具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为发明实施例提供的一种新型压电式MEMS麦克风的结构的结构示意图；如图1所示，本申请提供一种新型压电式MEMS麦克风的结构，结构包括：衬底10、压电结构层30、第一电极层20和第二电极层40；衬底10为空腔结构，且空腔结构的衬底10的一面设置有开口，第一电极层20覆盖设置在开口位置，压电结构层30设置在第一电极层20远离衬底10的一侧，第二电极层40设置在压电结构层30远离第一电极层20的一侧，且第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40上相同的位置设置有贯穿的边缘孔50，边缘孔50分布在第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40的边缘位置。

该麦克风的结构从下往上依次为衬底10、第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40，该衬底10的形状和尺寸根据实际需要而进行设置，在此不做具体限定，为了方便说明，在此以该衬底10的形状为长方体的空腔结构进行说明，长方体空腔结构的该衬底10的一个面上设置有开口，该开口的尺寸根据实际需要而定，为了方便说明，在此以该开口的尺寸和形状与该衬底10开口一面的尺寸和形状相同，该开口位置上依次覆盖设置有第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40，该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40均为薄膜状结构，使得该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40可以在声音信号的作用下发生震动，且该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40的边缘位置设置有边缘孔50，该边缘孔50为长条形孔洞，且该边缘孔50贯穿第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40，该边缘孔50的具体形状根据该开口的形状进行设置，一般的，若该开口的形状为圆形，则该边缘孔50的形状为围绕该圆形开口的边缘位置设置的弧形孔洞，若该开口的形状为矩形，则该边缘孔50的形状为设置在该矩形边缘位置的多条直线形孔洞。

本申请的该麦克风结构设置贯穿该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40的边缘孔50，使得该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40构成的振动层在声音信号的作用下振幅得到增大，从而使得本申请的麦克风输出的声音信号的平坦度和灵敏度更高，本申请的麦克风在获取声音信号的时候，该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40接收到声音信号的振动，并在声音信号的振动的作用下，进行共振，且振幅得到增大，由于该压电结构层30在震动的作用下表面电荷发生转移，使得该第一电极层20和第二电极层40上的电荷量发生改变，即该麦克风结构的输出电压发生改变，通过对输出电压信号进行检测，可以得到准确的声音信号，由于麦克风的灵敏度与该麦克风中的振动部位的谐振频率负相关，并且谐振频率与振幅也为负相关，则该麦克风的灵敏度与该麦克风中的振动部位的振幅正相关，即本申请通过增加边缘孔50，使得本申请的麦克风检测声音信号的灵敏度得到提高，进而使得该麦克风输出的与声音相关的电压信号更准确稳定。

在实际应用中，该第一电极层20和第二电极层40的材料可以选择钼、钛、金、铜及合金等，压电结构层30的材料为压电材料，压电材料是指受到压力作用在其两端面出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料，是进行能量转换和信号传递的重要载体。压电材料本身具有良好的动态特性，振型丰富，各种材料的声发射频谱几乎覆盖整个频段。压电材料以其优异的机电耦合效应，可以快速响应外力。本专利中压电材料可选取氮化铝，氮化铝相较于其他MEMS压电材料(例如氧化锌、锆钛酸铅)具有相同或更高的性能，而且它的兼容性要比两种材料中任何一种都要好。此外，压电材料还可以选取铌酸锂等。

可选地，该结构的边缘孔50的位置为四个，四个边缘孔50两两对应设置。

四个边缘孔50设置在置贯该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40，且两两相对，即若该开口位置的形状为圆形，则相邻的两个边缘孔50中心位置的夹角为90度，呈现出弧形状，并且边缘孔的尺寸可更改，相对两个边缘孔50中心位置的连线进过圆心位置，若该开口位置的形状为矩形，则四个圆弧孔分别设置在矩形的四个边线上，且该四个边缘孔50的中心位置分别与矩形的开口的四条边的中心位置重合，四个边缘孔50的设置使得本申请的麦克风具有对称结构，对称结构的麦克风在声音信号的作用下，麦克风结构的每部分的振动频率和振动幅度均相同，避免了麦克风结构的每部分在不同振动频率或者不同振幅的作用下，能量相互抵消造成的能量损失，由于本申请的麦克风结构减少了能量的损耗，从而使得该麦克风获取到的声音信号的振动信息更准确，减少不对称结构带来的振动不均衡，使得获取得到的声音信号的振动信息的误差。

图2为发明实施例提供的另一种新型压电式MEMS麦克风的结构的结构示意图；如图2所示，可选地，该结构还包括第一连接孔60和第二连接孔70，第一连接孔60和第二连接孔70的轴线相互垂直，且第一连接孔60和第二连接孔70贯穿第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40，且第一连接孔60和第二连接孔70的两端分别连接对应的两个边缘孔50。

该第一连接孔60和第二连接孔70相互垂直设置在该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40上，且该第一连接孔60和该第二连接孔70的均将该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40贯穿，该边缘孔50的数量为四个，则该第一连接孔60连接四个边缘孔50中的相对应的两个，第二连接孔70连接四个边缘孔50剩余的两个边缘孔50，若该开口为圆形孔，则该第一连接孔60和第二连接孔70分别连接对应两个边缘孔50的中心位置，使得该第一连接孔60和第二连接孔70经过该圆形的开口的中心位置，若该开口为矩形孔，则该第一连接孔60和第二连接孔70分别连接该矩形的开口相对的两个边上的边缘孔50，使得该第一连接孔60和第二连接孔70的交点与该矩形的开口的中点重合，在该麦克风上设置有该第一连接孔60和第二连接孔70，将该麦克风的第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40均分为四份，使得本申请的麦克风在工作的时候，四个部分的振动部分别向上或者向下翘起，使得本申请的麦克风在获取声音信号的振动信息的振幅在四个部分的振动部的作用下进一步的增大，即使得该麦克风在相同强度的声音信号的作用下，振动幅度更大，振动频率减小，从而使得该麦克风的频带内的平坦度得到进一步的提高，从而使得获取到的声音信息的质量更高，进而使得本申请的麦克风检测声音信号更加准确；另外，第一连接孔60和第二连接孔70减少了振动部的需要被固定的面积，也进一步的提高本申请麦克风获取声音信号的振幅，从而使得本申请输出压电的能力得到增强。

图3为发明实施例提供的另一种新型压电式MEMS麦克风的结构的结构示意图；如图3所示，可选地，该结构还包括第一连接孔和第二连接孔，第一连接孔和第二连接孔的轴线相互垂直，且第一连接孔和第二连接孔贯穿第一电极层、压电结构层和第二电极层，且第一连接孔和第二连接孔的两端分别连接对应的两个边缘孔的连接处，如此设置，使得本实施例中由压电结构层30、第一电极层20、第二电极层40、边缘孔50、第一连接孔60和第二连接孔70组成的振动部在相同的力的作用下产生的振幅更大，进而使得本申请传输声信号的灵敏度高。

图4为发明实施例提供的另一种新型压电式MEMS麦克风的结构的结构示意图；如图4所示，可选地，该结构还包括第二压电结构层80和第三电极层90，第二压电结构层80设置在第二电极层40远离衬底10的一侧，第三电极层90设置在第二压电结构层80远离第二电极的一侧。

该第二电极层40的上部设置有第二压电结构层80，该第二压电结构层80的上部设置有第三电极层90，该压电结构层30和第二压电结构层80均会在声音信号的作用下产生振动，从而改变该压电结构层30和第二压电结构层80中的电压信息，从而使得本申请获取的声音信息的准确度得到进一步提高，将振动部在原来的第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40顶部增加该第二压电结构层80和第三电极层90使得该振动部的谐振频率进一步的降低，从而使得该麦克风的频带内的平坦度得到进一步的提高，从而使得获取到的声音信息的质量更高。

图5为发明实施例提供的另一种新型压电式MEMS麦克风的结构的结构示意图；如图5所示，可选地，该第二压电结构层80和第三电极层90上还设置有第一连接孔60和第二连接孔70，该第一连接孔60和第二连接孔70将该麦克风的第一电极层20、压电结构层30、第二电极层40、第二压电结构层80和第三电极层90均分为四份，使得本申请的麦克风在工作的时候，四个部分的振动部分别向上或者向下翘起，使得本申请的麦克风在获取声音信号的振动信息的振幅在四个部分的振动部的作用下进一步的增大，即使得该麦克风在相同强度的声音信号的作用下，振动幅度更大，振动频率减小，从而使得该麦克风的频带内的平坦度得到进一步的提高，从而使得获取到的声音信息的质量更高，进而使得本申请的麦克风检测声音信号更加准确；另外，第一连接孔60和第二连接孔70减少了振动部的需要被固定的面积，也进一步的提高本申请麦克风获取声音信号的振幅，从而使得本申请输出压电的能力得到增强。

图6为发明一实施例提供的一种新型压电式MEMS麦克风的结构的圆形边缘孔弧长尺寸的变化对整体麦克风结构谐振频率的影响示意图；图7为发明一实施例提供的一种新型压电式MEMS麦克风的结构的中心第一连接孔、第二连接孔边长的变化对整体麦克风谐振频率的影响示意图；图8为发明一实施例提供的一种新型压电式MEMS麦克风的结构中心空腔的半径变化对麦克风整体结构谐振频率的影响示意图；图9为发明一实施例提供的一种MEMS压电麦克风的灵敏度示意图；图10为本发明一实施例提供的一种MEMS压电麦克风的频响曲线示意图；本实施例提供的结构，可以通过优化器件尺寸，使得本申请的结构达到较低的频率范围，其中可以优化的尺寸包括第一电极层20、第二电极层40、压电材料层30的尺寸，包含大小与材料厚度，使得本申请的结构达到较低的频率范围，进而在低频压电器件设计制备方面具有很大潜能，如图6所示，横坐标表示圆形空腔的边缘孔弧长大小，纵坐标表示结构的谐振频率，改变边缘孔弧长，根据数据示意图，在其他参数确定的情况下，边缘孔弧长的增加会降低器件的谐振频率，进而影响麦克风结构的灵敏度；如图7所示，横坐标表示第一连接孔与第二连接孔宽度的大小，纵坐标表示结构的谐振频率，根据数据示意图，在其他参数确定的情况下，中心连接孔宽度的增加会使得器件的谐振频率升高，与谐振频率呈正相关；如图8所示，横坐标表示开口位置处圆形空腔的大小，纵坐标表示结构的谐振频率，根据数据示意图，在其他参数确定的情况下，空腔尺寸的增加会使得器件的谐振频率降低，与谐振频率呈负相关，是影响器件谐振频率的重要因素。此外，结构层各个单元的厚度也对结构起到关键作用，应从仿真结构优化出来，考虑工艺制备可行性最终确定最优尺寸。同时，对结构进行多物理场耦合仿真还可以得到，如图9所示，横坐标表示频率，纵坐标表示结构的灵敏度，即输出电压与输入声压的比例关系，此示意图可以表示麦克风灵敏度随振动频率的变化情况，可以得出，结构的灵敏度可达0.225mV/Pa，并且灵敏度还可以通过进一步优化结构关键尺寸并结合材料的优化得到进一步的提升。此外，图10所示为本发明五实施例所示麦克风结构的频率响应曲线，表示结构的输出与输入频率之间的关系，可以看到在20-20kHz频率范围内，结构的不平坦度约为0.45dB，最大不平坦度远在3dB以内，频响曲线平坦度较高。

可选地，该结构还包括支撑部，支撑部设置在衬底10远离第一电极的一侧。

该支撑部设置在该衬底10远离第一电极层20的一侧，该支撑部用于对该衬底10进行支撑，防止压电结构层30断裂，当麦克风结构振动时，支撑层可以起到保护作用，防止过载时结构出现断裂。因此在实际应用中，一般使用Si-Si键合工艺制备衬底10底部的支撑层。

可选地，该结构还包括氧化硅部与器件层硅部，氧化硅部设置在衬底10的上方，与衬底10的上表面一致，具有相同的开口位置，器件层硅部放置在氧化硅上部且放置在第一电极层远离第一压电层的一侧。

该衬底层结构采用SOI基底，采用SOI基底可减少工艺工序，提升工艺制备的可靠性。SOI底层硅与SOI氧化硅部分作为支撑层，同时底层硅与氧化硅部均采用悬臂梁衬底10所示的开口结构，SOI顶层器件层硅用于对该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40组成的振动部进行支撑，进而相当于增加整个振动部的厚度，放置在第一电极层远离第一压电层的一侧，与电极层与压电层的结构上表面一致。SOI顶层器件层硅的存在增加了整个悬臂梁的厚度，提升了器件的可靠性，相对的提升了器件的谐振频率，从而使得该麦克风的频带内的平坦度得到进一步的提高，从而使得获取到的声音信息的质量更高。

可选地，该结构还包括硅层，硅层设置在第一电极层20靠近衬底10的一侧。

该硅层用于对该第一电极层20、压电材料层和第二电极层40进行支撑，以增加该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40组成的振动部的厚度，从而使得在相同强度的声信号的作用下，该第一电极层20、压电结构层30和第二电极层40组成的振动部产生振动的振幅降低，即该压电结构层30的形变量更小，进而改变该压电结构层30中的电压信息，从而使得本申请获取的声音信息的准确度得到进一步提高，并且加厚该震动部使得该震动部的谐振频率进一步的降低，从而使得该麦克风的频带内的平坦度得到进一步的提高，从而使得获取到的声音信息的质量更高。

本申请提供的结构的工艺制备方法：准备硅片，在硅衬底上依次溅射电极材料/压电材料/电极材料，从上到下依次图案化电极材料/压电材料/电极材料，并完成电极焊盘的刻蚀，最后进行背腔刻蚀，刻蚀衬底开口空腔

本申请提供的一种新型压电式MEMS麦克风的装置，装置包括：数模转化装置和上述任意一项的新型压电式MEMS麦克风的结构，数模转化装置的正负极分别与结构的第一电极层20和第二电极层40电连接，用于将第一电极层20和第二电极层40输出的电压信号转化为数字信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。