MEMS芯片具有無源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，與低噪聲信號(hào)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(shí)現(xiàn)寬頻檢測(cè)等特點(diǎn)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(yīng)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(zhì)因數(shù)高、介電損耗低及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(bào)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所的研究人員設(shè)計(jì)了一種基于Al0.8Sc0.2N壓電薄膜的5 × 5陣列式結(jié)構(gòu)壓電MEMS聲波器件芯片，通過摻鈧技術(shù)增強(qiáng)了AIN薄膜的壓電系數(shù)，使器件實(shí)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(yīng)用于管道泄漏探測(cè)及海洋噪聲監(jiān)測(cè)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(tái)研制，研究人員采用鈧摻雜（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）增強(qiáng)了AlN薄膜的壓電系數(shù)，并通過雙電極結(jié)構(gòu)配置及優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸來增強(qiáng)聲壓作用下的電信號(hào)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)基于AlN薄膜的聲波器件約高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)。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(xué)響應(yīng)。此外，該MEMS聲波器件的輸出電壓隨著外界聲信號(hào)強(qiáng)度的增加而呈線性增加，證明了這種結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(yīng)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(diǎn)，經(jīng)過水密封裝后制成的MEMS水聽器可應(yīng)用于海洋噪聲等多種水下環(huán)境探測(cè)。

審核編輯：劉清