CN111742562B - 具有校正电路系统的方向性微机电系统麦克风 - Google Patents

具有校正电路系统的方向性微机电系统麦克风 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种麦克风组合件，其包括换能器组合件，所述换能器组合件包含界定第一声学体积的第一围封壳及安置于所述第一围封壳内的微机电系统“MEMS”麦克风换能器。所述麦克风组合件还包含第二围封壳，所述第二围封壳安置成邻近于所述第一围封壳且界定与所述第一声学体积声学连通的第二声学体积，所述第二围封壳包含声阻，其中所述第一及第二声学体积与所述声阻协作产生声学延迟以产生方向性极性图案。本发明还提供电路系统，所述电路系统包括经配置以校正所述MEMS麦克风换能器的频率响应的一部分的搁架滤波器。在一些实施例中，所述电路系统嵌入于所述换能器组合件内或至少包含于所述麦克风组合件内。在其它实施例中，所述电路系统定位于电连接到所述麦克风组合件的连接端口上的缆线。

Description

具有校正电路系统的方向性微机电系统麦克风
交叉参考
本申请案主张2018年1月24日申请的第62/621,406号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的内容以引用的方式完全并入本文中。
技术领域
本申请案大体上涉及MEMS(微机电系统)麦克风。特定来说，本申请案涉及一种方向性MEMS麦克风，其具有用于校正所述麦克风的频率响应的电路系统。
背景技术
存在数种类型的麦克风及相关换能器(举例来说，例如动态、晶体、电容器(condenser/capacitor)(外部偏置及驻极体)等)，其可经设计具有各种极性响应图案(心形、超心形、全向等)。每一类型的麦克风取决于应用具有其优点及缺点。
微机电系统(”MEMS”)麦克风、或具有MEMS元件作为核心换能器的麦克风已归因于其小封装大小及高性能特性(例如，高信噪比(“SNR”)、低功耗、良好敏感度等)而变得越来越流行。然而，归因于麦克风封装的物理约束，常规MEMS麦克风的极性图案本质上是全向的，此对于宽带应用(举例来说，例如录音工作室、实况演出等)不太理想。
更明确来说，MEMS麦克风通过产生与换能器位置处的瞬时气压级成比例的输出电压而有效地操作为“压力麦克风”。例如，MEMS麦克风换能器通常包含移动隔膜，所述移动隔膜定位于位于换能器的前端处的用于接收传入声波的声音入口与具有固定空气容积且由覆盖换能器的后端(back end)的外壳形成的后声学腔室之间。归因于传入声波的气压级变化引起隔膜相对于也包含于换能器中的穿孔背板移动。此移动产生隔膜与背板之间的电容变化，此产生通过包含于麦克风封装中的集成电路(例如，专用集成电路(“ASIC”))感测的交流输出电压。如将了解，因为外壳(例如，围封罐)覆盖MEMS换能器的后端，所以其阻挡到MEMS换能器的移动隔膜的后部声学通路。因此，MEMS麦克风仅通过换能器前端处的声音入口接收声音，因此产生全向响应。
因此，需要一种具有方向性极性图案的MEMS麦克风，其可与非所需环境声音隔离且适用于宽带音频及专业应用。
发明内容
本发明希望通过提供一种MEMS麦克风而解决上述及其它问题，所述麦克风尤其具有：(1)内部声学延迟网络，其经配置以产生方向性极性图案，所述声学延迟网络包括通过在所述MEMS换能器的现存围封罐后方添加第二围封罐而形成的大腔顺性(cavitycompliance)及耦合到所述第二围封罐的后壁的声阻；及(2)校正电路系统，其用于产生适用于宽带音频(例如，20Hz到20kHz)的麦克风频率响应。
例如，一个实施例包含一种麦克风组合件，其包括：换能器组合件，其包含界定第一声学体积(acoustic volume)的第一围封壳及安置于所述第一围封壳内的微机电系统(“MEMS”)麦克风换能器；第二围封壳，其安置成邻近于所述第一围封壳且界定与所述第一声学体积声学连通的第二声学体积，所述第二围封壳包含声阻，其中所述第一及第二声学体积与所述声阻协作产生声学延迟以产生所述MEMS麦克风换能器的方向性极性图案；及电路系统，其电耦合到所述换能器组合件且包括经配置以校正所述MEMS麦克风换能器的频率响应的一部分的搁架滤波器(shelving filter)。
另一实例实施例包含一种麦克风组合件，其包括：换能器组合件，其包含微机电系统(“MEMS”)麦克风换能器、电耦合到所述MEMS麦克风换能器的集成电路及界定第一声学体积且具有安置于其中的所述集成电路及所述MEMS麦克风换能器的第一围封壳；及第二围封壳，其安置成邻近于所述第一围封壳且界定与所述第一声学体积声学连通的第二声学体积，所述第一及第二声学体积产生声学延迟以产生所述MEMS麦克风换能器的方向性极性图案，其中所述集成电路包含包括经配置以校正所述MEMS麦克风换能器的频率响应的一部分的搁架滤波器的电路系统。
从陈述指示可采用本发明的原理的各种方式的说明性实施例的以下详细描述及附图将明白且更完全理解这些及其它实施例以及各种置换及方面。
附图说明
图1是说明常规全向MEMS麦克风的一般拓扑的示意图。
图2是说明根据一或多个实施例的实例方向性MEMS麦克风的一般拓扑的示意图。
图3是根据实施例的图2中展示的方向性MEMS麦克风的示范性频率响应曲线及归因于第一校正电路的第一经校正响应。
图4是根据实施例的图2中展示的方向性MEMS麦克风的示范性频率响应曲线及归因于第二校正电路的第二经校正响应。
图5是根据实施例的包含于图4的第二校正电路中的示范性搁架滤波器的频率响应曲线。
图6是根据实施例的图5的示范性搁架滤波器的电路图。
图7是根据一或多个实施例的包括图2中展示的方向性MEMS麦克风及耦合到麦克风的校正电路的麦克风组合件外壳的示意图。
图8是根据一或多个实施例的包括图2中展示的方向性MEMS麦克风及集成于麦克风内的校正电路系统的麦克风组合件外壳的示意图。
图9是根据一或多个实施例的包括图2中展示的方向性MEMS麦克风的麦克风组合件外壳及包含于耦合到麦克风组合件外壳的缆线上的校正电路系统的示意图。
具体实施方式
以下描述描述、说明且例示根据本发明原理的本发明的一或多个特定实施例。本描述并非经提供以将本发明限制于本文中描述的实施例，而是用来说明且教示本发明的原理，使得所属领域的一般技术人员能够理解这些原理，且运用所述理解而能够将所述原理应用于不仅实践本文描述的实施例而且实践可根据这些原理想到的其它实施例。本发明的范围希望涵盖在字面上或根据等同原则可落在所附权利要求书的范围内的全部此类实施例。
应注意，在描述及图式中，相似或基本上类似元件可用相同元件符号标记。然而，有时可用不同数字标记这些元件，举例来说，例如在此标记有利于更清楚描述的情况中。另外，本文中陈述的图式不一定按比例绘制，且在一些例子中，可能已放大比例以更清楚描绘某些特征。此类标记及图式实践不一定暗指潜在实质目的。如上文所述，本说明书希望被视为整体且根据如本文中教示且为所属领域的一般技术人员所理解的本发明的原理解释。
图1说明典型或常规模拟MEMS麦克风100的一般拓扑，其经展示用于与根据本文中描述的技术设计且在图2中展示的方向性MEMS麦克风200的一般拓扑比较。MEMS麦克风100包含常规换能器组合件101，换能器组合件101包括电耦合到集成电路104的MEMS传感器或换能器102(其两者都形成于衬底106(例如，硅晶片)上且包装于外壳108(例如，围封罐)内)。集成电路104通常为经配置以将MEMS换能器102可操作地耦合到印刷电路板(“PCB”)及其它外部装置的专用集成电路(“ASIC”)。
MEMS换能器102本质上用作硅电容器，其包括可移动薄膜或隔膜110及固定背板112。更明确来说，隔膜110在形成于换能器102内的前部腔室或腔114后方，且背板112定位于隔膜110后方而邻近于通过围封罐108围绕换能器102的后方形成的背部腔室118。可移动隔膜110是响应于因声波进入腔114引起的气压变化而挠曲的薄的实心结构。声波通过声音入口116进入腔114，声音入口116在换能器102的前端处经形成穿过衬底106。背板112是穿孔结构，其在空气移动通过穿孔而朝向背部腔室118时保持静止。在操作期间，隔膜110响应于传入声压波(acoustic pressure wave)或声音而相对于背板112移动产生隔膜110与背板112之间的电容量变化。此产生通过经附接集成电路104感测的交流输出电压。
如图1中展示，外壳108阻挡到隔膜110的后部声学通路，此引起MEMS麦克风100本质上为全向的。更明确来说，因为声波可仅通过在换能器102前面的声音入口116进入换能器102，所以隔膜110能够仅对前部腔114内的音压(sound pressure)作出反应，因此使整体换能器102对定位于任何方向(例如，前侧、背侧、左侧或右侧)上的声源同样敏感。虽然全向麦克风在例如其中目标声音来自多个方向的某些应用中可为有利的，但方向性(或更明确来说，单向)麦克风在其它应用中(例如，在对与许多非所需群众或背景噪声相关联的实况演出进行录音时)可为优选的。
图2说明根据实施例的方向性MEMS麦克风200的一般拓扑。方向性MEMS麦克风200包含类似于图1中展示的常规换能器组合件101的换能器组合件201。特定来说，换能器组合件201包含类似于换能器102的MEMS麦克风换能器202、类似于集成电路104的集成电路204，及类似于硅衬底106的衬底206。此外，MEMS换能器202包含安置于穿孔背板212下方的可移动隔膜210及形成于隔膜210与第一声音入口216之间的前部腔214，第一声音入口216在换能器202的前端处经形成穿过衬底206。
换能器组合件201还包含第一围封壳208，其可为用于容置MEMS换能器的标准围封罐且至少在某种程度上类似于外壳108。例如，MEMS换能器202及集成电路204两者如图1中那样安置于第一围封壳208内，且第一围封壳208界定或形成MEMS换能器202后方的第一声学体积218，类似于图1中展示的背部腔室118。然而，不同于背部腔室118，第一围封壳208包含孔隙220，孔隙220定位成邻近于MEMS换能器202的后端(rear end)(或背侧)而与第一声音入口216相对，如图2中展示。孔隙220可通过打孔或切割孔穿过第一围封壳208的顶表面或任何其它适合手段形成。
在实施例中，孔隙220经配置以至少部分敞开换能器202的背侧而允许到隔膜210的后部声学通路。此引起MEMS换能器202的隔膜210在两个相对侧(例如，前侧及背侧)上部分敞开，此产生跨隔膜210的声压差。例如，沿0度轴入射于换能器组合件201上(例如，在x方向上行进)的声音将首先通过前部声音入口216进入且接着在延迟达两个开口216与220之间的距离的后穿过孔隙220。如将了解，进入孔隙220的声波将为进入第一入口216的声波的衰减(取决于距来源的距离)及相移版本。所得压力梯度施加净力(例如，前力减去后力(back force))于隔膜210上而引起其移动。因此，MEMS麦克风200有效地操作为“压力梯度麦克风”。
隔膜210的前侧与背侧之间的压力差产生MEMS麦克风200中的方向性响应。例如，在一些实施例中，MEMS麦克风200可对从换能器202的前面或后面到达的声音同样敏感，但对从侧面到达的声音不敏感(例如，双向)。在优选实施例中，MEMS麦克风200配置为单向的，或主要对仅来自一个方向(例如，前侧)的声音敏感。在此类情况中，MEMS麦克风200可经配置以通过获得压力及压力梯度效应的适当组合而具有任何一阶方向性极性图案(举例来说，例如心形、高心形(hypercardioid)、超心形(supercardioid)或子心形(subcardioid))。此可例如通过调整MEMS麦克风200内的内部空气容积(例如，通过添加辅助围封壳222)及/或配置其声阻值(例如，通过添加声阻228)而实现。
更明确来说，用于调整MEMS麦克风200内的容积的一个性质是前部声音入口与背部声音入口之间的距离，其与隔膜210上的净力成线性比例。如将了解，为建立压力梯度，声音入口之间的距离必须至少足够大以建立可在任何系统噪声(包含MEMS换能器202的声学自有噪声(self-noise))之上检测到的净力。在一些情况中，第一声音入口216与孔隙220之间的距离是由换能器组合件201的制造商预先确定，且此预定距离(例如，大约2毫米(mm))并未大到可足以在整体麦克风系统的电/机械组件的本底噪声之上检测到。
在实施例中，可通过增大前部声音入口及背部声音入口之间的距离直到压力梯度在所关注带宽内最大化或基本上增大而实现改进的方向性麦克风响应。为帮助实现此结果，换能器组合件201进一步包含第二围封壳222，第二围封壳222安置成邻近于(或附接到)第一围封壳208的外部且界定第一围封壳208及形成于其中的第一声学体积218后方的一第二声学体积224。第二围封壳222可为类似于第一围封壳208的围封罐或外壳，且其可堆叠于第一围封壳208的顶部上，如图2中展示。根据实施例，在第一围封壳208后端的孔隙220促成第一声学体积218与第二声学体积224之间的声学连通，借此增大换能器组合件201的总声学体积。此外，如图2中展示，第二围封壳222的后端或壁包含第二声音入口226，第二声音入口226定位成与孔隙220相对以允许穿过第二围封壳222到隔膜210的后部通路。根据实施例，第二声音入口226操作为麦克风200的后部声音入口。例如，隔膜210上的净力可依据第一或前部声音入口216与第二声音入口226之间的距离而变化。如图2中展示，第二入口226可与孔隙220及/或第一声音入口216基本上对准以进一步促成到隔膜210的后部通路。
在实施例中，第二入口226可定位成距第一入口216预定距离D，且此预定距离(也称为“前部到背部距离”)可经选择以产生跨隔膜210的压力梯度。如图2中展示，麦克风200的前部到背部距离基本上等于第一围封壳208的高度加上第二围封壳222的高度。在一些实施例中，第一围封壳208的高度保持固定，而选择第二围封壳222的高度使得从麦克风200的前部到背部的距离D足以最大化或基本上增大跨隔膜210的压力梯度。例如，在实施例中，通过配置第二围封壳222使其具有5毫米(mm)的高度而将麦克风200的前部到背部距离D增大到大约7mm。在其它实施例中，也可调整第一围封壳208的高度以实现从麦克风200的前部到背部的总距离的增大。
增大麦克风200的前部到背部距离D可引起外部声学延迟d1(也称为“声音延迟”)增大，或引起音压波从麦克风200的前端(例如，第一声音入口216)行进到麦克风200的后端(例如，第二声音入口226)所花费的时间增大。如将了解，假定平面声波且麦克风200与声源之间的距离足够大而足以产生从麦克风200的前部到背部的可忽略压降，那么入射于麦克风200的后端上的声波与入射于前端上的声波将仅在相位上不同。
在实施例中，第二围封壳222进一步经配置以帮助引入内部声学延迟d2(在本文中也称为“网络等待时间”)而能够建立麦克风200的一阶方向性极性图案(举例来说，例如心形、高心形、超心形或子心形)。为实现此结果，第二围封壳222可包含声学延迟网络(也称为“相位延迟网络”)的全部或(若干)部分，所述声学延迟网络经配置以修改声音到麦克风200后端处的第二声音入口226的传播且产生具有朝向麦克风200前端处的第一声音入口216的方向性偏好的一阶极性图案。例如，在实施例中，声学延迟网络通过MEMS麦克风200的总体腔顺性Ctotal或第一围封壳208内部的第一声学体积218及第二围封壳222内部的第二声学体积224的总和、以及放置成邻近于第二入口226的具有预定声阻值R的声阻228形成。声阻228可为织物、筛网或其它适合材料，其附接到第二围封壳222以覆盖第二入口226，且其经配置以产生第二声音入口226处的声流阻力R。在操作期间，通过第一声音入口216撞击于隔膜210上的声波也将传播到且穿过麦克风200后端处的第二声音入口226，而在到达隔膜210的后方之前穿过声学延迟网络，包含声阻228。
在实施例中，第二围封壳222(包含借此形成的第二声学体积224及包含于其上的声阻228)的机械性质可在很大程度上确定声学网络等待时间d2的值。例如，在一个实施例中，声学网络等待时间d2被估计为基本上等于声阻R与腔顺性Ctotal的乘积。此外，在一些情况中，总体腔顺性Ctotal主要依据通过第二围封壳222形成的第二声学体积224而变化，此是因为第二声学体积224显著大于第一声学体积218。如将了解，可通过配置声学网络等待时间d2以抵消外部声学延迟d1且产生相移以消除从压力梯度接近空值(或零)的方向接近的声波而实现方向性麦克风响应。因此，在实施例中，可适当选择MEMS麦克风200的声阻R及腔顺性Ctotal的值，使得声学网络等待时间d2所引起的时间延迟基本上等于外部声学延迟d1所引起的时间延迟，其中外部延迟d1近似等于麦克风200的前部到背部距离D除以声速(“c”)。
因此，本文中描述的技术提供一种具有声学延迟网络的方向性MEMS麦克风200，所述声学延迟网络在MEMS换能器组合件201外部或并非MEMS换能器组合件201的部分，如图2中展示。此配置提供MEMS麦克风200的增大的设计灵活性，此是因为可在未更改下层换能器组合件201的情况下针对专用或极性图案定制第二围封壳222。应了解，虽然本文中已描述声学延迟网络的示范性实施方案，但也预期根据本文中描述的技术的其它实施方案。
在实施例中，方向性MEMS麦克风200的压力梯度响应按每倍频程6分贝(dB)的速率上升但归因于声学延迟网络所产生的低通滤波效应而在较高频率处变平。换句话来说，麦克风200具有高端响应，但无低音或中频区段响应。作为实例，在将第二围封壳222添加到换能器组合件201时产生的声学延迟网络可表现得像一阶低通滤波器，假定如上文论述的7mm的前部到背部距离，其具有在10kHz附近开始变平且在7.8千赫(kHz)处具有转角频率(coner frequency)或拐点(例如，-3dB下行点(down point))的频率响应(参见例如图3中展示的响应曲线302)。此频率响应对于某些应用(举例来说，例如实况或舞台演出及其它宽带音频应用，其中预期麦克风换能器基本上再现整个音频带宽(例如，20赫兹(Hz)≤f≤20千赫(kHz)))来说可为无法接受的。因此，本文中描述的技术进一步提供校正电路系统，所述校正电路系统经配置以跨所关注带宽的至少一实质部分产生方向性MEMS麦克风200的变平频率响应(参见例如图3中的经校正响应曲线304及图4中的经校正响应曲线404)。校正电路可由运算放大器技术构成(例如，如图6中展示)，且可附接到MEMS麦克风200(例如，如图7中展示)、集成到MEMS麦克风200中(例如，如图8中展示)或包含于耦合到麦克风组合件外壳的缆线上(例如，如图9中展示)，如下文将更详细论述。
现参考图3，其展示根据实施例的MEMS麦克风200的示范性频率对比音压图形300。图形300包含第一响应曲线302(本文中也称为“未校正响应曲线”)，其表示不具有任何校正或均衡效应的方向性MEMS麦克风200的原始频率响应。如所展示，未校正响应曲线302在第一预定频率以上(例如，在10kHz附近)开始变平且在第二预定频率(例如，7.8千赫(kHz))处具有转角频率或拐点(例如，-3dB下行点)。图形300进一步包含第二响应曲线304(本文中也称为“经校正响应曲线”)，其表示在通过第一校正电路调节或均衡之后的方向性MEMS麦克风200的经校正频率响应。在实施例中，第一示范性校正电路(未展示)可包含无源低通滤波器，其具有足够小以涵盖MEMS麦克风200的整个所关注带宽(例如，20Hz到20kHz)的转角频率。因为跨整个所关注带宽应用低通滤波，所以经校正麦克风响应在更高频率处衰减，如图3中的曲线304所展示。此可为不太合意的，此至少因为MEMS麦克风200在特定较高频率(例如，10kHz)以上已归因于声学延迟网络的添加而至少部分衰减。
图4说明根据实施例的MEMS麦克风200的另一示范性频率对比音压图形400。图形400包含第一响应曲线402(本文中也称为“未校正响应曲线”)，其表示不具有任何校正或均衡效应的方向性MEMS麦克风200的原始频率响应。如同图3中展示的曲线302，未校正响应曲线402在第一预定频率以上(例如，在10kHz附近)开始变平且在第二预定频率(例如，7.8千赫(kHz))处具有转角频率或拐点(例如，-3dB下行点)。图形400进一步包含第二响应曲线404(本文中也称为“校正响应曲线”)，其表示在通过第二校正电路调节或均衡之后的方向性MEMS麦克风200的经校正频率响应。根据实施例，第二校正电路包含有源搁架滤波器，其经配置以校正MEMS麦克风200的频率响应的选定部分。例如，有源搁架滤波器可经配置以均衡麦克风响应402的非平坦部分(例如，每倍频程6dB上升直到7.8kHz处的转角频率拐点)且保持不影响响应402的变平部分(例如，10kHz以上)。
图5是根据实施例的用于校正MEMS麦克风200的频率响应的一部分的实例有源搁架滤波器的响应曲线500。如所展示，响应曲线500(本文中也称为“搁架滤波器曲线”)减小直到到达预定高频率值(例如，10kHz)，在此之后，滤波器的频率响应变平。在实施例中，搁架滤波器曲线500的此形状归因于与搁架滤波器相关联的至少三个所关注转角频率。第一转角频率邻近于曲线500的左侧且充当用于控制低频响应或“扩展”的高通滤波器。第二转角频率在-6dB/倍频程校正曲线开始之前发生，且第三转角频率恰在-6dB/倍频程校正曲线结束时或校正停止运作之处发生，以允许高频输出不受影响地通过。根据实施例，图4中展示的经校正频率曲线404是组合图5的搁架滤波器曲线500及图4的未校正响应曲线402的结果。如图4中展示，经校正响应曲线404的频率响应的绝大部分(例如，在搁架滤波器的第二转角频率与第三转角频率之间)是平坦的，其中衰减仅发生在10kHz之后(例如，在第三转角频率之后)。
图6说明根据实施例的实施用于校正MEMS麦克风200的频率响应的一部分或使其变平的搁架滤波器的模拟版本的示范性电路600。如所展示，可使用运算放大器(“op-amp”)技术来构造电路600以实现有源搁架滤波器的模拟版本。应了解，所描绘的电路是实施搁架滤波器的一个实例，且预期根据本文中描述的技术的其它实施方案。
在一些实施例中，搁架滤波器可使用数字信号处理器、一或多个模拟组件及/或其组合来实施。例如，一般来说，搁架滤波器可通过例如方程式1的数学转移函数来表示，其中分母描述低频极点位置，且分子描述高频零点及搁架位置。
方程式1：
Figure GDA0002637449290000091
使得ω1＞ω2
将方程式1应用于图6的电路600，可使用方程式2获得高频零点(搁架)，而可使用方程式3获得低频极点。
方程式2：
Figure GDA0002637449290000092
方程式3：
Figure GDA0002637449290000093
假定电路600的电容器C1的电容值足够大使得其阻抗不计入(factor into)搁架函数，那么可通过方程式4表示搁架部分的电路转移函数。
方程式4：
Figure GDA0002637449290000094
在一些情况中，方程式4可用于例如在数字信号处理器上实施搁架滤波器的数字版本。在其它情况中，方程式4可用于实施图6中展示的电路600。应了解，本文中提供的搁架滤波器方程式是示范性的，且预期根据本文中描述的技术的其它实施方案。
现参考图7，其展示根据实施例的示范性组合件外壳700(本文中也称为“麦克风组合件”)，其包括用于产生图2的方向性MEMS麦克风200的变平频率响应的校正电路系统702。如所说明，外壳700包含MEMS麦克风200及可操作地耦合到其的校正电路系统702。如图7中展示，校正电路系统702可电连接到包含于麦克风700的换能器组合件201内的集成电路204。此电连接可经由提供于衬底206的外表面上的焊料垫704形成，其中集成电路204也经由衬底206电耦合到焊料垫704。
如图7中展示，校正电路系统702可耦合于MEMS麦克风200外部但在整体组合件外壳700内。根据实施例，校正电路系统702可机械附接到换能器组合件201的外部及第二围封壳222的外部中的一或多者。在所说明实施例中，校正电路系统702沿麦克风200的一个侧耦合而邻近于第一围封壳208及第二围封壳222两者。在其它实施例中，校正电路系统702可定位于组合件外壳700内的别处，只要校正电路系统702保持电耦合到集成电路204即可。此配置(例如，将校正电路系统702完全放置于MEMS麦克风200外部且通过外部连接耦合两者)允许将校正电路系统702添加到任何已存MEMS麦克风，包含例如常规MEMS麦克风单元(例如，图1的MEMS麦克风100)或其它MEMS麦克风设计。此配置还能够独立于校正电路系统702更改MEMS麦克风200且反之亦然，因此降低整体麦克风设计的复杂度。
在实施例中，校正电路系统702包含印刷电路板(PCB)，所述印刷电路板(PCB)耦合到经配置以产生所要频率响应的一或多个模拟装置(举例来说，例如图6中展示的校正电路600)。校正电路系统702可经配置使得不需要组合件外壳700外部的其它接口或电路以获得所要响应。例如，全部必要均衡电路系统可包含于组合件外壳700内部的校正电路702上。在优选实施例中，校正电路系统702包含经配置以校正MEMS麦克风200的频率响应的选定部分的有源搁架滤波器。在一些实施例中，有源搁架滤波器系使用op-amp技术(举例来说，例如图6的电路600)构造。
如图7中展示，外壳700进一步包含连接端口706，连接端口706经配置以接纳缆线用于将麦克风组合件外壳700可操作地连接到外部装置(例如，接收器等)。在一些实施例中，连接端口706是标准音频输入端口，其经配置以接纳连接到缆线的标准音频插头。如所展示，连接端口706可连接到校正电路系统702，使得通过麦克风200捕获的音频信号在经由连接端口706离开麦克风组合件外壳700之前通过校正电路系统702修改。
图8描绘根据实施例的另一示范性组合件外壳800(本文中也称为“麦克风组合件”)，其包括图2的方向性MEMS麦克风200及经配置以校正麦克风200的频率响应的校正电路。图8的校正电路可在功能上类似于在上文描述且在图7中展示的校正电路系统702，但在其结构组成方面物理上不同。例如，在所说明实施例中，校正电路包含于集成电路204(例如，ASIC)内，使得换能器组合件201外部不需要外部电路系统或单独PCB。在优选实施例中，集成电路204的校正电路系统包含经配置以校正MEMS麦克风200的频率响应的选定部分的有源搁架滤波器，如在本文中且参考图7描述。如将了解，此配置大幅降低麦克风组合件外壳800的整体大小以及麦克风设计的总体复杂度。
如图8中展示，组合件外壳800进一步包含经由焊料垫804电耦合到集成电路204的连接端口806。如同图7中展示的连接端口706，连接端口806可经配置以接纳缆线用于将麦克风200可操作地耦合到外部装置(例如，接收器等)。例如，连接端口806可为标准音频输入端口，其经配置以接纳附接到缆线的一个端的标准音频插头。也如同连接端口706，经由连接端口806离开麦克风组合件外壳800的音频信号已由外壳800内的校正电路系统修改。
图9描绘根据实施例的示范性麦克风系统900，其包括组合件外壳902(本文中也称为“麦克风组合件”)，组合件外壳902容置图2的方向性MEMS麦克风200、经配置以校正麦克风200的频率响应的校正电路系统904及缆线906。校正电路系统904可类似于在上文描述且在图7中展示的校正电路系统702。例如，在优选实施例中，校正电路系统904包含经配置以校正MEMS麦克风200的频率响应的选定部分的有源搁架滤波器，如在本文中且参考图7描述。然而，不同于校正电路系统702，校正电路系统904定位于麦克风组合件外壳900外部且经由缆线906可操作地耦合到麦克风组合件外壳902。
如图9中展示，缆线906耦合到包含于组合件外壳902中的连接端口908。在实施例中，连接端口908可类似于如分别在图7及8中展示且在本文中描述的连接端口706及806。例如，连接端口908可为标准音频输入端口，其经配置以接纳连接到缆线906的第一端的标准音频插头。适合连接端口的实例包含(但不限于)XLR连接器(例如，XLR3、XLR4、XLR5等)、小型XLR连接器(例如，TA4F、MTQG或其它小型4引脚连接器)、1/8”或3.5mm连接器(例如，TRS连接器或类似物)及低电压或同轴连接器(例如，LEMO所制造的单极或多极连接器，或类似物)。如图9中展示，连接端口908可经由焊料垫910电连接到麦克风200的集成电路204，焊料垫910提供于麦克风200的衬底206的外部表面上。电连接可通过衬底206形成于焊料垫910与集成电路204之间。
在实施例中，校正电路系统904可包含于印刷电路板(未展示)上，所述印刷电路板包含于缆线906上或以其它方式耦合到缆线906。印刷电路板可为刚性或柔性板。作为实例，校正电路系统904的输入端可耦合到定位于组合件外壳900与校正电路系统904之间的缆线906的第一区段906a，且校正电路系统904的输出端可耦合到定位于校正电路系统904的相对侧上的缆线906的第二区段906b，如图9中展示。在此类情况中，缆线906的第一端可耦合到连接端口908(如所展示)，且缆线906的第二端(未展示)可耦合到外部装置(未展示)。因此，通过麦克风200捕获的音频信号可在经由连接端口908离开组合件外壳902之后但在继续前进到耦合到缆线906的第二端的外部装置(例如，接收器)之前通过包含于缆线906上的校正电路系统904修改。
在实施例中，缆线906是能够在组合件外壳902与外部装置之间传送音频信号及/或控制信号的标准音频缆线。在一些实施例中，缆线906物理分离成两个区段906a及906b，区段906a及906b经由或通过校正电路系统904彼此电连接。在其它实施例中，缆线906是连续缆线且校正电路系统904使用并联连接电耦合到缆线906。在一个实例实施例中，校正电路系统904包装于耦合到缆线906的外壳(例如，塑料壳)中。通过将校正电路放置于缆线906上及组合件外壳902外部，可最小化或减小麦克风组合件902的整体大小及复杂度，且使校正电路系统904可更容易接取以视需要进行微调、维修及/或更换。将校正电路系统904放置于缆线906上也产生整个移除校正电路系统904的选项，例如，在其中麦克风组合件已经包含其自身的校正电路(例如，如图7及8中展示)或其中MEMS麦克风不需要额外校正的情况中。
因此，本文中描述的技术提供一种方向性MEMS麦克风，其包含在换能器组合件的原生围封罐后方的第二围封罐或外壳及两个围封壳的后壁内的孔隙，以声学连接由原生围封壳界定的第一声学体积及由第二围封罐界定的第二声学体积。第一及第二声学体积与安置于经形成穿过第二围封壳的后部声音入口上方的声阻协作经配置以产生声学延迟而产生MEMS麦克风的方向性极性图案。
本文中描述的技术还提供产生一种具有适用于宽带音频应用的频率响应的方向性MEMS麦克风。可使用包含用于校正麦克风响应的相关部分的搁架滤波器的校正电路系统来修改麦克风的频率响应。例如，搁架滤波器可经配置以仅修改频率响应的非平坦部分，使得高频部分不受影响地通过。在实施例中，校正电路可嵌入于MEMS麦克风换能器的集成电路内、附接到换能器组合件的外部或包含于耦合到麦克风组合件外壳的缆线上。
本发明希望说明如何根据本技术设计及使用各种实施例而非限制本发明的真实、预期且公平范围及精神。前述描述并不希望为详尽的或限于所揭示的精确形式。根据上文教示的修改或变化是可能的。选取且描述(若干)实施例以提供对所描述技术的原理及其实际应用的最佳说明，且使所属领域的一般技术人员能够在各种实施例中且以适用于所设想特定用途的各种修改利用本技术。全部此类修改及变化在如由所附权利要求书(如可在本专利申请案待决期间修正)及其全部等效物(当根据公平、合法且公正地授权的广度来解释时)确定的实施例的范围内。

Claims (28)

1.一种麦克风组合件，其包括：
换能器组合件，其包含界定第一声学体积的第一围封壳及安置于所述第一围封壳内的微机电系统MEMS麦克风换能器，以使得所述第一声学体积围绕所述MEMS麦克风换能器的后部；
第二围封壳，其安置成邻近于所述第一围封壳且界定与所述第一声学体积声学连通的第二声学体积，所述第二围封壳包含声阻，其中所述第一声学体积及所述第二声学体积与所述声阻协作产生声学延迟以产生方向性极性图案；及
电路系统，其电耦合到所述换能器组合件且包括经配置以校正所述MEMS麦克风换能器的频率响应的一部分的搁架滤波器，以使在预定带宽内跨所有频率值的频率响应变平。
2.根据权利要求1所述的麦克风组合件，其中所述电路系统机械附接到所述换能器组合件的外部。
3.根据权利要求1所述的麦克风组合件，其中所述电路系统机械附接到所述第二围封壳的外部。
4.根据权利要求1所述的麦克风组合件，其中所述方向性极性图案是一阶方向性极性图案。
5.根据权利要求1所述的麦克风组合件，其中所述换能器组合件进一步包含集成电路，所述集成电路电耦合到所述MEMS麦克风换能器且安置于所述第一围封壳内，所述电路系统电连接到所述换能器组合件的所述集成电路。
6.根据权利要求1所述的麦克风组合件，其中所述第一围封壳包含孔隙以促成所述第一声学体积与所述第二声学体积之间的声学连通，所述孔隙定位成邻近于所述MEMS麦克风换能器。
7.根据权利要求6所述的麦克风组合件，其中所述第一围封壳包含定位成邻近于所述MEMS麦克风换能器的第一声音入口，且所述第二围封壳包含定位成距所述第一声音入口预定距离的第二声音入口。
8.根据权利要求7所述的麦克风组合件，其中所述预定距离经选择以产生跨所述MEMS麦克风换能器的隔膜的压力梯度。
9.根据权利要求7所述的麦克风组合件，其中所述声阻覆盖所述第二声音入口。
10.根据权利要求1所述的麦克风组合件，其进一步包括连接端口，所述连接端口电耦合到所述电路系统且经配置以接纳缆线用于将所述换能器组合件可操作地耦合到外部装置。
11.根据权利要求1所述的麦克风组合件，其进一步包括经配置以支撑所述换能器组合件的衬底。
12.一种麦克风组合件，其包括：
换能器组合件，其包含微机电系统MEMS麦克风换能器、电耦合到所述MEMS麦克风换能器的集成电路，及界定第一声学体积且具有安置于其中的所述集成电路及所述MEMS麦克风换能器的第一围封壳，以使得所述第一声学体积围绕所述MEMS麦克风换能器的后部；及
第二围封壳，其安置成邻近于所述第一围封壳且界定与所述第一声学体积声学连通的第二声学体积，所述第二围封壳包含声阻，且所述第一声学体积及所述第二声学体积产生声学延迟以产生方向性极性图案，
其中所述集成电路包含电路系统，所述电路系统包括经配置以校正所述MEMS麦克风换能器的频率响应的一部分的搁架滤波器，以使在预定带宽内跨所有频率值的频率响应变平。
13.根据权利要求12所述的麦克风组合件，其中所述集成电路是专用集成电路ASIC。
14.根据权利要求12所述的麦克风组合件，其中所述方向性极性图案是一阶方向性极性图案。
15.根据权利要求12所述的麦克风组合件，其中所述第二围封壳包含孔隙以促成所述第一声学体积与所述第二声学体积之间的声学连通，所述孔隙定位成邻近于所述MEMS麦克风换能器。
16.根据权利要求12所述的麦克风组合件，其中所述第一围封壳包含定位成邻近于所述MEMS麦克风换能器的第一声音入口，且所述第二围封壳包含定位成距所述第一声音入口预定距离的第二声音入口。
17.根据权利要求16所述的麦克风组合件，其中所述预定距离经选择以产生跨所述MEMS麦克风换能器的隔膜的压力梯度。
18.根据权利要求16所述的麦克风组合件，其中所述声阻覆盖所述第二声音入口。
19.根据权利要求12所述的麦克风组合件，其进一步包括连接端口，所述连接端口电耦合到所述集成电路且经配置以接纳缆线用于将所述换能器组合件可操作地耦合到外部装置。
20.根据权利要求12所述的麦克风组合件，其进一步包括经配置以支撑所述换能器组合件的衬底。
21.一种麦克风系统，其包括：
麦克风组合件，其包括：
换能器组合件，其包含界定第一声学体积的第一围封壳及安置于所述第一围封壳内的微机电系统MEMS麦克风换能器，以使得所述第一声学体积围绕所述MEMS麦克风换能器的后部；
第二围封壳，其安置成邻近于所述第一围封壳且界定与所述第一声学体积声学连通的第二声学体积，所述第二围封壳包含声阻，其中所述第一声学体积及所述第二声学体积与所述声阻协作产生声学延迟以产生方向性极性图案；及
连接端口，其电耦合到所述换能器组合件且经配置以接纳缆线；
缆线，其电耦合到所述连接端口以将所述换能器组合件可操作地耦合到外部装置；及
电路系统，其包含于所述缆线上且经由所述连接端口电耦合到所述换能器组合件，所述电路系统包括经配置以校正所述MEMS麦克风换能器的频率响应的一部分的搁架滤波器，以使在预定带宽内跨所有频率值的频率响应变平。
22.根据权利要求21所述的麦克风系统，其中所述换能器组合件进一步包含集成电路，所述集成电路电耦合到所述MEMS麦克风换能器且安置于所述第一围封壳内，所述电路系统电连接到所述换能器组合件的所述集成电路。
23.根据权利要求21所述的麦克风系统，其中所述方向性极性图案是一阶方向性极性图案。
24.根据权利要求21所述的麦克风系统，其中所述第二围封壳包含孔隙以促成所述第一声学体积与所述第二声学体积之间的声学连通，所述孔隙定位成邻近于所述MEMS麦克风换能器。
25.根据权利要求21所述的麦克风系统，其中所述第一围封壳包含定位成邻近于所述MEMS麦克风换能器的第一声音入口，且所述第二围封壳包含定位成距所述第一声音入口预定距离的第二声音入口。
26.根据权利要求25所述的麦克风系统，其中所述预定距离经选择以产生跨所述MEMS麦克风换能器的隔膜的压力梯度。
27.根据权利要求25所述的麦克风系统，其中所述声阻覆盖所述第二声音入口。
28.根据权利要求21所述的麦克风系统，其中所述麦克风组合件进一步包括经配置以支撑所述换能器组合件的衬底。
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