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近年来，采用微电子机械系统(MEMS)技术的微声学器件获得了极大的发展。基于MEMS的微声学器件以其灵敏度高、体积小、成本低、易于集成等特点，被广泛应用于手提电话、助听器、声学测量等领域。基于压电原理的微传声器与电容微传声器相比，无相对运动电极，具有独特的优势。尤其是采用MEMS技术制作的压电微传声器，由于结构纤小，减少了结构刚性，极大地提高了器件灵敏度。本文设计的微麦克风采用硅基压电悬臂梁作为声压感受器件，并在绝缘体上硅(SOI)衬底上制作压电悬臂梁结构。此技术方案有望使微麦克风获得较高的灵敏度、较小的器件尺度，并占用较少的芯片面积，同时，其结构简单、器件可靠性高、工艺复杂度较低，适合大规模批量生产。
2 器件设计和模拟
在硅基压电麦克风的设计与制作中，基于器件原理要求、器件制造工艺以及应力匹配等原因，压电悬臂梁型微麦克风一般由多层薄膜构成。以锆钛酸铅(PZT)为基本压电薄膜材料，硅基压电悬臂梁型麦克风的结构设计如图1所示。
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衬底的硅层作为主要的弹性层，其上的SiO2层作为绝缘层和淀积下电极的缓冲层，sol-gel法淀积的PZT薄膜为压电层，其上、下分别为溅射淀积的铂上、下电极，作为压电薄膜的上、下电极。
为优化设计硅基压电悬臂梁型微麦克风的机电性能，采用有限元数值模拟的方法对压电薄膜悬臂梁的机电性能做数值模拟。模拟中考虑五层结构，分别为Si，SiO2，Pt(下电极)，PZT，Pt(上电极)。在模拟分析过程中，采用ANSYS有限元分析软件中的耦合场模拟方法。单晶硅，SiO2，上、下电极以各向同性材料特性建模，其中，单晶硅和SiO2采用三维体单元，上、下电极采用壳单元类型划分网格，PZT薄膜采用各向异性材料特性建模，以三维体单元类型划分网格，材料参数如表1所示。
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图2的模拟结果中显示了压悬臂梁第一共振频率在不同悬臂梁长度时的变化情况。图3的模拟结果中显示了压悬臂梁第一共振频率在不同悬臂梁宽度时的变化情况。从模拟结果中可以看出，梁长度变化对共振频率有强烈影响，而梁宽度对共振频率基本无影响。
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具有优良频响特性的微麦克风的频带宽度应为20 Hz～20 kHz。为此应将悬臂梁的第一共振频率设计为大于20 kHz，以保证微麦克风稳定工作。因此，选定压电悬臂梁的长度和宽度分别为220 μm和120 μm。通过模拟并结合工艺实现，可以进一步确定各层薄膜的厚度参数，如表2所示。采用上述器件结构的压微麦克风，在静压下，其电压灵敏度为0.0402 mV／Pa；在10 kHz的声压下，其电压灵敏度为0.0475 mV／Pa，其频率响应曲线如图4所示。
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3 工艺设计
硅基压电悬臂梁麦克风的制作使用(100)双面抛光SOI硅片，其图例及工艺流程见图5。
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首先，在清洗处理和双面热氧化后，淀积Si3N4薄膜(b)。然后，背面光刻结构窗口，使用RIE工艺刻蚀掉Si3N4层，用氢氟酸湿法漂去露出的热氧化层(c)，利用KOH各向异性体硅腐蚀液进行体硅腐蚀，并去除其中的绝缘层，形成单晶硅薄膜(d)。接下来，在正面进行PZT压电复合薄膜的制作。首先去掉两面的Si3N4和热氧化层，重新生长适当厚度的热氧化薄膜(e)。在正面依次淀积下电极薄膜，压电薄膜，上电极薄膜，并采用离子束刻蚀结合湿法刻蚀工艺，依次刻蚀上电极、压电薄膜、下电极和Si3N4层(f)。最后淀积绝缘介质层，再采用湿法刻蚀工艺刻蚀出上、下电极引线孔，淀积并刻蚀金属Al连线。随后，采用电感耦合等离子体(ICP)工艺刻蚀硅膜，释放悬臂梁(g)。在工艺设计中，SiO2层做为缓冲隔离层。下电极可由钛／铂复合层构成，压电薄膜可由种子层与PZT层复合构成，上电极可由钛／铂复合层构成。
4 结 语
本文设计并优化了一种硅基PZT压电悬臂梁型微麦克风。模拟分析表明，采用相同厚度压电复合膜的情况下，随着悬臂梁的长度增加，其共振频率急骤下降，而梁宽度对共振频率基本无影响。综合考虑微麦克风的频响特性、最大灵敏度、工艺可实现性等约束条件，根据前面的分析结果，我们对压电微麦克风进行了优化设计，获得了合理的设计参数，给出制作工艺流程。这种压电悬臂梁式微麦克风具有较高的灵敏度、较小的器件尺度，占用较少的芯片面积，同时其结构简单、工艺复杂度较低，有望与信号处理电路结合实现集成化的微传声器件。