CN102625992B - 具备可调节特性的麦克风 - Google Patents

Abstract

一种麦克风，包括可移动电极2和背电极4。背电极4与隔膜2之间的机械关系是可调节的，从而对麦克风的截止频率进行调节。这使得麦克风能够适应不同的噪声环境。

Description

具备可调节特性的麦克风

技术领域

本发明涉及麦克风，具体涉及可以其声学特性可以根据声学应用而调谐的麦克风。

背景技术

适合小型化的麦克风的一个示例是电容式麦克风(condensermicrophone)。电容式麦克风包括紧密靠近背电极安装的薄膜或隔膜。薄膜在其边缘被固定，使得当声压作用于薄膜时，薄膜能够偏转。膜和背电极一起形成电容器，其中电容根据膜的偏转而改变。

在使用中，使用通常被称作偏振或偏置电压的DC电压，来为电容器充电。当电容由于变化的声压而改变时，与声压成比例的AC电压叠加到DC电压上，所述AC电压用作麦克风的输出信号。

目前，尺寸不断减小的电子器件带来了所谓的微机电系统(MEMS)麦克风。与标准麦克风相比，这种麦克风通常被开发用于一般小于10V的较低电压，并且这种麦克风具有通常小于5μm的非常小的气隙，以获得对于麦克风的可接受灵敏度而言足够的场强。

图1a示出了现有技术MEMS麦克风1的横截面。对半导体管芯3涂敷导电层，该导电层形成膜2(即麦克风隔膜)。在该涂敷之后，将空腔蚀刻到管芯3中，从而将膜2分离。将包括孔5的背电极4放置在该结构上，其中，绝缘体6将膜2与背电极4电隔离。可选地，膜2由绝缘体构成。在这种情况下，将膜之上或膜之下的导电层用作电极。这种导电层还可以用作对抗电磁干扰的屏蔽。

在使用中，将偏振电压施加至膜2和导电背板4，从而对膜2进行机械预加载并因此使膜2弯曲。在图1b中部示出的膜2示出了通过偏振电压使系统偏置以后的停止位置IDL。由声波引起的膜2前面或后面的变化的气压导致膜2的另一弯曲。图1b还示出了对于给定声压，膜2的上死点位置UDC和下死点位置LDC。为更好的观看，将膜2的这三个位置分离开来。实际上，膜的外部区域是固定的，并且不会移动，使得膜2内仅存在弯曲。

背电极4中的孔5用于必要的空气流通。否则，当膜2上移时，膜2会压缩膜2和背板4之间的空气，这会妨碍膜2的移动。

膜2内部的特定应力是由制造工艺导致的，这表示膜2的停止位置是未知的。结果，对于不同的麦克风，可能存在较大范围上的灵敏度。因此，膜2可以在外部区域具有小孔，从而减小膜2内部的应力。图2a示出这种膜2的顶视图，其中，左上角示出了具有孔5的背电极4，右下角示出了具有孔7的膜2。

图2b示出了麦克风1的相应的截面视图B-B’。孔7的尺寸不可以超过特定半径，否则经过这些孔7的空气流通过盛，从而降低麦克风1的灵敏度。因此，在一些解决方案中，再使用不同的材料来密封这些孔7，这不影响膜2内部的应力，而是仅仅将孔7封闭。

本发明特别涉及麦克风的声学性能。麦克风的一个关键参数是它的低截止频率。在该截止频率以下，麦克风的灵敏度表现出明显的下降。由如下确定麦克风的期望低截止频率：

-机械参数，比如，传感器的柔量、质量和阻尼；

-读出电子设备的电参数；以及

-声学应用，比如，压力均衡机制的设置(setup)。

本质上，对于截止频率fc以下的频率，麦克风的灵敏度降低。

具有特定需求的声学应用的示例是在预期风噪声的环境中。因为风噪声具有高幅度，尤其是在低频率的情况下，所以对于麦克风录制来说，这种环境是具有挑战性的。

因此，对于麦克风，产生出不同的需求。有利的是具有针对大多数录制状况(包括任意高品质录制状况)的较宽范围的频率响应(包括低频率内容)。然而，困难条件下(比如，风噪声)的录制应该产生不失真的结果。

可能的是：以软件来处理麦克风捕获的信号，例如，施加根据特定的声学环境而选择的滤波。然而，当麦克风自身提供失真的输出时，信号处理可能无法成功地恢复期望的信号。

发明内容

根据本发明，提供了包括传感器的麦克风，所述传感器包括可移动电极和背电极，其中，可移动电极包括与背电极分隔开的隔膜，

其中，麦克风还包括调节装置，其中，能够通过调节装置调节在背电极与隔膜之间的物理相对横向对准(lateral alignment)，从而对麦克风的截至频率进行控制。

因此，本发明提供对截止频率fc进行自适应控制的麦克风。对于标准条件，启用低fc值，对于高风噪声条件或其它低频率噪声条件，启用高fc值。调节装置是麦克风设计的一部分，在使用麦克风期间操作调节装置，以根据需要来调整麦克风配置。因此，在制造之后这种调节是可能的，而不是作为制造期间设计最优化的一部分。在使用中的调节可以是自动化的(比如，依据环境噪声级别)，或者可以存在可由用户选择的设置。

可移动电极包括隔膜，其中，隔膜与背电极由分隔装置分隔开。这限定了电容式麦克风装置，其适于使用MEMS技术的小型化实现，在电容式麦克风中，传感器基本上是具有一个硬性电极和一个柔性电极的电容器。

通过提供横向调节，上述调节不会增加麦克风装置的厚度。

优选地，背电极包括通风开口的阵列。这些通风开口使得隔膜能够自由移动。优选地，隔膜也包括多个开口，可以利用开口的对准和未对准来调谐麦克风的声学特性。

因此，对准至少可以在如下对准之间来调节：

背电极与隔膜之间的第一对准，其中，至少一些隔膜开口与背电极的通风开口对准；以及

背电极与隔膜之间的第二对准，其中，至少一些隔膜电极开口与背电极的固体部分对准。

第一对准与高截止频率(对于具有诸如风之类的大量低频率噪声的条件)相对应，第二对准与低截止频率(对于完全灵敏度)相对应。

隔膜与传感器可以彼此相对地旋转，以调节机械关系，提供了致动器来控制该旋转。

本发明还提供对包括传感器的麦克风的频率响应进行调节的方法，所述传感器具有可移动电极和背电极，其中，可移动电极包括与背电极分隔开的隔膜，该方法包括：使用调节装置对背电极与隔膜之间的物理相对横向对准进行调节，从而对麦克风的截止频率进行控制。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述发明的示例，附图中：

图1a示出了现有技术MEMS电容式麦克风的截面图；

图1b示出了图1a膜的弯曲；

图2a示出了具有应力释放结构的现有技术的膜的顶视图；

图2b示出了图2a的膜的截面图；

图3a和3b示出了本发明的麦克风；以及

图4a和4b示出了调节麦克风特性的一种可能方式。

具体实施方式

本发明提供了一种麦克风，其中对截止频率进行机械控制。例如，对于不同的噪声条件，需要不同的截止频率。

图3a示出了本发明的麦克风，仅示出了可移动电极(隔膜)、背电极和分隔器。例如，对于图2b的示例，背电极4具有通风开口5，隔膜具有开口7。背电极和可移动电极一起限定了传感器。

在图3a示出的位置中，开口7与开口5对准。已发现，这降低了低频率响应度，从而用作增大截止频率的机械高通滤波器。

本发明基于如下认识：开口的对准可以用于调谐麦克风的电声学特性。可以通过改变背电极4与隔膜2之间的相对横向对准，来改变开口的对准。

因此，可以认为图3a示出了背电极4与隔膜2之间的第一对准配置，其中，隔膜开口7与通风开口5对准。这种情况与高截止频率相对应。

图3b示出了背电极4与隔膜2之间的第二对准配置，其中，隔膜开口7与背电极4的固体部分(部分地或完全)对准。这种情况与低截止频率相对应。

通风开口5的典型半径在1μm左右，隔膜开口7可以具有相同的尺寸，或稍微大些(因为隔膜开口7较少)，例如2μm左右。隔膜与背电极之间的间距在2μm左右，或优选地，至少在范围1μm至10μm中。

因此，沿箭头8方向所需的移动的量级在2μm至20μm(如图3b中箭头10所示)。优选地，使用MEMS技术器件来对移动进行电控制。

例如，隔膜2和背电极可以彼此相对旋转来调节机械关系。对旋转的控制是通过致动器的，所述致动器可以使用压电效应、双金属效应、热膨胀、或在电控制下提供位置物理变化的其它效应。

对隔膜及背电极中开口的数目和位置进行选择，以在两种模式中提供期望的声学特性。

例如，膜中的开口数目可以在范围1至100中，更优选地，在范围4到10中，而背电极中的开口数目更大，例如，在成百上千的量级或成千上万的量级上，例如100至20000，或更优选地，1000至20000。

典型地，隔膜开口是对称地放置的，而背电极开口可以是随机间隔开的。

图4示出了当基于旋转进行位置调节时调节麦克风特性的一种可能方式。

膜2具有四个开口20，还示出了背电极4的一些开口22。膜和背电极可以相对于彼此旋转。在图4a示出的取向上，四个膜开口与背电极的开口对准，而在图4b示出的取向上，四个膜开口没有与背电极的任何开口对准。

将膜形成为固定在框架中的组件，采用釜状鼓形式。膜与背电极通过固定件24耦接在一起，可以通过压电或热效应控制固定件24，来改变长度。在图4中示出了这种效应，其中，图4b中的固定件24比图4a中的固定件短。

存在用于控制隔膜和背电极之间小规模相对移动的多种可能的MEMS致动器。在文章″Scaling Laws of Microactuators and PotentialApplications of Electroactive Polymers in MEMS″(Proceedings of SPIE′s6th International Symposium on Smart Structures and Materials，1-5March1999，论文No.3669-33，Chang Liu和T Bar-Cohen)中描述了多种可能的技术。该文章概述了MEMS侧向(transverse)梳齿驱动致动器的功能、MEMS横向梳齿驱动致动器的功能、磁激励设备的功能、以及热双金属致动器的功能和压电致动器的功能。

这些不同的技术都可以用于实现期望的相对移动。可以直接使用线性移动来提供期望的对准变化，或者可以将这种线性移动转换为参考图4说明的方式的旋转移动。

可以存在多种模式，而并非仅是以上描述的两种模式。

结合MEMS电容器麦克风来描述了本发明。然而，本发明可以应用到其它麦克风设计中(比如，动态麦克风、驻极体麦克风、压电麦克风、碳麦克风)。本发明基本构思是：提供对麦克风配置的机械调节以改变电特性。

在困难的环境条件期间，本发明提供改善的音频性能。通过在麦克风传感器的级别上进行调节，可以实现功率节省，这是因为可以减少滤波量以及对要滤波的噪音进行补偿的其它信号处理量。

在优选实施例中，调节装置是MEMS致动器。但是，可以通过其它微型致动器来进行调节，或者调节甚至可以是手动的。

对于本领域技术人员来说，各种修改是明显的。

Claims (8)

1.一种麦克风，包括传感器，所述传感器具有可移动电极和背电极，其中，可移动电极包括与背电极分隔开的隔膜，

其中，麦克风还包括调节装置，其中能够通过调节装置调节背电极与隔膜之间的物理相对横向对准，从而控制麦克风的截止频率；

其中，背电极包括通风开口阵列，可移动电极包括多个开口；

其中，所述物理相对横向对准至少能够在如下之间调节：

背电极与可移动电极之间的第一对准，其中，至少一些可移动电极开口与背电极的通风开口对准；以及

背电极与可移动电极之间的第二对准，其中，所述至少一些可移动电极开口与背电极的固体部分对准。

2.如权利要求1所述的麦克风，其中，第一对准与高截止频率相对应，第二对准与低截止频率相对应。

3.如前述权利要求中任一项所述的麦克风，其中，可移动电极与背电极相对于彼此是可旋转的，以调节所述物理相对横向对准。

4.如权利要求3所述的麦克风，其中，调节装置用于控制旋转。

5.如权利要求4所述的麦克风，其中，调节装置包括MEMS致动器。

6.一种对包括传感器的麦克风的频率响应进行调节的方法，所述传感器具有可移动电极和背电极，其中，可移动电极包括与背电极分隔开的隔膜，所述方法包括：使用调节装置对背电极与隔膜之间的物理相对横向对准进行调节，从而控制麦克风的截止频率；其中，背电极包括通风开口阵列，可移动电极包括多个开口；

其中，所述物理相对横向对准至少能够在如下之间调节：

背电极与可移动电极之间的第一对准，其中，至少一些可移动电极开口与背电极的通风开口对准；以及

背电极与可移动电极之间的第二对准，其中，所述至少一些可移动电极开口与背电极的固体部分对准。

7.如权利要求6所述的方法，其中，调节包括：使可移动电极与背电极相对于彼此旋转，来调节所述物理相对横向对准。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中，由MEMS致动器执行调节。