基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜MEMS聲波器件的研制

黃湘俊，邸 嘯，劉 婭，李 鑫，易擁潔，吳鵬程，安 興，朱 鑫

(1.聯(lián)合微電子中心有限公司，重慶 400060；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

壓電微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)芯片具有無源、結(jié)構(gòu)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、功耗低、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[1-2]。針對目前MEMS水聽器存在靈敏度低，低頻特性差，耐水壓能力弱等問題[3]，本文對應(yīng)用于水聽器的壓電MEMS聲波器件的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

壓電材料ZnO[4]、聚偏氟乙烯(PVDF)[5]、PZT[6]、AlN[7]等是應(yīng)用于壓電MEMS水聽器研制的代表性材料，其中AlN薄膜具有性能穩(wěn)定，品質(zhì)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MEMS水聽器的研制。2016年，新加坡微電子研究院研制的壓電AlN薄膜水聽器靈敏度達(dá)到(-182±3)dB(Ref.1 V/μPa)，結(jié)構(gòu)尺寸小，質(zhì)量小，已成功應(yīng)用于檢測海洋中聲音信號[8]。2018年，微電子研究院在3.5 mm×3.5 mm的芯片上集成了10×10個單元的陣列，器件靈敏度為-180.1 dB(Ref.1 V/μPa)，等效噪聲聲壓譜級為60 dB@1 kHz(Ref.1 μPa/√Hz)[9]。與PZT、ZnO等壓電材料相比，AlN薄膜整體性能優(yōu)異，但其壓電系數(shù)較小，導(dǎo)致制作的MEMS器件機(jī)電耦合系數(shù)較低，抑制了器件的高接收靈敏度和大帶寬性能。大量工作表明，在AlN薄膜中通過摻雜可以提升壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，從而提高器件的接受靈敏度等性能。2019年，德國弗賴堡大學(xué)通過優(yōu)化后的磁控濺射工藝制備出高鈧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Si基Al0.54Sc0.46N薄膜，獲得的壓電系數(shù)d33高達(dá)44 pC/N，并仍具有c軸晶體學(xué)取向[10]。國內(nèi)的奧趨光電在2021年制得的硅基摻鈧AlN薄膜，鈧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～45%，可用于壓電MEMS器件和5G射頻前端聲學(xué)濾波器[11]。

提高AlN薄膜中摻鈧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以提升材料的壓電系數(shù)，但高濃度鈧原子的壓電Sc-AlN晶體相的不穩(wěn)定性會增加薄膜制備的復(fù)雜性，從而降低生產(chǎn)效率，同時也會降低壓電薄膜的性能。本文為了獲得更高的接收靈敏度，采用摻鈧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的AlN薄膜提高傳感層的壓電系數(shù)，設(shè)計雙電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電荷的差分輸出，并優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)尺寸以增強(qiáng)聲壓作用下的電信號輸出，從而實現(xiàn)聲波器件更高的靈敏度。測量結(jié)果表明，研制的Al0.8Sc0.2N薄膜聲波器件的接收靈敏度為-166.8 dB(Ref.1 V/μPa)，比相同結(jié)構(gòu)基于AlN薄膜的聲波器件提高了2.6 dB，這表明AlN薄膜通過摻鈧提高了器件的接收靈敏度。在50 Hz～3 kHz帶寬范圍內(nèi)靈敏度曲線起伏小于1.5 dB，器件具有平坦的輸出響應(yīng)。本文研制的壓電MEMS聲波器件表現(xiàn)出良好的性能，經(jīng)過特殊水密封裝制成的水聽器可應(yīng)用于拖曳陣聲吶、管道泄漏檢測、無人水下航行器等領(lǐng)域的水聲探測[12]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

1.1 單元結(jié)構(gòu)模型

基于Al0.8Sc0.2N的壓電MEMS聲波器件芯片主要由圓形懸膜式結(jié)構(gòu)的5×5傳感單元陣列組成。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(gòu)成。SOI硅片中的1 μm SiO2可以作為器件背腔刻蝕時的停止層，也可作為底電極與硅基底之間的電氣絕緣層。芯片正面通過沉積和剝離工藝圖形化金屬走線和金屬焊盤，金屬走線將壓電薄膜層的上下電極引出，通常底部電極作為接地電極，頂部內(nèi)外電極作為信號正負(fù)電極。

1.2 振膜半徑確定

諧振頻率是MEMS聲波器件設(shè)計的一個關(guān)鍵參數(shù)，因為它決定了器件的工作帶寬。器件振動薄膜為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，設(shè)計時需要將復(fù)合結(jié)構(gòu)的中性軸設(shè)置在SOI硅片的5 μm硅層中,以增強(qiáng)器件的電聲轉(zhuǎn)換效率。MEMS聲波器件的諧振頻率主要與振動薄膜材料、厚度和直徑相關(guān)，對于半徑為R、邊緣固定的圓形薄膜結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)諧振頻率f0可表示[13]為

(1)

式中：m,k分別為復(fù)合振動薄膜的有效質(zhì)量和有效彈簧系數(shù)；E,υ,ρ,h分別為復(fù)合薄膜的等效楊氏模量、等效泊松比、等效密度與厚度。

由式(1)可知，器件的諧振器頻率與振動薄膜的厚度成正比，與振膜的半徑平方成反比。由于壓電聲波器件制作工藝的限制，只能在小范圍內(nèi)改變各膜層的厚度來調(diào)整器件的諧振頻率，但可以通過靈活改變振膜半徑來調(diào)整器件的諧振頻率。因此，仿真分析了壓電層厚度與振膜半徑對器件諧振頻率的影響，從而為設(shè)計器件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)提供指導(dǎo)。

聲波器件結(jié)構(gòu)呈圓周對稱分布，可以在有限元軟件中構(gòu)建1/4單元模型進(jìn)行仿真計算，從而減少設(shè)備運算時間和存儲空間。設(shè)定振動薄膜半徑為200 μm，固定器件其他參數(shù)不變，改變壓電層厚度，仿真得到曲線如圖2所示。由圖可知，壓電層厚度對器件諧振頻率的影響呈線性關(guān)系，影響幅度約為100 kHz/μm，對器件諧振頻率的影響相對較小。

設(shè)定壓電層厚度為1.0 μm，固定器件其他參數(shù)不變，改變振膜半徑，仿真得到曲線關(guān)系如圖3所示。由圖可知，振膜半徑越小，其諧振頻率越高，呈指數(shù)型變化特性，故振膜半徑對器件諧振頻率的影響較大。經(jīng)過分析壓電層厚度與振膜半徑對諧振頻率的影響，設(shè)計時主要采用調(diào)整器件振膜半徑大小的方法來獲得器件諧振頻率。

MEMS聲波器件經(jīng)過特殊的水密封裝制成水聽器，其主要應(yīng)用于水下環(huán)境聲音信號的檢測。振動薄膜需要足夠強(qiáng)的剛度來滿足水聽器的耐壓能力(1 MPa以上)，同時器件在50 Hz～3 kHz帶寬范圍內(nèi)要有足夠高的靈敏度和信噪比。當(dāng)器件結(jié)構(gòu)中各層薄膜承受最大應(yīng)力小于該層材料楊氏模量的1%時，認(rèn)為未超過材料允許的最大極限應(yīng)力，結(jié)構(gòu)不會遭到破壞[14]。權(quán)衡并兼顧耐壓能力和靈敏度指標(biāo)，設(shè)定器件的壓電薄膜厚度為1.0 μm，振膜有效半徑R=200 μm。對模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析，在振膜上均勻施加1 MPa的聲壓，得到器件的應(yīng)力分布如圖4所示，器件的最大應(yīng)力為553 MPa，位于空腔結(jié)構(gòu)的邊緣位置。器件中每層薄膜上承受的最大應(yīng)力如圖5所示。由圖5可知，最大應(yīng)力位于壓電層。經(jīng)對比分析可知，各層薄膜承受的最大應(yīng)力均小于對應(yīng)楊氏模量的1%，所以該結(jié)構(gòu)的器件滿足水聽器耐壓(1 MPa)條件下的應(yīng)用。

1.3 電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化與陣列設(shè)計

MEMS聲波器件的敏感元件是傳感振膜單元，振膜的中心與邊緣之間存在一條應(yīng)變?yōu)?的曲線[15]，零應(yīng)變曲線分界處兩側(cè)區(qū)域的應(yīng)力類型不同，在聲壓作用下產(chǎn)生極性相反的電荷。以該曲線對頂部電極進(jìn)行電氣分隔形成內(nèi)外電極區(qū)域，通過金屬引線分別將壓電薄膜上內(nèi)外電極累積的電荷放大,并轉(zhuǎn)換成電壓輸出，實現(xiàn)對聲音信號的差分檢測，從而提高器件的接收聲壓靈敏度。

設(shè)定振動薄膜半徑為200 μm，固定器件其他參數(shù)不變，在振動薄膜上施加1 Pa均勻聲壓載荷對模型進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，截取壓電層上由振膜邊緣到中心的半徑弧長，其受應(yīng)力情況如圖6所示。由圖可知，振膜在聲壓作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使壓電層的中心圓形區(qū)域受到約為0.025 MPa的正應(yīng)力，而振膜周邊環(huán)形區(qū)域受到約-0.02 MPa的應(yīng)力。圖中插入了壓電薄膜在1 Pa聲壓作用下的應(yīng)力分布，薄膜中存在一條應(yīng)力為零的曲線。聲壓作用下的壓電薄膜兩側(cè)產(chǎn)生類型相反的橫向應(yīng)力，則兩個區(qū)域會輸出電極相反的電荷。對振膜的中心圓形電極半徑進(jìn)行仿真，得到器件歸一化電荷靈敏度隨單元頂部圓形電極半徑變化關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可見，當(dāng)頂部電極內(nèi)圓形半徑為腔體半徑的69%時，電荷靈敏度最大。因此，單元頂部電極設(shè)計分為內(nèi)圈圓形電極和外圈環(huán)形電極，內(nèi)圈圓形電極半徑為140 μm，外圈環(huán)形電極延伸至背腔邊緣外，中間有10 μm的分割區(qū)域?qū)?nèi)外電極進(jìn)行電氣分離,以形成內(nèi)外正負(fù)電荷，并以差分輸出方式增加輸出電壓，進(jìn)一步提高器件的靈敏度。

為了保證接收式水聽器在工作頻率范圍內(nèi)輸出響應(yīng)平坦，基礎(chǔ)諧振頻率必須遠(yuǎn)大于傳感器的工作頻率。設(shè)計確定單元振動薄膜半徑為200 μm，壓電層厚度為1.0 μm，上下鉬電極的厚度為0.3 μm，對模型進(jìn)行特征頻率分析。圖8為傳感單元的振型圖，器件的基礎(chǔ)諧振頻率為525.25 kHz，滿足設(shè)計要求。對模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)靈敏度仿真分析得到1 Pa聲壓作用下模型開路輸出電壓，器件外圈環(huán)形電極輸出電壓(Vout)為-7.65 μV，內(nèi)圈圓形電極輸出電壓(Vin)為9.74 μV，則器件差分輸出電壓為V0=|Vin-Vout|=17.39 μV。減小單一的傳感單元薄膜半徑可滿足水聽器的諧振頻率和耐靜水壓設(shè)計要求，但單個傳感單元感知面積小，這使得器件的接收性能差。因此，通過陣列設(shè)計來增加敏感單元的有效電極面積，從而達(dá)到增強(qiáng)靈敏度和改善噪聲比的目的。設(shè)計時陣列中每個單元的結(jié)構(gòu)尺寸一致，并通過電極引線并聯(lián)所有傳感單元的內(nèi)外圈電極輸出。理想情況下，陣列器件的電壓靈敏度輸出與陣列中傳感單元個數(shù)的關(guān)系為V=nV0(其中n為單元個數(shù))。綜合考慮器件尺寸與接收靈敏度的要求，本文設(shè)計了5×5陣列式結(jié)構(gòu)的壓電MEMS聲波器件芯片，其尺寸為3 mm×3 mm。

2 測試分析與討論

2.1 形貌測試

MEMS聲波器件芯片是基于6英寸(1英寸=2.54 cm)SOI襯底與CMOS兼容的摻鈧氮化鋁壓電集成平臺研制，完成器件加工后對芯片的形貌進(jìn)行檢測，圖9(a)為制作的MEMS聲波器件芯片的光學(xué)顯微鏡圖像，圖形中結(jié)構(gòu)清晰且無雜質(zhì)殘留。圖9(b)為陣列中心單元的放大圖像，器件頂部內(nèi)電極和外部電極進(jìn)行了分割，金屬引線將單元頂部內(nèi)外電極引出，并與其他單元進(jìn)行并聯(lián)連接。圖9(c)為器件單元背腔刻蝕斷面SEM圖像，從圖中可以判斷器件的SOI中SiO2層已刻蝕完全，背腔刻蝕效果良好，與設(shè)計基本一致。

2.2 激光多普勒測試儀(LDV)振動測試

MEMS聲波器件陣列良好的均勻性以及低串?dāng)_是聲音信號測試的關(guān)鍵。使用Polytec MSA-600激光多普勒測振儀(LDV)對MEMS芯片進(jìn)行頻率特性測試，在空氣中測量了整個陣列中心傳感單元的頻率響應(yīng)和中心位移，并以陣列中心單元的諧振頻率為驅(qū)動頻率測量了器件陣列的振型。在器件的底電極與頂部內(nèi)電極施加幅值為1 V的交流電壓信號，設(shè)置頻率掃描范圍為400～800 kHz，頻率間隔為100 Hz。圖10為陣列中心傳感單元中心位移-頻率響應(yīng)，空氣中測得傳感單元諧振頻率為512.9 kHz，最大位移約為3.62 nm。器件的測試頻率與設(shè)計頻率(525.25 kHz)存在一定的差異，這主要是由于結(jié)構(gòu)尺寸和空腔刻蝕的加工誤差，或單元結(jié)構(gòu)邊界約束的不一致導(dǎo)致。由圖10中插入的 MEMS陣列單元的動態(tài)位移圖可看出，陣列各單元存在振動幅值大小不同和振動相位不一致，各單元間存在一定相位差，這將使聲波器件的性能下降。

2.3 電聲性能測試

將MEMS聲波器件芯片與專用的低噪聲信號調(diào)理電路集成在PCB板上，用于拾取壓電MEMS聲波器件在聲壓作用下產(chǎn)生的電學(xué)信號，該前置放大電路的設(shè)計增益為40 dB。室溫下，自由場空氣中采用比較校準(zhǔn)法對基于Al0.8Sc0.2N薄膜與AlN薄膜研制的壓電MEMS聲波器件在50 Hz～3 kHz頻段內(nèi)進(jìn)行接收靈敏度測試。為了降低環(huán)境噪聲以及低頻噪聲回波對于低頻段測試結(jié)果的影響，測試在本底噪聲滿足NR15、凈空間尺寸為6 m×6 m×3.6 m的消音室中進(jìn)行。采用B&K 2716C功率放大器用于激勵聲源。BK 4191參考標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)與MEMS聲波器件測量頻率采樣點的聲壓級。B&K3160-A-022數(shù)據(jù)采集卡用于同步功放信號，采集并對比標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)信號和MEMS聲波器件信號，并在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存、顯示，測試系統(tǒng)如圖11 所示。圖中嵌入了MEMS芯片與電路集成的PCB。

圖12為基于Al0.8Sc0.2N薄膜與AlN薄膜研制的壓電MEMS聲波器件在空氣中不同頻率下測量的接收靈敏度曲線。由圖可知，Al0.8Sc0.2N薄膜聲波器件接收靈敏度為-166.8 dB(Ref.1 V/μPa)，相比于具有相同結(jié)構(gòu)靈敏度為-169.4 dB(Ref.1 V/μPa)的AlN薄膜聲波器件，Al0.8Sc0.2N薄膜聲波器件電壓靈敏度提高了約2.6 dB，這表明通過摻鈧技術(shù)增強(qiáng)了AlN薄膜的壓電系數(shù)，器件實現(xiàn)了更高的接收靈敏度。在50 Hz～3 kHz頻率范圍內(nèi)接收靈敏度曲線起伏小于1.5 dB，器件具有平坦響應(yīng)。

圖13為基于Al0.8Sc0.2N薄膜的MEMS聲波器件的線性度曲線。由圖可知，聲波器件的輸出電壓隨著外界聲信號強(qiáng)度的增加而呈線性增加，該結(jié)構(gòu)的聲波器件具有良好的線性度。

為進(jìn)一步改善壓電MEMS聲波器件的性能，設(shè)計了雙壓層矩形或蜂窩形結(jié)構(gòu)的Sc-AlN薄膜，其增大聲壓接受面積以獲得更高的電聲轉(zhuǎn)換效率，從而提高聲波器件的接收靈敏度。同時設(shè)計對稱型結(jié)構(gòu)器件以減少振動薄膜上質(zhì)量分布的不均性，從而減少陣列單元中諧振器頻率與相位的差異。

3 結(jié)束語

本文在6英寸SOI壓電平臺上設(shè)計、制造并表征了一種由5×5個圓形傳感單元陣列組成的壓電MEMS聲波器件。采用摻雜技術(shù)提高了AlN薄膜的壓電系數(shù)，設(shè)計內(nèi)外電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)差分電荷信號輸出，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)增強(qiáng)聲電轉(zhuǎn)換效率等方法提高聲波器件的接收靈敏度。在空氣中進(jìn)行電聲測試，聲波器件的聲學(xué)靈敏度為-169.4 dB(Ref.1 V/μPa)，比相同結(jié)構(gòu)基于AlN薄膜的聲波器件接收靈敏度提高了約2.6 dB，說明器件實現(xiàn)了更高的接收靈敏度。器件在50 Hz～3 kHz頻率范圍內(nèi)的接收靈敏度曲線起伏小于1.5 dB，具有平坦輸出響應(yīng)。結(jié)果表明，所研制的壓電MEMS聲波器件具有小體積，高靈敏度和寬帶寬的優(yōu)點，水密封裝后構(gòu)成MEMS水聽器可用于海洋噪聲等水下環(huán)境探測。