论文部分内容阅读
当前，铁电薄膜与微电子机械系统(MEMS)的集成越来越受到研究者的关注。本论文深入系统的研究了硅基铁电薄膜的制备方法及刻蚀加工等集成技术，在此基础上创新性地提出将具有优异力电耦合性能的锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜用于硅基微麦克风研制的思想，完成了器件的优化设计，并成功实现了国际上首个铁电微麦克风器件原型。
论文首先研究了PZT铁电薄膜的制备、加工等基础集成工艺。使用溶胶—凝胶(Sol-Gel)工艺制备出了性能良好的PZT铁电薄膜，对工艺中的溶胶制备、薄膜退火等关键步骤进行了研究，使之与硅微加工工艺兼容。同时，研究了铁电薄膜的干法、湿法刻蚀工艺，获得了大面积均匀的刻蚀速率。
其次，利用理论分析推导出了压电式微麦克风性能随结构参数变化的一般规律，获得了优化设计的一般准则，得到了以铁电薄膜取代普通压电材料制备微麦克风能够提高性能的理论依据。同时利用有限元分析方法，采用ANSYS分析软件对麦克风结构进行了模拟，验证了理论分析的可行性，并得到了优化设计。
将PZT薄膜的刻蚀加工等集成工艺应用于硅基铁电微麦克风，在结构设计的基础上对微麦克风进行了版图和工艺设计，进行了多次工艺流水，首次实现了基于PZT铁电薄膜的硅基微麦克风的制作。经过对工艺的优化和改进，获得了较高的成品率。
自由声场与耦合腔中的测试结果表明，硅基铁电微麦克风具有很好的性能，低频能够达到20Hz以下，高频可以通过结构参数的设计来任意调整，直至实现全音频领域(20Hz～20kHZ)的平直响应。麦克风灵敏度可以达到10～20mV/Pa，并具有进一步改善的潜力，对麦克风的测试与有限元分析的结果进行了比较，验证了分析的正确性。