华为压电声学传感器专利：巧用“镂空”结构，破解MEMS制造难题

热门资讯 2025年09月09日 10:38 1 admin

微机电系统（MEMS）声学传感器的制造是一门涉及多层薄膜沉积、光刻、刻蚀等复杂工艺的精密工程。在这一过程中，由于不同材料（如压电薄膜、电极、绝缘层）之间热膨胀系数的失配，以及薄膜生长过程中产生的本征应力，最终形成的微结构中几乎不可避免地会存在残余应力。

对于依赖悬臂梁或振膜等活动部件形变的压电式传感器而言，这种应力会导致结构发生静态的翘曲或弯曲，进而引发谐振频率的非预期偏移、机电耦合效率下降（即灵敏度降低），以及在同一晶圆上不同芯片间的性能不一致性。

2025年9月3日，华为授权公告了一项名为“压电声学传感器和制造方法”的专利（EP4132008B1），针对上述问题，提出了一种纯粹基于结构力学设计的解决方案。

这项专利最大的亮点在于“镂空机械部件”的引入。其设计目标是在最终器件成型前，通过一个被动的、自发的机械形变过程，将压电单元内部积累的应变能予以释放，从而获得一个接近理想零应力状态的初始结构。

根据专利文件，该传感器由四个关键子系统构成：锚定单元（1）、压电单元（2）、支撑单元（3）以及镂空机械部件（4）。

专利图4为一种压电声学传感器的结构示意图。（5 背腔）

镂空机械部件的双重角色

该部件是一种被设计为具有低机械刚度（Low Stiffness）和高柔顺性（High Compliance）的微型悬挂结构。专利中展示了弯曲、中空、网格等多种几何构型，其共同点是通过结构优化（如细长的梁、弯折的弹簧结构）来实现特定方向上的易变形特性。

专利图12-14展示了镂空机械部件的结构示意图，说明其“低刚度、易变形”的特性，用来释放残余应力。

专利图15-16展示了镂空机械部件与压电单元连接方式的示意图。

应力释放模态（Release Mode）：在制造流程中，当覆盖于压电单元下方的牺牲层（7）被化学方法（如湿法腐蚀）移除后，压电单元会暂时悬空，仅通过这些柔性的镂空机械部件与周边的锚定单元相连。此刻，压电薄膜叠层中存储的巨大残余应力（无论是拉应力还是压应力）会驱动整个压电单元发生面内（in-plane）的伸缩或面外（out-of-plane）的翘曲。
镂空部件的高柔顺性为这种变形提供了足够的自由度，使其能够将内部的应变能转化为结构的宏观位移，从而达到应力释放的目的。这一步骤是整个设计的核心，旨在将压电单元“复位”到一个力学上的松弛状态。

结构锁定模态（Lockdown Mode）：应力释放完成后，在后续工序中，会沉积一层支撑单元（3）材料（如氮化硅或多晶硅）。这层材料不仅覆盖压电单元，更关键的是会填充并包裹住镂空机械部件的所有缝隙。这一“填充-嵌入”过程，极大地增加了原柔性结构的有效截面积和惯性矩，使其刚度瞬间提升数个数量级，从一个柔性连接（Flexure）转变为一个刚性锚点（Rigid Anchor）。
至此，已经处于零应力状态的压电单元被牢固地固定下来，其最终的静态几何形状和边界条件得以确定，为后续获得一致的声学性能奠定了基础。

压电声学传感器制造方法的流程图

压电单元设计与中性轴（Neutral Axis）管理

该专利还考虑了不同压电单元结构对性能的影响。

对于单压电晶片结构（下电极-压电层-上电极），支撑单元被设计为完全覆盖压电单元的顶面。这种设计有意地将整个复合结构（压电单元+支撑单元）的力学中性轴向上偏移，使其远离压电材料的中心。当中膜受声压弯曲时，这使得压电材料承受更大的拉伸或压缩应变，从而根据压电效应 (D=d·T，其中D为电位移，d为压电系数，T为应力) 产生更多的电荷，有效提升传感器的灵敏度。

对于双压电晶片结构（包含两个压电层和一个中间电极），支撑单元则仅部分覆盖压电单元的上表面（例如，仅覆盖边缘）。这样做的目的是确保整个结构的中性轴尽可能地维持在中间电极的位置。在这种“push-pull”配置下，当结构弯曲时，上下两个压电层承受的应力符号相反，可以实现差分信号输出，在不影响甚至增强输出信号的同时，更好地抑制共模噪声。

对比现有方案

目前主流 MEMS 麦克风大体分为电容式和压电式两类。电容式 MEMS 麦克风由 Knowles、歌尔声学、AAC 等厂商长期主导，其优势在于成熟度高、低噪声表现好，但对偏置电压和功耗控制存在天然劣势。压电式 MEMS 麦克风则因无需偏置电压、低功耗而受到青睐，代表厂商包括 TDK-InvenSense 和索尼，主要通过材料创新（如铝氮化物、掺钪铝氮化物）提升灵敏度。

然而，这些方案依旧面临残余应力一致性不足的问题，影响多颗麦克风的阵列应用。

华为的“中空应力释放”方法，相当于在 MEMS 工艺流程中额外嵌入了“自适应补偿机制”，使得压电器件在加工后能保持高度一致的性能，这在业界并不多见。

潜在挑战

从工程实现的角度，这项技术也面临几个挑战：

1.工艺复杂度：镂空机械部件的制造需要精细的光刻和蚀刻工艺，并在牺牲层去除过程中保证结构稳定，这可能带来良率问题。

2.成本控制：相比传统悬臂梁结构，新增的应力释放设计增加了制程步骤，对大规模量产的成本结构有待验证。

3.与电路匹配：压电传感器的输出信号较弱，需要配合低噪声 ASIC 前端电路才能充分发挥优势，这方面华为是否有配套布局仍待观察。

结语

华为这项专利技术展示了一种解决MEMS制造物理难题的创新思路。如果该技术能够成功转化为大规模量产的产品，无疑将增强华为在核心声学元器件领域的自主可控能力和市场竞争力。随着消费电子对音频体验的要求不断攀升，这种能够确保高性能和高一致性的压电声学传感器技术，其市场前景值得期待。