CN107615777A - 电容式传声器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电容式传声器，所述电容式传声器包括：导电材料的刚性板；与所述刚性板平行放置的可移动板，所述可移动板与所述刚性板电气分离且所述可移动板相对于所述刚性板被牢固地保持在所述可移动板的至少一个位置中，其中，所述可移动板和/或所述刚性板根据下列条件而被划分成多个区域：所述区域与另一个板之间的最小距离、和/或所述区域相对于另一个板的运动程度，其中，各个所述区域都包括导电材料，而且所述区域利用所述区域之间的非导电材料隔开，并且各个所述区域与单独的连接器电气连接，所述连接器被配置成与电压源和放大器输入端连接，且提供给各个所述区域的电压适应于该区域的所述最小距离和/或所述运动程度。

Description

电容式传声器的系统和方法
技术领域
本文中所公开的方法和装置涉及基于电容的传声器领域，且更具体地但不排他地涉及微机电系统的传声器振膜。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月29日提交的美国临时申请第62/167,915号的权益，因此将该美国临时申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
为了体积小，手机、平板电脑、笔记本电脑等都使用微机电系统(MEMS：MicroElectronic Mechanical System)传声器。MEMS传声器通常是基于可变电容器的，该电容器的一个板是弹性的且可以在声波压力下发生移动，从而能够改变容量。MEMS传声器设计的主要挑战是改善(例如，增大)信噪比(SNR：signal-to-noise ratio)。小型MEMS传声器的SNR的一个主要限制是击穿电压。因此，人们普遍意识到需要可以克服上述限制的用于在网络上传送多媒体内容的系统和方法，且具有这样的系统和方法将是非常有利的。
发明内容
根据一个示例性实施例，提供了用于电容式传声器的方法、装置和计算机程序，所述电容式传声器包括导电材料的刚性板、可移动板，所述可移动板与所述刚性板平行放置着，所述可移动板与所述刚性板电气分离，而且所述可移动板相对于所述刚性板被牢固地保持在所述可移动板的至少一个位置中，其中所述可移动板和/或所述刚性板根据下列条件而被划分成多个区域：所述区域与另一个板之间的最小距离、和/或所述区域相对于另一个板的运动程度，其中各个所述区域都包括导电材料，且所述区域利用所述区域之间的非导电材料隔开，并且其中各个所述区域与单独的连接器电气连接，所述连接器被配置成与电压源和放大器输入端中的至少一者连接，并且其中由所述电压源提供给与所述电压源连接的所述区域的电压适应于所述最小距离和/或所述运动程度。
根据另一个示例性实施例，所述电容式传声器还包括：偏压电阻器，其在所述连接器与所述电压源之间电气连接；和/或分压器，所述分压器在所述电压源与接地之间电气连接且所述分压器的中心抽头与所述连接器连接；和/或加法放大器，其与所述连接器电气连接；和/或电容器，其在所述连接器与所述加法放大器之间电气连接；和/或电压源，其与至少一个所述偏压电阻器电气连接。
根据又一个示例性实施例，所述区域中的至少一个区域可以具有诸如放射状、圆形、环形、四边形和梯形等形状。
根据再一个示例性实施例，所述电压源包括电荷泵。
进一步地，根据又一个示例性实施例，所述电容式传声器是微机电系统(MEMS)传声器。
再进一步地，根据又一个示例性实施例，所述电容式传声器可以包括导电材料的刚性板、可移动板，所述可移动板与所述刚性板平行放置着，且所述可移动板相对于所述刚性板被牢固地保持在所述可移动板的至少一个位置中，其中所述可移动板和所述刚性板中的至少一者根据下列条件中的至少一个条件而被划分成多个区域：所述区域与另一个板之间的最小距离和所述区域相对于另一个板的运动程度，其中各个所述区域都包括导电材料，且所述区域利用所述区域之间的非导电材料隔开，并且其中各个所述区域与单独的连接器电气连接，所述连接器被配置成与电压源和放大器输入端中的至少一者连接。
除非另有定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与相关领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。本文中所提供的材料、方法和实施例仅是说明性的而不是限制性的。除了过程本身所必需的或固有的范围之外，不存在意图或暗示本发明所描述的包括附图在内的方法和过程中的步骤或阶段的特定顺序。在许多情况下，过程步骤的顺序可以在不改变所述方法的目的或效果的情况下变化。
附图说明
在本文中，将参照附图仅通过示例的方式来说明各种实施例。现在具体参照详细的附图，应当强调的是，所示细节仅作为示例并且仅用于实施例的说明性讨论，并且所示细节被呈现以便提供被认为是实施例的原理和概念方面的最有用且最容易理解的内容说明。在这方面，没有试图以比对主题的基本理解所必需的更详细的方式来示出实施例的结构细节，结合附图的说明使得本领域技术人员明白如何在实践中实施几种形式和结构。
图1A是MEMS传声器的具有圆形板的电容器的图示；
图1B是MEMS传声器的具有正方形板的电容器的图示；
图1C是在没有声压的情况下的MEMS传声器的电容器的侧视图的图示；
图1D是在声压下的MEMS传声器的电容器的侧视图的图示；
图2是MEMS传声器的电路的示意图；
图3是在声压下显示了板之间的最小距离的MEMS传声器的侧视图的图示；
图4A是MEMS传声器的振膜的俯视图的图示；
图4B是图4A中的MEMS传声器的侧视图的图示；
图5是具有四个导电区域和四个电压源的MEMS传声器的电路的示意图；以及
图6是具有四个导电区域和单个电压源的MEMS传声器的电路的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例包括用于基于电容的高灵敏度传声器的系统和方法，且更具体地但不排他地涉及微机电系统的传声器振膜。参照下列附图和所附说明可以更好地理解根据本文中所呈现的几个示例性实施例的装置和方法的原理和操作。
在详细说明至少一个实施例之前，需要理解的是，实施例的应用不限于下列说明中所陈述的或附图中所图示的部件的构造和布置的细节。可以以各种方式实践或执行其他实施例。此外，需要理解的是，本文中所使用的措辞和术语是为了说明而不应当被视为限制。
在本文件中，在附图的范围内未描述且用前面的附图中所描述的附图标记标注的附图元件具有与前面的附图相同的用途和描述。类似地，在文本中由没有出现在文本所描述的附图中的附图标记识别的元件具有与描述该元件的前面的附图相同的用途和描述。
本文件中的附图可能不是按比例绘制的。不同的附图可能使用不同的比例，甚至在相同的附图中也可能使用不同的比例，例如，用于相同物体的不同视图的不同比例或用于两个相邻物体的不同比例。
下述实施例的目的是提供至少一个用于增大MEMS传声器的灵敏度的系统和/或方法。然而，如本文所述的系统和/或方法可以在基于电容器的传声器的类似技术中具有其他实施例。
如下面更详细的说明，基于电容的传声器以及微机电系统(MEMS)传声器包括一起形成电容器的刚性板和可移动板。可移动板可以响应于声波压力而振动，因此使传声器的容量响应于声波信号而发生改变。MEMS传声器通常是一个宽且薄的圆筒，且可移动板通常被保持固定在该圆筒的周边处。减小圆筒的厚度可以增大电容和信噪比(SNR)，然而减小圆筒的厚度会受到击穿电压的限制。类似地，增大施加在两板之间的电压可以提高SNR，然而增大施加在两板之间的电压也会受到击穿电压的限制。
现在参照根据一个示例性实施例的图1A，图1A是MEMS传声器的具有圆形板的电容器的图示。
诸如图1A的MEMS传声器等电容式传声器可以包括两个平行板。所述板中的一个板是刚性的，且另一个板可以是可移动的和/或弹性的。如图1A所示，上板和下板都是导电的，而且上板还是弹性的，使上板能够在响应于声波时弯曲(移动)。
术语“上”和“下”或“底部”适用于附图，且并不暗示传声器在使用时的任何物理取向。在图1A中，底部板是刚性的，且上板相对于底部板是可移动的。术语“隔膜”可以指可移动的、可弯曲的、或弹性的上板。
现在参照根据一个示例性实施例的图1B，图1B是MEMS传声器的具有正方形板的电容器的图示。如图1A所示，上板和下板都是导电的，而且上板还是弹性的，使上板能够在响应于声波时弯曲(移动)。
现在参照根据一个示例性实施例的图1C，图1C是在没有声压的情况下的MEMS传声器的电容器的侧视图的图示。图1C的MEMS传声器的电容器可以具有任何形状的上板和下板，例如根据图1A和/或图1B的板。
如图1C所示，上板和下板被安装在一个或多个非导电隔离件上，或由一个或多个非导电隔离件隔开。
现在参照根据一个示例性实施例的图1D，图1D是在声压下的MEMS传声器的电容器的侧视图的图示。
如图1D所示，上板可以弯曲，且因此电容可以发生改变。特别地，上板可以朝着下板弯曲，从而增大电容。假设电容器的电荷是恒定的，则改变电容可以改变MEMS传声器的电容器上的电压。
因此，如图1A、图1B、图1C和图1D所示的电容式传声器可以包括导电材料的刚性板和与刚性板平行放置的可移动板，并且可移动板相对于刚性板被牢固地保持在可移动板的至少一个位置中。
现在参照根据一个示例性实施例的图2，图2是MEMS传声器的电路的示意图。
作为选择，可以在前面附图的细节的背景下观察图2的示意图。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图2的示意图。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
如图2所示，Cmic是MEMS传声器的可变电容器。MEMS传声器电路可以包括MEMS传声器的可变电容器(如参照图1A至图1D所述)、偏压电阻器RB和电压Vmic。Vmic可以是相对高的电压，例如在10v-50v的范围内。Vmic可以由电压源或电荷泵提供。耦合电容器CB可以将Cmic的可变信号连接到放大器的输入端。RB的值是相对高的，使得RB×Cmic＞＞1。
一段时间后，Cmic将被充电到Vmic，因此
公式1 Q＝VmicCmic
当MEMS传声器Cmic的弹性板上出现声波时，Cmic的值会发生改变。然而，Q值可以保持相对恒定，因此Cmic上的电压值例如根据公式2而发生改变：
公式2
公式2示出了传声器的灵敏度可以取决于其他参数之中的Vmic的值。较高的Vmic可能会导致较高的输出信号。因此，最高的可能电压是有利的。然而，最高的可能电压会受到板之间的诸如空气等介质的击穿电压的限制。
现在参照根据一个示例性实施例的图3，图3是在声压下显示了板之间的最小距离的MEMS传声器的侧视图的图示。
作为选择，可以在前面附图的细节的背景下观察图3的图示。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图3的图示。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
根据书本《微机电系统的建模与表征》第39页，在没有施加电压的情况下，距离为10um。假设最大偏差是该间隙的三分之一(1/3)，则最小距离可以是7um。由于空气的击穿电压约为3兆伏特/米，所以Vmic的最大电压可能会被限制为21伏特(根据《微机电系统的建模与表征》第35页，忽略了由电场造成的正常弯曲，该正常弯曲约为0.55um)。因此，由于Vmic的限制，所以MEMS传声器的灵敏度受到限制。
现在参照根据一个示例性实施例的图4A，图4A是MEMES传声器的振膜的俯视图的图示。
作为选择，可以在前面附图的细节的背景下观察图4A的振膜的图示。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图4A的振膜的图示。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
图4A所示的振膜可以被用作图1A至图1D、图2和图3的上板、可移动板、弹性板或可弯曲板。
如图4A所示，振膜可以包括至少两个区域，例如一个或多个圆形环。这些区域可以分别包含导电材料，并且这些区域可以由绝缘材料隔开。各个区域可以根据最小距离值以及将区域与底部(刚性)板隔开的介质的击穿电压而被连接到不同的电压源或偏置电压。将区域与底部(刚性)板隔开的介质通常是空气。
需要理解的是，可替代地和/或此外，底部(刚性)板可以被划分成多个区域。
如图4A所示，振膜可以包括4个由绝缘材料隔开的导电地区(区域)。导电“环”的区域(例如，形状和/或尺寸)是根据MEMS传声器的电容器内的相等高度的区域来确定的。例如，各个环形区域的宽度被确定，使得当弹性板处于最大弯曲时，区域与底部板之间的距离在该区域内变化不大。
根据声波压力，这些区域是圆形的。然而，不同结构的MEMS传声器可以产生不同形状的导电区域。
现在参照根据一个示例性实施例的图4B，图4B是图4A中的MEMS传声器的侧视图的图示。
作为选择，可以在前面附图的细节的背景下观察图4B的图示。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图4B的图示。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
假设公式3描述了如图4B所示的MEMS传声器的上板的弯曲形状。
公式3 y＝Ax2
初始距离h0的三分之一给出了因此
公式4
因此，公式5给出了Q的总值：
公式5
其中，
项表示正常MEMS传声器实现的Q，且项表示当不存在声波时的放射状板的电容，其中，B是击穿电压(通常，针对空气，B＝3兆伏特/米)。
因此，项表示由如参照图4A和图4B所示和所述的MEMS传声器的结构造成的Q的增加。根据公式6，
公式6
理论上，Q增加到1.25倍。
因此，公式2可以被公式7取代：
公式7
而且，公式8可以给出灵敏度的dB的增加值：
公式8 20log10(1.25)＝1.9382dB
现在参照根据一个示例性实施例的图5，图5是具有四个导电区域和四个电压源的MEMS传声器的电路的示意图。
作为选择，可以在前面附图的细节的背景下观察图5的示意图和/或电路。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图5的示意图和/或电路。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
图5示出了在各个电容器导电区域可以被认为是单独的电容器Cmic(即，Cmic 1、Cmic 2、Cmic 3和Cmic 4)的情况下的可能的实施方式。各个Cmic在第一侧经由偏压电阻器RB(即，分别为RB1、RB2、RB3和RB4)而被连接到电压源(或电荷泵)、经由电容器CB(即，分别为CB1、CB2、CB3和CB4)而被连接到加法放大器的输入端，且各个Cmic在另一侧被接地。
经由相应的RB，各个Cmic能够接收适应于导电区域与刚性板之间的最小距离的电压。然后在放大器内对电容器的输出电压进行相加。相加的一种方法是把电压转换成电流且对电流进行相加。
需要理解的是，可移动板和刚性板中的至少一者可以根据下列条件而被划分为多个区域：区域与另一个板之间的最小距离、和/或区域相对于另一个板的运动程度。各个区域可以包括导电材料，并且这些区域可以由区域之间的非导电材料隔开。各个区域可以与单独的连接器电气连接，该连接器与电压源和/或放大器输入端连接。各个电压源可以向相应区域提供电压，其中该电压适应于相应区域的最小距离和/或运动程度。
现在参照根据一个示例性实施例的图6，图6是具有四个导电区域和单个电压源的MEMS传声器的电路的示意图。
作为选择，可以在前面附图的细节的背景下观察图6的示意图和/或电路。然而，当然也可以在任何期望环境的背景下观察图6的示意图和/或电路。而且，上述定义同样适用于下面的描述。
如图6所示，区域(由Cmic电容器表示的区域)经由相应的电阻分压器从单个电压源(或电荷泵)接收各自所需的偏置电压。在这里，假设Vmicl>Vmic2>Vmic3>Vmic4，因为通过电阻器的电流消耗可能是微不足道的(例如在小于微微安的范围内)，使得能够使用单个电荷泵和分压器。
对于第二导电区域Cmic2，RB2A和RB2可以被用作分压器，而且Vmicl*RB2A/(RB2A+RB2)＝Vmic2。这同样适用于第三导电区域Cmic3的RB3A和RB3以及第四导电区域(图4A或4B的内部圆圈)的RB4A和RB4。
需要理解的是，任何一个区域可以是放射状、和/或圆形、和/或环形形状、和/或四边形、和/或梯形、和/或任何其他形状。
需要理解的是，为了清楚而在单独的实施例的背景下描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合地提供。相反，为了简洁而在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以单独地被提供或以任何合适的子组合被提供。
虽然上面已经结合具体实施例提供了说明，但是，明显地，对本领域技术人员而言，许多替代、修改和变型例将是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的主旨和广义范围内的所有这样的替代、修改和变型例。在本文中，将本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请的全部内容以引用的方式并入本说明书中，其范围如同各个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指明以引用的方式并入本文中。此外，本申请中的任何参考文献的引用或标识不应被视为承认这样的参考文献可作为现有技术。

Claims (11)

1.一种用于电容式传声器的方法，所述方法包括：
提供导电材料的刚性板；
提供与所述刚性板平行放置的可移动板，所述可移动板与所述刚性板电气分离且所述可移动板相对于所述刚性板被牢固地保持在所述可移动板的至少一个位置中；
其中，所述可移动板和所述刚性板中的至少一者根据下列条件中的至少一个条件而被划分成多个区域：
所述区域与所述另一个板之间的最小距离，和
所述区域相对于所述另一个板的运动程度；
其中，各个所述区域都包括导电材料，并且所述区域利用所述区域之间的非导电材料隔开；并且
其中，各个所述区域与单独的连接器电气连接，所述连接器被配置成与电压源和放大器输入端中的至少一者连接；以及
从所述电压源向连接到所述电压源的所述区域提供电压，其中所述电压适应于所述最小距离和所述运动程度中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括下列步骤中的至少一个步骤：
提供在所述连接器与所述电压源之间电气连接的偏压电阻器；
提供分压器，所述分压器在所述电压源与接地之间电气连接且所述分压器的中心抽头与所述连接器连接；
提供与所述连接器电气连接的加法放大器；
提供在所述连接器与所述加法放大器之间电气连接的电容器；以及
提供与至少一个所述偏压电阻器电气连接的电压源。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述区域中的至少一个区域是放射状、圆形、环形、四边形和梯形中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压源包括电荷泵。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电容式传声器是微机电系统(MEMS)传声器。
6.一种电容式传声器，其包括：
导电材料的刚性板；和
可移动板，所述可移动板与所述刚性板平行放置着，且所述可移动板相对于所述刚性板被牢固地保持在所述可移动板的至少一个位置中；
其中，所述可移动板和所述刚性板中的至少一者根据下列条件中的至少一个条件而被划分成多个区域：
所述区域与所述另一个板之间的最小距离，和
所述区域相对于所述另一个板的运动程度；
其中，各个所述区域都包括导电材料，并且所述区域利用所述区域之间的非导电材料隔开；并且
其中，各个所述区域与单独的连接器电气连接，所述连接器被配置成与电压源和放大器输入端中的至少一者连接。
7.根据权利要求6所述的电容式传声器，其还包括下列元件中的至少一个元件：
偏压电阻器，所述偏压电阻器在所述连接器与所述电压源之间电气连接；
分压器，所述分压器在所述电压源与接地之间电气连接且所述分压器的中心抽头与所述连接器连接；
加法放大器，所述加法放大器与所述连接器电气连接；
电容器，所述电容器在所述连接器与所述加法放大器之间电气连接；以及
与至少一个所述偏压电阻器电气连接的电压源。
8.根据权利要求6所述的电容式传声器，其中，所述电压源被配置成向相应的所述区域提供电压，其中所述电压适应于所述最小距离和所述运动程度中的至少一者。
9.根据权利要求6所述的电容式传声器，其中，所述区域中的至少一个区域是放射状、圆形、环形、四边形和梯形中的至少一者。
10.根据权利要求6所述的电容式传声器，其中，所述电压源包括电荷泵。
11.根据权利要求6所述的电容式传声器，其中，所述电容式传声器是微机电系统(MEMS)传声器。
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