CN102957992A

CN102957992A - 双背板传声器

Info

Publication number: CN102957992A
Application number: CN2012102908017A
Authority: CN
Inventors: J.R.巴伯; 小约翰.C.鲍姆豪尔; J.P.麦卡蒂尔; A.D.米歇尔; J.V.奥尔森
Original assignee: Crown Audio Inc
Current assignee: Harman International Industries Inc; Crown Audio Inc
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2013-03-06
Also published as: US20130044899A1; EP2560408A3; EP2560408A2

Abstract

提供了一种双背板传声器，其利用驻极体电容或MEMS电容构造，且其中运算放大器IC电连接到背板和膜片的导电层两者。

Description

双背板传声器

技术领域

本发明一般涉及传声器，且更特定而言涉及双背板传声器。

背景技术

非常需要持续改进音频传声器的信号电气噪声比（SNR），诸如驻极体电容传声器（ECM）、MEMS电容传声器和具有驻极体偏压的MEMS传声器。这种类型的可变电容传声器中的电气噪声很大程度上由传声器外壳或包装内含有的放大器集成电路（IC）决定。因而，关键的是最优化从传声器的声电电容换能单元到达IC输入处的音频信号电平，所述单元基本上包括具有电极的活动膜片、空气间隙和固定的或所谓的“背板”电极。优选地在没有增加所述单元的整体大小的情况下，通常通过增加所述单元的开路音频信号电压振幅（E_oc）、增加所述单元的有功（即，信号变化）电容（C_a），和/或减小其固定寄生电容（C_s）而实现音频信号电平最优化。可被最优化的参数包括膜片张力或板型机械硬度、空气间隙高度、植入的驻极体电荷和其等效电压电平，和/或MEMS型传声器的外部极化电压。

双背板传声器（也称为推挽式传声器）利用位于两块背板之间的膜片。两块背板的每块包括允许声压传递通过背板且偏转该膜片的一个或多个声孔。不幸地是，结构互连困难和电互连困难两者阻碍了这种类型的传声器的显著高产量商业应用。本发明克服了这些困难。

发明内容

本发明提供驻极体电容传声器（ECM），其装配在导电外壳内，且包括第一背板和第二背板，膜片插入在所述两块背板之间，且具有插入在第一背板与膜片的导电层之间的第一驻极体层，和插入在第二背板与膜片的导电层之间的第二驻极体层。驻极体层可附接到背板或膜片。电路板将外壳的开口封闭。两块背板的下背板，即，最接近电路板的背板装配在不导电张力环中（例如，陶瓷张力环）。张力环优选地包括用于将膜片的导电层经由电路板而电连接到IC的镀金属表面/通路。隔片用于在每块背板与膜片之间建立空气间隙。运算放大器（op-amp）IC电耦合到背板和膜片两者，运算放大器IC为ECM提供信号处理。ECM优选地包括插入在电路板与下背板之间的导电弹簧垫圈。

在至少一个构造中，运算放大器IC是电压式IC，其中第一IC输入经由电路板和弹簧垫圈而电连接到第二背板，且其中第二IC输入经由电路板和导电外壳而电连接到第一背板。优选地，第二IC输入经由电路板和张力环上的多个镀金属表面/通路而电连接到膜片的导电层。在至少一个实施方案中，膜片包括与导电添加剂块体掺合的聚合基膜树脂，其中膜片具有介于5.0E10与1.0E13欧姆/平方之间，且更优选地介于1.0E11与5.0E11欧姆/平方之间的表面电阻率。在至少一个其它实施方案中，膜片包括不导电基膜和表面镀金属，其中膜片具有介于5.0E10与1.0E13欧姆/平方之间，且更优选地介于1.0E11与5.0E11欧姆/平方之间的表面电阻率。

在至少一个其它构造中，运算放大器IC是差分IC，其中第一IC输入经由电路板和弹簧垫圈而电连接到第二背板，且其中第二IC输入经由电路板和导电外壳而电连接到第一背板，且其中参考IC输入经由电路板和张力环上的多个镀金属表面/通路而电连接到膜片的导电层。

在至少一个其它构造中，运算放大器IC是充电式IC，其中第一IC输入经由电路板和张力环上的多个镀金属表面/通路而电连接到膜片，且其中第二IC输入经由电路板和导电外壳而电连接到第一背板，且经由电路板和弹簧垫圈而电连接到第二背板。

在本发明的另一个方面，提供一种MEMS型传声器，其包括第一微机械化背板（其包括至少一层导电材料和至少一个声孔）、第二微机械化背板（其包括至少一层导电材料和至少一个声孔）、膜片（其包括至少一个导电层，且其插入在第一微机械化背板与第二微机械化背板之间）、将第一微机械化背板从膜片分开且建立第一空气间隙的第一隔片、将第二微机械化背板从膜片分开且建立第二空气间隙的第二隔片，和电耦合到两块微机械化背板和膜片的运算放大器IC，所述运算放大器IC为MEMS型传声器提供信号处理。

在至少一个构造中，电荷泵耦合到膜片，且运算放大器IC是电压式IC，其中第一IC输入电连接到第一微机械化背板，且其中第二IC输入电连接到第二微机械化背板，且其中第一IC输入经由电荷泵而电连接到膜片的导电层。电阻源，诸如具有介于5.0E10与1.0E13欧姆/平方之间的表面电阻率的膜片可与电荷泵串联放置。

在至少一个构造中，电荷泵耦合到膜片，且运算放大器IC是差分运算放大器IC，其中第一IC输入电连接到第一微机械化背板，且其中第二IC输入电连接到第二微机械化背板，且其中差分运算放大器IC的参考输入经由电荷泵而电连接到膜片的导电层。

在至少一个构造中，运算放大器IC是充电式运算放大器IC，且第一IC输入电连接到膜片的导电层，且其中第二IC输入经由第一电荷泵而电连接到第一微机械化背板，且经由第二电荷泵而电连接到第二微机械化背板。

通过参考本说明书的剩余部分和图，可实现对本发明的实质和优点的进一步理解。

附图说明

图1图示了常规驻极体传声器的基本元件；

图2提供了根据本发明的ECM的一个优选实施方案的横截面图；

图3提供了图2中所示的ECM的一部分的详细横截面图；

图4图示了用于将电压式放大器IC耦合到图2和图3中所示的ECM的一个优选构造；

图5图示了用于将差分电压式放大器IC耦合到图2和图3中所示的ECM的一个替代优选构造；

图6提供了使用于图2和图3中所示的ECM中的弹簧垫圈的透视图；

图7提供了使用于图2和图3中所示的ECM中的替代弹簧垫圈的透视图；

图8提供了ECM的一个替代优选实施方案的横截面图；

图9提供了图8中所示的ECM的一部分的详细横截面图；

图10图示了用于将充电式放大器IC耦合到图8和图9中所示的ECM的一个优选构造；

图11图示了与图2和图8中所示的实施方案搭配使用的一个替代驻极体构造；

图12图示了与图2和图8中所示的实施方案搭配使用的另一个替代驻极体构造；

图13图示了与图2和图8中所示的实施方案搭配使用的又一个替代驻极体构造；

图14图示了类似于图2中所示的ECM的ECM，只是带电驻极体含氟聚合物层直接施覆到上套圈表面的内表面；

图15提供了图14中所示的ECM的一部分的详细横截面图；

图16图示了基于图2中所示的构造的梯度式ECM；

图17图示了基于图8中所示的构造的梯度式ECM；

图18图示了耦合到根据本发明的电压式放大器IC的MEMS型传声器的一个优选实施方案；

图19图示了耦合到根据本发明的差分电压式放大器IC的MEMS型传声器的一个优选实施方案；

图20图示了耦合到根据本发明的充电式放大器IC的MEMS型传声器的一个优选实施方案。

具体实施方式

图1图示了常规驻极体传声器，通常称为单边驻极体传声器的基本元件。如这个横截面中所示，传声器100包括导电圆柱外壳101，也称为套圈。在典型的传声器中，套圈101具有介于3毫米与10毫米之间的直径。外壳101的末端部分的前面103包括一个或多个大体上共同定位的声孔105。具有一个或多个二级声孔109的电极板107抵靠外壳101的前部103的内表面装配。驻极体材料111沉积或以其它方式施覆到在电极107的内表面上，且带电。镀金属聚合物膜片113经由电绝缘隔片115而从驻极体材料层111分开。

印刷电路板（PCB）117装配在位于相对于前面103的远端的外壳开口内，且覆盖所述外壳开口。如所示，集成电路（IC）119，或一个或多个信号处理元件（例如，场效应晶体管或FET）附接到PCB117且包含在外壳101内。由凸起接触区域118表示的PCB 117上的电极图案与导电外壳101结合用于将信号处理IC 119耦合到电极板107。镀金属膜片113经由导电隔片121和位于PCB 117底表面上的凸起接触区域123而耦合到信号处理IC 119。隔片121通常是环形的。通常也是环形的电绝缘隔片125用于防止隔片121与外壳101的短路，以及确保隔片121相对于接触区域123适当定位。外壳101的末端边缘部分127被折叠且卷曲，从而使电路板117、隔片121和镀金属膜片113抵靠彼此压缩，且将各个组件保持在适当位置。焊接凸块129用于将传声器元件电耦合到希望装置（即，手机、摄像机等等）。

如由本领域技术人员所知，常规驻极体电容传声器（ECM）元件具有许多可能构造。上文关于图1描述的传声器元件只是一个这种构造，一般称为反向背部驻极体配置。称为背部驻极体配置的另一个示例性现有技术配置将元件107、111、115和113的位置颠倒，将电极板107朝结构的背部放置。在一个这种构造中，电极107通常称为背板。在称为箔驻极体配置的又一个示例性现有技术配置中，驻极体材料层沉积在膜片上且带电，而不是放置在背板电极上。在上文简单描述的两个替代构造中，结构的其它变化是必要的。

图2提供了根据本发明的ECM 200的一个优选实施方案的横截面图。图3提供了ECM 200的部分201的详细横截面图。声音进入位于外壳101的末端部分的前面103中的声孔105，且接着传递通过位于固定金属上背板203中的一个或多个二级声孔202。膜片205定位在上背板203与固定金属下背板207之间，其中上背板203包括带电驻极体含氟聚合物层209，且下背板207包括带电驻极体含氟聚合物层211。如图3的详细图中所示，驻极体层209与膜片205的上表面之间形成上空气间隙301，且驻极体层211与膜片205的下表面之间形成下空气间隙303。应当理解，如所示，下背板207中的孔213不需要与上背板203中的声孔201对准。

在ECM 200中，声学声压波从膜片205辐射，传递通过下空气间隙303和孔213，且进入形成于下背板207与含有IC 119的PCB 117之间的声学空气腔215。当套圈101抵靠PCB 117卷曲时，导电弹簧垫圈217稳固地将下背板207保持抵靠下隔片219。图2和图3两者中可见的张力环总成包括坚硬且优选地由陶瓷制成的不导电材料本体221，其具有镀金属上表面223、镀金属下表面224以及将表面223和224电连接的窄导电表面/通路225。如在下文中详细讨论，膜片205可为各处导电的，或利用邻近表面223的膜片表面上的镀金属涂层。张力环221的主要目的是在已使用导电粘合剂将膜片在张力下接合到张力环镀金属223之后维持膜片205上的张力。张力环221必须是不导电的，以防止下背板207与金属套圈101内部之间的短路，且使张力环镀金属表面与下背板207之间的寄生电容最小化。

如上文中所示和描述，ECM 200含有共享共同膜片205的两个电容换能单元，其中每个换能单元由膜片电极和上背板203或下背板207接合。这个构造在本文中称为双背板结构，虽然其也可以称为推挽式结构。

在ECM 200中，下背板207定位在张力环221内，即，背板207的外径（OD）小于张力环221的内径（ID）。在这个构造中，为了避免增加套圈101的外径或减少膜片205的振动（即，作用）部分，张力环211利用很薄优选地以0.3毫米厚的数量级的壁。应当了解，减小膜片205的作用部分的面积和因此的有功电容C_a将趋于胜过双单元途径的优点。因此，在至少一个优选实施方案中，张力环221由非常强硬且不导电的材料制成，诸如具有至少92%的Al₂O₃的氧化铝陶瓷。应当注意，膜片205的作用部分由环形隔片115（即，上隔片）和219（即，下隔片）的ID定义。

ECM 200的上单元和下单元，即，膜片205上方和下方的电容系统是以电串联推挽式构造来构造。这个构造提供传统ECM中使用的单个单元的两倍开路信号电压E_oc，以及一半有功电容C_a和一半寄生电容C_s。如图4或图5中所示，这个串联推挽式构造优选地耦合到IC 119。在这些构造中，IC 119是具有非常低输入电容C_in和非常高输入阻抗R_in的电压式运算放大器（op-amp），导致IC 119的输入处约有6dB的电压信号增加。此外，因为双背板结构在静电的意义上被迫平衡于其中性位置，而单边现有技术驻极体设计则不然，所以本发明的传声器在两个驻极体含氟聚合物层209和211的每个中可以良好定义的更高且稳定的驻极体电荷静电偏压。在驻极体层209和211分别附接到背板203和207，且假设膜片各处导电的这种电串联的优选实施方案中，在邻接各自空气间隙301和303的两层中捕获的驻极体表面电荷优选地在量值上是中性的和负的（应当注意，如果膜片包括镀金属聚合物层，那么两个驻极体的最优表面电荷将在量值上以某种程度不同）。或者，在两层中捕获的驻极体表面电荷可为正的。因此，由于至少高出30%的稳定驻极体电荷，IC输入在上文提及的现有技术单边驻极体传声器的设计上增加6dB的基础上，其（取决于设计参数）进一步增强2dB或更多dB。

在图4中图示的构造中，单端IC 119电压式放大器的In^-经由PCB117、导电弹簧垫圈217和下背板207接收其信号。IC 119的In⁺从PCB 117、套圈101和上背板203接收其信号。In⁺也经由PCB 117和镀金属通路223-225而连接到膜片205。或者，In⁺可经由PCB 117、套圈101，以及套圈101与镀金属通路223-225之间的直接连接或经由诸如导电环氧树脂、小接触弹簧或诸如此类的构件的连接而连接到膜片205。膜片205优选地由聚合基膜树脂制成（例如，优选地为2微米的聚苯硫醚（PPS）或聚对苯二甲酸乙二（醇）酯（PET）），其与贯穿其厚度而分布的导电添加剂（例如，本征型消散聚合物（IDP）抗静电复合物）块体掺合。在一个示例性实施方案中，这样一种膜片的表面电阻率介于5.0E10与1.0E13欧姆/平方之间，且更优选地介于1.0E11与5.0E11欧姆/平方之间，且此外更优选地设为约2.0E11欧姆/平方。在一个替代优选实施方案中，膜片205由以非常薄的层或涂层表面镀金属的不导电基膜制成，以便产生与上文所述的相同表面电阻率。如图4中所示，不管用于制造膜片205的方法，导电率制造成如此低，使得其建立非常高但有限的（分布式）总径向电阻R_d。图4图示了最适于电串联推挽式构造的优选电互连和电压式运算放大器IC 119。

确保电串联单元的静电偏压在空气间隙中提供固定电场是重要的。基于图4中所示的构造，将R_d与具有等于C_a+C_s的电容C的上单元（包括空气间隙301）的径向分布式电容的乘积数学积分，为所述单元的充电/衰减产生R_dC时间常数。假设两个单元相同，在至少一个实施方案中，C_a等于1.9pF，C_s等于1.6pF，C_in等于0.3pF（即，远小于C），R_in等于10千兆欧姆，且R_d等于32千兆欧姆。所得112毫秒的时间常数R_dC被设计为远大于最低音频F_c的周期的一半，其在F_c等于20Hz的至少一个实例中是25毫秒。应当了解，对于下单元（即，空气间隙303）R_dC将由于在所述实例中R_in加到R_d上而在某种程度上更大。此外，虽然不是以相同速率，但是膜片205从两个单元的dc充电/衰减是电荷相加的。应当注意，已忽略C_in，因为其对比于上文估计的时间常数中的C较小。因此，对于这组参数且在dc下，且远低于F_c，可在膜片205上建立正（即，引发）电荷，以与209和211上的捕获负驻极体电荷互补，因此分别在上空气间隙301和下空气间隙303中建立所需偏压和固定电场。关键的是，视高于F_c的需要，膜片205上建立的偏压的引发静电电荷在高于F_c的ac（即，音频信号）运动期间无法放电或从膜片泄漏。这样一种放电将导致不利的输入-输出非线性，以及因此的信号失真。由于有利的R_d设计，到达IC 119的输入In^-和In⁺处的ac信号只来自上背板203和下背板207，而不是来自膜片205。

在图5中图示的替代构造中，对于IC 119使用差分电压式运算放大器，而不是图4中所示的单端电压式放大器。V_out与图4和图5中图示的构造中大体上相同，但通过使用差分放大器，膜片的分布电阻R_d可用两个输入电阻器R_in代替，其中R_in将采用上文给出的R_d的优选数值，而C_in表示IC的寄生输入电容。应当注意，这在图4中所示的构造中是不可能的，因为在R_d等于0时，上单元将是短路电路，其由于膜片电流随膜片运动泄露而导致较大的信号飞线性。应当注意，在图5的构造中，膜片205不需要制造成产生图4所指定的分布电阻R_d。

虽然本发明不限于特定设计的弹簧垫圈217，但是图6和图7分别图示了可应用于ECM 200的垫圈217的两个示例性设计600和700。不管垫圈217的设计，希望在下背板207上施加静态压缩力，因此确保下空气间隙303的适当间距。虽然由垫圈217施加的力很重要，但是其必然远小于套圈101的轴向卷曲力。此外，弹簧垫圈217被设计和组装以便在PCB 117和下背板207两者上建立最低机械弯曲力矩臂。在至少一个优选实施方案中，垫圈217包括具有0.1毫米厚度的贝尔维尔型（Belleville-type）弹簧垫圈（例如，垫圈600），当压缩到所需的0.40毫米工作高度，PCB 117与背板207之间的距离时，其在下背板207上提供30N的压缩力。在所需的0.40毫米工作高度下，这种垫圈提供约1.8E5N/m的弹簧常数。垫圈700图示了一个替代的优选设计。应当了解，垫圈217可使用其它设计（例如，波浪型弹簧垫圈）。

本文中公开的双背板结构在其dc或静止状态中静电力平衡（即，膜片上的净静电力是零）。这与常规单边驻极体传声器极为不同，在常规单端驻极体传声器中，膜片上与空气间隙的电场平方成正比的静电力通过膜片中的恢复张力而平衡于dc下。在其动态模式中，这样一种常规传声器的膜片受声压、张力或机械硬度、膜片惯性力、静电力、空气间隙131中的声学薄气膜阻尼和与声学空气腔133内的空气体积成反比的声学刚度影响。在本文中公开的双背板结构的动态模式中，相同的力通常开始发挥作用，但张力和惯性膜片恢复力在单元之间共享。

图8提供根据本发明的双背板ECM 800的一个替代优选实施方案的横截面图。图9提供ECM 800的部分801的详细横截面图。在ECM 800中，结构的两个电容换能单元希望并联而不是如先前构造中的串联电连接到运算放大器IC 119的输入处。结果，组合的单元开路电压E_oc从每个单元的开路电压无变化。因此，由于推挽式构造的增强静电平衡，组合E_oc将仅增强前文讨论的2dB或更多dB。然而，组合单元现将具有常规单个单元传声器的两倍电容，即，2*(C_a+C_s)。因此，组合单元的信号电流输出（在此与2*(C_a+C_s)成正比）将在从充电式放大器IC 119的输出信号电平上提供6dB增强。图10图示了ECM 800与IC 119之间的优选电连接。

为了构建图8和图9中所示的优选实施方案，每个单元的戴维南（Thevenin）信号电流必须瞬时地被导向到膜片205中，或从膜片205导出（即，同相位）。因此，不像图2和图3中图示的实施方案，在本实施方案中，空气间隙301和303中的dc电场必须是相同方向的。为了实现这种效应，下背板207的驻极体层211带负电荷，而上背板203的驻极体层209带正电荷。再次说明，如果单独上单元含有镀金属膜片的介电厚度，那么两个电荷电平的量值将在某种程度上不同以确保dc静电力平衡。或者，可通过其它方式实现静电力偏压，诸如从上背板203移除带正电荷的含氟聚合物层209，且从含氟聚合物制造膜片205，其在膜片下表面上具有镀金属，且在其邻接上空气间隙301的上表面上带负电荷。再次说明，两个电荷量值将需要在某种程度上不同以确保dc静电力平衡。

如图10中所示，对于驱动成充电式放大器的图8和图9中所示的实施方案，没有将电阻元素也没有RC时间常数设计到膜片205中或供应于IC 119上。在这个实施方案中，运算放大器IC 119的In⁺从导电块体或膜片205的镀金属下层经由PCB 117和张力环221上的镀金属迹线接收其信号。应当注意，张力环221上的镀金属迹线包括上表面镀金属223、下表面镀金属224和将上镀金属耦合到下镀金属的窄通路镀金属803。优选地，通路镀金属803位于张力环221的外表面与内表面之间，例如在环221的内表面上的窄槽口中，因此得以防止短路，且最小化迹线与下背板207或与套圈101之间的寄生电容。运算放大器IC 119的In^-经由套圈101和PCB 117而连接到上背板203，且经由导电弹簧垫圈217和PCB 117而连接到下背板207。

在关于图2、图3、图8和图9而描述的实施方案中，驻极体层（例如，驻极体层209和211）附接到各自背板电极203和207。然而应当理解，驻极体层也可以附接到膜片，使得驻极体层仍然插入在膜片的导电层与导电背板之间。例如，图11提供与图3中所示的图类似的详细图，只是上背板203不包括驻极体层。在这个实施方案中，驻极体层1101（例如经由接合或沉积）附接到膜片205，驻极体层1101被插入在膜片205的导电层与上背板203之间。例如，如果驻极体层211带负电荷，那么驻极体层1101对于图3的电串联构造中的单元而言带正电荷。类似地，图12图示了图3的下背板207上的驻极体层211用（例如，经由接合或沉积）附接到膜片205的驻极体层1201代替，其中驻极体层1201插入在膜片205的导电层与下背板207之间。类似地，图13图示了用驻极体层1101和1201代替图3中的驻极体层209和211，其每个均插入在膜片上的导电层与各自背板203和207之间，且在这种情况中，两个电荷可以是相同极性的（优选为负）。

上文描述的双背板ECM构造利用一对导电背板203和207。虽然这个途径一般是优选的，但是本发明人已发现，如果需要，可除去上背板203。在这样一种构造中，邻近膜片的套圈101的内表面代替了背板203。例如，图14图示了类似于图2中所示的构造的ECM，只是带电驻极体含氟聚合物层209直接施覆到套圈上表面的内表面。图15提供类似于图13所提供的构造的这种构造的详细横截面图。应当理解，可通过除去背板203而类似地修改前文公开的任何实施方案。

虽然已就全向型ECM描述本发明的双背板传声器，但是应当理解，所公开的设计同样可应用于梯度型ECM，因此对某些应用提供有利方向或降噪拾音性能。为了修改前文公开的设计以生产梯度型ECM，通过PCB 117添加第二声音端口。例如，图16和图17图示了分别类似于图2和图8中所示的实施方案的实施方案，其中已添加第二声音端口1601，因此允许跨越膜片声学地减去声音信号。

图18图示了类似于关于图2和图4所示的构造的构造，其应用到微机电系统（MEMS）型电容传声器1800。应当注意，图18示出了装置（即，MEMS 1800）以及其到运算放大器IC 119的连接两者。基板1801支撑MEMS换能器模具1800的分层结构，MEMS换能器1800包括微机械化上背板1803，微机械化下背板1805和夹在两块背板之间的膜片1807。膜片1807包括导电层。上隔片1809在膜片1807与上背板1803之间建立上空气间隙1811。类似地，下隔片1813在膜片1807与下背板1805之间建立下空气间隙1815。类似于前文描述的ECM实施方案，在MEMS换能器1800中，空气间隙1811和1815的厚度随膜片1807在声压作用下的振动而变化，从而形成两个换能单元的变化部分。应当注意，取决于MEMS换能器模具在MEMS传声器外壳或机械声学包装（没有示出）中的放置，声压可通过上背板1803中的孔阵列1817或下背板1805中的孔阵列1819而进入双单元系统。如本文中所使用，机械声学封装从用户端装置（例如，电话听筒和手持装置）收集声音，同时包住MEMS换能器模具（例如，模具1800）和信号处理电子器件（例如，运算放大器IC 119）。应当了解，在一个典型实施方案中，运算放大器IC 119和换能器模具1800在分开的模具上整合，虽然如果需要，可将两者共同定位在相同模具上。

在图18的MEMS实施方案中，如图4中所示的ECM实施方案，双单元是电串联的，且耦合到单端电压式运算放大器IC 119。因为在MEMS结构，诸如图18的结构中利用内部捕获的驻极体电荷型偏压是不常见的，所以优选地将经由电压V_P的电荷泵1821的外部dc电压极化整合到IC模具上。在这个构造中，V_P的符号仅将以180度改变音频信号输出相位。这导致两个空气间隙1811和1815中以相反方向的极化电场，如这个电串联单元构造所需。如上文关于图4所描述，R_d必须足够大，使得所得的上单元时间常数R_dC是约12毫秒，且远大于最低音频F_c的周期的一半，其在F_c等于20Hz的至少一个实例中是25毫秒。接着，视高于F_c的需要，分别在膜片1807和上背板1803和下背板1805上建立的极化引发静电电荷在膜片的ac运动（即，高于F_c的音频信号）期间无法放电（即，泄漏）。优选地，选择R_d值使得到达IC 119的In^-和In⁺处的ac信号只来自上背板1103和下背板1805，而不是来自膜片1807。应当注意，R_d电阻可建立在膜片1807或背板或MEMS换能器模具1800的导电路径中。或者，如图19中所整合，其可整合于运算放大器IC 119上。

图19图示了图18中所示的系统的一个替代实施方案，其中MEMS换能器模具1800的双单元串联电连接到差分式电压运算放大器IC 119，且因而不包括MEMS模具中形成的电阻R_d。IC 119的R_in被设计成采用上文给出的R_d的优选数值。应当注意，图19的实施方案是与前文描述使用图5中所示的IC构造的ECM传声器等效的MEMS，且加上了取代捕获电荷的电荷泵1821。

图20图示了图18中所示的系统的另一个替代实施方案，其中MEMS换能器模具1800的双单元并联电连接到充电式运算放大器IC119，诸如图10中所示的IC。有利地利用经由（可能整合于IC 119模具上的）两个电荷泵1821的外部dc电压极化，以将相反极性的极化电压供应到两块背板1803和1805中的每个。由于这种构造，如这个并联单元构造中所需，两个空气间隙1811和1815中的极化电场方向相同。

应当理解，与使用从一个或多个电荷泵1821外部施加的dc极化电压相反，图18至图20中所示的MEMS实施方案可代替地使用内部驻极体捕获电荷，以使双单元dc偏压。此外，虽然上文描述和示出的电串联双单元型ECM和MEMS实施方案优选地与电压式运算放大器IC匹配，且上文描述和示出的电并联双单元型ECM和MEMS实施方案优选地与充电式运算放大器IC匹配，但是上文描述的任何双单元型ECM和MEMS实施方案可与这些运算放大器类型的任一个匹配，或者如果需要，可与混合电压-充电式运算放大器匹配。

应当理解，多个图上使用的相同元件符号指的是相同组件，或相同功能的组件。此外，附图仅意味着图示本发明的范畴，并没有限制本发明的范畴，且不应视作是按比例绘制的。

已经概括描述系统和方法以帮助理解本发明的细节。在一些实例中，没有明确示出或详细描述熟知的结构、材料和/或操作，以避免模糊本发明的多个方面。在其它实例中，已经给出特定细节，以提供对本发明的透彻理解。相关领域技术人员将意识到，本发明可在没有脱离其精神或基本特性的情况下以其它特定形式体现，例如适应于特定系统或设备或情境或材料或组件。因此，本文中的公开内容和描述旨在说明在以下权利要求中阐述的本发明范畴而不对其有所限制。

Claims

1.一种驻极体电容传声器（ECM），其包括：

导电外壳，其中所述导电外壳具有第一末端部分和第二末端部分，其中所述第一末端部分包括至少一个第一类型的声孔；

电路板，其安置在所述导电外壳内且封闭所述导电外壳的所述第二末端部分处的开口；

第一背板，其安置在所述导电外壳内，其中所述第一背板的第一表面邻近所述导电外壳的所述第一末端部分的内表面，其中所述第一背板包括至少一个第二类型的声孔；

第二背板，其安置在所述导电外壳内，其中所述第二背板的第一表面被导向成朝向安置在所述导电外壳内的所述电路板，其中所述第二背板包括至少一个第三类型的声孔；

膜片，其插入在所述第一背板的第二表面与所述第二背板的第二表面之间，其中所述膜片还包括至少一个导电层；

至少一个第一隔片，其将所述第一背板的所述第二表面从所述膜片分开，其中所述至少一个第一隔片在所述第一背板与所述膜片之间建立第一空气间隙；

第一驻极体层，其插入在所述第一背板的所述第二表面与所述膜片的所述至少一个导电层之间；

至少一个第二隔片，其将所述第二背板的所述第二表面从所述膜片分开，其中所述至少一个第二隔片在所述第二背板与所述膜片之间建立第二空气间隙；

第二驻极体层，其插入在所述第二背板的所述第二表面与所述膜片的所述至少一个导电层之间；

不导电张力环，其安置在所述导电外壳内，其中所述第二背板安置在所述不导电张力环内，且其中所述不导电张力环插入在所述第二背板的外表面与所述导电外壳之间；和

运算放大器集成电路（IC），其电耦合到所述第一背板、所述第二背板和所述膜片的所述至少一个导电层，其中所述运算放大器IC为所述ECM提供信号处理。

2.根据权利要求1所述的ECM，其中所述第一驻极体层附接到所述第一背板。

3.根据权利要求1所述的ECM，其中所述第一驻极体层附接到所述膜片。

4.根据权利要求1所述的ECM，其中所述第二驻极体层附接到所述第二背板。

5.根据权利要求1所述的ECM，其中所述第二驻极体层附接到所述膜片。

6.根据权利要求1所述的ECM，其还包括导电弹簧垫圈，所述导电弹簧垫圈安置在所述导电外壳内且插入在所述第二背板的所述第一表面与所述电路板之间，其中所述导电弹簧垫圈将所述第二背板保持在适当位置，其中所述运算放大器IC是单端电压式运算放大器IC，其中所述单端电压式运算放大器IC的第一输入经由所述电路板和所述导电弹簧垫圈而电连接到所述第二背板，且其中所述单端电压式运算放大器IC的第二输入经由所述电路板和所述导电外壳而电连接到所述第一背板；和

多个镀金属表面，其安置在所述不导电张力环上，其中所述单端电压式运算放大器IC的所述第二输入经由所述电路板和所述多个镀金属表面而电连接到所述膜片的所述至少一个导电层。

7.根据权利要求1所述的ECM，其还包括导电弹簧垫圈，所述导电弹簧垫圈安置在所述导电外壳内，且插入在所述第二背板的所述第一表面与所述电路板之间，其中所述导电弹簧垫圈将所述第二背板保持在适当位置，其中所述运算放大器IC是单端电压式运算放大器IC，其中所述单端电压式运算放大器IC的第一输入经由所述电路板和所述导电弹簧垫圈而电连接到所述第二背板，且其中所述单端电压式运算放大器IC的第二输入经由所述电路板和所述导电外壳而电连接到所述第一背板；和

多个镀金属表面，其安置在所述不导电张力环上，其中所述单端电压式运算放大器IC的所述第二输入经由所述电路板和所述导电外壳和所述多个镀金属表面而电连接到所述膜片的所述至少一个导电层。

8.根据权利要求1所述的ECM，其还包括导电弹簧垫圈，所述导电弹簧垫圈安置在所述导电外壳内，且插入在所述第二背板的所述第一表面与所述电路板之间，其中所述导电弹簧垫圈将所述第二背板保持在适当位置，其中所述运算放大器IC是差分电压式运算放大器IC，其中所述差分电压式运算放大器IC的第一输入经由所述电路板和所述导电弹簧垫圈而电连接到所述第二背板，其中所述差分电压式运算放大器IC的第二输入经由所述电路板和所述导电外壳而电连接到所述第一背板，且其中所述差分电压式运算放大器IC的参考输入电连接到所述膜片的所述至少一个导电层；和

多个镀金属表面，其安置在所述不导电张力环上，其中所述差分电压式运算放大器IC的所述参考输入经由所述电路板和所述多个镀金属表面而电连接到所述膜片的所述至少一个导电层。

9.根据权利要求1所述的ECM，其还包括导电弹簧垫圈，所述导电弹簧垫圈安置在所述导电外壳内，且插入在所述第二背板的所述第一表面与所述电路板之间，其中所述导电弹簧垫圈将所述第二背板保持在适当位置，其中所述运算放大器IC是差分电压式运算放大器IC，其中所述差分电压式运算放大器IC的第一输入经由所述电路板和所述导电弹簧垫圈而电连接到所述第二背板，其中所述差分电压式运算放大器IC的第二输入经由所述电路板和所述导电外壳而电连接到所述第一背板，且其中所述差分电压式运算放大器IC的参考输入电连接到所述膜片的所述至少一个导电层；和

多个镀金属表面，其安置在所述不导电张力环上，其中所述差分电压式运算放大器IC的所述参考输入经由所述电路板和所述导电外壳和所述多个镀金属表面而电连接到所述膜片的所述至少一个导电层。

10.根据权利要求1所述的ECM，其还包括导电弹簧垫圈，所述导电弹簧垫圈安置在所述导电外壳内，且插入在所述第二背板的所述第一表面与所述电路板之间，其中所述导电弹簧垫圈将所述第二背板保持在适当位置；和

多个镀金属表面，其安置在所述不导电张力环上，其中所述运算放大器IC是充电式运算放大器IC，其中所述充电式运算放大器IC的所述第一输入经由所述电路板和所述多个镀金属表面而电连接到所述膜片，其中所述充电式运算放大器IC的所述第二输入经由所述电路板和所述导电外壳而电连接到所述第一背板，且经由所述电路板和所述导电弹簧垫圈而电连接到所述第二背板。

11.根据权利要求1所述的ECM，其还包括导电弹簧垫圈，所述导电弹簧垫圈安置在所述导电外壳内，且插入在所述第二背板的所述第一表面与所述电路板之间，其中所述导电弹簧垫圈将所述第二背板保持在适当位置；和

多个镀金属表面，其安置在所述不导电张力环上，其中所述运算放大器IC是充电式运算放大器IC，其中所述充电式运算放大器IC的所述第一输入经由所述电路板和所述导电外壳和所述多个镀金属表面而电连接到所述膜片，其中所述充电式运算放大器IC的所述第二输入经由所述电路板和所述导电外壳而电连接到所述第一背板，且经由所述电路板和所述导电弹簧垫圈而电连接到所述第二背板。

12.根据权利要求1所述的ECM，其中所述电路板包括至少一个声音端口。

13.一种微机电系统（MEMS）型电容传声器，其包括：

第一微机械化背板，其中所述第一微机械化背板包括至少一层第一导电材料和至少一个声孔；

第二微机械化背板，其中所述第二微机械化背板包括至少一层第二导电材料和至少一个声孔；

膜片，其插入在所述第一微机械化背板与所述第二微机械化背板之间，其中所述膜片还包括至少一个导电层；

至少一个第一隔片，其将所述第一微机械化背板从所述膜片分开，其中所述至少一个第一隔片在所述第一微机械化背板与所述膜片之间建立第一空气间隙；

至少一个第二隔片，其将所述第二微机械化背板从所述膜片分开，其中所述至少一个第二隔片在所述第二微机械化背板与所述膜片之间建立第二空气间隙；和

运算放大器（op-amp）集成电路（IC），其电耦合到所述第一微机械化背板的所述至少一层所述第一导电材料、所述第二微机械化背板的所述至少一层所述第二导电材料，和所述膜片的所述至少一个导电层，其中所述运算放大器IC为所述MEMS型传声器提供信号处理。

14.根据权利要求13所述的MEMS型传声器，其还包括耦合到所述膜片的电荷泵，其中所述运算放大器IC是单端电压式运算放大器IC，其中所述单端电压式运算放大器IC的第一输入电连接到所述第一微机械化背板，其中所述单端电压式运算放大器IC的第二输入电连接到所述第二微机械化背板，且其中所述单端电压式运算放大器IC的所述第一输入经由所述电荷泵而电连接到所述膜片的所述至少一个导电层。

15.根据权利要求14所述的MEMS型传声器，其还包括电阻源，其中所述电阻源与所述电荷泵串联放置。

16.根据权利要求13所述的MEMS型传声器，其还包括耦合到所述膜片的电荷泵，其中所述运算放大器IC是差分电压式运算放大器IC，且其中所述差分电压式运算放大器IC的第一输入电连接到所述第一微机械化背板，其中所述差分电压式运算放大器IC的第二输入电连接到所述第二微机械化背板，且其中所述差分电压式运算放大器IC的参考输入经由所述电荷泵而电连接到所述膜片的所述至少一个导电层。

17.根据权利要求13所述的MEMS型传声器，其还包括第一极性的第一电荷泵和第二极性的第二电荷泵，其中所述第二极性与所述第一极性相反，其中所述运算放大器IC是充电式运算放大器IC，其中所述充电式运算放大器IC的所述第一输入电连接到所述膜片的所述至少一个导电层，其中所述充电式运算放大器IC的第二输入经由所述第一电荷泵而电连接到所述第一微机械化背板，且经由所述第二电荷泵而电连接到所述第二微机械化背板。