边缘位置对应。
作为本申请另一实施例，所述第一基片中所述真空腔的底部设置过载保护结构，且所述过载保护结构与所述真空腔底部连接。
作为本申请另一实施例，所述过载保护结构包括与所述真空腔底部连接的多个支撑体。
作为本申请另一实施例，所述多个支撑体为实心支撑体。
作为本申请另一实施例，所述多个支撑体的高度低于所述真空腔的高度。
作为本申请另一实施例，所述第一基片和所述第二基片的制备材料为硅。
作为本申请另一实施例，弹性梁结构的数量为四个，均匀设置在所述感应结构对应区域周围；
每个弹性梁结构包括第一连接端、第二连接端以及蛇形排布的梁，所述第一连接端连接所述蛇形排布的梁的一端，所述第二连接端连接所述蛇形排布的梁的另一端；所述第一连接端或者所述第二连接端连接所述感应结构对应区域的边缘，所述第二连接端或者所述第一连接端与对应的弹性梁结构的边缘齐平。
作为本申请另一实施例，所述感应结构包括上下电极、上下电极之间的夹层、上电极上的压电感知层以及下电极下的压电层。
作为本申请另一实施例，还包括上下电极引出结构；
所述上电极引出结构连接上电极的一端，并设置于所述压电感知层上的第一区域内；
所述下电极引出结构连接下电极的一端，并设置于所述压电感知层上的第二区域内；所述第一区域与所述第二区域在所述压电感知层上对应的位置不同。
作为本申请另一实施例，所述上下电极的制备材料为mo；
所述上下电极之间的夹层、所述上电极上的压电感知层以及所述下电极下表面的压电层的制备材料分别为ain；
所述上下电极引出结构的制备材料为au。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过设置多个弹性梁结构，可以在声波作用到感应结构上时，感应结构变形，使弹性梁结构随之产生拉力，从而在一定程度上抵消由于感应结构变形较大造成的形变的非线性，增加mems压电声压传感芯片的灵敏度，改善mems压电声压传感芯片的加速度灵敏度，提高一致性。同时弹性梁结构在第二基片上刻蚀形成，从而可以减小mems压电声压传感芯片的体积，降低成本。另外，真空腔由于感应结构变形而受到挤压，保证与mems压电声压传感芯片的一致性，从而可以提高mems压电声压传感芯片的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的弹性梁结构示意图；
图4是本发明实施例提供的感应结构的示例图；
图5是本发明实施例提供mems压电声压传感芯片的简化模型示意图；
图6(1)是本发明实施例提供的压电感知层厚度-感应电压输出关系示意图；
图6(2)是本发明实施例提供的硅支撑层厚度-感应电压输出关系示意图；
图6(3)是本发明实施例提供的传感芯片尺寸-感应电压输出关系示意图；
图6(4)是本发明实施例提供的引入弹性梁结构前后，传感芯片尺寸-感应电压输出关系示意图；
图7是本发明实施例提供的引入弹性梁结构前后，硅支撑层厚度-加速度感应电压输出关系示意图；
图8(1)是本发明实施例提供的频响范围设计模型的示意图；
图8(2)是本发明实施例提供的主模态振型仿真结果的示意图；
图8(3)是本发明实施例提供的主模态谐振输出s参数的仿真结果的示意图；
图8(4)是本发明实施例提供的薄膜输出电压的示意图；
图9(1)是本发明实施例提供的最大声压设计仿真模型的示意图；
图9(2)是本发明实施例提供的传感芯片尺寸-硅支撑层位移量的关系示意图；
图10(1)是本发明实施例提供的声压-感应电压关系的示意图；
图10(2)是本发明另一实施例提供的声压-感应电压关系的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的结构示意图，详述如下。
参见图1至图3，基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片，可以包括：键合连接的第一基片100和第二基片200；
所述第一基片100上设置一凹槽，与所述第二基片的键合面形成一真空腔101；
所述第二基片200的第二面上与所述真空腔101对应位置设置感应结构201，所述第二基片的第二面为所述键合面对应的一面；所述第二基片200的键合面上所述感应结构201对应区域周围设置多个弹性梁结构202，所述多个弹性梁结构202位于所述真空腔101的顶部，且所述多个弹性梁结构202的边缘位置与所述真空腔101的边缘位置对应。
真空腔的顶部位于图1中第一基片与第二基片键合处，真空腔的底部为与真空腔顶部对应的一面，真空腔的底部设置在第一基片内。
上述基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片，通过设置多个弹性梁结构，可以在声波作用到感应结构上时，感应结构变形，使弹性梁结构随之产生拉力，从而在一定程度上抵消由于感应结构变形较大造成的形变的非线性，增加mems压电声压传感芯片的灵敏度，改善mems压电声压传感芯片的加速度灵敏度，提高一致性。同时弹性梁结构在第二基片上刻蚀形成，从而可以减小mems压电声压传感芯片的体积，降低成本。另外，真空腔由于感应结构变形而受到挤压，保证与mems压电声压传感芯片的一致性，从而可以提高mems压电声压传感芯片的灵敏度。
可选的，图1为基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的纵视图，第一基片和第二基片的制备材料可以为硅，即第一基片为硅衬底，第二基片为硅支撑结构，硅支撑结构上沉积的为感应结构。形成真空腔101的凹槽通过刻蚀硅衬底形成，弹性梁结构202通过刻蚀硅支撑结构形成。
可选的，如图2所示，所述基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片中的第一基片100上还包括过载保护结构102。
所述第一基片100中所述真空腔101的底部设置过载保护结构，且所述过载保护结构102与所述真空腔101底部连接。可选的，在制备过载保护结构时，可以在真空腔的底部直接制备过载保护结构，与真空腔连接成为一体，这样可以简化基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的加工工艺，提高生产效率，为批量生产提供保障。可选的，真空腔可以为圆形的腔体。
可选的，所述过载保护结构102包括与所述真空腔底部连接的多个支撑体，即过载保护结构为多个支撑体构成，即直接在真空腔的底部生成多个支撑体。所述多个支撑体为实心支撑体。可选的，多个支撑体之间的间隔在本实施例中不限定，两个支撑体之间的间隔可以一致，也可以不一致。多个支撑体的横截面的周长可以相同也可以不相同，即支撑体的粗细可以不同。在本实施例中也不对多个支撑体的直径进行限定。可选的，多个支撑体的横截面的形状可以为圆形，可以为正方形或长方形，还可以为不规则的形状。为了制备时方便，多个支撑体的横截面可以为规则图形。
可选的，所述多个支撑体的高度低于所述真空腔的高度，以便为感应结构提供可靠支撑。
可选的，所述多个支撑体可以与水平面垂直也可以与水平面之间存在倾角，这里倾角指除支撑体与水平面之间存在夹角，夹角可以是锐角也可以为钝角。可选的，为了使支撑体起到最大的作用，支撑体可以与水平面垂直，或者存在较小的倾角。
当声波作用到感应结构时，感应结构产生形变，与过载保护结构接触，从而保护感应结构不至于形变太大而损坏，当声压输入消失时，形变的感应结构恢复，与过载保护结构分离。
可选的，如图3所示，弹性梁结构的数量可以为多个，例如，弹性梁结构的数量可以为三个、四个、五个、六个等等，在附图3中所示为四个，多个弹性梁结构可以均匀设置在所述感应结构对应区域周围，多个弹性梁结构可以提高mems压电声压传感芯片的灵敏度和一致性。
每个弹性梁结构包括第一连接端、第二连接端以及蛇形排布的梁，所述第一连接端连接所述蛇形排布的梁的一端，所述第二连接端连接所述蛇形排布的梁的另一端；所述第一连接端或者所述第二连接端连接所述感应结构对应区域的边缘，所述第二连接端或者所述第一连接端与对应的弹性梁结构的边缘齐平。
可选的，蛇形排布的梁可以为曲线型排布，也可以为“弓”型排布，在声波作用到感应结构上时，感应结构产生形变，压迫硅支撑结构，使图3中所示中央区域产生声波传输方向的形变，例如产生向下的形变，然后多个弹性梁结构会产生拉力，形变越大，多个弹性梁结构产生的拉力也越大，此时可以在一定程度上抵消由于压电过大造成的形变的非线性，从而降低基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的感应电压线性度，同时可以增加传感芯片的灵敏度，大大减小mems压电声压传感芯片的加速度灵敏度，提高一致性。
可选的，如图1、图2或图4所示，所述感应结构201用于承接声压，并产生形变，由于压电效应，形变的感应结构上下电极产生电压差，从而输出感应电压信号。以声波传输方向的反方向为基准方向，感应结构可以包括上电极2011、下电极2012、上下电极之间的夹层2013、上电极上的压电感知层2014以及下电极下的压电层2015。可选的，上电极上表面的压电感知层2014可以为ain压电层。
可选的，上电极2011和下电极2012可以设置为圆盘状，其中上电极2011的半径小于下电极2012的半径，使得电极输入输出端方便设置。可选的，感应结构还包括上电极引出结构2016和下电极引出结构2017。
所述上电极引出结构连接上电极的一端，并设置于所述压电感知层上的第一区域内；
所述下电极引出结构连接下电极的一端，并设置于所述压电感知层上的第二区域内；所述第一区域与所述第二区域在所述压电感知层上对应的位置不同。
可选的，如图4所示，上电极引出结构设置于压电感知层左侧，下电极引出结构可以设置于压电感知层右侧。
可选的，上下电极引出结构的边缘可以为缓坡形貌。
可选的，所述上下电极的制备材料为mo；
所述上下电极之间的夹层、所述上电极上的压电感知层以及所述下电极下的压电层的制备材料分别为ain；
所述上下电极引出结构的制备材料为au。
可选的，在制备得到基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片之后，还可以在基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的外表面设置钝化层，使基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片表面不易被氧化，以保护基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片。
上述基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片，通过设置多个弹性梁结构，可以在声波作用到感应结构上时，感应结构变形，使弹性梁结构随之产生拉力，从而在一定程度上抵消由于感应结构变形较大造成的形变的非线性，增加mems压电声压传感芯片的灵敏度，改善mems压电声压传感芯片的加速度灵敏度，提高一致性。同时弹性梁结构在第二基片上刻蚀形成，从而可以减小mems压电声压传感芯片的体积，降低成本。另外，真空腔由于感应结构变形而受到挤压，保证与mems压电声压传感芯片的一致性，从而可以提高mems压电声压传感芯片的灵敏度。通过设置过载保护结构，可以为感应结构提供可靠支撑，降低感应结构的损坏几率，同时可以简化mems压电声压传感芯片的加工工艺，提高批量生产可靠性。
为了验证基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的性能，我们进行以下仿真实验。mems微型声压水听器的性能，由mems压电声压传感芯片、asic电路、水听器封装等共同决定，但其性能指标的基础是mems压电声压传感芯片的性能。所以mems压电声压传感芯片的设计是水听器的设计的关键技术之一。
1)基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的灵敏度研究
水听器的灵敏度，是指水听器的开路电压与作用于水听器接收面声压的比值，通常用db表示，参考为1v/upa。计算公式为：
采用常规soi片，硅支撑层厚度为5um，传感芯片半径为150um，当25000pa声压输入时，随着压电感知层厚度的越大，感应电压的输出越来越大，但是增长率越来越小，如下图6(1)所示。当压电感知层厚度为1.0um时，感应电压输出为0.19v，当压电感知层厚度为1.5um时，感应电压输出为0.25v，当压电感知层厚度为2.0um时，感应电压输出为0.28v，当压电感知层厚度为2.5um时，感应电压输出为0.30v。
当传感芯片半径为150um，压电感知层厚度为1.5um，25000pa声压输入时，随着硅支撑层厚度的越厚，感应电压的输出越来越小，如图6(2)所示，当硅支撑层厚度为2um，感应电压输出为0.65v，当硅支撑层厚度为3um，感应电压输出为0.45v，当硅支撑层厚度为4um，感应电压输出为0.32v，当硅支撑层厚度为5um，感应电压输出为0.25v，当硅支撑层厚度为6um，感应电压输出为0.18v等。
采用常规soi片，硅支撑层厚度5um，压电感知层厚度1.5um，当25000pa声压输入时，随着传感芯片尺寸越大，感应电压的输出也越大。如图6(3)所示，传感芯片半径为100um，感应电压的输出为0.13v，传感芯片半径为150um，感应电压的输出为0.24v，传感芯片半径为200um，感应电压的输出为0.34v，传感芯片半径为250um，感应电压的输出为0.45v。
综上可知，随着压电感知层厚度在增加、硅支撑层厚度的减小以及感应芯片尺寸的增大，mems压电声压传感芯片的灵敏度逐渐增加。但是由于工艺、可靠性、成本等多方面的限制，mems压电声压传感芯片的灵敏度不可能无限制的增加。因此，为了在原有结构的基础上，提高灵敏度，在mems压电声压传感芯片上增加了弹性梁结构，即本申请上述实施例中提供的基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片。
采用常规soi片，硅支撑层厚度为5um，压电层厚度为1.5um，25000pa声压输入时，引入弹性梁结构前后，随着传感芯片尺寸的变化，感应电压的输出对比如图6(4)所示，相同传感芯片尺寸下，感应输出电压提高了近50％。传感芯片半径为100um，引入弹性梁结构前，感应电压的输出为0.13v，引入弹性梁结构后，感应电压的输出为0.17v；传感芯片半径为150um，引入弹性梁结构前，感应电压的输出为0.24v，引入弹性梁结构后，感应电压的输出为0.35v等等。
同理，相同灵敏度下，可以缩减感应结构的尺寸，根据仿真结果，传感芯片半径为200um时的感应电压与引入弹性梁结构后传感芯片半径为140um的传感器芯片感应电压相等效。所以引入弹性梁后，可以将传感芯片(即基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片)的尺寸缩小50％，从而通过引入弹性梁结构，使得mems压电声压传感芯片的灵敏度提高，且芯片体积减小。
(2)基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的加速度灵敏度设计研究
加速度灵敏度是指当水听器处于加速度状态下时，基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片(以下简称传感芯片)的感应结构会由于自身受到的加速度出现形变，从而有感应电压输出。加速度灵敏度单位是v/m/s2。
当aln压电薄膜层结构一定时，硅支撑层厚度越厚，要达到相同的灵敏度，需要的传感芯片面积越大，此时加速度灵敏度也会相应的增加。传感芯片输出相同感应电压的情况下，即相同灵敏度前提下，随着硅支撑层厚度的增加，器件的加速度灵敏度不断增加。为了进一步减小加速度灵敏度，可以在硅支撑层中引入弹性梁结构，同时缩小传感芯片尺寸并降低器件的加速度灵敏度。如图7所示，相同硅支撑层厚度，相同灵敏度前提下，引入弹性梁结构之后，可以大大减小mems压电声压传感芯片的加速度灵敏度。当硅支撑层厚度为2um，引入弹性梁结构前，加速度感应电压的输出为3.40e-009v/m/s2，引入弹性梁结构后，感应电压的输出为2.00e-009v/m/s2，当硅支撑层厚度为10um，引入弹性梁结构前，加速度感应电压的输出为1.10e-008v/m/s2，引入弹性梁结构后，感应电压的输出为6.00e-009v/m/s2。
(3)基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的频响范围设计研究
传感芯片的频率响应范围，是指传感芯片可以正常工作的声压频率范围。为了保证传感芯片在一定频率范围内可以正常工作，需要将感应结构的模态设计到远离工作频率范围。
由于传感芯片的压电感知层与封装紧密接触，封装会在一定程度上影响传感芯片的谐振模态，所以计算器件的谐振模态时，需要同时考虑感应器件模型和封装结构。如图8(1)所示频响范围设计模型。在计算模型的模态时，主模态振型仿真结果如图8(2)所示。声压频率在10-20khz范围内变化时，主模态谐振输出s参数的仿真结果如图8(3)所示，优化器件谐振模态(即增加弹性梁)之后，10-20khz的频响范围内，相同声压下薄膜输出电压如图8(4)所示，传感芯片的感应电压随着频率的升高只有极小的变动，所以10-20khz的频响范围完全可以通过设计实现。
(4)基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片最大可承受声压设计
最大可承受声压，是指水听器在接受超过此声压的输入时会造成水听器的输出饱和或者损坏。最大可承受声压的设计，需要综合考虑水听器的封装、器件结构等因素，如图9(1)所示为最大声压设计仿真模型。当传感芯片受到声压作用时，传感芯片的感应结构会发生形变，从而产生感应电压。
当输入压强为25000pa，硅支撑层厚度为5um，压电感知层厚度为1.5um，不同传感芯片尺寸对应的硅支撑层位移量如图9(2)所示。当传感芯片半径为150um，硅支撑层位移量为0.1um，当传感芯片半径为200um，硅支撑层位移量为0.23um，当传感芯片半径为250um，硅支撑层位移量为0.35um，当传感芯片半径为300um，硅支撑层位移量为0.6um等。
当感应结构的形变量过大时，会引起感应结构的破坏性失效。一般认为，当感应结构的形变量大于感应结构自身厚度的1/3时，感应结构断裂失效的几率会很高，压电感知层很薄，所以形变断裂失效主要来源于硅支撑层。当硅支撑层厚度为5um时，形变量小于1.5um为安全形变量。由上述结果可知，25000pa的声压输入下，最大的安全的感应结构半径为360um。5um硅支撑的情况下，当传感芯片的感应结构半径小于360um时，都可以承受25000pa以下的声压。
为了增加感知芯片的可靠性，使传感芯片在承受大于自身最大可承受声压的情况下不至于损坏，我们设计的传感芯片结构加入了过载保护结构，当输入的声压大于25000pa时，感应结构发生剧烈形变，当形变量大于1.5um时，感应结构就会与过载保护结构接触，从而使感应结构不至于形变太大而损坏，当声压输入消失时，感应结构与过载保护结构分离，重新回到原位置。
(5)基于弹性梁结构的mems压电声压传感芯片的线性度设计
线性度是指水听器的校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出的百分比。其最终评估的是不同声压输入时，水听器输出的线性度。
mems微型水听器的线性度不仅与水听器电压放大电路有关，还与水听器的自身结构相关，当mems微型水听器输入的声压较小时，感应结构的形变度处于线性区域，感应电压输出也是线性的，当声压逐渐增大到一定程度之后，感应结构的形变量越来越大，非线性越来越明显，如图10(1)所示，在声压为0～2500pa范围内时，感应电压的输出为线性，之后随着声压的不断增大，非线性越来越明显。为了进一步增加相同动态范围内的性能度，加入弹性梁的结构进行优化。如图10(2)所示，当声压逐渐增大到一定程度之后，感应结构的形变量越来越大，而感应结构形变量越大，弹性梁所受到的拉力越来越大，此时可以在一定程度上抵消由于压电过大造成的形变的非线性。图10(2)中，声压在20kpa～30kpa范围内时，可以明显看出感应电压的输出非线性度越来越小。小方块表示加入弹性梁之前，原点表示加入弹性梁之后。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
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