[发明专利]膜片上FBAR结构的微麦克风

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种膜片上FBAR(薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonators)结构的微麦克风，该结构的微麦克风具有刚度高，交叉耦合小，灵敏度高及线性度好等特点。

技术背景

微麦克风是最重要的MEMS传感器之一，目前主要采用驻极体、电容、压电等检测原理，表头输出微弱的模拟信号，容易受到环境温度、寄生电容等因素的影响，易于导致器件可靠性、稳定性等方面的问题。

薄膜体声波谐振器(FBAR，thin-film bulk acoustic wave resonators)是一种新型的微型电声谐振器，具有高灵敏度、高工作频率和低功耗等特点。以FBAR替代压电传感器，结合复合弹性支撑层，可以构建一种新型的电声谐振式微麦克风，满足高灵敏度、稳定性好的中高精度微麦克风的需求。微麦克风的工作原理是：当声波作用于振膜时，带动振膜变形，使得集成在振膜的FBAR产生应变，导致FBAR谐振频率偏移；利用适当的射频电路或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移，实现声波信号的读出或测量。

中国台湾新竹市清华大学公开了公开号为CN102264020A、公开日为2011年11月30日的中国发明专利。该专利公开了一种微机电电容式麦克风，主要特点是振膜为一刚性振膜，并设置于一弹性元件上，使得刚性振膜得以借弹性元件的弹性作用平行一背极板的法向量方向位移，从而获得刚性振膜与背极板间的电容变化。该发明的灵敏度较低，且制作工艺较为复杂。

中国江苏省华景传感科技(无锡)有限公司繆建民公开了公开号为CN103067838A、公开日为2013年4月24日的中国发明专利。该专利公开了一种高灵敏度压电式硅麦克风及制备方法，利用压电材料的机电换能性质将声波信号转化为电信号。但压电材料易受外界温度的影响，导致产生测量误差。而本发明利用FBAR的电声谐振特性将声波信号转化为FBAR的谐振频率偏移来实现声波信号的读出或测量，这在麦克风设计中是一种全新的设计原理与方法，并且采用了具有SiO₂层温度补偿层的膜片，能够实现声波信号测量或读出的高灵敏度要求，可望满足消费电子、汽车电子、航空航天、武器工程等领域对高灵敏度、 高稳定性、可制造性好的新型麦克风的应用需求。

发明内容

本发明提供了一种膜片上FBAR结构的微麦克风，该种结构的微麦克风除了具有高灵敏度、低功耗、高可靠性、制造性好、高工作频率(f₀在GHz量级)，还能改善温度对FBAR灵敏度的影响，增加了器件的机械强度，一阶模态频率与其他阶相隔较远，交叉耦合小，且采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺即可形成弹性膜片；膜片上FBAR结构的微麦克风，可能满足高灵敏度需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：包括基底、检测元件和复合弹性支撑层，基底位于复合弹性支撑层下方，检测元件位于复合弹性支撑层的上方，复合弹性支撑层用于支撑检测元件；基底包括Si基座与空腔，Si基座外形为一长方体，Si基座的中间设置有喇叭状的通孔，通孔孔径较小的一端位于Si基座的上表面，Si基座的上表面紧贴于复合弹性支撑层的下表面，通孔与复合弹性支撑层之间形成为空腔；空腔顶面对应的复合弹性支撑层的部分为弹性膜片，空腔侧面为通孔的内壁，空腔的底面为开放区域，所述弹性膜片用于形成振膜，空腔的顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件包括FBAR、引线、焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。

对于检测元件，进一步具体结构和连接关系为：

所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片应力集中部分；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧贴设置于弹性膜片上面，压电层底面的一部分紧贴底电极上面，压电层底面的另一部分向弹性膜片中心方向包覆底电极侧面并延伸至弹性膜片上面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上面，顶电极底面的另一部分向弹性膜片中心方向包覆压电层侧面并延伸至弹性膜片上面。其中，FBAR的压电振荡堆的数量≥1。

所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。