基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜的MEMS聲波器件芯片

MEMS芯片具有無源、結構簡單、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，與低噪聲信號放大電路集成后，再通過特殊的水密封裝可制成具有小型化、低功耗、易實現(xiàn)寬頻檢測等特點的水聽器，可以很好地解決傳統(tǒng)水聽器體積大、功耗高、成本高及難以形成陣列等問題。

壓電材料氧化鋅（ZnO）、聚偏氟乙烯（PVDF）、鋯鈦酸鉛（PZT）、氮化鋁（AlN）等是應用于壓電MEMS水聽器的代表性材料，其中AIN薄膜具有性能穩(wěn)定、品質因數(shù)高、介電損耗低及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，已被廣泛用于AIN水聽器的研制。研究表明，在AlN薄膜中通過摻雜可以提升其壓電系數(shù)和機電耦合系數(shù)，從而提高器件的接收靈敏度等性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了使器件獲得更高的接收靈敏度，聯(lián)合微電子中心有限公司和中國電子科技集團公司第二十六研究所的研究人員設計了一種基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜的5 × 5陣列式結構壓電MEMS聲波器件芯片，通過摻鈧技術增強了AIN薄膜的壓電系數(shù)，使器件實現(xiàn)了更高的接收靈敏度。該器件經(jīng)過水密封裝制成MEMS水聽器后，可應用于管道泄漏探測及海洋噪聲監(jiān)測等工程中。相關研究成果已發(fā)表于《壓電與聲光》期刊。

基于Al0.8Sc0.2N薄膜的MEMS聲波器件芯片是基于6英寸SOI襯底與CMOS兼容的摻鈧氮化鋁壓電集成平臺研制，研究人員采用鈧摻雜（質量分數(shù)為20%）增強了AlN薄膜的壓電系數(shù)，并通過雙電極結構配置及優(yōu)化結構尺寸來增強聲壓作用下的電信號輸出，以使器件具有更好的接收靈敏度。MEMS聲波器件芯片主要由圓形懸膜式結構的5 × 5傳感單元陣列組成，尺寸為3 mm × 3 mm。圖1為單個傳感單元的橫截面圖，振動薄膜主要由鈍化層、頂電極、壓電層、底電極、種子層和SOI硅片中5 μm器件硅疊層構成。

圖1 基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜的傳感單元的截面圖

圖2 基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜的MEMS水聽器芯片

該壓電MEMS聲波器件在空氣中的接收靈敏度為-166.8 dB(Ref.1 V/μPa)，比相同結構基于AlN薄膜的聲波器件約高2.6 dB，這表明通過摻鈧技術增強了AlN薄膜的壓電系數(shù)。在50 Hz ~ 3 kHz帶寬范圍內(nèi)，器件靈敏度曲線變化小于1.5 dB，具有平坦的聲學響應。此外，該MEMS聲波器件的輸出電壓隨著外界聲信號強度的增加而呈線性增加，證明了這種結構的聲波器件具有良好的線性度。

圖3 壓電MEMS聲波器件接收性能實驗測試系統(tǒng)

圖4 AIN薄膜與Al0.8Sc0.2N薄膜聲波器件的靈敏度響應曲線

圖5 基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜的MEMS聲波器件在500 Hz、5 kHz下的線性度曲線

研究表明，這種基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜的MEMS聲波器件具有小體積、高靈敏度和寬帶寬等優(yōu)點，經(jīng)過水密封裝后制成的MEMS水聽器可應用于海洋噪聲等多種水下環(huán)境探測。

審核編輯：劉清