CN109040927A - 一种指向性麦克风及声音采集设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指向性麦克风及声音采集设备，该指向性麦克风包括第一电路板、第二电路板和MEMS芯片，MEMS芯片中包括MEMS振膜，MEMS芯片的第一侧面与第一电路板的第一侧面贴合，MEMS芯片的第二侧面与第二电路板的第一侧面贴合，第一电路板和第二电路板上与MEMS芯片对应的位置处均设有通声孔。本申请在使用时能够使外界的声音通过第一电路板的通声孔和通过第二电路板的通声孔到达MEMS振膜时产生声程差，使麦克风具有一定的指向性，且指向性麦克风是由第一电路板、MEMS芯片和第二电路板构成的，相比于现有技术中的指向性ECM不仅一致性较高，而且结构简单、体积小，有利于提高产品性能和音频设备的小型化发展。

Description

一种指向性麦克风及声音采集设备

技术领域

本发明实施例涉及电子器件技术领域，特别是涉及一种指向性麦克风和声音采集设备。

背景技术

随着科技的发展和人们生活水平的提高，麦克风在人们的生活中的应用越来越广泛，并且逐渐成为人们生活中的必需品。麦克风是一种将声信号转换为电信号的能量转换器件，它是远距离通话的常用工具。

由于声音的传播是无定向的，所以麦克风可以接收来自多个方向的音源发出的声音，然而，麦克风接收多向音源发出的声音就无法保证某个方向目标声音的音质，故为了提高特定方向上传播的声音的音质，指向性麦克风应运而生。

目前，常用的指向性麦克风为驻极体电容器麦克风(ECM麦克风)，但是由于指向性ECM麦克风的一致性较差，并且由阻尼层、空腔、振膜、基板、PCB板和金属网层构成，使其结构复杂、体积较大，影响产品性能，不利于音频设备的小型化发展。

鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的指向性麦克风及声音采集设备成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种指向性麦克风及声音采集设备，相比于现有技术中的指向性ECM不仅一致性较高，而且结构简单、体积小，有利于提高产品性能和音频设备的小型化发展。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种指向性麦克风，包括：

第一电路板、第二电路板和MEMS芯片，所述MEMS芯片中包括MEMS振膜，所述MEMS芯片的第一侧面与所述第一电路板的第一侧面贴合，所述MEMS芯片的第二侧面与所述第二电路板的第一侧面贴合，所述第一电路板和所述第二电路板上与所述MEMS芯片对应的位置处均设有通声孔。

可选的，所述第一电路板和所述第二电路板的形状相同。

可选的，所述第一电路板和所述第二电路板的横截面均为圆形或正方形。

可选的，所述指向性麦克风的指向性满足第一关系式，其中，所述第一关系式为：

其中，D(θ)表示所述指向性麦克风的指向性，x1表示所述第一电路板的第二侧面中心位置到所述MEMS振膜的垂直距离，x2表示所述第二电路板的第二侧面中心位置到所述MEMS振膜的垂直距离，y表示所述第二电路板的外边缘到设置于所述第二电路板上的通声孔轴线的垂直距离，θ表示声音传播方向与所述MEMS振膜轴线的夹角。

可选的，设置于所述第一电路板和所述第二电路板上通声孔均为一个，各个所述通声孔与所述MEMS振膜共轴线。

可选的，所述第一电路板和/或所述第二电路板为PCB板。

可选的，所述MEMS芯片与所述第一电路板的结合处设有第一密封层，和/或所述MEMS芯片与所述第二电路板的结合处设有第二密封层。

可选的，所述密封层为基于密封胶制作而成的密封层。

可选的，所述通声孔为圆形通孔。

本发明实施例还提供了一种声音采集设备，包括如上述所述的指向性麦克风。

本发明实施例提供了一种指向性麦克风及声音采集设备，该指向性麦克风包括：第一电路板、第二电路板和MEMS芯片，MEMS芯片中包括MEMS振膜，MEMS芯片的第一侧面与第一电路板的第一侧面贴合，MEMS芯片的第二侧面与第二电路板的第一侧面贴合，第一电路板和第二电路板上与MEMS芯片对应的位置处均设有通声孔。

可见，本申请中的指向性麦克风在使用时能够使外界的声音通过第一电路板的通声孔和通过第二电路板的通声孔到达MEMS振膜时产生声程差，使本申请中的麦克风具有一定的指向性，并且本申请中的指向性麦克风是由第一电路板、MEMS芯片和第二电路板构成的，相比于现有技术中的指向性ECM不仅一致性较高，而且结构简单、体积小，有利于提高产品性能和音频设备的小型化发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种指向性麦克风的结构示意图；

图2为图1的指向性麦克风的截面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种指向性麦克风的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种指向性麦克风的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种指向性麦克风的原理示意图；

图6为本发明实施例提供的一种指向性仿真示意图；

图7为与图2对应的指向性麦克风的原理示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种指向性麦克风的结构示意图；

图9为图8中的指向性麦克风的俯视图；

图10为本发明实施例提供的另一种指向性仿真示意图；

图11为与图10中的仿真示意图对应的指向性实测示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种指向性麦克风及声音采集设备，相比于现有技术中的指向性ECM不仅一致性较高，而且结构简单、体积小，有利于提高产品性能和音频设备的小型化发展。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种指向性麦克风的结构示意图，图2为图1的截面示意图。

该指向性麦克风，包括：

第一电路板11、第二电路板12和MEMS芯片13，MEMS芯片13中包括MEMS振膜131，MEMS芯片13的第一侧面与第一电路板11的第一侧面贴合，MEMS芯片13的第二侧面与第二电路板12的第一侧面贴合，第一电路板11和第二电路板12上与MEMS芯片13对应的位置处均设有通声孔14。

需要说明的是，由于现有技术中的指向性ECM麦克风的振膜材料是mylar(一种坚韧聚脂类高分子物)材料，不论是材料本身还是在对材料进行切割和组装时都会产生较大的误差，导致现有技术中的指向性ECM麦克风的一致性较差，而本申请中的指向性麦克风是基于MEMS芯片的指向性麦克风，由于MEMS芯片的材料(如基于S_iO₂)和工艺制作过程采用流片工艺，使MEMS芯片具有较高的一致性。

具体的，本申请中将MEMS芯片13的双侧(即第一侧面和第二侧面)分别贴合于第一电路板11的第一侧面和第二电路板13的第一侧面上，具体可以采用贴片的方式将MEMS芯片13的双侧分别与第一电路板11的第一侧面和第二电路板12的第一侧面贴合，从而构成第一电路板11-MEMS芯片13-第二电路板12的三明治结构，并且在第一电路板11上与MEMS芯片13对应的位置处设置第一通声孔(一个或多个均可)，在第二电路板12上与MEMS芯片13对应的位置处设置第二通声孔(同样一个或多个均可)，外界声音分别从第一电路板11上的第一通声孔到达MEMS振膜131的一个侧面，通过第二电路板12的第二通声孔到达MEMS振膜131的另一个侧面，从而形成声程差，使本申请中基于MEMS芯片13的麦克风具有一定的指向性，其中，第一通声孔和第二通声孔均小于或等于MEMS芯片13的横截面积。

本申请中的指向性麦克风在外界声音从MEMS振膜13的两侧的通声孔进入到达MEMS振膜13后，MEMS振膜13的两个侧面的声压分别为P₁和P₂，在MEMS振膜13表面形成压差，在MEMS振膜13产生的压力为F＝(P₁-P₂)·S，其中，S表示MEMS振膜13的面积，MEMS振膜13变形转换为电信号，形成拾音。

另外，本申请中的指向性麦克风可以通过调节第一电路板11和第二电路板12的尺寸实现对指向性的调节，从而可以根据实际需要中的预设指向性图样确定出与第一电路板11和第二电路板12相应的参数信息，以得到满足用户需要的指向性麦克风。其中，本申请中的第一电路板11和第二电路板12具均可以为PCB板，第一电路板11和第二电路板12的形状也可以相同，可以均为正方形、长方形、圆形等，第一电路板11和第二电路板12的具体形状本申请不做特殊限定。

可见，本申请中的指向性麦克风在使用时能够使外界的声音通过第一电路板的通声孔和通过第二电路板的通声孔到达MEMS振膜时产生声程差，使本申请中的麦克风具有一定的指向性，并且本申请中的指向性麦克风是由第一电路板、MEMS芯片和第二电路板构成的，相比于现有技术中的指向性ECM不仅一致性较高，而且结构简单、体积小，有利于提高产品性能和音频设备的小型化发展。

需要说明的是，现有技术中的指向性ECM麦克风在调整产品的指向性时需要通过尝试大量不同的阻尼材料来调整其指向性，不仅工作量大，而且阻尼材料的误差也较大，导致产品指向性的精确度较低。而，本申请中可以通过第一电路板11和第二电路板12的形状、第一电路板11、第二电路板12、通声孔14与MEMS振膜131的相对位置关系，预先确定出指向性麦克风的指向性与第一电路板11和第二电路板12的参数信息的对应关系，后续在根据指定的指向性(或指向性图案)对指向性麦克风的指向性进行调整时，就可以根据预先确定的相应关系式及指定的指向性(或指向性图案)得到满足要求的指向性麦克风的参数信息，从而得到具体的指向性麦克风，不但能够减小指向性调节时的工作量，而且还能够有效提高指向性的精确度，有利于提升产品性能。下面将结合具体实施例进行详细说明：

如图3所示，点声源按照球面波假设，F为作用于振膜31上的声压差异产生的力，P表示声压，r为声源传播距离，θ表示声源传播方向和振膜31轴线(也即中垂线)的夹角，由图3可知声音传到振膜31前后声程差为Δl·(1+cosθ)，其中，Δl表示声波从麦克风中具有孔的腔体32进入前后位置之间的距离，声波通过图3中的虚线箭头处传向振膜31的两个侧面，其中，振膜31受力为：

由指向性麦克风的指向性定义(当前声波传输至振膜31前后的声程差与声波垂直入射振膜31时的声程差的比值，可知指向性麦克风的指向性公式为：

其中，D(θ)表示指向性。

由于具体设计情况比较复杂，所以在分析指向性时，可以将入射角度分开处理，具体的如图4和图5所示，为了计算简单，本申请将模型简单化，也即只考虑振膜左侧具有厚度为x的电路板的情况，右侧的电路板的厚度可以近似为0，)其中，如图4所示，对于声波来自振膜31右方时(也即声源位于笛卡尔坐标系的第一和第四象限)，此时对于两列声波(如图4中的A1和A2)，其中，A2比A1到达振膜31时多经过的固定距离包括图4中的x和y，为了方便计算，具体的可以假设图4中的电路板为圆形，并且考虑到声波到的电路板边缘和振膜31前方(即振膜右侧面)的时间差，根据三角几何知识得到声波到达振膜31前后侧面的声程差为：

δ(θ)＝x+y+xcosθ-|ysinθ|；

另外，对于声波来自振膜31左方(也即声源位于笛卡尔坐标系的第二和第三象限)的情况，如图5所示，此时，传向振膜31前方(振膜31右侧面)的声波B2收到电路板边缘的干扰比B1到达振膜31左侧面的路程较长，通过三角几何知识，得到声波到达振膜31前后侧面的声程差为：

δ(θ)＝|xcosθ-y+x+|ysinθ||。

需要说明的是，当固定x，变化y时得到如图6所示的指向性仿真示意图，其中，图6中y＝0对应的曲线为曲线61，y＝2对应的曲线为曲线62，y＝5对应的曲线为曲线63，由图6可以看出y在0～2mm的范围内变化时就能够得到比较好的指向性图样，所以有利于产品尺寸的小型化。

故，对于本申请中提供的指向性麦克风(也即第一电路板11-MEMS芯片13-第二电路板12的结构)，在本申请中的第一电路板11和第二电路板13形状相同、且第一电路板11和第二电路板12的横截面为圆形或正方形时，如图7所示，其中，两列声波分别为C1和C2，第一电路板11和第二电路板12之间为板间隙15，根据上述两个声程差的关系式及指向性定义的关系式，得到本申请中的指向性麦克风的指向性所满足的第一关系式：

其中，第一关系式中的x2-x1作为上述声程差关系式δ(θ)＝x+y+xcosθ-|ysinθ|和δ(θ)＝|xcosθ-y+x+|ysinθ||中的x，2(x2-x1)+y为θ＝0时(也即垂直入射MEMS振膜131)时的声程差。另外，需要指出的是上述得到第一关系式的过程中已忽略掉电路板间隙，且当第一电路板11和第二电路板12的横截面形状为圆形时请参照图8和图9的示意图。

可以理解的是，本申请中为了使指向性麦克风的指向性便于调整，可以将指向性麦克风中的第一电路板11和第二电路板12设置为形状相同的电路板，当然，为了进一步方便依据指向性、第一电路板11和第二电路板12的参数信息所满足的关系式以及指定的指向性(或指向性图案)确定出指向性麦克风的相应参数信息，本申请中优选的第一电路板11和第二电路板12的横截面均为圆形或正方形。也即，当指向性麦克风的第一电路板11和第二电路板12的形状相同、且均为圆形或正方形时，指向性麦克风的指向性满足第一关系式，其中，第一关系式为：

其中，D(θ)表示指向性麦克风的指向性，x1表示第一电路板11的第二侧面中心位置到MEMS振膜131的垂直距离，x2表示第二电路板12的第二侧面中心位置到MEMS振膜131的垂直距离，y表示第二电路板12的外边缘到设置于第二电路板12上的通声孔轴线的垂直距离，θ表示声音传播方向与MEMS振膜131轴线的夹角(具体请参照图7)。

需要说明的是，x1也即为设置于第一电路板11的第一通声孔(具体可以为圆形)的外侧面(也即第一电路板11的第二侧面)的中心位置与MEMS振膜131之间的垂直距离，其中，本申请中第一通声孔的外侧面位于第一电路板11的第二侧面上，所以第一通声孔的外侧面的中心位置与MEMS振膜131之间的垂直距离就等于第一电路板11的第二侧面中心位置与MEMS振膜131之间的垂直距离，同理，x2也即为设置于第二电路板12的第二通声孔(具体可以为圆形)的外侧面(也即第二电路板12的第二侧面)的中心位置与MEMS振膜131之间的垂直距离。

另外，本申请中的y表示第二电路板12的外边缘到设置于第二电路板12上的通声孔(也即第二通声孔)轴线的垂直距离，其中，当设置于第二电路板12上的第二通声孔为多个时，则可以根据各个第二通声孔的外侧面的中心位置确定出设置于第二电路板12上的通声孔的平均中心位置，并将通过该平均中心位置的线段作为本申请中的轴线，并根据该轴线确定出y。当然，当第二通声孔为1个时，即可直接依据该第二通声孔的轴线确定出y。

具体的，在实际应用中x1、x2和y的值可以根据产品的尺寸形态进行相应的变化，具体可以根据第一关系式对x1、x2和y进行调整，从而得到需要的指向性图案，也即得到相应的指向性。显然，对于θ∈(π,3π/2)和θ∈(3π/2,2π)的情况可以根据镜像对称得到指向性对应的关系式，本申请不再详述。

例如，在设定x1、x2和y后的指向性仿真结果如图10所示，其中，曲线71为mic全器件的指向性特征，72为增加了附加结构件之后的指向性特性。与其对应的实测结果可以参照图11，其中，曲线81为麦克单体指向性，曲线82为增加了附加结构之后的指向性，由图10和图11可以看出实测指向性图案与仿真指向性图案的相似度很高，证明采用本申请中第一关系式对指向性麦克风的指向性进行调节时，能够得到更符合客户需求的指向性麦克风，且精确度更高，有利于提高产品性能。

当然，本申请中的指向性麦克风的第一电路板11和第二电路板12的横截面具体形状不限于为正方形或圆形，当第一电路板11和第二电路板12的横截面为其他形状时，可以根据上面介绍的内容以及第一电路板11和第二电路板12的实际形状得到指向性和其他参数信息对应的关系式，从而依据相应的关系式对指向性麦克风的指向性进行调节，并得到与指定指向性对的参数信息，从而确定出指向性麦克风产品的具体尺寸。

还需要说明的是，为了使指向性麦克风的结构简单，且更进一步方便对指向性的调节，本申请中的指向性麦克风中设置于第一电路板11和第二电路板12上通声孔14可以均为一个，也即在第一电路板11上设置一个第一通声孔，在第二电路板12上设置一个第二通声孔，并且第一通声孔和第二通声孔均与MEMS振膜131共轴线。

具体的，第一电路板11和/或第二电路板12为PCB板。当然，也可以采用其他的电路板，只要具有一定的硬度即可，本申请不做特殊限定。

更进一步的，为了确保声音通过通声孔14传递至MEMS振膜131上后，在MEMS芯片13与电路板的结合处发生泄漏，所以本实施例中可以在MEMS芯片13与第一电路板11的结合处设置第一密封层，和/或MEMS芯片13与第二电路板12的结合处设置第二密封层，从而确保指向性麦克风的严密性，有助于提高指向性的精确度。

其中，本申请中的密封层可以为基于密封胶制作而成的密封层，不仅能够实现较好的密封效果，而且成本低，有利于节约产品的整体成本。

当然，除了在MEMS芯片13与第一电路板11和第二电路板12的结合处设置相应的密封层以外，还可以在MEMS芯片13外围、第一电路板11和第二电路板12之间(也即图7中的电路板间隙15部分)填充密封材料，从而防止声音在MEMS芯片13和相应的电路板的结合处发生泄漏。

还需要说明的是，本申请中的通声孔14可以为圆形通孔，当然，也不仅限于为圆形通孔，也可以为椭圆形等其他的形状，本申请具体不做特殊限定。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种声音采集设备，包括如上述的指向性麦克风。

本实施例中的声音采集设备具有与上述实施例中的指向性麦克风相同的有益效果，并且对于本实施例中所涉及到的指向性麦克风的具体介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种指向性麦克风，其特征在于，包括：

第一电路板、第二电路板和MEMS芯片，所述MEMS芯片中包括MEMS振膜，所述MEMS芯片的第一侧面与所述第一电路板的第一侧面贴合，所述MEMS芯片的第二侧面与所述第二电路板的第一侧面贴合，所述第一电路板和所述第二电路板上与所述MEMS芯片对应的位置处均设有通声孔。

2.根据权利要求1所述的指向性麦克风，其特征在于，所述第一电路板和所述第二电路板的形状相同。

3.根据权利要求2所述的指向性麦克风，其特征在于，所述第一电路板和所述第二电路板的横截面均为圆形或正方形。

4.根据权利要求3所述的指向性麦克风，其特征在于，所述指向性麦克风的指向性满足第一关系式，其中，所述第一关系式为：

其中，D(θ)表示所述指向性麦克风的指向性，x1表示所述第一电路板的第二侧面中心位置到所述MEMS振膜的垂直距离，x2表示所述第二电路板的第二侧面中心位置到所述MEMS振膜的垂直距离，y表示所述第二电路板的外边缘到设置于所述第二电路板上的通声孔轴线的垂直距离，θ表示声音传播方向与所述MEMS振膜轴线的夹角。

5.根据权利要求4所述的指向性麦克风，其特征在于，设置于所述第一电路板和所述第二电路板上通声孔均为一个，各个所述通声孔与所述MEMS振膜共轴线。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的指向性麦克风，其特征在于，所述第一电路板和/或所述第二电路板为PCB板。

7.根据权利要求6所述的指向性麦克风，其特征在于，所述MEMS芯片与所述第一电路板的结合处设有第一密封层，和/或所述MEMS芯片与所述第二电路板的结合处设有第二密封层。

8.根据权利要求7所述的指向性麦克风，其特征在于，所述密封层为基于密封胶制作而成的密封层。

9.根据权利要求6所述的指向性麦克风，其特征在于，所述通声孔为圆形通孔。

10.一种声音采集设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的指向性麦克风。