CN116761124A - 压电mems麦克风和电子设备 - Google Patents

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CN116761124A CN202210208898.6A CN202210208898A CN116761124A CN 116761124 A CN116761124 A CN 116761124A CN 202210208898 A CN202210208898 A CN 202210208898A CN 116761124 A CN116761124 A CN 116761124A
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Abstract

本申请提供一种压电MEMS麦克风和电子设备，涉及声电技术领域，可以在一定空间内提高悬臂的长度，进而提高压电MEMS麦克风的信噪比。压电MEMS麦克风包括基座和设置于基座上的振膜，振膜包括悬臂和位于悬臂外围的框体。基座中与悬臂相对的部分镂空，框体围成一周固定于基座上方。也可以说，基座围成一周、且中间镂空，框体固定在基座上，振膜与基座的中间镂空部分相对。在振膜与基座的交界面所在的平面，悬臂折弯为连续的多个悬臂段。其中，悬臂包括根部和端部；根部与框体固定连接，悬臂中除根部以外的其他部分均与框体断开。也可以说，悬臂中除根部以外的其他部分与框体之间均具有间隙。

Description

压电MEMS麦克风和电子设备
技术领域
本申请涉及声电技术领域，尤其涉及一种压电MEMS麦克风和电子设备。
背景技术
麦克风是一种常见的声音捕捉设备，用于将声音信号转换为电信号。按种类来分，麦克风有动圈式麦克风、铝带式麦克风、驻极体式(electret microphone，ECM)麦克风、电容微机电系统(micro-electromechanical systems，MEMS)麦克风和压电MEMS麦克风等。
近代麦克风以驻极体式麦克风和电容MEMS麦克风较多。然而，由于工艺的原因，驻极体式麦克风在生产一致性、温度稳定性上远不如电容MEMS麦克风，正逐步被电容MEMS麦克风替代，2015年以后电容MEMS麦克风市场占有率已经超过驻极体式麦克风，2020年的电容MEMS麦克风的发货量已超过60亿颗。
然而，为了提高电容MEMS麦克风的灵敏度，往往需要增加一个电荷泵(chargepump，CP)来为电容MEMS麦克风充电。该电荷泵属于电源转换装置，一方面，需要占用一定的版图面积；另一方面，该电荷泵自身需要消耗一定的电量，这在微功耗场合的应用往往成了一定的负担。以2021年Infineon刚出的IMA73A135为例，号称业界功耗最低，也需要170uA(2.8V)的正常功耗。
相对而言，压电MEMS麦克风(piezoelectric MEMS microphone，下简称P-MIC)虽然出现较晚，但是其可以直接将声音的能量转为电能的特性，决定着其无需额外的电荷泵，只要有声压，就可以利用正压电效应转换为电荷输出，不但可以省去电荷泵所占的版图面积，还可以减小功耗。
然而，压电MEMS麦克风的性能与传统的驻极体式麦克风的性能存在较大差距，例如，压电MEMS麦克风的信噪比(signal to noise ratio，SNR)远低于驻极体式麦克风的信噪比。因此，如何提高压电MEMS麦克风的信噪比是目前亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供一种压电MEMS麦克风和电子设备，可以在一定空间内提高悬臂的长度，进而提高压电MEMS麦克风的信噪比。
第一方面，本申请提供一种压电MEMS麦克风，该压电MEMS麦克风包括基座和设置于基座上的振膜，振膜包括悬臂和位于悬臂外围的框体。基座中与悬臂相对的部分镂空，框体围成一周固定于基座上方。也可以说，基座围成一周、且中间镂空，框体固定在基座上，振膜与基座的中间镂空部分相对。在振膜与基座的交界面所在的平面，悬臂折弯为连续的多个悬臂段。其中，悬臂包括根部和端部；根部与框体固定连接，悬臂中除根部以外的其他部分均与框体断开。也可以说，悬臂中除根部以外的其他部分与框体之间均具有间隙。
本申请中，可以将悬臂弯折为连续的多个悬臂段，例如，将悬臂弯折为第一个悬臂段和第二个悬臂段，第一个悬臂段的一端与第二个悬臂段的一端在二者的折弯处连接，这样一来，第一个悬臂段与第二个悬臂段的总长即为悬臂的长度。相较于相同空间内悬臂无弯折的情况，本申请的悬臂的总长度大大增加。又因为悬臂的长度的5次方与压电MEMS麦克风的品质因素正相关，压电MEMS麦克风的品质因素与信噪比正相关，因此，悬臂的长度越长，压电MEMS麦克风的信噪比越大。本申请可以通过将悬臂弯折为连续的多个悬臂段，来增加悬臂的有效长度，进而提高压电MEMS麦克风的信噪比。
此外，相较于下文压电MEMS麦克风包括第一悬臂和第二悬臂的方案，压电MEMS麦克风包括一个悬臂的方案中，一个悬臂的根部尺寸可以大于第一悬臂的根部尺寸和第二悬臂的根部尺寸，进而该悬臂的根部的耐压性强于第一悬臂的根部和第二悬臂的根部的耐压性。
在一种可能实现的方式中，悬臂的根部包括第一根部和第二根部，悬臂的端部位于第一根部与第二根部之间。在悬臂所在区域的尺寸相同的情况下，相较于悬臂的根部连为一体的方案，根部断开的情况对应的悬臂的总长度更长，更有利于提高压电MEMS麦克风的信噪比。
在另一种可能实现的方式中，悬臂的端部包括第一端部和第二端部，悬臂的根部位于第一端部与第二端部之间。在悬臂所在区域的尺寸相同的情况下，相较于悬臂的根部断开的方案，悬臂的根部连为一体的方案中，一整个根部的尺寸更大，根部的耐压性越强。
在一些可能实现的方式中，悬臂包括相邻的第一悬臂和第二悬臂。在振膜与基座交界的平面，第一悬臂折弯为连续的多个第一悬臂段，第二悬臂折弯为连续的多个第二悬臂段。相邻的第一悬臂段与第二悬臂段之间的侧壁断开；第一悬臂的端部为第三端部，第一悬臂的根部为第三根部；第二悬臂的端部为第四端部，第二悬臂的根部为第四根部。
本申请中，悬臂的个数也可以是多个，例如悬臂可以包括第一悬臂和第二悬臂，第一悬臂的侧壁与第二悬臂的侧壁断开。第一悬臂可以弯折为连续的多个第一悬臂段，第二悬臂可以弯折为连续的多个第二悬臂段。这样一来，多个第一悬臂段与多个第二悬臂段的总长即为悬臂的长度。相较于相同空间内悬臂无弯折的情况，本申请的悬臂的总长度大大增加。又因为悬臂的长度的5次方与压电MEMS麦克风的品质因素正相关，压电MEMS麦克风的品质因素与信噪比正相关，因此，悬臂的长度越长，压电MEMS麦克风的信噪比越大。本申请可以通过将悬臂弯折为连续的多个悬臂段，来增加悬臂的有效长度，进而提高压电MEMS麦克风的信噪比。
在一些可能实现的方式中，第三端部和第四端部位于第三根部与第四根部之间。或者，第三根部和第四根部位于第三端部与第四端部之间。
在一些可能实现的方式中，由于第三端部和第四端部未与框体固定连接，因此，在声压作用下，第三端部和第四端部容易发生扭转，容易对压电MEMS的性能产生非线性影响。因此，在第三端部和第四端部位于第三根部与第四根部之间、且相邻的第一悬臂段与第二悬臂段之间的侧壁断开的情况下，第三端部与第四端部之间还可以固定连接。这样一来，第三端部与第四端部之间可以互相牵引，避免因第三端部或者第四端部处在较大声压作用下扭转。
在一些可能实现的方式中，压电MEMS麦克风还包括辅助振膜。辅助振膜固定设置于振膜朝向基座一侧，且与基座无接触。通过将辅助振膜与悬臂固定连接，相在声压的作用下，可以增大悬臂的摆幅，从而提高压电MEMS麦克风的电能转换效率。
在一些可能实现的方式中，压电MEMS麦克风还包括连接部，连接部设置于辅助振膜与悬臂之间；其中，连接部至少与端部部分重合。其中，由于整个悬臂中，端部的摆幅最大，因此，连接部可以至少与端部重合，以提高端部的摆幅，进而进一步提高电能的转换效率。
在一些可能实现的方式中，压电MEMS麦克风还包括吸收体；吸收体设置于框体与悬臂之间，吸收体的刚度小于悬臂的弯曲刚度。由于悬臂的长度较长，导致可靠性降低，为了避免悬臂在强声压冲击下发生不可恢复的变形，本申请实施例在框体与悬臂之间增设吸收体，吸收冲击声压。
在一些可能实现的方式中，压电MEMS麦克风可以包括压电层，压电层包括压电基底和电极。气流可以从开口进入，对压电层产生声压，引起压电层振动变形，根据压电效应，压电层将机械能转换为电能。
一种可能实现的方式中，压电MEMS麦克风还包括压电基底和设置于压电基底上的电极；压电基底位于振膜背离基座一侧，电极与根部所在的悬臂段至少部分重合。由于整个悬臂中，根部处承受的声压最大，因此，压电MEMS麦克风的电极可以与根部所在的悬臂段至少部分重合，以提高电能转换效率。
另一种可能实现的方式中，振膜的材料包括压电材料，电极还设置于振膜背离压电基底一侧，电极与根部所在的悬臂段至少部分重合。振膜和压电基底可以构成双压电结构，提高压电MEMS麦克风的电能转换效率。并且，由于整个悬臂中，根部处承受的声压最大，因此，压电MEMS麦克风的电极可以与根部所在的悬臂段至少部分重合，以提高电能转换效率。
又一种可能实现的方式中，振膜复用作压电基底；压电MEMS麦克风还包括设置于压电基底上的电极，电极与根部所在的悬臂段至少部分重合。振膜复用作压电基底，可以减小压电MEMS的整体尺寸，使得压电MEMS麦克风更加小型化，以应用在更多电子设备中。
第二方面，本申请提供一种压电MEMS麦克风，该压电MEMS麦克风包括基座、振膜和辅助振膜，振膜设置于基座上。振膜包括悬臂和位于悬臂外围的框体，基座中与悬臂相对的部分镂空，框体围成一周固定于基座上方。也可以说，基座围成一周、且中间镂空，框体固定在基座上，振膜与基座的中间镂空部分相对。辅助振膜固定设置于振膜朝向基座一侧，且辅助振膜与基座无接触。悬臂包括根部和端部，根部与框体固定连接，悬臂中除根部以外的其他部分均与框体断开。也可以说，悬臂中除根部以外的其他部分与框体之间均具有间隙。
本申请中，通过将辅助振膜固定于振膜朝向基座一侧，以与悬臂固定连接，并将辅助振膜设置在基座围成的镂空区。这样一来，可以在不额外增加空间的情况下，利用辅助振膜延长悬臂的总长度，即，总长度为悬臂的长度与辅助振膜的长度之和，从而增大品质因素，提高压电MEMS麦克风的信噪比，提高压电MEMS麦克风的性能。
在一些可能实现的方式中，压电MEMS麦克风还包括连接部，连接部设置于辅助振膜与悬臂之间；其中，连接部至少与端部部分重合。由于整个悬臂中，端部的摆幅最大，因此，连接部可以至少与端部重合，以提高端部的摆幅，进而进一步提高电能的转换效率。
在一些可能实现的方式中，压电MEMS麦克风还包括吸收体；吸收体设置于框体与悬臂之间，吸收体的刚度小于悬臂的弯曲刚度。由于悬臂的长度较长，导致可靠性降低，为了避免悬臂在强声压冲击下发生不可恢复的变形，本申请实施例在框体与悬臂之间增设吸收体，吸收冲击声压。
在一些可能实现的方式中，压电MEMS麦克风可以包括压电层，压电层包括压电基底和电极。气流可以从开口进入，对压电层产生声压，引起压电层振动变形，根据压电效应，压电层将机械能转换为电能。
一种可能实现的方式中，压电MEMS麦克风还包括压电基底和设置于压电基底上的电极；压电基底位于振膜背离基座一侧，电极与根部所在的悬臂段至少部分重合。由于整个悬臂中，根部处承受的声压最大，因此，压电MEMS麦克风的电极可以与根部所在的悬臂段至少部分重合，以提高电能转换效率。
另一种可能实现的方式中，振膜的材料包括压电材料，电极还设置于振膜背离压电基底一侧，电极与根部所在的悬臂段至少部分重合。振膜和压电基底可以构成双压电结构，提高压电MEMS麦克风的电能转换效率。并且，由于整个悬臂中，根部处承受的声压最大，因此，压电MEMS麦克风的电极可以与根部所在的悬臂段至少部分重合，以提高电能转换效率。
又一种可能实现的方式中，振膜复用作压电基底；压电MEMS麦克风还包括设置于压电基底上的电极，电极与根部所在的悬臂段至少部分重合。振膜复用作压电基底，可以减小压电MEMS的整体尺寸，使得压电MEMS麦克风更加小型化，以应用在更多电子设备中。
第三方面，本申请提供一种电子设备，包括第一方面或第二方面所述的压电MEMS麦克风。
第三方面以及第三方面的任意一种实现方式分别与第一方面、第二方面、以及第一方面的任意一种实现方式、第二方面的任意一种实现方式相对应。第三方面以及第三方面的任意一种实现方式所对应的技术效果可参见上述第一方面、第二方面、以及第一方面的任意一种实现方式、第二方面的任意一种实现方式所对应的技术效果，此处不再赘述。
附图说明
图1a为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的一种结构示意图；
图1b为本申请实施例提供的压电MEMS麦肯风的另一种结构示意图；
图2a为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种结构示意图；
图2b为本申请实施例提供的压电MEMS麦肯风的又一种结构示意图；
图2c为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种结构示意图；
图3a为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的一种俯视示意图；
图3b为图3a中A1-A2向的一种剖视示意图；
图3c为图3a中A1-A2向的另一种剖视示意图；
图3d为图3a中A1-A2向的又一种剖视示意图；
图3e为图3a中A1-A2向的又一种剖视示意图；
图4为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的另一种俯视示意图；
图5a为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图5b为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图6为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图7a为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图7b为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图8为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图9为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图10为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图11a为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图11b为图11a中B1-B2向的一种剖视示意图；
图11c为图11a中B1-B2向的另一种剖视示意图；
图11d为图11a中B1-B2向的又一种剖视示意图；
图11e为图11a中B1-B2向的又一种剖视示意图；
图11f为图11a中B1-B2向的又一种剖视示意图；
图12为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图13a为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图；
图13b为图13a中C1-C2向的一种剖视示意图；
图13c为图13a中C1-C2向的另一种剖视示意图；
图13d为图13a中C1-C2向的又一种剖视示意图；
图13e为图13a中C1-C2向的又一种剖视示意图；
图14为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的又一种俯视示意图。
附图标记：
1-外壳；2-印制电路板；3-专用集成电路；4-基座；41-第一子基座；42-第二子基座；43-第三子基座；5-振膜；51-框体；52-悬臂；521-根部；522-端部；501-第一悬臂；502-第二悬臂；6-压电层；61-压电基底；62-电极；621-第一电极；622-第二电极；623-第三电极；71-辅助振膜；72-连接部；73-吸收体。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“安装”、“连接”、“相连”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接，也可以是两个元件内部的连通。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
本申请实施例提供一种电子设备，该电子设备可以是手机、笔记本电脑、平板电脑等包含麦克风的设备。
该麦克风可以是压电MEMS麦克风，如图1a-图2c所示，麦克风可以包括外壳1、印制电路板(printed circuit board，PCB)2、专用集成电路(application specificintegrated circuit，ASIC)3、基座4、振膜5和压电层6。PCB2、ASIC3、基座4、振膜5和压电层6设置于外壳1中，ASIC3和基座4集成于PCB2板上，振膜5和压电层6设置于中心镂空的基座4上，以将振膜5设计为悬臂结构。
如图1a和图1b所示，可以采用底部开口式封装对压电MEMS麦克风进行封装，具体的，可以在外壳1和PCB2的底部开口，开口正对压电层6；如图2a和图2b所示，也可以采用顶部开口式封装对压电MEMS麦克风进行封装，具体的，可以在外壳1的顶部开口。
气流可以从开口进入，对压电层6产生声压，引起压电层6振动变形，根据压电效应，压电层6将机械能转换为电能，并将产生的电信号发送至ASIC3，ASIC3对电信号进行处理后，可以将处理后的电信号发送至更高一级电路，例如处理器。
请继续参考图1a-图2c，压电层6可以包括压电基底61和电极62。如图1a所示，振膜5的材料为压电材料，振膜5可以复用作压电基底61；或者，如图1b和图2b所示，振膜5的材料为除压电材料以外的其他材料，压电MEMS麦克风包括除了包括振膜5以外，还包括单独的压电基底61，压电基底61可以设置于振膜5背离基座4一侧；或者，如图2c所示，振膜5的材料为压电材料，且压电MEMS麦克风还包括设置于振膜5背离基座4一侧的压电基底61，以利用压电基底61和振膜5构成双晶压电结构，提高压电MEMS麦克风的电能转换效率。其中，如图1b-图2c所示，在压电MEMS麦克风包括压电基底61的情况下，压电基底61与振膜5可以通过同一道掩模板制备得到，因此，压电基底61的图案可以与振膜5的图案相同。如图1b和图2b-图2c所示，在压电基底61与振膜5之间还设置有第一电极621的情况下，压电基底61、第一电极621与振膜5可以通过同一道掩模板制备得到，因此，压电基底61和第一电极621的图案可以与振膜5的图案相同。
如图1a和图2a所示，电极62可以是叉指电极，叉指电极可以设置于压电基底61背离基座4一侧；如图1b和图2b所示，电极62包括第一电极621和第二电极622，沿基座4指向压电层6的方向，第一电极621与第二电极622分设于压电基底61相对两侧；如图2c所示，电极62除了包括第一电极621和第二电极622以外，还包括第三电极623，第三电极623设置于振膜5背离压电基底61一侧。
如背景技术描述，现有压电MEMS麦克风的信噪比大都低于传统的驻极体式麦克风。而信噪比用于描述麦克风对最小声压信号的拾取能力。通常，因定义了人耳听力极限20u Pa为0dB SPL，1Pa为94dB SPL，因此，用1kHz、1Pa作为参考信号。用分贝来表示信噪比为：等效输入噪音水平(equivalent input noise，EIN)与标准94dB SPL的差值。即，SNR＝94-EIN。EIN越小，表示麦克风对最小声压信号的拾取能力越强，信噪比越大，参考信号与麦克风输出的噪声水平的比值越大，麦克风性能越高。
发明人发现，不论是双压电晶片的悬臂结构，还是双压电晶片的悬臂结构，压电MEMS麦克风的SNR均与优化因素(OPT)有关，且SNR∝10Log(OPT)。
并且，对于双压电晶片的悬臂结构，其
对于单压电晶片的悬臂结构，其
其中，ε表示介电常数；tan(θ)表示介电损耗；q表示结构参数比值；L标示悬臂长度；t表示悬臂厚度，w表示悬臂宽度。可以看出，OPT与悬臂长度的5次方成正比，与宽度成正比，与厚度的3次方成反比。因此，悬臂长度越大、宽度越大、厚度越小，OPT越大，信噪比越大。其中，悬臂长度和厚度发生微小变化，即可引起OPT发生较大变化。然而，若悬臂的厚度过小，一方面易损，另一方面易在声压作用下发生扭转，导致悬臂不稳定。
基于此，本申请提供的压电MEMS麦克风，可以通过延长悬臂的长度，来提高压电MEMS麦克风的信噪比，下面结合附图，对压电MEMS麦克风的详细结构进行说明。
如图3a-图3e所示，压电MEMS麦克风包括基座4和设置于基座4上的振膜5。振膜5包括悬臂52和位于悬臂52外围的框体51。基座4中与悬臂5相对的部分镂空，框体51围成一周固定于基座4上方。即，压电MEMS麦克风划分为镂空区和位于镂空区外围的承载区。基座4和框体51位于承载区，悬臂52位于镂空区，基座4在镂空区镂空。
在振膜5与基座4的交界面所在的平面，悬臂52折弯为连续的多个悬臂段。其中，悬臂52包括根部521和端部522；根部521与框体51固定连接，悬臂52中除根部521以外的其他部分均与框体51断开。
此处需要说明的是，多个悬臂段，顾名思义，多个悬臂段相邻的侧壁之间应断开连接，也可以说，多个悬臂段相邻的侧壁之间具有间隙。
如图3a所示，以多个悬臂段包括第一个悬臂段和第二个悬臂段为例，第一个悬臂段的侧壁与第二个悬臂段的侧壁之间断开，第一个悬臂段的一端与第二个悬臂段的一端在二者的折弯处连接，这样一来，第一个悬臂段与第二个悬臂段的总长即为悬臂52的长度。其中，第一个悬臂段的侧壁为：第一悬臂段中朝向第二个悬臂段的侧壁。第二个悬臂段的侧壁为：第二悬臂段中朝向第一悬臂段的侧壁。下文中的侧壁的含义与此处相同，不再赘述。
在一些可能实现的方式中，振膜5中的框体51和悬臂52可以一体成型。例如，可以先形成一整层薄膜，之后采用光刻工艺，对该薄膜进行刻蚀，以得到振膜5。其中，被刻蚀的部分在振膜5中形成镂空部，多个悬臂段之间断开的部分、以及悬臂52与框体51之间断开的部分均为镂空部。
在一些可能实现的方式中，本申请实施例不对悬臂52的弯折次数进行限定，只要在有限空间内折弯得到的多个悬臂段的总长度L，大于相同空间内无弯折的悬臂52的总长度即可。例如，如图3a所示，悬臂52经过两次折弯，得到三个悬臂段。又例如，如图4所示，悬臂52经过四次折弯，得到五个悬臂段。
根据公式和公式/>本申请实施例通过延长悬臂52的总长度L，可以增大OPT，从而提高压电MEMS麦克风的信噪比，进而提高压电MEMS麦克风的性能。
此处需要说明的是，在相同空间内，悬臂52的弯折次数越多，悬臂的总长度L越大，OPT越大，压电MEMS麦克风的信噪比越大。然而，悬臂52的弯折次数越多，与框体51固定连接的悬臂段的宽度越小，也可以说，悬臂52的根部521的宽度越小，而整个悬臂52中，根部521处承受的声压最大，因此，若根部521承受较大声压，悬臂51的稳定性较差，在根部521处容易断裂。因此，本申请实施例可以中和压电MEMS麦克风的各项参数，同时兼顾悬臂52的稳定性和总长度L。
在一些可能实现的方式中，本申请实施例不对框体51的横截面的形状进行限定，如图3a所示，框体51的横截面可以为中心挖空的大矩形，大矩形内套接有小矩形，悬臂52可以在呈小矩形的镂空区内折弯。如图5a所示，框体51的横截面以及镂空区的形状也可以为圆环，悬臂52可以在呈内圆的镂空区内折弯。如图5b所示，框体51的横截面以及镂空区的形状也可以为中心挖空的大三角形，大三角形内套接有小三角形，悬臂52可以在呈小三角形的镂空区内折弯。当然，框体51的横截面的形状还可以是其他。为了方便描述，下文以框体51的横截面可以为中心挖空的矩形为例进行说明。
此处需要说明的是，框体51的横截面所在的平面，与振膜5和基座4的交界面平行。
在一些可能实现的方式中，如图3a所示，悬臂52的根部521连为一体，悬臂52的端部522连为一体。在另一些可能实现的方式中，如图4所示，根部521可以包括断开的第一根部和第二根部，端部522连为一体，端部522可以位于第一根部521与第二根部522之间。或者，如图6所示，端部522包括断开的第一端部和第二端部，根部521连为一体，根部521可以位于第一端部与第二端部之间。在镂空区(也可以说，悬臂所在的区域)的尺寸相同的情况下，相较于图3a示出的悬臂52的根部521连为一体的方案，图4示出的根部521断开的情况对应的悬臂52的总长度更长，更有利于提高压电MEMS麦克风的信噪比。而在镂空区(也可以说，悬臂所在的区域)的尺寸相同的情况下，相较于图4示出的悬臂的根部521断开的方案，图3a示出的悬臂52的根部521连为一体的方案中根部521的尺寸更大，一整个根部的耐压性越强。
在一些可能实现的方式中，本申请实施例不对各个悬臂段的形状进行限定，悬臂段的形状与镂空部的形状有关。也可以说，各个悬臂段的形状与用于光刻薄膜的掩模板有关。例如，如图3a所示，除悬臂段间的连接处以外，各个悬臂段的其他部分均为矩形。又例如，如图7a和图7b所示，除悬臂段间的连接处以外，各个悬臂段的其他部分均为梯形。当然，悬臂段的形状也可以是其他。
在一些实施例中，如图8和图9所示，上述悬臂52可以包括相邻的第一悬臂501和第二悬臂502。在振膜5与基座4的交界面所在的平面，第一悬臂501折弯为连续的多个第一悬臂段，第二悬臂502折弯为连续的多个第二悬臂段；相邻的第一悬臂段与第二悬臂段之间的侧壁断开。第一悬臂501的端部522为第三端部，第一悬臂501的根部521为第三根部。第二悬臂502的端部522为第四端部，第二悬臂502的根部521为第四根部。
此处需要说明的是，本申请中，将悬臂52分为第一悬臂501和第二悬臂502的方案仅为示例，悬臂52可以包括第一悬臂501、第二悬臂502、……、第N悬臂，N为正整数。第一悬臂501、第二悬臂502、……、第N悬臂之间的位置关系与第一悬臂501和第二悬臂502之间的位置关系相同，在此不再赘述。
同样的，多个第一悬臂段相邻的侧壁之间应断开连接，也可以说，多个悬臂段相邻的侧壁之间具有间隙。多个第二悬臂段相邻的侧壁之间应断开连接，也可以说，多个第二悬臂段相邻的侧壁之间具有间隙。
本申请实施例的框体51、第一悬臂501和第二悬臂502可以一体成型。其工艺与前述实施例相同，在此不再赘述。
在一些可能实现的方式中，本申请实施例不对第一悬臂501和第二悬臂502的弯折次数进行限定，只要在有限空间内折弯得到的多个第一悬臂段和第二悬臂段的总长度L，大于相同空间内无弯折的悬臂52的总长度即可。例如，如图8和图9所示，第一悬臂501和第二悬臂502分别经过一次折弯，得到两个第一悬臂段和两个第二悬臂段。又例如，如图10所示，第一悬臂501和第二悬臂502分别经过两次折弯，得到三个第一悬臂段和三个第二悬臂段。
如前述实施例，根据公式和公式本申请实施例通过延长悬臂52的总长度L，可以增大OPT，从而提高压电MEMS麦克风的信噪比，进而提高压电MEMS麦克风的性能。
此外，相较于压电MEMS麦克风包括第一悬臂501和第二悬臂502的方案，本申请实施例的压电MEMS麦克风包括一个悬臂52的方案中，一个悬臂52的根部尺寸可以大于第一悬臂501的根部尺寸和第二悬臂502的根部尺寸，进而该悬臂52的根部的耐压性强于第一悬臂501的根部和第二悬臂502的根部的耐压性。
在一些可能实现的方式中，本申请实施例不对第一悬臂段和第二悬臂段的形状进行限定，第一悬臂段和第二悬臂段的形状与镂空部的形状有关。也可以说，第一悬臂段和第二悬臂段的形状与用于光刻薄膜的掩模板有关。关于其具体说明，可以参考前述一个悬臂的情况，在此不再赘述。
在一些可能实现的方式中，如图8所示，第三端部和第四端部位于第三根部与第四根部之间。或者，如图9所示，第三根部和第四根部位于第三端部与第四端部之间。当然，对于其他形状的框体，第三端部、第四端部、第三根部和第四根部之间的位置关系还可以是其他，本申请实施例对此不作限定。
在一些可能实现的方式中，由于第三端部和第四端部未与框体51固定连接，因此，在声压作用下，第三端部和第四端部容易发生扭转，容易对压电MEMS的性能产生非线性影响。因此，可选的，如图8所示，在第三端部和第四端部位于第三根部与第四根部之间、且相邻的第一悬臂段与第二悬臂段之间的侧壁断开的情况下，第三端部与第四端部之间还可以固定连接。这样一来，第三端部与第四端部之间可以互相牵引，避免因第三端部或者第四端部处在较大声压作用下扭转。
在一些可能实现的方式中，如图6所示，虽然第一悬臂501的侧壁与第二悬臂502的侧壁断开，但第一悬臂501的端部522和第二悬臂502的端部522可以连为一体。或者，如图8和图9所示，第一悬臂501的端部522和第二悬臂502的端部522也可以断开。相较于图6示出的悬臂52的端部522为一个整体的情况，图8和图9示出的将第一悬臂501的端部522和第二悬臂502的端部522断开，可以降低气阻，使第一悬臂501的端部522和第二悬臂502的端部522受到的力更加均匀。
在一些实施例中，如图11a-图11e所示，压电MEMS麦克风还包括辅助振膜71。辅助振膜71固定设置于振膜5朝向基座4一侧，且与基座4无接触。由此得到，辅助振膜71也位于镂空区。通过将辅助振膜71与悬臂52固定连接，相在声压的作用下，可以增大悬臂52的摆幅，从而提高压电MEMS麦克风的电能转换效率。
在一些可能实现的方式中，如图11a-图11e所示，压电MEMS麦克风还包括连接部72，连接部72设置于辅助振膜71与悬臂52之间。辅助振膜71还可以通过连接部72与振膜5固定连接，连接部72的材料可以是多晶硅等。其中，由于整个悬臂52中，端部的摆幅最大，因此，连接部72可以至少与端部522重合，以提高端部522的摆幅，进而提高电能的转换效率。当然，连接部72的还可以与悬臂52中除根部511以外的其他部分重合，本申请实施例对此不作限定。
在压电MEMS麦克风包括连接部72和辅助振膜71的情况下，一种可能实现的方式中，如图11b-图11e所示，可以利用正面光刻工艺，可以先在基座4上形成层叠的振膜5，并在振膜5的正面形成电极62(或者，压电基底和电极)。之后再利用背面光刻工艺，在振膜5背面形成连接部72和辅助振膜71。
另一种可能实现的方式中，如图11f所示，多数情况下，基座4可以包括依次层叠设置的第一子基座41、第二子基座42和第三子基座43，且第一子基座41、第二子基座42和第三子基座43的图案可以相同。形成压电MEMS麦克风的过程可以通过如下步骤实现：先在第一子基座41上形成第二子基座42和辅助振膜71，第二子基座42和辅助振膜71通过同一次半导体工艺制备得到。再在第二子基座42和辅助振膜71上形成连接膜层，连接膜层用于形成待形成的第三子基座，且厚度与待形成的连接部72的厚度相同。接着，再以连接膜层为承载，在连接膜层上形成振膜5和电极62(或者压电基底和电极)。接着，对连接膜层进行刻蚀，得到第三子基座43。接着，采用键合工艺，在辅助振膜71与振膜5之间形成连接部72。相较于上一种实现方式，利用本实现方式可以使压电MEMS麦克风中的每一个膜层均采用套刻精度更高的正面光刻工艺制备得到，避免背面光刻工艺精确度不高，导致压电MEMS麦克风的膜层对位不准确，进而无法正常工作。
在一些实施例中，如图12所示，压电MEMS麦克风还可以包括吸收体73。吸收体73设置于框体51与悬臂52之间，吸收体73的刚度小于悬臂52的弯曲刚度。
在一些可能实现的方式中，本申请实施例不对吸收体73的材料和形状进行限定，只要吸收体73的刚度小于悬臂52的弯曲刚度即可。例如，吸收体73的材料可以包括高分子薄膜或、微细弹簧结构等。由于悬臂52的长度较长，导致可靠性降低，为了避免悬臂52在强声压冲击下发生不可恢复的变形，本申请实施例在框体51与悬臂52之间增设吸收体73，吸收冲击声压。
在一些实施例中，如图12所示，由于整个悬臂52中，根部521处承受的声压最大，因此，压电MEMS麦克风的电极62可以与根部521所在的悬臂段至少部分重合，以提高电能转换效率。
在一些可能实现的方式中，电极62可以与根部521所在的悬臂段全部重合，也可以与根部521所在的悬臂段部分重合。可选的，电极62的长度可以为根部521所在的悬臂段的长度的1/3～2/3，避免电极62的长度过长，使得电极62上的寄生电容过大，影响压电MEMS麦克风的信噪比。
另一个实施例中，如图13a-图13e和图14所示，本申请实施例还提供另一种压电MEMS麦克风，该压电MEMS麦克风包括基座4、振膜5和辅助振膜71，振膜5设置于基座4上。振膜5包括悬臂52和位于悬臂52外围的框体51。基座4中与悬臂52相对的部分镂空，框体51围成一周固定于基座4上方。即，压电MEMS麦克风划分为镂空区和位于镂空区外围的承载区。基座4和框体51位于承载区，悬臂52位于镂空区，基座4在镂空区镂空。
辅助振膜71固定于振膜5朝向基座4一侧，且与基座4无接触。由此得到，辅助振膜71也位于镂空区。悬臂52包括根部521和端部522，根部521与框体51固定连接，悬臂52中除根部521以外的其他部分均与框体51断开。
辅助振膜71可以固定于振膜5朝向基座4一侧，以与悬臂52固定连接。通过使辅助振膜71与悬臂52固定连接，并将辅助振膜71设置在基座4围成的镂空区。这样一来，可以在不额外增加空间的情况下，利用辅助振膜71延长悬臂52的总长度L，即，总长度L为悬臂52的长度与辅助振膜71的长度之和，从而增大OPT，提高压电MEMS麦克风的信噪比，提高压电MEMS麦克风的性能。
在一些可能实现的方式中，如图13a-图13e所示，压电MEMS麦克风还包括连接部72，连接部72设置于辅助振膜71与悬臂52之间。辅助振膜71还可以通过连接部72与振膜5固定连接，连接部72的材料可以是多晶硅等。
在一些可能实现的方式中，如图13a所示，由于整个悬臂52中，端部的摆幅最大，因此，连接部72可以至少与端部522重合，以提高端部522的摆幅，进而提高电能的转换效率。并且，通过使连接部72与端部522重合，还可以最大程度延长悬臂52的长度与辅助振膜71的长度之和。
当然，如图14所示，连接部72的还可以与悬臂52中除根部511以外的其他部分重合，本申请实施例对此不作限定。
对于本申请实施例中压电MEMS麦克风的制备过程，一种可能实现的方式中，如图13b-图13e所示，可以利用正面光刻工艺，可以先在基座4上形成层叠的振膜5，并在振膜5的正面形成电极62(或者，压电基底和电极)。之后再利用背面光刻工艺，在振膜5背面形成连接部72和辅助振膜71。
另一种可能实现的方式中，参考图11f所示，多数情况下，基座4可以包括依次层叠设置的第一子基座41、第二子基座42和第三子基座43，且第一子基座41、第二子基座42和第三子基座43的图案可以相同。形成压电MEMS麦克风的过程可以通过如下步骤实现：先在第一子基座41上形成第二子基座42和辅助振膜71，第二子基座42和辅助振膜71通过同一次半导体工艺制备得到。再在第二子基座42和辅助振膜71上形成连接膜层，连接膜层用于形成待形成的第三子基座，且厚度与待形成的连接部72的厚度相同。接着，再以连接膜层为承载，在连接膜层上形成振膜5和电极62(或者压电基底和电极)。接着，对连接膜层进行刻蚀，得到第三子基座43。接着，采用键合工艺，在辅助振膜71与振膜5之间形成连接部72。相较于上一种实现方式，利用本实现方式可以使压电MEMS麦克风中的每一个膜层均采用套刻精度更高的正面光刻工艺制备得到，避免背面光刻工艺精确度不高，导致压电MEMS麦克风的膜层对位不准确，进而无法正常工作。
在一些实施例中，如图12所示，压电MEMS麦克风还可以包括吸收体73。吸收体73设置于框体51与悬臂52之间，吸收体73的刚度小于悬臂52的弯曲刚度。
在一些可能实现的方式中，本申请实施例不对吸收体73的材料进行限定，只要吸收体73的刚度小于悬臂52的弯曲刚度即可。例如，吸收体73的材料可以包括高分子薄膜或、微细弹簧结构等。由于悬臂52的长度较长，导致可靠性降低，为了避免悬臂52在强声压冲击下发生不可恢复的变形，本申请实施例在框体51与悬臂52之间增设吸收体73，吸收冲击声压。
在一些实施例中，如图12所示，由于整个悬臂52中，根部521处承受的声压最大，因此，压电MEMS麦克风的电极62可以与根部521所在的悬臂段至少部分重合，以提高电能转换效率。
在一些可能实现的方式中，电极62可以与根部521所在的悬臂段全部重合，也可以与根部521所在的悬臂段部分重合。可选的，电极62的长度可以为根部521所在的悬臂段的长度的1/3～2/3，避免电极62的长度过长，使得电极62上的寄生电容过大，影响压电MEMS麦克风的信噪比。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种压电MEMS麦克风，其特征在于，包括基座和设置于所述基座上的振膜；
所述振膜包括悬臂和位于所述悬臂外围的框体；所述基座中与所述悬臂相对的部分镂空，所述框体围成一周固定于所述基座上方；在所述振膜与所述基座的交界面所在的平面，所述悬臂折弯为连续的多个悬臂段；
其中，所述悬臂包括根部和端部；所述根部与所述框体固定连接，所述悬臂中除所述根部以外的其他部分均与所述框体断开。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述根部包括第一根部和第二根部，所述端部位于所述第一根部与所述第二根部之间；或者，
所述端部包括第一端部和第二端部，所述根部位于所述第一端部与所述第二端部之间。
3.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述悬臂包括相邻的第一悬臂和第二悬臂；
在所述振膜与所述基座交界的平面，所述第一悬臂折弯为连续的多个第一悬臂段，所述第二悬臂折弯为连续的多个第二悬臂段；相邻的所述第一悬臂段与所述第二悬臂段之间的侧壁断开；
所述第一悬臂的所述端部为第三端部，所述第一悬臂的根部为第三根部；所述第二悬臂的所述端部为第四端部，所述第二悬臂的根部为第四根部。
4.根据权利要求3所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述第三端部和所述第四端部位于所述第三根部与所述第四根部之间。
5.根据权利要求4所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述第三端部与所述第四端部固定连接。
6.根据权利要求3所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述第三根部和所述第四根部位于所述第三端部与所述第四端部之间。
7.根据权利要求1-6任一项所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电MEMS麦克风还包括辅助振膜；
所述辅助振膜固定设置于所述振膜朝向所述基座一侧，且与所述基座无接触。
8.根据权利要求7所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电MEMS麦克风还包括连接部，所述连接部设置于所述辅助振膜与所述悬臂之间；
其中，所述连接部至少与所述端部部分重合。
9.根据权利要求1-8任一项所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电MEMS麦克风还包括吸收体；
所述吸收体设置于所述框体与所述悬臂之间，所述吸收体的刚度小于所述悬臂的弯曲刚度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电MEMS麦克风还包括压电基底和设置于所述压电基底上的电极；
所述压电基底位于所述振膜背离所述基座一侧，所述电极与所述根部所在的所述悬臂段至少部分重合。
11.根据权利要求10所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜的材料包括压电材料，所述电极还设置于所述振膜背离所述压电基底一侧。
12.根据权利要求1-9任一项所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜复用作压电基底；
所述压电MEMS麦克风还包括设置于所述压电基底上的电极，所述电极与所述根部所在的所述悬臂段至少部分重合。
13.一种压电MEMS麦克风，其特征在于，包括基座、振膜和辅助振膜，所述振膜设置于所述基座上；
所述振膜包括悬臂和位于所述悬臂外围的框体；所述基座中与所述悬臂相对的部分镂空，所述框体围成一周固定于所述基座上方；
所述辅助振膜固定设置于所述振膜朝向所述基座一侧，且与所述基座无接触；
所述悬臂包括根部和端部，所述根部与所述框体固定连接，所述悬臂中除所述根部以外的其他部分均与所述框体断开。
14.根据权利要求13所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电MEMS麦克风还包括连接部，所述连接部设置于所述辅助振膜与所述悬臂之间；
其中，所述连接部至少与所述端部部分重合。
15.根据权利要求13或14所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电MEMS麦克风还包括吸收体；
所述吸收体设置于所述框体与所述悬臂之间，所述吸收体的刚度小于所述悬臂的弯曲刚度。
16.根据权利要求13-15任一项所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电MEMS麦克风还包括压电基底和设置于所述压电基底上的电极；
所述压电基底位于所述振膜背离所述基座一侧，所述电极与所述根部所在的所述悬臂段至少部分重合。
17.根据权利要求16所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜的材料包括压电材料，所述电极还设置于所述振膜背离所述压电基底一侧。
18.根据权利要求13-15任一项所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜复用作压电基底；
所述压电MEMS麦克风还包括设置于所述压电基底上的电极，所述电极与所述根部所在的所述悬臂段至少部分重合。
19.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-12任一项或13-18任一项所述的压电MEMS麦克风。
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