CN102137321B - 薄膜型传声器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜型传声器阵列，包括压电驻极体薄膜及线路板组件，压电驻极体薄膜为多孔聚合物薄膜，压电驻极体薄膜两侧分别对应设有电极阵列；线路板组件上设有传声器电路、以及与传声器电路电连接的线路板输入端和线路板输出端，线路板输入端与压电驻极体薄膜两侧的电极阵列电连接。使用多孔聚合物薄膜制作的压电驻极体作为传声器单元的薄膜传声器阵列，结合了传声器阵列高效收音的优势和聚合物压电驻极体轻、薄、软、结构简单、可靠性强、成本低廉等优势，极大地拓展了传声器阵列的应用，使之成为视频会议、车载语音系统、大型会场等环境下替代传统传声器阵列的选择之一。

Description

薄膜型传声器阵列

【技术领域】

本发明涉及传声器领域，尤其涉及一种薄膜型传声器阵列。

【背景技术】

在目标语音的拾取过程中不可避免会受到外界环境噪声和其他说话人的干扰。若干扰过强对收听者而言会觉得刺耳乃至听不清目标语音。针对这种情况，通常采用增强语音、去除背景噪声的方法来改善系统性能。目前语音增强的方法很多，根据使用传声器的数目可分为单传声器系统和传声器阵列系统。不少研究者提出了使用一个或两个传声器来去除噪声，但因实际噪声的复杂性均不能达到满意的消噪要求。而阵列信号处理采用广义旁瓣对消思想，即用“电子瞄准”的方式从声源位置获取较高品质的语音信号同时抑制其他说话人的声音及环境噪声，具有很好的空间选择性，由此传声器阵列明显优于具有高方向性的单传声器系统。传声器阵列通过对拾取的多路语音信号进行分析与处理，使阵列形成的波束方向图主瓣对准目标语音，“零点”指向干扰源以抑制干扰信号，从而尽可能地获取目标语音。其中波束方向及波束主瓣宽度与传声器的间距、数目、摆放位置、声源入射角及采样频率紧密相关。波束的形成不仅消除了使用单个传声器时需人工调节传声器指向性的问题，而且使输出语音的信噪比大幅提高，无需人工干预亦可获得高质量语音。若系统的算法精简得当，传声器阵列可用于许多场合，如视频会议、机器人语音识别、车载语音系统、大型会场、助听装置等。

传统的传声器阵列需要2颗或2颗以上的指向性相同或不同的传声器。有2种信号处理方式：1、基于数字信号处理。缺点是经过软件的算法，声音有失真且成本较高。2、基于硬件处理，如远场噪声抑制功能。此方案成本较低，易于实现，一般能抑制十几dB的远场环境噪音。

传声器阵列所使用的传声器，主要包括传统的驻极体电容式传声器(ECM)和近年开发的硅传声器(也称为微机电系统(MEMS)传声器)。驻极体电容式传声器是由一片单面镀金属层的驻极体薄膜与一个有若干小孔的金属电极(称背极)构成。驻极体面与背极相对，中间有一极小的空气隙，这就形成了一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背极和驻极体上的金属层做两个电极的电容器。电容器的两极之间接的电阻是阻抗变换器的输入电阻。由于驻极体上具有极化电荷，则在电容器的两极之间存在电位差。当声波作用于驻极体薄膜时，振膜振动产生位移改变电容器的电容量，而电容量的改变使电容器的输出端产生相应的交变电压信号，从而实现声电转换。硅传声器包含一层直接刻蚀在硅基片上的压感振膜，在声波的作用下振膜振动从而改变振膜与背极间的电压，通过微机电系统将模拟信号转换为数字信号并输出。

驻极体电容式传声器与硅传声器的结构都比较复杂，零件需要精密加工，工艺要求十分严谨。对驻极体电容式传声器来说，需要较大的空气共振腔，因此器件体积无法减小。对硅传声器来说，性价比有待提高，且封装工艺、品质问题等还亟待改善。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种结构简单、体积较小、成本低廉的薄膜型传声器阵列。

一种薄膜型传声器阵列，包括压电驻极体薄膜及线路板组件，压电驻极体薄膜为多孔聚合物薄膜，压电驻极体薄膜两侧分别对应设有电极阵列；线路板组件上设有传声器电路、以及与传声器电路电连接的线路板输入端和线路板输出端，线路板输入端与压电驻极体薄膜两侧的电极阵列电连接。

在优选的实施方式中，传声器电路包括模数转换器及与所述模数转换器电连接的编码器。

在优选的实施方式中，还包括固定在线路板组件上的连接器，连接器包括连接器输入端及连接器输出端，线路板输入端包括第一线路板输入端及第二线路板输入端，第一线路板输入端依次通过连接器输出端、连接器输入端与压电驻极体薄膜一侧的电极阵列电连接，第二线路板输入端与压电驻极体薄膜另一侧的电极阵列对应设置，第二线路板输入端通过导电胶或锡膏与该侧的电极阵列电连接。

在优选的实施方式中，线路板组件固定在压电驻极体薄膜一侧，线路板输入端包括第一线路板输入端及第二线路板输入端，第一线路板输入端及第二线路板输入端分别与压电驻极体薄膜两侧的电极阵列电连接。

在优选的实施方式中，还包括固定在压电驻极体薄膜一侧的连接器，连接器设有连接器输出端、第一连接器输入端及第二连接器输入端，连接器输出端与线路板输入端电连接，第一连接器输入端及第二连接器输入端分别与压电驻极体薄膜两侧的电极阵列电连接。

在优选的实施方式中，连接器输出端与线路板输入端通过有线或无线信号电连接。

在优选的实施方式中，线路板输出端设有有线或无线信号发送装置。

在优选的实施方式中，压电驻极体薄膜表面设有防水膜或防辐射膜。

基于多孔聚合物薄膜的压电驻极体具有压电响应大、质量轻(克级)、厚度薄(微米级)、材料柔软易于弯折、适应各种环境(耐腐蚀、防水)、无毒无害环保、成本低廉(聚合物膜产量非常大)等优点。对于该薄膜型传声器阵列来说，利用压电效应，压电薄膜本身就能完成声电转换，无需空气共振腔，大大减小了器件的体积。储存在薄膜内部孔洞界面上的电荷稳定、不易丢失，使得薄膜型传声器阵列的声电转换性能稳定。零件数目减少，制造工艺简单，可靠性增强，成本下降。薄膜型传声器阵列具有频率响应宽而平、谐波失真低、截止频率高等优点。

【附图说明】

图1为实施例1压电驻极体薄膜俯视图；

图2为图1中压电驻极体薄膜的剖视图；

图3为实施例1的线路板组件及连接器的俯视图；

图4为图3中线路板组件及连接器的剖视图；

图5为压电驻极体薄膜与线路板组件、连接器的组合示意图；

图6为实施例2的压电驻极体薄膜与线路板组件的俯视图；

图7为图6中压电驻极体薄膜与线路板组件的剖视图；

图8为实施例3的压电驻极体薄膜与线路板组件的俯视图；

图9为图8中压电驻极体薄膜与线路板组件的剖视图。

【具体实施方式】

下面主要结合附图及具体实施例对薄膜型传声器阵列作进一步详细的说明。

实施例1

请结合图1-图4，本实施例的薄膜型传声器阵列包括压电驻极体薄膜110、线路板组件120及连接器130。

压电驻极体薄膜110为厚度在几十到几百微米之间的多孔聚合物薄膜。如图1和图2所示，本实施例的压电驻极体薄膜110为方形，两侧均对应设有3×3的块状电极形成电极阵列112。两侧对应的每对块状电极及它们之间的压电驻极体薄膜共同形成一个压电传声器单元。本实施例包括9个压电传声器单元。压电驻极体薄膜110在边缘处设有电连接一侧各块状电极的电极连接端114。

多孔聚合物薄膜通过高压极化在孔洞上下表面分别沉积正负电荷，形成电偶极子，然后在薄膜双面分别蒸镀电极，这时的薄膜称为压电膜。压电膜在声波的压力作用下厚度发生变化，因此孔洞内电偶极子的大小发生变化，电极内的补偿电荷也随之发生变化，从而改变电极间的电压，实现声电转换。

如图3和图4所示，线路板组件120上设有传声器电路(图中未示)、线路板输出端122、第一线路板输入端124和第二线路板输入端126。传声器电路包括模数转换器及与所述模数转换器电连接的编码器。本实施例的第二线路板输入端126与电极、电极阵列112的形状、位置对应，形成输入端阵列。

连接器130固定在线路板组件120的边缘位置，包括连接器输出端132和连接器输入端134。

如图5所示，本实施例的第二线路板输入端126形成的输入端阵列通过与压电驻极体薄膜110一侧的电极阵列112对应粘合连接，而将压电驻极体薄膜110固定在线路板组件120上。相应的第一线路板输入端124依次通过连接器输出端132、连接器输入端134、电极连接端114与压电驻极体薄膜110另一侧的电极阵列112电连接。

输入端阵列126与电极阵列112之间通过导电胶或锡膏固定连接。

本实施例的线路板输出端122设有无线或有线信号发送装置，以用于声电信号发送。

在声压的作用下，压电驻极体薄膜产生包含声音信息的模拟电信号。由于薄膜两侧设有电极阵列，则每一个电极单元产生一组模拟信号，整个阵列产生多组模拟信号。多组模拟信号分别经过第一线路板输入端124和第二线路板输入端126传递到传声器电路。之后，经过传声器电路中的放大芯片将信号放大，再经过模数转换器和编码器对输入的多组模拟信号进行模数转换和编码，得到多组数字信号；最后再经过传声器电路中的数字信号处理(DSP)芯片处理，得到包含全部声音信息的一组数字信号，经过线路板输出端122传递到外界。

电极阵列112的厚度为纳米量级，压电驻极体薄膜110、线路板组件120、连接器130的厚度为微米量级，从而整个薄膜型传声器阵列厚度可以达到超薄。

实施例2

如图6和图7所示，本实施例的薄膜型传声器阵列包括压电驻极体薄膜210及线路板组件220。

压电驻极体薄膜210为厚度在几十到几百微米之间的多孔聚合物薄膜。本实施例的压电驻极体薄膜210为方形，两侧均对应设有3×3的块状电极形成电极阵列212。两侧对应的每对块状电极及它们之间的压电驻极体薄膜共同形成一个传声器单元。本实施例包括9个传声器单元。压电驻极体薄膜210在边缘处设有电连接两侧各电极的第一电极连接端214和第二电极连接端216。

本实施例的线路板组件220固定在压电驻极体薄膜210的空白区域。线路板组件220上设有传声器电路(图中未示)、线路板输出端222、第一线路板输入端224及第二线路板输入端226。第一线路板输入端224与第一电极连接端214电连接，第二线路板输入端226与横穿压电驻极体薄膜的第二电极连接端216电连接。

采用线路板组件220固定在压电驻极体薄膜210上，结构简单，整个薄膜型传声器阵列的厚度较实施例1更薄、体积更小。

实施例3

如图8和图9所示，本实施例的薄膜型传声器阵列包括压电驻极体薄膜310、线路板组件320及连接器330。

压电驻极体薄膜310为厚度在几十到几百微米之间的多孔聚合物薄膜。本实施例的压电驻极体薄膜310为方形，两侧均对应设有3×3的块状电极形成电极阵列312。两侧对应的每对块状电极及它们之间的压电驻极体薄膜共同形成一个传声器单元。本实施例包括9个传声器单元。压电驻极体薄膜310在边缘处设有电连接两侧各电极的第一电极连接端314和第二电极连接端316。

线路板组件320上设有传声器电路(图中未示)、线路板输出端322和线路板输入端324。

连接器330固定在压电驻极体薄膜310的空白区域。连接器330设有连接器输出端332、第一连接器输入端334及第二连接器输入端336。

连接器输出端332与线路板输入端324通过有线方式电连接。第一连接器输入端334与第一电极连接端314电连接，第二连接器输入端336与横穿压电驻极体薄膜的第二电极连接端316电连接，从而实现压电驻极体薄膜310的电极阵列312与线路板输出端322的电连接。

电极阵列312的厚度为纳米量级，压电驻极体薄膜310、线路板组件320、连接器330的厚度为微米量级，从而整个薄膜型传声器阵列就是两张通过导线相连的薄膜。此实施例方案较灵活，线路板组件320可放置在实际需求的地方。

在其他优选的实施例中，连接器输出端332与线路板输入端324还可以通过无线方式电连接，从而线路板组件320可以灵活放置在需要的位置。

基于多孔聚合物薄膜的压电驻极体具有压电响应大、质量轻(克级)、厚度薄(微米级)、材料柔软易于弯折、适应各种环境(耐腐蚀、防水)、无毒无害环保、成本低廉(聚合物膜产量非常大)等优点。对于该薄膜型传声器阵列来说，利用压电效应，压电薄膜本身就能完成声电转换，无需空气共振腔，大大减小了器件的体积。储存在薄膜内部孔洞界面上的电荷稳定、不易丢失，使得薄膜型传声器阵列的声电转换性能稳定。零件数目减少，制造工艺简单，可靠性增强，成本下降。薄膜型传声器阵列具有频率响应宽而平、谐波失真低、截止频率高等优点。

在其他优选的实施例中，薄膜型传声器阵列可以包括M×N个正四边形、多边形、圆形、椭圆形及其它特定形状的传声器单元，只要所有传声器单元的形状和尺寸相同且排列规则即可。压电驻极体薄膜可以由两层或两层以上的多孔聚合物薄膜叠合而成，并电连接以增大压电响应即灵敏度，各层压电驻极体薄膜上所蒸镀电极的形状、尺寸、排列相同且互相对应。

此外，还可以在压电驻极体薄膜的表面覆盖一层防水膜，从而该薄膜型传声器阵列可应用于水下或非常潮湿的环境；或者覆盖其它例如防辐射膜等。防水膜或防辐射膜的色彩可与环境一致，则此薄膜型传声器阵列可非常隐蔽地敷设。

使用多孔聚合物薄膜制作的压电驻极体作为传声器单元的薄膜传声器阵列，结合了传声器阵列高效收音的优势和聚合物压电驻极体轻、薄、软、结构简单、可靠性强、成本低廉等优势，极大地拓展了传声器阵列的应用，使之成为视频会议、车载语音系统、大型会场等环境下替代传统传声器阵列的选择之一，且在超薄移动通讯等微电子技术领域具有较好的应用前景。

根据薄膜传声器阵列方向选择性的特点，制成薄膜型声源定位系统，隐蔽地敷设于房间天花板、墙壁或其它物体上，对声源，例如人的脚步声，进行定位，从而起到监控的作用。

由于传声器电路包含模数转换器及与所述模数转换器电连接的编码器，可制成数字传声器阵列，方便进行一体化设计，提供完整的音频解决方案。该薄膜型传声器阵列制作方法简单，通过改变蒸镀电极的形状、尺寸、排列即可改变压电传声器单元的形状、尺寸、排列以符合实际需求。整个器件可以拆下并转移安放到其它地方，适合移动使用，拆下来后根据其柔软的特点可以卷曲或者折叠，方便携带。材料符合环保要求，来源广泛且成本低。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种薄膜型传声器阵列，其特征在于，包括压电驻极体薄膜及线路板组件，所述压电驻极体薄膜为多孔聚合物薄膜，所述压电驻极体薄膜两侧分别对应设有电极阵列；所述线路板组件上设有传声器电路、以及与所述传声器电路电连接的线路板输入端和线路板输出端，所述线路板输入端与所述压电驻极体薄膜两侧的电极阵列电连接；

所述传声器电路包括模数转换器及与所述模数转换器电连接的编码器；

所述薄膜型传声器器阵列还包括固定在所述线路板组件边缘位置上的连接器，所述连接器包括连接器输入端及连接器输出端，所述线路板输入端包括第一线路板输入端及第二线路板输入端，所述第一线路板输入端依次通过所述连接器输出端、连接器输入端与所述压电驻极体薄膜一侧的电极阵列电连接，所述第二线路板输入端与所述压电驻极体薄膜另一侧的电极阵列对应设置形成输入端阵列，且所述第二线路板输入端与电极阵列的形状、位置对应，所述第二线路板输入端通过导电胶或锡膏与该侧的电极阵列对应粘合电连接。

2.如权利要求1所述的薄膜型传声器阵列，其特征在于，所述线路板输出端设有有线或无线信号发送装置。

3.如权利要求1所述的薄膜型传声器阵列，其特征在于，所述压电驻极体薄膜表面设有防水膜或防辐射膜。

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