中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
MEMS芯片具有無(wú)源、結構簡(jiǎn)單、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，與低噪聲信號放大電路集成后，再通過(guò)特殊的水密封裝可制成具有小型化、低功耗、易實(shí)現寬頻檢測等特點(diǎn)的水聽(tīng)器，可以很好地解決傳統水聽(tīng)器體積大、功耗高、成本高及難以形成陣列等問(wèn)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(tīng)器的代表性材料，其中AIN薄膜具有性能穩定、品質(zhì)因數高、介電損耗低及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于A(yíng)IN水聽(tīng)器的研制。研究表明，在A(yíng)lN薄膜中通過(guò)摻雜可以提升其壓電系數和機電耦合系數，從而提高器件的接收靈敏度等性能。
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A(yíng)l0.8Sc0.2N壓電薄膜的5 × 5陣列式結構壓電MEMS聲波器件芯片，通過(guò)摻鈧技術(shù)增強了AIN薄膜的壓電系數，使器件實(shí)現了更高的接收靈敏度。該器件經(jīng)過(guò)水密封裝制成MEMS水聽(tīng)器后，可應用于管道泄漏探測及海洋噪聲監測等工程中。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《壓電與聲光》期刊。
基于A(yíng)l0.8Sc0.2N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(zhì)量分數為20%）增強了AlN薄膜的壓電系數，并通過(guò)雙電極結構配置及優(yōu)化結構尺寸來(lái)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(gè)傳感單元的橫截面圖，振動(dòng)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A(yíng)l0.8Sc0.2N壓電薄膜的傳感單元的截面圖
圖2 基于A(yíng)l0.8Sc0.2N壓電薄膜的MEMS水聽(tīng)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A(yíng)lN薄膜的聲波器件約高2.6 dB，這表明通過(guò)摻鈧技術(shù)增強了AlN薄膜的壓電系數。在50 Hz ~ 3 kHz帶寬范圍內，器件靈敏度曲線(xiàn)變化小于1.5 dB，具有平坦的聲學(xué)響應。此外，該MEMS聲波器件的輸出電壓隨著(zhù)外界聲信號強度的增加而呈線(xiàn)性增加，證明了這種結構的聲波器件具有良好的線(xiàn)性度。
圖3 壓電MEMS聲波器件接收性能實(shí)驗測試系統
圖4 AIN薄膜與Al0.8Sc0.2N薄膜聲波器件的靈敏度響應曲線(xiàn)
圖5 基于A(yíng)l0.8Sc0.2N壓電薄膜的MEMS聲波器件在500 Hz、5 kHz下的線(xiàn)性度曲線(xiàn)
研究表明，這種基于A(yíng)l0.8Sc0.2N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(diǎn)，經(jīng)過(guò)水密封裝后制成的MEMS水聽(tīng)器可應用于海洋噪聲等多種水下環(huán)境探測。
