CN111095949B - 减少声换能器中噪声的方法和麦克风组件 - Google Patents

减少声换能器中噪声的方法和麦克风组件 Download PDF

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Abstract

本公开涉及减少声换能器中噪声的方法和麦克风组件。具体地，麦克风组件包括具有背板和振膜的声换能器，使得该背板的表面包括多个孔。所述多个孔中的至少一部分孔是以不均匀图案布置的。该不均匀图案包括具有可变尺寸的孔，这些孔按可变距离与邻近孔间隔开。该麦克风组件还包括被配置成从该声换能器接收声信号的音频信号电路。

Description

减少声换能器中噪声的方法和麦克风组件
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月18日提交的美国临时专利申请No.62/559,712的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
麦克风广泛用于各种应用，诸如用于智能手机、移动电话、平板电脑、耳机、助听器、传感器、汽车等。期望提高这种麦克风的声音质量。当今的麦克风因它们的配置和它们工作的方式而受到限制。
发明内容
根据本公开的一方面，涉及一种麦克风组件，所述麦克风组件包括：声换能器，所述声换能器具有背板和振膜，其中，所述背板的表面包括多个孔，其中，所述振膜的挠曲大于0.2微米且所述多个孔中的至少一部分孔是以不均匀图案来布置的，并且其中，所述不均匀图案包括孔，所述孔具有可变尺寸并且按可变距离与邻近孔间隔开；以及音频信号电路，所述音频信号电路被配置成从所述声换能器接收声信号。
根据本公开的另一方面，涉及一种减少声换能器中噪声的方法，所述方法包括以下步骤：基于多个阻尼参数和多个电容参数，针对所述声换能器的背板与振膜之间的间隙，通过计算电路来计算综合孔距值；以及基于所述综合孔距值，通过所述计算电路来确定所述背板的表面上的多个孔的布置，其中，与较大综合孔距值对应的所述多个孔的尺寸比与较小综合孔距值的所述多个孔的尺寸大，并且其中，所述综合孔距值表示所述多个孔中的两个邻近孔的中心之间的距离。
根据本公开的又一方面，涉及一种减少声换能器中噪声的方法，所述方法包括以下步骤：针对所述声换能器的背板与振膜之间的间隙，通过计算电路来计算多个阻尼参数，其中，所述多个阻尼参数中的各个阻尼参数是使用不同的孔距值计算出的；针对所述间隙，通过所述计算电路来测量多个电容参数，其中，所述多个电容参数中的各个电容参数是使用所述不同的孔距值计算出的；通过所述计算电路来计算所述多个电容参数中的各个电容参数与所述多个阻尼参数中的对应一个阻尼参数之间的比率；通过所述计算电路来确定计算出的比率中的最大比率；通过所述计算电路来标识与围绕所述最大比率的比率范围相对应的综合孔距值；以及基于所述综合孔距值，通过所述计算电路来确定所述背板的表面上的多个孔的布置，其中，如果所述间隙基本恒定，则所述布置是均匀图案，而如果所述间隙不恒定，则所述布置是不均匀图案。
附图说明
图1A是底端口麦克风组件的示意图。
图1B是顶端口麦克风组件的示意图。
图2是标识要在声换能器的背板上设置的孔图案的计算电路的框图。
图3A是示出声换能器的阻尼参数随着改变的孔距(pitch)而变化的曲线图。
图3B是示出声换能器的电容参数随着改变的孔距而变化的曲线图。
图3C是示出声换能器的信噪比随着改变的孔距而变化的曲线图。
图4是示出在声换能器的背板与振膜(diaphragm)之间的第一间隙下电容参数与阻尼参数的比率随着改变的孔距而变化的曲线图。
图5是示出在声换能器的背板与振膜之间的第二间隙下电容参数与阻尼参数的比率随着改变的孔距而变化的另一曲线图。
图6是具有均匀孔图案的声换能器的背板的示例。
图7是具有另一均匀孔图案的声换能器的背板的示例。
图8是具有不均匀孔图案的声换能器的背板的示例。
图9是具有另一不均匀孔图案的声换能器的背板的示例。
图10是在背板的电极区内的孔图案的示例。
图11是概述对综合孔距值(combined pitch value)进行计算的操作的流程图。
图12是概述对背板上的均匀或不均匀孔图案进行标识的操作的流程图。
图13是概述对背板上的不均匀孔图案的配置进行确定的操作的流程图。
图14是概述对背板的电极区内的孔图案进行确定的操作的流程图。
具体实施方式
本公开总体上涉及如下的系统和方法，其用于减少(reducing)在麦克风组件内使用的声换能器的噪声(在本文中也称为阻尼(damping))。声换能器的多个组件贡献于归因于声换能器的噪声。声换能器的背板通常是该噪声的最大贡献者。因声换能器的背板与振膜之间的间隙以及垂直移动通过设置在背板表面上的孔的空气会从背板产生噪声。通过减少可归因于背板的噪声，可以减少声换能器的噪声，并且可以增加麦克风组件的信噪比。
常规上，已经通过增加穿孔率(perforation ratio)(也称为声孔百分比(AH％))减少了背板的噪声。穿孔率是背板上的各个孔的面积之和除以背板的总面积。然而，增加穿孔率存在着限制。诸如背板的坚固性和有效电容面积的因素限制了穿孔率增加超过某一值。因此，通过增加穿孔率仅能在一定程度上减少背板的噪声。
本公开提供了通过使用综合孔距值来进一步减少因背板而造成的噪声的系统和方法。使用综合孔距值来标识特定图案，在该特定图案中，在背板上布置孔以减少噪声并增加声换能器的信噪比。通过在背板上使用特定孔图案，可以减少垂直移动通过这些孔的空气的阻力，从而减少背板的噪声。在一些实施方式中，综合孔距值是背板的厚度、穿孔率以及背板与振膜之间的间隙的函数。针对恒定的背板厚度和恒定的穿孔率，可以改变间隙，从而可以确定针对该间隙的综合孔距值。
为了计算针对给定间隙的综合孔距值，在一些实施方式中，以改变的孔距来计算多个阻尼参数和多个电容参数。孔距是背板上的一个孔的中心到背板上的邻近孔的中心之间的距离。计算出针对多个电容参数中的各个电容参数与多个阻尼参数中的对应一个阻尼参数的多个比率。从计算出的多个比率中，标识出最大比率，并且将对应于该最大比率的一个或更多个孔距值确定为综合孔距值。使用该综合孔距值，如果背板与振膜之间的间隙恒定或基本恒定，则针对背板标识出均匀孔图案。另一方面，如果间隙是不恒定的或基本不恒定的，则标识为不均匀图案，如下进一步讨论的。
图1A是具有微机电系统(MEMS：microelectromechanical system)声传感器105和将由声传感器检测到的声信号(例如，气压变化)转换成电信号的处理电路110的麦克风组件100。可以将MEMS声传感器105实现为电容传感器或电容器(condenser)传感器、压电传感器或光传感器。在图1A中，声传感器105是具有背板115和振膜120的电容传感器。麦克风组件100还包括限定封闭容积130的壳体125。壳体125包括基部135和紧固至该基部135的盖子140，该盖子140包围并保护设置在其中的声传感器105和处理电路110。壳体125中的声端口145允许MEMS声传感器105感测壳体外部的气压变化。如图1A中所示，将声端口145设置在基部135中。因此，麦克风组件100是底端口麦克风组件。可以将基部135具体实施为具有形成PCB的嵌入的导体的如同FR4的层状材料。盖子140可以具体实施为金属罐，或者也可以包括嵌入的导体的层状FR4材料。盖子140也可以由如同塑料和陶瓷的其它材料形成，并且壳体通常可以包括电磁屏蔽件。
在一些实施方式中，壳体125在其表面上包括外部触点，该外部触点形成也称为物理接口的外部装置接口，该外部触点是在回流焊接或波动焊接操作中与主机装置集成的。在一些实施方式中，外部装置接口包括电源触点、接地触点、时钟触点、数据触点以及选择触点。然而，构成外部装置接口的特定触点可以取决于在麦克风组件100与主机装置之间传送数据所利用的协议。这样的协议包括但不限于PDM、SoundWire、I2S以及I2C。
处理电路110(在本文中也称为电路、音频信号处理电路、音频信号电路或专用集成电路(ASIC))被配置成从MEMS声传感器105接收声信号。MEMS声传感器105可以使用一根或更多根焊接线150在工作上连接至处理电路110。在其它实施方式中，可以使用诸如通孔、迹线、电连接器等的其它连接机制，以将MEMS声传感器105电连接至处理电路110。在处理完声信号之后，处理电路110在麦克风组件的输出端或接口处提供处理后的声信号，以供计算装置或主机装置(例如，智能手机、计算机、IOT装置、助听器)使用。
图1B是具有MEMS声传感器160和将由声传感器检测到的声信号(例如，气压变化)转换成电信号的处理电路165的麦克风组件155。麦克风组件155也包括基部170和盖子175。因此，麦克风组件155在某种程度上类似于麦克风组件100。然而，与将声端口145设置在基部135中的麦克风组件100相反，麦克风组件155中的声端口180是设置在盖子175中的。因此，麦克风组件155是顶端口麦克风组件。麦克风组件155中的MEMS声传感器160、处理电路165、基部170、盖子175以及声端口180是分别与麦克风组件100中的MEMS声传感器105、处理电路110、基部135、盖子140以及声端口145类似地配置的。
本文仅讨论麦克风组件100和麦克风组件155的某些组件。没有详细讨论可以用于实现本文所描述的功能和/或所讨论的装置的其它功能的其它组件(诸如电动机、电荷泵、电源、滤波器、电阻器等)，但是在本公开的范围内加以设想和考虑。此外，在一些实施方式中，可以使用在麦克风组件(例如，麦克风组件100)中使用的压力传感器或其它类型的传感器，以代替MEMS声传感器105和MEMS声传感器160。
图2是计算电路205的框图200，该计算电路205使用来自声换能器210的数据(实际的数据或者模拟的数据)来标识要设置在背板215的表面上的孔图案(pattern of hole)，以减少可归因于背板的噪声。可以将各种参数输入到计算电路205中，并且计算电路可以使用那些参数来标识背板215的孔图案，以使噪声最小。在一些实施方式中，可以使用有限元分析来生成输入到计算电路205中的参数。在一些实施方式中，输入到计算电路205中的参数可以包括：背板215的厚度、AH％(穿孔率)、以及背板与振膜220之间的间隙的间隙分布图(gap profile)。在一些实施方式中，也可以将诸如背板215上的孔的数量这样的参数输入到计算电路205中。可以将计算电路205用于多种类型的声换能器中的任何一种声换能器，诸如双背板声换能器。
计算电路205包括存储器225和处理器230。尽管已经将存储器225和处理器230例示为处于计算电路205内，但是在一些实施方式中，这些组件中的一个或两个组件都可以位于计算电路外部，并且以在工作上关联的方式连接至该计算电路。也可以设置如本文所描述的用于执行计算电路205的功能的其它组件。例如，在一些实施方式中，可以设置对组件与处理器230之间的数据流(例如，数据总线上的数据的优先级)进行控制的单独控制器。
处理器230包括间隙分布图电路(gap profile circuit)235，该间隙分布图电路235存储背板215与振膜220之间的间隙分布图，该间隙分布图被输入到计算电路205中。间隙分布图可以包括在背板215与振膜220之间的一个或更多个间隙值，并且可以指示间隙是恒定的(或基本恒定的)还是不恒定的(或基本不恒定的)。因此，间隙分布图可以基于振膜220的“挠曲(deflection)”而改变。一般而言，当利用电压(例如，直流电压)使声换能器210偏置时，在背板215与振膜220之间感应出电场。该电场施加静电力，该静电力使振膜220朝向或远离背板215弯曲，从而引起振膜的挠曲。振膜220的挠曲可以基于振膜的类型而改变。例如，自由板振膜(free-plate diaphragm)设计可以比夹紧振膜(clamped diaphragm)设计经历更大的挠曲。在一些实施方式中，并且根据在声换能器210中使用的振膜220的类型，如果振膜的最大挠曲小于或等于约0.2微米，则可以将振膜说成是“平坦的”振膜，并且可以将间隙分布图说成是恒定的或基本恒定的。另一方面，如果振膜220的最大挠曲大于0.2微米，则可以将振膜说成是“挠曲的”，并且可以将间隙分布图说成是不恒定的或基本不恒定的。如上面提到的，间隙分布图也可以标识背板215与振膜220之间的间隙的值，并且可以将该间隙的值存储在间隙分布图电路235内。
而且，如果间隙分布图指示恒定(或基本恒定)的间隙分布图，则可以将单个间隙值输入到计算电路205中，并将该单个间隙值存储到间隙分布图电路235中。然而，针对不恒定(或基本不恒定)的间隙，可以设置多个间隙值(例如，如下所讨论的平均间隙值)，其中各个间隙值对应于背板215与振膜220之间的特定位置。例如，在一些实施方式中，间隙分布图可以标识出背板215与振膜220之间的多个预定的测量点处的间隙值。在一些实施方式中，尽管也可以使用其它单位。但是可以以微米来测量背板215与振膜220之间的间隙。
除存储间隙分布图数据之外，间隙分布图电路235还可以将间隙分布图数据提供给如通信链路255所示的电容评估电路240、阻尼评估电路245以及图案确定电路250。
电容评估电路240确定从间隙分布图电路235接收到的针对各个间隙值的电容参数。电容参数反映背板215与振膜220之间的在该间隙值下的电容。在一些实施方式中，针对各个间隙值，电容评估电路240计算或确定多个电容参数。所述多个电容参数中的各个电容参数可以对应于背板215的特定孔距值。如本文所使用的孔距是指背板215上的两个邻近孔的中心之间的距离。改变背板215的孔距改变了背板与振膜220之间的电容。因此，按照各个间隙值，通过使用针对各个电容参数的不同的孔距值来计算或确定多个电容参数。
在一些实施方式中，可以从存储在计算电路205内的查找表确定电容参数，使得针对给定间隙值和孔距值，查找表可以包括针对该间隙值和孔距值的对应电容参数。在其它实施方式中，计算电路可以使用其它机制或模拟来计算多个电容参数中的各个电容参数。下面，图3B示出了电容参数随孔距的变化。电容评估电路240经由通信链路265将多个电容参数输入到综合孔距计算器260中。
阻尼评估电路245计算背板215的阻尼参数。阻尼参数反映了在给定间隙值下可归因于背板215的总噪声。类似于电容参数，阻尼参数也随着背板215的孔距而改变。因此，针对各个间隙值，计算电路205通过改变孔距来计算多个阻尼参数。通常地，在一些实现中，也将用于计算电容参数的相同的孔距值用于计算阻尼参数。因此，针对各个间隙值，确定多个电容参数和多个阻尼参数，其中在特定孔距下的多个电容参数中的各个电容参数具有在该特定孔距下的多个阻尼参数中的对应一个阻尼参数。
阻尼评估电路245可以计算多个阻尼参数中的各个阻尼参数。在一些实施方式中，阻尼评估电路245可以实现以下公式(该公式是根据Dorel Homentcovschi和RonaldN.Miles:“Viscous Microstructural Dampers with Aligned Holes:Design ProcedureIncluding the Edge Correction,”发表在J.Acoust.Soc.Am.122,2007年九月,第1556-1567页导出的)：
Figure GDA0002954257460000071
其中，C是可归因于背板215的总噪声或阻尼。公式的第一项(例如，“＝”与“+”号之间的项)计算由背板215与振膜220之间的间隙引入的阻尼，并且公式的第二项(例如，“+”号之后的项)计算由垂直移动通过背板的孔的空气引入的阻尼(也称为孔的阻力)。因此，背板215的总阻尼包括两个分量：归因于间隙值的第一阻尼分量，和归因于孔距的第二阻尼分量。
在上面的公式中：
N是背板上的孔的数量
μ是空气的粘度
g0是背板215与振膜220之间的间隙
K是区域穿孔率(β)的函数
h是背板的厚度
r1是围绕背板上的孔的圆形单元的半径；以及
r0是背板上的孔的半径。
另外，在上面的公式中，将穿孔率(AH％)和背板215的厚度假设为恒定的，并且输入到计算电路205中。此外，r1和r0的组合对应于背板215的孔距。上式中唯一在变化的参数是，间隙值和背板215的孔距。因此，针对各个间隙值，可以改变孔距以改变上式中的背板215的总阻尼C，以获得多个阻尼参数。C的各个计算出的值对应于一个阻尼参数。下面，图3A例示了阻尼参数随孔距的变化。阻尼评估电路245经由通信链路270将多个阻尼参数提供给综合孔距计算器260。要理解的是，上式仅仅是计算多个阻尼参数的示例。在其它实施方式中，阻尼评估电路245可以实施其它公式或机制来计算多个阻尼参数。
综合孔距计算器260从电容评估电路240接收多个电容参数，并且从阻尼评估电路245接收多个阻尼参数。使用这些参数，综合孔距计算器260计算出综合孔距值。具体地，针对在计算多个电容参数和多个阻尼参数中使用的各个孔距值，综合孔距计算器260计算所述多个电容参数中的各个电容参数与所述多个阻尼参数中的对应一个阻尼参数的比率。然后，综合孔距计算器260标识所有计算出的比率中的最大比率。可以选择对应于最大比率的一个或更多个孔距值，作为综合孔距值。下面，图4和图5在曲线图上例示了综合孔距值。使用该综合孔距值，可以标识出背板215上的最优孔图案。
综合孔距计算器260经由通信链路275将综合孔距值提供给图案确定电路250。由此，图案确定电路250从间隙分布图电路235接收间隙分布图，并且从综合孔距计算器260接收综合孔距值。如果间隙分布图指示不恒定(或基本不恒定)的间隙，则图案确定电路250基于多个综合孔距值来标识要在背板215上设置的不均匀孔图案。如果间隙分布图指示恒定(或基本恒定)的间隙，则图案确定电路250基于单个综合孔距值来标识要在背板215上设置的均匀孔图案。下面，讨论均匀和不均匀孔图案。
虽然上面描述了系统的各个组件，并且在图2中例示成实现为处理器230的一部分，但要理解的是，在各种示例实现中，可以使用硬件、软件或其任何组合来实现这样的组件。例如，可以使用专用硬件(例如，形成处理器230的部分或全部或者计算电路205的另一部分的专用集成电路(ASIC))、存储在存储器225中并且可由处理器执行以实现计算电路的功能的指令、或者专用硬件和指令的组合，来实现间隙分布图电路235、电容评估电路240、阻尼评估电路245、图案确定电路250、综合孔距计算器260和/或计算电路205的各种其它组件。
图3A是例示以背板215的恒定AH％和恒定厚度在改变的孔距下的多个阻尼参数的变化的曲线图300。曲线图300针对Y轴310上的背板215上的孔的电阻在X轴305上标绘孔距。Y轴310上的电阻提供了针对给定间隙值的背板215的总阻尼的指示。通常地，电阻越低，总阻尼就越低。期望使总阻尼最小。
曲线图300示出了表示2微米的第一间隙值的第一曲线315和表示4微米的第二间隙值的第二曲线320。要理解的是，第一曲线315和第二曲线320只是示例。针对不同的间隙值也可以标绘相似曲线。第一曲线315和第二曲线320中的各条曲线都是通过按照改变的孔距标绘针对表示该曲线的间隙值的多个阻尼参数而获得的。根据曲线图300，可以看出，随着孔距沿着X轴305增加，沿Y轴310的电阻在再次增加之前先减小。范围325表示第一曲线315的最低电阻点，范围330表示第二曲线320的最低电阻点。因此，在范围325和330内，针对给定间隙值的总阻尼最小。与范围325和330相对应的孔距表示最优的阻尼孔距，并因此提供使阻尼最小的孔距值。
因此，如果目标是使背板215的阻尼最小，则可以将针对特定间隙值的最优阻尼孔距用于标识背板215上的最优的孔图案，以使与背板相关联的阻尼最小。
根据曲线图300，还可以看出，随着间隙值增加，最优阻尼孔距也随之增加。例如，在与较大间隙值相对应的第二曲线320的范围330处的最优阻尼孔距比第一曲线315的范围325处的最优阻尼孔距大，该第一曲线315与第二曲线相比对应于较小间隙值。因此，背板215与振膜220之间的间隙值越高，最优阻尼孔距就越高。
图3B是以背板215的恒定AH％和恒定厚度针对Y轴345上的电容对X轴340上的孔距进行标绘的曲线图335。X轴340与图3A的X轴305相同。Y轴345上的电容表示电容参数。与曲线图300相似，曲线图335包括：表示2微米的第一间隙值的第一曲线350，和表示4微米的第二间隙值的第二曲线355。因此，针对相同间隙值和相同孔距，图3B的第一曲线350表示多个电容参数，而图3A的第一曲线315表示多个阻尼参数。同样地，针对相同间隙值和相同孔距，图3B的第二曲线355表示多个电容参数，而图3A的第二曲线320表示多个阻尼参数。
根据曲线图335，可以看出，随着X轴340上的孔距增加，电容随之减小。因此，较高的孔距对应于较低的电容。通常地，期望增加电容。因此，第一曲线350上的范围360和第二曲线355上的范围365表示曲线图335上的最高电容。针对那些间隙值，与范围360和365相对应的孔距是期望的或最优的电容孔距。如果目标是使背板的电容最大，则可以将与最优的电容孔距相对应的一个或更多个孔距用于标识背板215上的孔图案。
图3C是以背板215的恒定AH％和恒定厚度针对Y轴380上的信噪比(“SNR：signal-to-noise ratio”)对X轴375上的孔距进行标绘的曲线图370。X轴375与图3A的X轴305以及图3B的X轴340相同。Y轴380上的SNR表示背板215的SNR。曲线图370包括表示SNR随着改变的孔距而变化的曲线385。例如，曲线图370显示出随着孔距在X轴375上增加，SNR在降低之前先增加。一般而言，较高的SNR是期望的。因此，可以将与其中SNR是最大值的范围390相对应的一个或更多个孔距值，用于获得背板215上的最优孔图案。因此，如果目标是使SNR最大，则可以使用范围390。
尽管期望减少阻尼并增加电容，但是使总阻尼最小的阻尼孔距范围与使电容最大的电容孔距范围不同。如果使用最小化的阻尼孔距范围来确定背板215上的孔图案，则背板与振膜220之间的电容受到不利影响。同样地，如果使用最大化的电容孔距范围来确定背板215上的孔图案，则总阻尼会受到不利影响。因此，如果目标是在总阻尼和电容之间取得平衡，则可以以在阻尼与电容之间进行权衡并且总阻尼和电容都不会受到严重不利影响的方式，来选择孔距值或孔距范围。
通过针对给定间隙值对多个电容参数中的各个电容参数与多个阻尼参数中的对应一个阻尼参数的比率进行计算，并且标识实现电容与阻尼之间的权衡(trade-off)的综合孔距值或范围，可以获得阻尼与电容之间的权衡。因此，针对各个间隙值，可以计算多个电容阻尼参数比率。然后，可以确定那些比率中的最大比率，以标识上面讨论的综合孔距值。
图4示出了以背板215的恒定AH％和恒定厚度在2微米的第一间隙值的情况下针对Y轴410上的电容阻尼参数比率对X轴405上的孔距进行标绘的曲线图400。X轴405具有与X轴305和X轴340相同的孔距。曲线图400还示出了指示电容阻尼参数比率如何随着增加的孔距而改变的曲线415。从曲线图400可以看出，随着孔距沿着X轴405增加，电容阻尼参数比率在减小之前先增加至最大范围420。可以将X轴405上的孔距中的与最大范围420相对应的一个或更多个孔距用作综合孔距值。例如，在一些实施方式中，最大范围420可以包括相对于X轴405上的最大孔距值的10％的变化。换句话说，所选择的综合孔距值可以在X轴405上的最大孔距值的10％内。在其它实施方式中，可以将其它百分比用于最大范围420。使用该综合孔距值以通过图案确定电路250来标识背板215上的孔图案，如下进一步讨论的。
图5示出了以背板215的恒定AH％和恒定厚度针对Y轴510上的电容阻尼参数比率对X轴505上的孔距进行标绘的另一曲线图500。曲线图500类似于曲线图400，只是曲线图500包括针对4微米的第二间隙值的曲线515。从曲线图500可以看出，随着孔距沿着X轴505增加，类似于图6的曲线415，电容阻尼参数比率在减小之前先增加至最大范围520。X轴505上的与最大范围520相对应的一个或更多个孔距值标识了表示在阻尼孔距与电容孔距之间的权衡的综合孔距值，在该综合孔距值下，减小了可归因于背板215的总噪声或阻尼，而不会严重影响电容。类似于最大范围420，最大范围520可以包括高达最大孔距值的10％以上或者最大孔距值的10％以下的孔距值。在其它实施方式中，可以将其它百分比用于最大范围520。将来自曲线图400的综合孔距值(例如，X轴405、505上的分别对应于最大范围420、520的孔距值(多个孔距值))与来自曲线图500的综合孔距值进行比较，可以看出，曲线图500的综合孔距值(具有较高的间隙值)高于曲线图400的综合孔距值(其具有较低的间隙值)。因此，随着间隙值增加，综合孔距值也会增加。换句话说，综合孔距值是背板215与振膜220之间的间隙的值的函数(例如，与该间隙的值成正比)。
在一些实施方式中，基于背板215与振膜220之间的间隙、背板的厚度以及AH％，综合孔距值可以在6微米(micron，也称为micrometer)至37微米之间变化。在一些实施方式中，背板215与振膜220之间的间隙可以在0.5微米至10微米之间变化。此外，在一些实施方式中，背板215的厚度可以在0.1微米至6微米之间变化，而在一些实施方式中，AH％可以在25％至80％之间变化。例如，在一些实施方式中，针对4微米的间隙、2微米的背板215的厚度以及50％的AH％，综合孔距值可以在20至24微米的范围内。类似地，针对2微米的间隙、1微米的背板215的厚度以及30％的AH％，综合孔距值可以在9至13微米的范围内。同样地，针对5微米的间隙、3微米的背板215的厚度以及70％的AH％，综合孔距值可以在33至37微米的范围内。
另外，在一些实施方式中，如果间隙以及背板215的厚度保持基本恒定而AH％是变化的，则综合孔距值可能会改变。例如，针对2.75微米的间隙值和1.9微米的背板厚度，下表示出了在下表中的改变的AH％(称为AHP[％])下的示例综合孔距值(在下表中称为最优孔距)：
AHP[％] 最优孔距[μm]
30 16.99
40 15.98
50 15.46
60 15.38
70 15.82
类似地，针对6微米的间隙值和1.9微米的背板厚度，下表示出了在下表中的改变的AH％(称为AHP[％])下的示例综合孔距值(在下表中称为最优孔距)：
AHP[％] 最优孔距[μm]
30 28.84
40 17.46
50 26.70
60 27.24
70 28.33
因此，综合孔距值是基于背板215与振膜220之间的间隙值、背板的厚度以及AH％而改变的。
图6是在背板表面610上具有均匀孔605的图案的背板600的示例。背板600是以恒定的厚度和恒定的穿孔率配置的。在一些实现中，“均匀”是指，孔605具有相同或基本相同的尺寸(例如，相对于另一孔在尺寸上变化不超过10％)，并且在背板600的表面610上均匀或基本均匀地间隔开。换句话说，采用“均匀”图案，将孔605以相同综合孔距值p间隔开，这意味着对于背板600的表面610上的每一对邻近孔，从该对邻近孔中的一个孔的中心到该对邻近孔中的另一孔的中心的距离是相同的(或基本相同的)。然而，在一些实现中，可以将孔605均匀地或基本均匀地间隔开，但是可以在尺寸上有所不同，或者孔605可以是相同或基本相同的尺寸，但是孔之间的间距(spacing)可以有所不同，并且所有这样的实现都是在本公开的范围内设想的。
按照固定的穿孔率，孔605的尺寸以及这些孔中的两个邻近孔之间的距离是综合孔距值的函数。随着综合孔距值增加，孔605中的各个孔的尺寸增加，并且背板600的表面610上的孔的总数量减少。此外，可以将背板600上的孔605以几何或随机图案来布置，只要这些孔以相同或基本相同的综合孔距值间隔开即可。
图7是在背板表面710上具有另一均匀孔705的图案的背板700的示例。背板700在某种程度上类似于背板600，因为背板700也具有与背板600相同的恒定厚度以及相同的恒定穿孔率。背板700上的孔705的尺寸相等(或基本相等)，并且在表面710上均匀或基本均匀地间隔开。因此，背板700上的任何两个邻近孔(例如，孔705)具有相同或基本相同的综合孔距值p'。
将背板600与背板700进行比较，可以看出，虽然两个背板均具有均匀孔图案，但是相对于背板700上的孔705的数量，背板600具有较少数量的孔605。孔数量的差异是由于不同的综合孔距值p和p'而造成的。正如孔(例如，孔605、705)的尺寸随着综合孔距值增加而增加一样，这些孔的尺寸随着综合孔距值减小而减小。按照固定的穿孔率，随着孔(例如，孔605、705)的尺寸减小，可以在背板(例如，背板600、700)的表面(例如，表面610、710)上设置(例如，钻出)附加的孔，从而增加背板上的孔的总数量。因此，图7的孔距p'小于图6的孔距p(例如，孔距p'具有较小的值)，并因此，背板700具有比背板600更多的孔。此外，类似于孔605，可以将孔705以几何或随机图案布置，只要这些孔以相同或基本相同的综合孔距值间隔开即可。
图8是在背板表面810上具有以不均匀图案布置的孔805的背板800的示例。如本文所使用的“不均匀”是指，孔805的尺寸不是全部相等的(或基本相等的)并且在背板800的整个表面810上不是均匀地间隔开的，并因此，成对的邻近孔之间的综合孔距值可以改变。因此，在一些实施方式中，针对恒定的AH％，孔805的尺寸以及这些孔之间的间距都可以以不均匀图案来改变。在其它实施方式中，通过改变不均匀图案的AH％，可以使孔805的尺寸或者这些孔之间的间距改变。
孔805的图案取决于振膜815的挠曲。由于振膜815f发生挠曲(例如，振膜与背板800之间的间隙是不恒定的或基本不恒定的)，因此振膜与背板之间的间隙从振膜的一端到该振膜的另一端发生改变。为了针对不恒定或基本不恒定的间隙来确定背板800上的孔805的图案，从振膜815的一端820到该振膜的另一端825的距离被垂直地划分成预定数量的环或区域830。在其它实施方式中，区域830的数量可以大于或小于所示出的数量。振膜815与背板800之间的平均间隙值可以与区域830中的各个区域相关联。可以将平均间隙值输入到计算电路205中，并将该平均间隙值存储在间隙分布图电路235中。
针对各个平均间隙值，如上说明的，计算电路205通过按照该平均间隙值对多个阻尼参数和多个电容参数进行计算，然后根据这些参数确定综合孔距值，来标识综合孔距值。使用区域830中的各个区域的综合孔距值，通过计算电路205的图案确定电路250确定背板800的表面810上的与该区域相对应的孔图案。随着综合孔距值从区域830中的一个区域到这些区域中另一区域发生改变，孔805的图案在背板800上也随之改变。由于综合孔距值随着间隙值增加而增加，并且由于随着综合孔距值增加，背板上的孔的尺寸也随之增加，因此背板800上的孔805的尺寸基于综合孔距值而改变。振膜815的挠曲表示如图8所示的平均间隙朝向端部820和825是最大的，并且朝向振膜的中心835逐渐减小。因此，孔805在背板800的外围四周具有最大的尺寸，并且这些孔的尺寸朝向背板的中心逐渐减小，如箭头840所示。
图9示出了具有不均匀孔图案的背板900的示例。尽管在背板900的表面905上未示出孔，但是该示例示出了基于振膜910相对于背板900的挠曲而在背板上的孔图案如何改变。振膜910的挠曲示出了较高的平均间隙区915和较低的平均间隙区920。因此，与较高的平均间隙区915相对应的综合孔距值高于与较低的平均间隙区920相对应的综合孔距值。在背板900的表面905上的孔图案中反映了综合孔距值的变化，该综合间隙值的变化示出了与较高的平均间隙区915相对应的高孔距区域925以及与较低的平均值间隙区920相对应的低孔距区域930。因此，通过能够以不恒定的间隙配置确定针对给定平均间隙值的综合孔距值，可以确定背板900上的孔图案，而不管振膜910的挠曲如何。可以针对振膜910的挠曲而确定的不同的综合孔距值的数量可以基于振膜被划分成的区域(例如，图8中的区域830)的数量而改变。
图10示出了背板1000的具有电极区1005以及在电极区外的外侧区域1010的一部分。电极区1005对应于背板1000的在其内感测振膜1015的运动的部分，并且外侧区域1010对应于背板的在其内不感测由振膜产生的运动的该部分。通常地，背板1000上的较大尺寸的孔与较小尺寸的孔相比产生较低的阻尼噪声。然而，较大尺寸的孔与较小尺寸的孔相比产生较低的信号质量。具体地，如上所讨论的，可归因于背板1000的噪声的原因之一是由于通过背板上的孔的垂直空气移动。随着孔尺寸增加，背板1000的电容和灵敏度降低，这进而对信号的质量产生负面影响。
在背板1000上，仅在背板感测到运动的电极区1005内生成信号。因此，在电极区1005内期望更高的信号质量。在背板1000不感测任何运动的外侧区域1010中，不生成信号。因此，可以将背板1000配置成，通过在外侧区域1010中设置大的孔并且在电极区1005内设置基于综合孔距值的孔图案来使背板阻尼最小，以保持高的信号质量和低的阻尼噪声。
在外侧区域1010中，由于不生成信号，因此可以将孔设计得尽可能的大，以使可归因于外侧区域的背板阻尼噪声最小。一般而言，避免在外侧区域1010中具有太少的孔。因此，可以基于从孔距范围中选择的孔距值来确定外侧区域1010中的孔的尺寸。例如，在一些实施方式中，可以使用大约10至30微米的孔距范围。基于所选择的孔距值，背板1000上的处于外侧区域1010中的所有孔可以具有相同或不同的尺寸。
在电极区1005中，如上所讨论的，可以使用振膜1015的间隙分布图来计算综合孔距值，并且可以基于该综合孔距值设置背板1000上的处于电极区内的孔以使阻尼最小，同时减少对信号的质量的影响。
图11是概述针对背板(例如，背板215)与振膜(例如，振膜220)之间的给定间隙值来对综合孔距值进行计算的处理1100的操作的流程图。在操作1105开始之后，针对给定间隙值，在操作1110，由计算电路205计算各自对应于特定孔距的多个阻尼参数。根据示例实现，上面参照图2和图3A讨论了阻尼参数的计算。另外，针对给定间隙值以及用于计算多个阻尼参数的孔距，在操作1115，由计算电路205计算多个电容参数。上面，在图2和图3B讨论了电容参数的计算。在操作1120，由计算电路205的综合孔距计算器260对多个电容参数中的各个电容参数与其在多个阻尼参数中的对应实例的比率进行计算，以获得多个比率。根据多个比率，在操作1125，综合孔距计算器260例如标识如图4和图5所示的最大比率。将对应于最大比率的一个或更多个孔距标识为综合孔距值，然后由计算电路205的图案确定电路250将该综合孔距值用于确定背板上的孔图案。处理1100在操作1130结束。
而且，也可以将处理1100用于计算针对双背板配置的综合孔距值。例如，在双背板配置中，在振膜顶部设置有顶背板，并且在振膜底部上设置有底背板。为了计算针对这种背板-振膜配置的综合孔距值，如上所讨论的，可以计算针对顶背板和振膜的第一综合孔距值，以标识顶背板的第一孔图案。如上所讨论的，可以计算针对底背板和振膜的第二综合孔距值，以标识底背板的第二孔图案。第一综合孔距值可以基于顶背板与振膜之间的间隙分布图，并且第二综合孔距值可以基于底背板与振膜之间的间隙分布图。因此，顶背板上的孔图案可以不同于底背板上的孔图案。
图12是概述通过计算电路205对背板(例如，背板215)上的孔图案进行确定的处理1200的操作的流程图。在操作1205开始之后，在操作1210，将振膜(例如，振膜220)的间隙分布图输入到计算电路的间隙分布图电路235中。也将诸如背板的厚度和AH％这样的其它输入参数输入到计算电路205中。使用间隙分布图中的间隙值(多个间隙值)，在操作1215，计算综合孔距值。如果间隙是恒定的(或基本恒定)，则计算对应于该间隙的单个综合孔距。如果间隙不恒定(或基本不恒定)，则计算多个综合孔距值。使用上面在图11中描述的处理1100来计算综合孔距值(多个综合孔距值)。在操作1220，针对恒定(或基本恒定)的间隙，图案确定电路250基于来自操作1215的综合孔距值在背板上设置均匀孔图案。上面的图6和图7例示了背板上的均匀孔图案的示例。另一方面，如果间隙是不恒定的(或基本不恒定的)，则在操作1225，由图案确定电路250基于来自操作1215的综合孔距值，标识出背板上的不均匀孔图案。处理1200在操作1230结束。
图13是概述对背板(例如，背板215)的不均匀孔图案进行标识的处理1300的操作的流程图。如上面所讨论的，该不均匀图案对应于背板与振膜之间的不恒定或基本不恒定的间隙。此外，如上所示，不恒定或基本不恒定的间隙的间隙分布图包括多个间隙值，这些间隙值提供了背板与振膜之间的不同测量点处的平均间隙值。将这些平均间隙值输入到计算电路205。因此，在操作1305开始之后，在操作1310，使用处理1100来计算与各个平均间隙值相对应的综合孔距值。基于该综合孔距值，在操作1315，将背板上的孔图案改变成，使得背板的与平均间隙值中的各个平均间隙值相对应的区域具有如下孔，该孔基于针对该平均间隙值计算出的综合孔距值来定尺寸和间隔开。因此，背板具有不均匀孔图案，诸如图8或图9所示的图案。处理1300在操作1320结束。
图14是概述使背板(例如，背板1000)的电极区(例如，电极区1005)内的阻尼噪声最小的处理1400的操作的流程图。在操作1405开始之后，在操作1410，对电极区进行标识。在电极区内，在操作1415，基于背板与该背板的对应的振膜(例如，振膜1015)之间的间隙，来计算一个或更多个综合孔距值。电极区内的背板与振膜之间的间隙可以是恒定的(或基本恒定的)或者不恒定的。使用上面描述的处理1100来计算综合孔距值(多个综合孔距值)。使用该综合孔距值(多个综合孔距值)，在操作1420，确定电极区的孔图案。在操作1425，针对落在电极区外的区域(例如，外侧区域1010)，将背板上的孔配置为尽可能的大。在一些实施方式中，在电极区外的区域中可能期望或需要特定数量的孔。因此，可以将电极区外的区域中的孔的数量设置成，使得那些孔尽可能大到适配所期望或需要的该特定数量的孔。在一些实施方式中，可以使用孔距范围，并且可以将外侧区域中的孔配置成落入该范围内。该处理在操作1430结束。
因此，本文所描述的系统和方法有利地减少了可归因于声换能器的背板的噪声。由于背板是声换能器中的最大的噪声贡献者，因此可以实现显著的噪声降低。通过降低噪声，可以增加信噪比，并且改善从声换能器输出的信号的声音质量。
根据本公开的一些方面，公开了一种麦克风组件。该麦克风组件包括具有背板和振膜的声换能器。背板的表面包括多个孔。所述多个孔中的至少一部分是以不均匀图案来布置的，该不均匀图案包括具有可变尺寸的孔，这些孔按可变距离与邻近孔间隔开。该麦克风组件也包括被配置成从声换能器接收声信号的音频信号电路。
根据本公开的其它方面，公开了一种方法。该方法包括以下步骤：针对声换能器的背板与振膜之间的间隙，通过计算电路来计算综合孔距值。该方法也包括以下步骤：基于综合孔距值，通过计算电路确定背板的表面上的多个孔的布置，使得所述多个孔中的至少一个孔在尺寸上是基于较大的综合孔距值而增加的。该综合孔距值表示多个孔中的两个邻近孔的中心之间的距离。
根据本公开的另一些方面，公开了一种方法。该方法包括以下步骤：针对声换能器的背板与振膜之间的间隙，通过计算电路来计算多个阻尼参数，使得所述多个阻尼参数中的各个阻尼参数是使用不同孔距值计算出的。该方法也包括以下步骤：针对该间隙，通过计算电路测量多个电容参数，使得所述多个电容参数中的各个电容参数是使用不同孔距值计算出的。该方法还包括以下步骤：通过计算电路计算所述多个电容参数中的各个电容参数与所述多个阻尼参数中的对应一个阻尼参数之间的比率，通过计算电路确定计算出的比率中的最大比率，通过计算电路标识与和最大比率相邻的比率的范围相对应的综合孔距值，以及基于综合孔距值，通过计算电路确定背板的表面上的多个孔的布置。如果该间隙基本恒定，则该布置是均匀图案，而如果该间隙不恒定，则该布置是不均匀图案。
出于例示和描述的目的，呈现了例示性实施方式的前述描述。该描述不旨在是详尽的或者限于所公开精确形式，而是可以根据上述教导进行修改和改变，或者可以根据所公开实施方式的实践来获取。本发明的范围旨在通过所附权利要求及其等同物来限定。虽然将各种实施方式和附图描述为包括特定组件，但应理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文所描述的实施方式进行修改。例如，在不同的实现中，被描述为包括单个组件的实施方式可以包括多个组件以代替单个组件，或者可以用单个组件来替换多个组件。类似地，可以将被描述为包括特定组件的实施方式修改成利用被设计成执行类似功能的另选组件或组件组来替换该组件。在一些实施方式中，可以按不同的顺序执行本文所描述的方法步骤，可以执行与所示出步骤相比的附加步骤，或者可以省略一个或更多个步骤。

Claims (24)

1.一种麦克风组件，所述麦克风组件包括：
声换能器，所述声换能器具有背板和振膜，其中，所述背板的表面包括多个孔，其中，所述振膜的挠曲大于0.2微米且所述多个孔中的至少一部分孔是以不均匀图案来布置的，并且其中，所述不均匀图案包括孔，所述孔具有可变尺寸并且按可变距离与邻近孔间隔开；以及
音频信号电路，所述音频信号电路被配置成从所述声换能器接收声信号。
2.根据权利要求1所述的麦克风组件，其中，所述多个孔中的在所述背板的周边附近的至少一个孔比所述多个孔中的在所述背板的中心附近的至少一个孔大。
3.根据权利要求2所述的麦克风组件，其中，所述邻近孔之间的间距在所述背板的周边附近比在所述背板的中心附近大。
4.根据权利要求1所述的麦克风组件，其中，所述多个孔中的在所述背板的周边附近的至少一个孔以及所述多个孔中的在所述背板的中心附近的至少一个孔，比所述多个孔中的介于所述周边与所述中心之间的至少一个孔大。
5.根据权利要求1所述的麦克风组件，其中，所述背板的表面的一部分包括电极区，并且其中，在所述电极区外的至少一个孔比在所述电极区内的至少一个孔大。
6.根据权利要求5所述的麦克风组件，其中，所述多个孔中的以所述不均匀图案布置的部分在所述电极区内，并且其中，所述多个孔中的剩余部分孔在所述电极区外并且以均匀图案布置，在所述均匀图案中的孔的尺寸基本相等并且与邻近孔基本相等地间隔开。
7.根据权利要求1所述的麦克风组件，其中，所述不均匀图案是基于综合孔距值来确定的，所述综合孔距值标识从所述多个孔中的一个孔的中心到邻近孔中的一个孔的中心的距离。
8.根据权利要求7所述的麦克风组件，其中，所述综合孔距值介于6微米到37微米之间。
9.根据权利要求7所述的麦克风组件，其中，所述综合孔距值介于20微米到24微米之间。
10.根据权利要求7所述的麦克风组件，其中，所述背板与所述振膜之间的间隙介于0.5微米到10微米之间。
11.根据权利要求7所述的麦克风组件，其中，所述背板的厚度介于0.1微米到6微米之间。
12.根据权利要求7所述的麦克风组件，其中，穿孔率介于25％到80％之间。
13.根据权利要求7所述的麦克风组件，其中，所述综合孔距值介于9微米到13微米之间。
14.根据权利要求7所述的麦克风组件，其中，所述综合孔距值介于33微米到37微米之间。
15.一种减少声换能器中噪声的方法，所述方法包括以下步骤：
基于多个阻尼参数和多个电容参数，针对所述声换能器的背板与振膜之间的间隙，通过计算电路来计算综合孔距值；以及
基于所述综合孔距值，通过所述计算电路来确定所述背板的表面上的多个孔的布置，其中，与较大综合孔距值对应的所述多个孔的尺寸比与较小综合孔距值对应的所述多个孔的尺寸大，并且其中，所述综合孔距值表示所述多个孔中的两个邻近孔的中心之间的距离。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过所述计算电路来计算所述综合孔距值的步骤包括：
基于所述背板和所述振膜之间的所述间隙和多个孔距值，计算所述多个阻尼参数；
基于所述间隙和所述多个孔距值，测量所述背板与所述振膜之间的所述多个电容参数；
计算所述多个电容参数中的各个电容参数与对应所述多个阻尼参数之间的比率；
确定计算出的比率中的最大比率；以及
将所述多个孔距值中的与围绕所述最大比率的比率范围相对应的孔距值，指派为所述综合孔距值。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述布置包括：当所述振膜与所述背板之间的间隙基本恒定时，在所述背板的表面上基本均匀地间隔开的多个基本相等尺寸的孔。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，当所述振膜与所述背板之间的间隙不恒定时，通过所述计算电路来确定所述布置包括如下步骤：
将所述振膜划分成多个区域，所述多个区域中的各个区域具有与该区域相关联的平均间隙值；
计算与所述平均间隙值中的各个平均间隙值相对应的所述综合孔距值；以及
改变所述背板上的所述多个孔的布置，使得所述背板上的所述多个区域中的各个区域包括与针对所述多个区域中的该区域计算出的所述综合孔距值相对应的孔。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述背板包括电极区，并且其中，所述方法还包括以下步骤：
通过所述计算电路来确定所述电极区内的所述多个孔的布置。
20.一种减少声换能器中噪声的方法，所述方法包括以下步骤：
针对所述声换能器的背板与振膜之间的间隙，通过计算电路来计算多个阻尼参数，其中，所述多个阻尼参数中的各个阻尼参数是使用不同的孔距值计算出的；
针对所述间隙，通过所述计算电路来测量多个电容参数，其中，所述多个电容参数中的各个电容参数是使用所述不同的孔距值计算出的；
通过所述计算电路来计算所述多个电容参数中的各个电容参数与所述多个阻尼参数中的对应一个阻尼参数之间的比率；
通过所述计算电路来确定计算出的比率中的最大比率；
通过所述计算电路来标识与围绕所述最大比率的比率范围相对应的综合孔距值；以及
基于所述综合孔距值，通过所述计算电路来确定所述背板的表面上的多个孔的布置，其中，如果所述间隙基本恒定，则所述布置是均匀图案，而如果所述间隙不恒定，则所述布置是不均匀图案。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个孔中的至少一个孔的尺寸随着所述综合孔距值增加而增加。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述综合孔距值是以恒定声孔百分比计算出的。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述均匀图案包括在所述背板上基本均匀地间隔开的基本相等尺寸的孔。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述不均匀图案包括所述背板上的具有不同尺寸的孔的区域，所述区域中的所述孔的尺寸基于所述区域中的所述综合孔距值。
CN201880059525.9A 2017-09-18 2018-09-14 减少声换能器中噪声的方法和麦克风组件 Active CN111095949B (zh)

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