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微传声器是MEMS技术在传声器中的应用,也是传声器发展的方向。目前,压电式微传声器和电容式微传声器是研究最多的两种微传声器,压电式微传声器与电容式微传声器相比,不需要外加电压,制备工艺比较简单,更适合系统的集成化,但是其灵敏度与电容式微传声器相比比较小。本文以提高压电式微传声器的灵敏度为目标,对ZnO压电式微传声器的理论、结构设计、制备工艺及测试系统进行了全面的研究。
压电式微传声器的灵敏度是相对于测量方法而言的,对不同的测量方法,比较灵敏度是没有意义的。对于电压测量法,微传声器的放大电路应采用串联负反馈的方式,应采用ZnO作为压电材料,微传声器的电极应采用串联连接方式。通过对ZnO压电式微传声器进行有限元分析,发现悬臂式微传声器的静态灵敏度(92.15mV/Pa)比四边固支微传声器(7.89mV/Pa)的高,但是悬臂式微传声器的第一共振频率(541Hz)比四边固支微传声器(5673HZ)的低；通过对ZnO压电式微传声器进行优化分析,发现微传声器的灵敏度与其第一共振频率不能同时得到改善。本文设计了三种ZnO压电式微传声器结构。
通过ZnO的制备工艺实验,发现在基底温度为280℃时,制备的ZnO晶体具有高度C轴择优取向性,ZnO晶体衍射峰的半高宽为0.162°,这说明ZnO晶粒比较粗大,薄膜质量比较好。采用LPCVD制备氮化硅薄膜,发现Si3N4的应力比较大,富硅氮化硅薄膜的应力相对比较小,但是如果硅含量过高,薄膜的应力反倒会增加。通过工艺试验,制定了微传声器的制备工艺流程并完成微传声器芯片的制作。
由于压电式微传声器信号非常小,阻抗比较大,所以采用斩波稳定运算放大器ICL7653组成前置放大电路；测试电路包括前置放大电路和功率放大电路,采用LM4910组成功率放大电路。另外用LabVIEW软件设计了信号采集系统。通过对芯片进行测试,发现微传声器的实际输出电压最大值是240μV,最小值是52μV,分析灵敏度比较低的因为是薄膜的应力比较大所造成的。