CN112019982B - 通气声换能器及相关方法和系统 - Google Patents

通气声换能器及相关方法和系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112019982B
CN112019982B CN202010458416.3A CN202010458416A CN112019982B CN 112019982 B CN112019982 B CN 112019982B CN 202010458416 A CN202010458416 A CN 202010458416A CN 112019982 B CN112019982 B CN 112019982B
Authority
CN
China
Prior art keywords
acoustic
diaphragm
substrate
layer
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010458416.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112019982A (zh
Inventor
P·C·赫鲁迪
J·D·克罗斯比
G·哈提波格鲁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Apple Inc
Original Assignee
Apple Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/880,825 external-priority patent/US11310591B2/en
Priority claimed from US16/880,812 external-priority patent/US11317199B2/en
Application filed by Apple Inc filed Critical Apple Inc
Priority to CN202210190520.8A priority Critical patent/CN114531632B/zh
Publication of CN112019982A publication Critical patent/CN112019982A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112019982B publication Critical patent/CN112019982B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2807—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements
    • H04R1/2838—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements of the bandpass type
    • H04R1/2846—Vents, i.e. ports, e.g. shape thereof or tuning thereof with damping material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00119—Arrangement of basic structures like cavities or channels, e.g. suitable for microfluidic systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/403—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers loud-speakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/01—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/06—Loudspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0323—Grooves
    • B81B2203/0338—Channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0109—Bonding an individual cap on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2400/00—Loudspeakers
    • H04R2400/11—Aspects regarding the frame of loudspeaker transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/16—Mounting or tensioning of diaphragms or cones

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

本公开提供了一种通气声换能器及相关方法和系统。一种电子设备具有声换能器，该声换能器具有声学振动膜。振动膜具有相对的第一主表面和第二主表面。前腔与第一主表面相邻设置。后腔与第二主表面相邻设置。细长通道限定气压通气孔并且从与前腔流体耦接的第一端延伸到与后腔流体耦接的第二端，从而将前腔与后腔流体耦接。细长通道可具有高纵横比(L/D)，从而为通气孔提供很大的空气质量。细长通道可被分段以限定更高阶滤波器。例如，分段通道可具有级联的重复声学质量单元和声学顺应性单元，从而为气压通气孔提供用于调谐的附加自由度。

Description

通气声换能器及相关方法和系统
相关申请的交叉引用
本公开要求2019年5月28日提交的美国专利申请62/853,626，2020年5月21日提交的美国专利申请16/880,812以及2020年5月21日提交的美国专利申请16/880,825的优先权和权益，这些美国专利申请的内容全文并入本文以用于所有目的。
技术领域
本专利申请以及本文公开的主题(统称为“公开”)整体涉及通气声换能器以及相关的方法和系统。更具体地但非排他性地，相对于各种电声换能器和结合此类换能器的电子设备来描述被构造为表现出复声阻抗的通气孔布置。电声换能器的示例包括扬声器换能器和麦克风换能器，包括(以举例的方式)MEMS麦克风换能器。
背景技术
一般来讲，声音(有时也称为声学信号)构成通过载体介质(诸如例如气体、液体或固体)传播的振动。继而，电声换能器是被构造为将传入的声音转换为电信号或反之的设备。
在其使用寿命期间，电声换能器可暴露于多种环境压力，例如气压。例如，具有电声换能器的电子设备可由用户在不同海拔(例如，从海平面附近到高山环境)或甚至在水下(例如，当参与水上运动时，如游泳、冲浪、漂流、花式滑水等)操作。环境压力的此类变化可引起换能器振动膜的移动，从而影响换能器的输出。并且，在给定的阈值或变化率以上，此类移动甚至可能损坏换能器。
更具体地，在整个常规声学振动膜上施加的大压力梯度可将振动膜偏置到位移的最外侧(或最内侧)位置。当被外部负载偏置时，声换能器(无论被构造为扬声器还是麦克风)的操作可受到负面影响，或者换能器可完全变得不可操作。负面影响的示例包括声音失真或低于正常振幅(例如，所发射或所检测到的响度)。
发明内容
所公开的声换能器包括振动膜和用以均衡振动膜两侧压力的通气孔。更具体地但非排他性地，某些所公开的通气布置允许均衡振动膜两侧的气压(例如，压力的低频变化或慢变化率)，同时抑制在压力的较高频率变化(例如，在可听见的带宽中)下的压力均衡。
本公开所公开的通气孔限定具有复声阻抗的通路。一些具有复声阻抗的通路具有高纵横比(例如，介于约1,000和约32,000之间的长度与有效直径的比率，或介于约1×108和约2×109之间的长度与横截面积的比率)，从而为通路提供大的声学质量并使通气孔用作声感应器。下文详细描述的具有复声阻抗的通路中的其他通路是分段的，从而限定与对应的多个声学顺应性单元并置的多个声学质量单元。如下文更全面描述的，声学质量单元可被布置为相对较窄的管道，并且声学顺应性单元可被布置为相对较大的管道或腔室。
本公开所公开的通气孔可显著降低所谓的“泄漏噪声”或“渗漏噪声”。一般来讲，当振动膜由通过通气孔的空气(或其他声学介质)流激励时，尤其是当流在期望带宽(例如，人类可听见的频带)内激励振动膜时，可产生泄漏噪声。例如，当通气孔主要充当声阻器时，可能出现此类泄漏噪声。与阻力通气孔相比，本文所述的通气孔可在暴露于期望频带(例如，介于约20Hz和约20kHz之间)中的压力变化(或声音)时抑制通过通气孔的流动，并且还可在压力的低频或缓慢变化下(例如，如改变气压那样)允许流动。
因此，本公开所公开的通气布置可减少泄漏噪声(这是带内噪声功率的显著贡献因素)，同时仍然提供通道以均衡振动膜两侧的压力。因此，与结合主要为阻力通气布置的换能器相比，结合本公开所公开的通气布置的换能器可提供改善的信噪比信号。
此外，通过均衡振动膜两侧的压力，所公开的通气布置可以减小或消除因为环境压力变化而施加到振动膜的外部偏置力。此外，减小的偏置力可允许换能器提供较低的声失真，并且可允许振动膜在宽泛的环境压力范围内移动通过全冲程偏移。因此，结合本公开所公开的通气布置的声换能器可以在宽泛的环境压力范围下提供改善的所发射或所检测到的响度。
根据一个方面，一种电子设备具有声换能器元件，该声换能器元件具有声学振动膜。振动膜具有相对的第一主表面和第二主表面。前腔与振动膜的第一主表面相邻设置，并且后腔与振动膜的第二主表面相邻设置。“细长通道”限定将前腔与后腔流体耦接的气压通气孔。细长通道从与前腔流体耦接的第一端延伸到与后腔流体耦接的第二端。根据一个方面，细长通道可为被分段成与对应的多个声学顺应性单元并置的多个声学质量单元的“分段通道”。在另一方面中，细长通道从第一端迂回地延伸到第二端。
气压通气孔可被构造为均衡前腔和后腔之间的压力。一些公开的电声设备还包括与声换能器元件耦接的基板。基板可限定向前腔开放的声学端口。在一个方面中，基板还限定气压通气孔。
在一些方面中，基板是第一基板，并且电声设备可以包括第二基板。例如，可将第一基板安装到第二基板。电声设备还可包括安装到第二基板的集成电路器件。集成电路器件和声换能器元件可彼此电耦接。第二基板可包括与集成电路器件耦接的电输出连接部。电声设备还可以具有覆盖在声换能器元件、第一基板和集成电路器件上面的凹陷封盖。
气压通气孔可向声学端口、前腔或两者开放。
本公开所公开的基板可包括多个并置的层。孔可延伸穿过多个层以限定声学端口。这些层中的至少一个层可限定蜿蜒通路的对应区段。蜿蜒通路可将前腔与后腔流体耦接，从而限定细长通道。蜿蜒通路可包括至少一个回旋。
本公开所公开的基板的第一层可以限定蜿蜒通路的对应第一区段，并且第二层可以限定蜿蜒通路的对应第二区段。该基板还可包括将第一层和第二层彼此分开的中间材料层。中间层可限定孔，该孔将蜿蜒通路的第一区段与蜿蜒通路的第二区段流体耦接，从而在蜿蜒通路中限定回旋。
如上所述，本公开所公开的基板可具有第一层和第二层。第二层可设置在第一层和声学振动膜之间。第二层可包括易受蚀刻影响的牺牲绝缘体。第二层还可以包括蚀刻停止部，该蚀刻停止部限定延伸穿过牺牲绝缘体的凹陷部的边界。凹陷部可限定细长通道的对应部分。
在一个方面中，细长通道可从与声学端口、前腔或两者相邻的位置延伸到与后腔相邻的位置。
基板可限定气压通气孔的曲折区段。曲折区段可向前腔开放。声换能器元件可以与基板可安装地耦接，并且可以限定与气压通气孔的曲折区段对准的孔。该孔可向后腔开放，从而通过声换能器元件将气压通气孔(并因此将前腔)与后腔流体耦接。
本公开所公开的声换能器元件可包括背板以及设置在振动膜和背板之间的绝缘体。
本公开所公开的声换能器元件可以包括第一背板以及设置在第一背板和振动膜之间的对应第一绝缘体。声换能器元件还可以包括第二背板以及设置在第二背板和振动膜之间的对应第二绝缘体。振动膜可设置在第一背板和第二背板之间。
本公开所公开的声换能器元件可包括第一振动膜和第二振动膜。声换能器元件还可以包括背板、设置在背板和第一振动膜之间的第一绝缘体，以及设置在第二振动膜和背板之间的第二绝缘体。例如，背板可设置在第一振动膜和第二振动膜之间。
本公开所公开的振动膜可包括压电致动器。声换能器元件可包括限定对应开放端口的第一基板。压电致动器可安装到第一基板并且在第一基板的开放端口上方延伸。声换能器元件可安装到限定对应声学端口的第二基板，其中开放端口与声学端口对准，并且压电致动器延伸跨过对准的开放端口和声学端口，从而在它们之间限定边界。
根据另一方面，一种电子设备包括具有可移动振动膜的声换能器元件。振动膜具有相对的第一主表面和第二主表面，并且声换能器元件限定与可移动振动膜相邻设置的孔。基板与声换能器元件耦接。基板限定向声换能器元件开放的声学端口。细长通路从与声学端口流体耦接的第一端延伸到与孔流体耦接的第二端，从而限定将声学端口与孔耦接的气压通气孔。
基板可包括多个并置的层，并且开口可延伸穿过多个层以限定声学端口。这些层中的至少一个层可限定对应的通道，该通道限定通路的区段。通路可包括具有至少一个回旋的曲折通路。
层中的至少一个层可包括第一层和第二层。第一层可限定对应的第一通道，并且第二层可限定对应的第二通道。第一通道和第二通道可彼此流体耦接，从而在细长通路中限定回旋。
多个并置的层可包括第一层和第二层。第二层可设置在第一层和声换能器元件之间。第二层可以包括易受蚀刻影响的牺牲绝缘体和限定延伸穿过牺牲绝缘体的通道的边界的蚀刻停止部。通道可限定细长通路的对应部分。
声换能器元件可包括背板以及设置在振动膜和背板之间的绝缘体。
声换能器元件可以包括第一背板以及设置在第一背板和振动膜之间的对应第一绝缘体。声换能器元件可以包括第二背板以及设置在第二背板和振动膜之间的对应第二绝缘体。振动膜可设置在第一背板和第二背板之间。
声换能器元件的振动膜可以是第一振动膜。声换能器元件还可以包括背板以及设置在背板和第一振动膜之间的第一绝缘体。声换能器元件还可以包括第二振动膜以及设置在第二振动膜和背板之间的第二绝缘体。背板可设置在第一振动膜和第二振动膜之间。
声换能器元件的振动膜可包括压电致动器。振动膜可安装到基板，并且压电致动器可在声学端口上方延伸。
本公开还公开了可结合所述技术的关联计算环境。
通过以下参照附图进行的详细描述，前述和其他特征和优点将变得更加明显。
附图说明
参见附图，其中在所有视图和本说明书中，类似的数字指代类似部件，通过示例的方式而不是限制的方式说明了本公开所公开的原理的各方面。
图1示出了穿过用于声换能器(例如，MEMS麦克风换能器)的封装件截取的横截面视图。
图2示意性地示出了穿过用于具有声阻气压通气孔的声换能器的封装件截取的横截面视图。图2用穿过封装件的声学通路的电模拟进行注释。
图3示出了针对如图2中的封装换能器比较若干噪声源对总声学噪声的贡献的曲线图。
图4示意性地示出了穿过用于声换能器的封装件截取的横截面视图，该封装件具有表现出复声阻抗的气压通气孔。图4用穿过封装件的声学通路的电模拟进行注释。
图5示出了针对如图4中的封装换能器比较若干噪声源对总声学噪声的贡献的曲线图。
图6示出了沿图7中的线A-A截取的限定高纵横比气压通气孔的基板的等轴视图。
图7从上方示出了图6中所示基板的平面图。
图8如图6和图7那样从上方示出了声换能器的平面图，该声换能器具有安装到基板的声换能器元件。
图9示出了沿图7中的线A-A截取的如图8所示的声换能器的分解横截面视图。
图10示出了沿图7中的线A-A截取的另一个声换能器的分解横截面视图。
图11示出了沿图7中的线A-A截取的又一个声换能器的分解横截面视图。
图12示出了沿图7中的线A-A截取的又一个声换能器的分解横截面视图。
图13示出了具有结合了高纵横比气压通气孔的封装基板的已封装麦克风换能器沿图7中的线A-A截取的分解横截面视图。
图14示出了具有结合了在其内结构化的高纵横比气压通气孔的封装基板的已封装麦克风换能器沿图7中的线A-A截取的分解横截面视图。
图15示出了由用于声换能器的基板(例如，图6至图12)限定的若干高纵横比(二阶)气压通气孔的滤波器响应的曲线图。
图16示出了由用于声换能器封装件的基板(例如，图13和图14)限定的若干高纵横比气压通气孔的滤波器响应的曲线图。
图17A和图17B示出了限定气压通气孔的分段通道的一部分的透视图。
图17C示出了图17A和图17B所示的分段通道到平面上的二维投影。
图18示出了由限定气压通气孔的分段通道限定的声滤波器的电路模拟。
图19示出了由级联的六个重复管道和腔室单元限定的分段通道的透视图。
图20示出了图19中所示的分段通道的二维投影。
图21A示出了展示若干不同阶的声滤波器的低频滚降的曲线图，每个声滤波器由具有重复管道和室单元的对应级联的相应分段通道限定。图21B示出了具有类似级联的重复管道和腔室单元的若干分段通道的低频滚降的变化，尽管每个级联具有不同的尺寸。
图22A和图22B示出了利用不同分段通道来通气的麦克风的频率响应和相位响应的相应曲线图。
图23示出了具有级联的重复管道和腔室单元的分段通道的透视图。
图24示出了图23中所示的分段通道的二维投影。
图25示出了具有级联的重复管道和腔室单元的另一分段通道的透视图。
图26示出了图25中所示的分段通道的二维投影。
图27示出了适合于实施所公开的技术的计算环境的框图。
具体实施方式
下文参考具体特征对有关通气声换能器和换能器封装件的各种原理、以及相关的方法和系统进行描述。例如，某些原理涉及用于换能器元件的气压通气孔，并且其他原理涉及用于换能器封装件的气压通气孔。更具体地但非排他性地，某些方面涉及具有复声阻抗以均衡声学振动膜两端的气压的通气孔。在特定构型的上下文中描述的通气孔仅仅是被选择作为所公开原理的方便例示性示例的所设想的通气孔布置的特定示例。尽管如此，所公开的一个或多个原理可以结合在声换能器、模块和系统的各种其他布置中，以实现各种相应系统特性中的任何一种。
因此，具有不同于本文所述那些具体示例的属性的通气声换能器、模块和系统(以及相关联的技术)可以体现一个或多个本公开公开的原理，并且可以用于本文未详细描述的应用中。因此，此类替代实施方案也可落入本公开的范围内。
I.概述
扬声器可通过振动或移动声学隔膜来在载体介质中发射声学信号，以引起或以其他方式引起载体介质中的压力变化或其他振动。例如，被布置为直接辐射器的电磁扬声器可在附接到振动膜的线圈(例如，缠绕在线轴周围的线)中诱发时变的磁通量。线圈可暴露于磁场(例如永磁体的磁场)，并且从线圈发出的磁通量与一个或多个磁场之间的合力可促使线圈运动，从而促使振动膜运动。
相反，麦克风换能器可被构造为将传入声学信号转换为例如电信号。麦克风换能器(例如，MEMS麦克风换能器)的声学振动膜可振动、移动或以其他方式对通过周围或相邻的载体介质接收的压力变化作出响应。振动膜的移动可在电子部件中引起对应的响应。例如，电容性MEMs麦克风中振动膜的移动可改变设备的电容，从而在电路中引起可观察的时变电压信号。又如，压电振动膜的移动可借助于对移动的压电响应来生成时变的电信号。以任一类型的麦克风换能器生成的时变的电响应可被转换为机器可读形式(例如，被数字化)以用于后续处理。
因此，扬声器形式的电声换能器(有时简单地称为“声换能器”)可以将传入的信号(例如，电信号)转换为声音，而麦克风形式的声换能器可以将传入的声音转换为电信号(或其他)信号。如本文所用，术语“音频信号”可指携带可转换成声音或已从声音转换的音频信息或数据的电响应(例如，模拟或数字信号)。
声换能器可安装到基板(或底座)并且由外壳(或封盖)覆盖或包封，以限定由振动膜部分地界定的包封的声室。利用此类布置，当振动膜发射或接收声能时，振动膜可在室中引起声学响应。
现在参考图1、图2和图4，这些图示出并简要描述了例如用于麦克风换能器的部件封装件。在图1中，部件封装件100具有限定第一主表面104和相对的第二主表面106的基板102。基板102还限定至少一个孔101a，该孔101a从第一主表面104延伸穿过基板到第二主表面106，从而限定穿过基板102的声音进入开口101(有时称为声学端口)。麦克风换能器103在第一主表面104上与基板102可安装地耦接，并且具有声音响应振动膜(例如，如图2和图4中那样)，其与由基板限定的声音进入开口101声学地耦接，允许声音进入部分由麦克风换能器界定的前腔。安装到基板102的封盖109覆盖麦克风换能器103并限定后腔112。
前腔110和后腔112之间的压力梯度可向振动膜施加偏置力。一些公开的电声设备103和换能器元件107是气压式通气的，例如，以均衡振动膜的相对侧上的气压。作为另选的形式，一些换能器封装件100是气压式通气的，例如，以均衡振动膜的相对侧上的气压。
此类通气换能器和封装件可减轻或消除由环境压力的变化引起的振动膜的移动，并且因此可减轻或消除环境压力的变化对换能器输出的影响。此外，通气换能器和封装件可减轻或消除由于环境压力的变化而损坏换能器的可能性。
在一些方面中，本文所公开的概念通常涉及通气声换能器以及相关的方法和系统。一些公开的概念涉及被构造为均衡声学振动膜两侧静态或低频压差的部件。例如，一些公开的换能器和封装件具有被构造为表现出复声阻抗的通气孔布置。一些通气孔结合了细长的曲折通路，该通路将换能器的前腔与换能器的后腔流体耦接，从而为具有复声阻抗的通气孔提供紧凑布置，该布置与通气孔的横截面甚至换能器的总体尺寸或封装件的总体尺寸相比可能相当长。其他通气孔结合了分段通路，该分段通路具有与对应的多个声学顺应性单元并置的多个声学质量单元，从而提供更高阶的滤波器。
再次参考图1，麦克风换能器103可具有声音响应元件107，有时也被称为“声换能器元件”。所示的换能器105还包括支撑声换能器元件的基板105，例如，在制造期间在该基板上形成声换能器元件。基板105限定声音进入开口105a，该声音进入开口允许声波例如从封装基板102的声音进入开口101进入声换能器元件。
声换能器元件的许多构型是可能的，下文以举例的方式描述了其中的若干构型。例如，麦克风换能器103可以包括例如微机电系统(MEMS)麦克风。与电容背板间隔开的柔性振动膜提供用于MEMS麦克风的声换能器元件的一种布置，如下文更全面所述。然而，可以想到，麦克风换能器可是可操作以将声音转换成电输出信号的任何类型的电声换能器，诸如例如压电麦克风、动态麦克风或驻极体麦克风。
在图2和图4中的MEMS麦克风的示意图中，每个声音响应元件207、307包括对应的振动膜220、320和背板222、322，背板222、322与基板205、305可安装地耦接。每个振动膜通过间隔件与对应的背板间隔开，从而限定设置在振动膜和背板之间的相应间隙。在图2和图4中，每个相应的声学振动膜220、320可限定前腔210、310和后腔212、312之间的边界。当声音进入前腔时，在前腔210、310和后腔212、312之间形成对应的压力梯度，从而扰动相应的振动膜220、320。当振动膜由于声音而相对于对应的背板移动时，声换能器元件的电容对应于声压水平而改变。可观察电容的变化以产生对应于声压水平变化的电信号。该电信号或从其导出的电信号(例如，在处理以数字化或移除噪声或回波之后)在本领域中有时称为音频信号。
如上所述，前腔210、310和对应的后腔212、312可以彼此流体耦接，例如，以均衡后腔和前腔之间的压力。例如，振动膜220可以是穿孔的，如图2中示意性示出的。此类穿孔可限定声阻通气孔，该声阻通气孔将前腔与后腔流体耦接。尽管如此，声阻通气孔可产生相当大水平的所谓“泄漏噪声”，如当振动膜由通过通气孔的气流激发时那样，该气流由具有期望频带(例如，人类可听见的频带)内的频率的压力变化驱动。
作为另选的形式，例如在图4中示意性地示出，具有复声阻抗的通气孔可显著降低泄漏噪声(图5)。与阻力通气孔相比，具有复声阻抗的通气孔可在暴露于期望频带中的压力变化(或声音)时抑制通过通气孔的流动，并且还可在压力的低频变化下(例如，如改变气压那样)允许流动。尽管图4示意性地示出了在整个振动膜320上具有复声阻抗的通气孔，但图4不应一定被解释为需要通气孔延伸穿过振动膜，尽管这在一些布置中可以是一种选择。
在其他布置中，具有复声阻抗的通气孔可延伸穿过邻近振动膜的结构而不是振动膜本身，从而将前腔310与后腔312流体耦接。例如，细长通道可从前腔310延伸到后腔312，将它们流体耦接在一起并限定具有复声阻抗的通气孔。如本文所公开的细长通道可提供足够的空气质量以在暴露于高于阈值频率的压力变化时阻止气流通过通气孔。在一些方面中，细长通道可由高纵横比通路限定，并且在其他方面中，细长通道可被分段以提供更高阶滤波器。
尽管如此，在限定体积中(例如，在电声换能器或其他电子设备中)提供高纵横比通气孔存在某些困难并且并不简便。例如，此类通气孔的长度可比声换能器设备的标称尺寸大几个数量级，或者比声换能器封装件的标称尺寸大几个数量级。
然而，如图6所示，曲折通道610可限定适于结合到换能器部件103(例如，在基板105内)或换能器封装件100(例如，在基板102内)中的高纵横比气压通气孔。或者，如图17A至图17C所示的多个质量单元和顺应性单元可组装在一起以限定分段通道，该分段通道提供比曲折通道610更高阶的滚降。利用所公开的具有复声阻抗的通气孔，可在前腔110和后腔112之间均衡低频压力变化(诸如例如由于天气变化、用户的海拔变化或飞机上客舱的增压)。此类通气孔可显著降低由于通过气压通气孔泄漏而产生的可听见的频带中的噪声。
公开原理的进一步细节如下文所述。第II部分描述了通常与麦克风封装件有关的原理。第III部分描述了与限定适于提供具有复声阻抗的气压通气孔的曲折通道的基板有关的原理。第IV部分描述了与通气麦克风换能器和用于麦克风换能器的通气封装件相关的原理。第V部分描述了可通过结合所公开的通气布置获得的改善的性能的若干属性。并且第VI部分描述了与可实现所公开的技术的通用计算环境相关的原理。
如本文所用，术语“蜿蜒的”、“曲折的”、“迂回的”和“蛇形的”是同义使用的，并且旨在暗示可以但不一定是弯曲的、直的、有序的、无序的、螺旋形的、或者与其他结构交织或缠绕、在其他结构内或通过其他结构的结构。
II.麦克风封装件
再次参考图1，麦克风换能器103可以安装在另一个基板102上或以其他方式与该基板操作地耦接，例如，封装级基板和/或互连基板。麦克风封装件100还可包括覆盖在声换能器103上面的封盖109。封盖109可以是凹陷的，从而限定用于换能器103的腔室或后腔112。
在图1中，封装基板102限定与由麦克风封装件103的基板105限定的声音进入开口105a声学地耦接的声音进入区域101。声音进入区域101可以是单个孔，或者可以由限定基板102的穿孔区域的多个孔101a限定。在任一种布置中，声音进入区域101与麦克风换能器103的声音响应元件107的敏感区域声学地耦接并且在许多情况下流体耦接。由基板102、基板105和麦克风换能器103的敏感区域界定的未占用的开放腔室有时在本领域中被称为“前腔”。
穿过麦克风基板105的声学端口105a可与麦克风封装件100的声音进入区域101具有相同的尺寸和形状，或者声学端口105a 150可比声音进入区域101更大或更小，或者以其他方式具有不同形状。
典型的封装级基板102可具有在约0.250mm和约0.65mm之间(例如，在约0.300mm和约0.600mm之间，或在约0.400mm和约0.500mm之间)度量的厚度。当如图7中那样从上方观察时(例如，在与“厚度”的方向正交的平面中)，该典型的基板102可具有度量为约4.000mm×约3.500mm的坐标尺寸。例如，在所选择的方面中，每个平面内坐标尺寸可度量为在约2.500mm和约6.000mm之间，诸如例如在约3.000mm和约5.000mm之间，或在约3.300mm和约4.100mm之间。
限定穿过基板102的声音进入区域101的每个孔101a可以是非镀覆通孔，该通孔具有介于约50μm和约200μm之间，诸如例如介于75μm和约150μm之间，例如介于约90μm和约110μm之间的直径。声音进入区域101可以具有特征尺寸，例如在所选择的方面中的水力直径，其介于约1.000mm和约3.000mm之间，诸如例如介于约1.200mm和约2.400mm之间，例如介于约1.4mm和约2.2mm之间。当然，声音进入区域101的其他构型和尺寸也是可能的。上文列出的尺寸已被选择为代表本公开设想的多种构型中的一种特定构型。
声音进入区域101和每个相应的孔101a具有对应的特征尺寸。孔的流动或声学特性可随孔的所选基准尺寸而变化。在一些情况下，可以能够例如对具有不同形状的结构进行声学或流动比较的方式来定义给定结构的基准尺寸。例如，圆的基准尺寸可以是圆的直径。另一方面，正方形的基准尺寸可以是正方形的边长，或者正方形的面积与正方形的周长的比率。此类比率在本领域中有时称为水力直径。对于圆形，该比率减小到圆的直径。
仍然参考图1，麦克风封装件具有安装到封装基板102的集成电路器件115(例如，专用集成电路或ASIC)。键合引线113将集成电路器件与声换能器元件107电耦接。对于电容式MEMS麦克风，ASIC 115可包括用于在声换能器元件107上施加电荷的电路，并且当振动膜(图1中未示出)变形时，ASIC可观察到由振动膜变形引起的电压变化(例如，电容变化)。电压变化可对应于引起振动膜挠曲的声波。
封装基板102可具有与集成电路器件115耦接的电输出连接部(未示出)。另外，封装基板102可具有电迹线或其他电耦接器，其从接触件延伸到由基板限定的另一区域(例如，第二外部电接触件)。因此，封装基板102可将电路的外部部分与ASIC 115电耦接。
封装件100可安装到互连基板(未示出)并与互连基板电耦接。一般来讲，互连基板可以包括多个电导体，其被构造为将电信号或电力或接地信号从一个互连位置(例如，焊盘)传送到另一互连位置(例如，另一焊盘)。例如，封装的部件(例如，封装的麦克风换能器100)可以与由互连基板限定的一个或多个互连位置焊接或以其他方式电耦接。
互连基板可以将封装的部件100与和封装的部件物理分离的一个或多个其他部件(例如，存储器件、处理单元、电源)电耦接。除了麦克风换能器之外，一个或多个其他部件可与互连基板中的电导体电耦接，从而将麦克风封装件与此类其他部件电耦接。其他部件的示例可包括处理单元、各种类型的传感器，和/或计算环境或其他电子设备的其他功能和/或计算单元。
在一个方面中，互连基板(未示出)可以是层压基板，该层压基板具有与交替的电介质或电绝缘材料层(例如FR4或聚酰亚胺基板)并置的一个或多个电导体层。一些互连基板是柔性的，例如在一定限度内柔韧或可弯曲，而不会损坏电导体或并置层的分层。柔性电路板的电导体可以由铜合金形成，并且分隔导电层的中间层可以由例如聚酰亚胺或其他合适的材料形成。此类柔性电路板在本领域中有时称为“柔性电路”或“柔性件”。同样，柔性件可以是穿孔的或以其他方式限定一个或多个通孔。
尽管未示出，麦克风封装件100可限定多个暴露的电接触件，其被构造为与由互连基板限定的对应互连位置焊接或以其他方式电连接。在一个方面中，电接触件暴露在换能器封装件100的与声音进入区域101相同的一侧(例如，底侧106)。互连基板可以限定孔或被构造为允许声学信号以声学透明的方式通过其中或者具有选定的阻尼测量的其他透气区域(未示出)，通过互连基板将周围环境与麦克风换能器103的敏感区域声学地耦接。在另选的布置中，电接触件暴露在基板102的顶侧104上。
III.具有曲折、蜿蜒或蛇形通道的基板
图6示意性地示出了由基板600限定的高纵横比通道610。图6中的基板600可以代表图1所示的任一基板，例如换能器基板105或封装级基板102。
仍然参考图6，基板600可限定通往曲折通道610的入口612。无论通气孔是在部件级别还是在封装级别结合的，入口612都可与前腔110流体耦接。例如，当通气孔610被结合在换能器基板105中时，通气孔610的入口612可在与声换能器元件107相邻的位置处与声学端口105a流体耦接。另选地，当通气孔610被结合在封装基板102中时，该通气孔可在与声音进入区域101相邻的位置处与前腔110流体耦接。
在任一种构型中，通道610可主要周向地围绕开口614延伸穿过基板600。例如，通道610可稳定地螺旋围绕开口614并且径向向外延伸。或者，如图6所示，通道610可以在基本上恒定的径向位置处从入口612围绕基板孔614周向延伸，并且在入口612附近的位置613处沿主要径向方向向外阶跃或以其他方式延伸。迂回通道610可以在每个相继的径向位置处继续围绕孔614延伸，直到通道610从入口612具有所需的路径长度。通道610的终端部分616可以在由基板600限定的孔614的横向向外或径向向外的位置处限定来自通道的出口区域。在图6中，通道的终端部分616限定与通道流体耦接的基本上圆形的出口。尽管图6中未示出，但通道610的终端部分616可延伸到基板600的外周边618并从该外周边打开，从而将通道与换能器的后腔(例如，图1中的后腔112)直接耦接。
图6示意性地示出了由设备占据的腔620，该设备由基板600支撑或安装到基板600。在图6中，腔620可表示声换能器的声换能器元件(例如，图1中的声换能器元件107)，或者腔620可表示安装到封装基板(例如，图1中的基板102)的声换能器(例如，图1中的MEMS麦克风103)。在任一种情况下，由腔620表示的设备可限定从通道610的终端部分616延伸到后腔并穿过由腔表示的设备的孔622。
在又一种布置中，当基板600的总体尺寸超过由腔620表示的设备的总体尺寸时，通道的终端部分616可延伸到基板的设置成在腔620横向向外的区域(未示出)。此类通道可将前腔与换能器的后腔直接耦接，而不需要通气孔延伸穿过换能器或其他结构。
仍然参考图6，基板600可具有由硅(Si)或另一种适当的基板材料形成的基底层602。绝缘体层604可覆盖基底层，并且由二氧化硅(SiO2)或聚酰亚胺或另一种合适的绝缘体形成。孔614可延伸穿过基板的多个层。绝缘体层604可限定曲折通道610的一个区段。例如，绝缘体层604可以是牺牲层，该牺牲层已被选择性地蚀刻以限定剩余绝缘体的壁611之间的通道610。在一种布置中，通道可以由横向蚀刻停止材料(诸如例如氮化硅(SiN))界定。蚀刻停止部615(图9)可以限定通道壁611a、611b(图6和图9)，因为可选择性地蚀刻牺牲材料以去除蚀刻停止部的并置壁615之间的材料，从而限定凹陷部并形成围绕孔614延伸的曲折通道610的对应部分。
高纵横比气压通气孔可具有介于约1,000和约32,000之间(诸如例如介于约2,000和约16,000之间，或例如介于约4,000和约8,000之间)的特征长度与特征直径的比率(“L/D比率”)。例如，具有25μm的水力直径和32,000的L/D比率的通气孔测量长度为约800mm，而具有相同横截面和8,000的L/D比率的通气孔测量长度为约200mm。两个通气孔示例的长度都比用于麦克风换能器的封装件的坐标尺寸大几个数量级。
又如，用于麦克风换能器103的基板105(图1)可限定具有约5μm的水力直径和约80mm的通道长度的通气孔，从而提供16,000的L/D比率。又如，水力直径为5μm并且通道长度测量为约5mm的通气孔具有1,000的L/D比率。
一般来讲，通气孔的通道长度可沿着穿过通气孔的中心线从通气孔入口到通气孔出口纵向测量。具有随纵向位置而变化的横截面形状的通气孔的中心线可由从入口到排气口穿过由通气孔限定的每个横截面的质心的曲线限定。通气孔的特征直径的示例可为通气孔的水力直径(例如，横截面的面积除以横截面的润湿周长)。
IV.通气麦克风换能器和封装件
现在参考图7、图8和图9，将使用高纵横比通气孔作为具有复声阻抗的通气孔的例示性示例来描述通气麦克风换能器，但是可以用分段通气孔或其他更高阶的通气孔代替高纵横比通气孔。图7中所示的基板600限定从声学端口614迂回向外延伸的高纵横比气压通气孔610，通常如上文结合图6所述。如图6和图7中所示，细长气压通气孔610可从与前腔614流体耦接的第一端612迂回延伸到与换能器的后腔流体耦接的第二端616(例如，通过图6中的孔622)。在图8中，以俯视平面图示出了声换能器元件800，该声换能器元件800以覆盖通道610的关系安装到基板600。图9中的分解图示出了沿图7中的线A-A截取的截面中的基板600和声换能器元件800的侧正视图。
如图9所示，声换能器元件800具有通过绝缘体层804与声学振动膜802分开的单个背板810。背板810具有多个层，包括导电层(例如，多晶硅)和绝缘体层(例如，SiN)。振动膜可由硅(Si)、多晶硅、氮化硅(SiN)或适于形成在电容式麦克风换能器中使用的可偏转振动膜的另一种材料形成。
如图8和图9所示，背板810限定多个孔812，这些孔将振动膜802的背面803与后腔(例如，图1中的后腔112)流体耦接并声学地耦接。绝缘体层804限定孔805，该孔具有设置在背板810的开孔区域外侧的外周边(例如，圆周)。由绝缘体限定的孔805可与由基板限定的声学端口614相比具有更大、更小或相同的尺寸。振动膜的外周边区域806可以与绝缘体层804附接或粘结，并且可以覆盖并接触限定曲折通道610的壁611，从而封闭通道610的远侧边缘(相对于层602)。通道的封闭远侧边缘，结合由牺牲层604限定的壁和由层602限定的底板，可限定从入口612延伸到出口616的封闭的迂回通路(图7)。
图10示出了声换能器的另选构型。在图10中，类似于结合图7、图8和图9所述的基板600来构造该基板。并且，声换能器元件1000可以类似于结合图7、图8和图9所述的方式与基板600接触、附接或安装到基板600以包封由基板600限定的通道610。
然而，与图9中的声换能器元件800不同，图10中的声换能器元件1000具有设置在相对的第一背板1008和第二背板1010之间的振动膜1002。绝缘体10007、1009将振动膜1002与每个相应的背板1008、1010分开。每个背板1008、1010可以与图9中的背板810类似的方式形成。类似地，振动膜1002可由类似于图9中的振动膜802的材料形成。同样，每个背板1008、1010可以限定对应的多个孔，以将振动膜分别与振动膜的前腔和后腔(例如，图1中的前腔110和后腔112)流体耦接和声学地耦接。
图11示出了声换能器的又一另选构型。在图11中，类似于结合图7至图10所述的基板来构造基板600。并且，声换能器元件1100可以类似于结合图7至图10所述的方式与基板600接触、附接或安装到基板600以包封由基板600限定的通道610。
然而，与图9和图10中的声换能器元件800和1000不同，图11中的声换能器元件1100具有设置在相对的第一振动膜1101和第二振动膜1102之间的背板1100。绝缘体1107、1109将每个相应的振动膜1101、1102与背板1110分开。背板1110可以与上文结合图9和图10所述的背板类似的方式形成。类似地，每个振动膜1101、1102可由与上文结合图9和图10所述的振动膜802、1002类似的材料形成。
图12示出了声换能器的又一另选构型。在图12中，类似于结合图7至图11所述的基板来构造基板600。并且，声换能器元件1200可以类似于结合图7至图11所述的方式与基板600接触、附接或安装到基板600以包封由基板限定的通道610。尽管图9、图10、图11和图12示出了它们的分解图，但应当理解和认识到，每个相应的声换能器元件800、1000、1100和1200接触或以其他方式物理耦接到这些附图所示的基板600或由这些附图所示的基板600支撑。
然而，与上文结合图9至图11所述的声换能器元件不同，图12中的振动膜1202是覆盖在由基板600限定的声学端口614上面并延伸跨过该声学端口的压电致动器。在图12中，声换能器元件包括限定对应开放端口1203的第一基板1201。压电致动器1202安装到第一基板并且延伸跨过第一基板的开放端口1203。声换能器元件1202安装到限定声学端口614的第二基板600。当声换能器元件1200和第二基板600组装在一起时，声换能器元件的开放端口与声学端口614对准，并且压电致动器1202延伸跨过对准的开放端口和声学端口，从而在它们之间限定边界。
振动膜1202可以包括薄膜压电材料，诸如例如氮化铝(AlN)和氮化铝钪(AlScN)。形成压电振动膜1202的其他合适的材料可包括例如Pb(Zr,Ti)O3和现在已知或将来开发的其他压电材料。
上文结合图9至图12所述的每个声换能器元件的周边区域可限定与曲折通气孔的出口616对准并覆盖在出口616上面的通孔822。孔822可以将通气孔出口616与换能器的后腔流体耦接，从而通过曲折通道616和孔822将前腔(例如，图1中的前腔110)与后腔(例如，图1中的后腔112)耦接。
上文结合图9至图12所述的曲折通道代表具有复声阻抗的通气孔的高纵横比布置。通气孔形成于麦克风换能器的基板(例如，图1中的基板105)中或由该基板形成。然而，如上文结合图6所述，可在换能器基板中或由换能器基板形成具有更高阶复声阻抗的通气孔。同样，封装级基板(例如，图1中的基板102)还可限定具有复声阻抗的高纵横比通气孔，以及下文更全面描述的类型的更高阶通气孔。图13和图14描绘了两个封装级基板，这两个封装级基板限定了适用于声换能器的封装件中的具有复声阻抗的通气孔。尽管图13和图14示出了它们的分解图，但应当理解和认识到，每个相应的声换能器1302、1402接触或以其他方式物理耦接到这些附图所示的对应基板1301、1401或由这些附图所示的对应基板1301、1401支撑。
图13描绘了安装到封装级基板的MEMS麦克风换能器的分解图，该封装级基板限定实现为曲折通道的具有复声阻抗的通气孔，类似于图6所示的布置。图13所示的MEMS麦克风换能器1302可结合根据上文结合图9至图12所述的任何布置的声换能器元件。如图6所示，基板1301具有上层1304和下层1303。图13所示的多层基板1301的上层1304已被选择性地蚀刻(或以其他方式处理)以限定高纵横比声学通路1307。麦克风换能器1302可限定孔1310，该孔1310将通路1307的出口1309流体耦接到麦克风的后腔1330。并且，通路1307从入口1306延伸到出口1309，通过通路1307和孔1310将前腔1320的声学端口1305或其他区域与麦克风换能器1302的后腔1330流体耦接。更具体地，通路1307可以沿着向外扩展的螺旋延伸，例如，通路的曲率半径可以随着沿着通路从入口1306移动到出口1309的纵向位置而连续增加。另选地，通路可以基本上恒定的半径围绕声学端口1305周向延伸，并且在基板的选定区域中，通路可以在主要径向方向上从一个环延伸到相邻设置的相继更大半径的环。通道1307可限定在并置的壁1308之间。图6和图7描绘了高纵横比通气孔610，该通气孔具有由相对短的径向延伸区段613接合在一起的相继增大半径的环的序列。与图6中的通道610一样，通道1307可延伸到基板的外周边或从MEMS部件1302横向向外延伸，从而直接将前腔1320与后腔1330耦接。
图14描绘了MEMS麦克风换能器1402的分解图，该MEMS麦克风换能器安装到限定高纵横比通气孔1410的封装级基板1401的另选布置。在图14中，基板1401具有四个层(尽管更多层或更少层是可能的)，其中交替的绝缘层1404、1406是基本上连续的，并且交替的牺牲层1403、1405已被选择性地蚀刻(或以其他方式处理)以限定高纵横比声学路径的对应区段1410、1412。与上述封装级基板一样，图14中的基板1401限定声音进入区域(或声学端口)1407。通气孔的入口1411与声学端口1407流体耦接，从而提供通气孔的第一蜿蜒区段1410与前腔1420的直接流体耦接。类似于上文结合图13所述的通气孔，第一蜿蜒区段1410延伸穿过相继更大的半径通路，直到其与第一出口区域1414汇合。
图14示出了覆盖在第一蜿蜒区段1410上面的基本上连续的层1406。层1406限定与第一蜿蜒区段1410的第一出口区域1414对准的孔1416或开放通孔。基板1401的上层1405限定气压通气孔的第二蜿蜒区段1412，并且孔1416将第一蜿蜒区段1410与第二蜿蜒区段1412流体耦接。第二蜿蜒区段1412围绕声学端口1407周向延伸穿过相继更小半径的通路，直到第二蜿蜒区段1412与第二出口区域1418汇合为止。相继更小半径的通路可由连续递减半径的螺旋限定或可具有基本上恒定半径的区段，其中相邻区段与主要径向延伸的区段接合在一起，如图6所示的环一样。在一些布置中，可以省略层1406，从而提供第一蜿蜒区段1410和第二蜿蜒区段1412之间的直接耦接。与图13所示的声换能器1302一样，图14所示的声换能器1402可以限定将第二出口区域1418与后腔1430流体耦接的通孔1419。通过包括如刚刚所述的一个或多个回旋(或通道方向的其他变化)(例如，向外扩展区段1410与向内收缩区段1412的组合)，可进一步增加高纵横比通气孔的总体堆积密度。
V.性能示例
具有介于约1,000和约32,000之间的L/D比率的声学通气孔具有大的声学质量，如同上述高纵横比通气孔一样。因此，当受到具有高于阈值频率的频率的压力变化的激励时，此类通气孔可抑制通过通气孔的流动，从而与由主要为阻力性的声学通气孔产生的泄漏噪声相比减少泄漏噪声。例如，本文所述的具有复声阻抗的通气孔可在高于约30Hz和约150Hz之间的阈值的频率(诸如高于约40Hz和约100Hz之间的阈值频率，例如高于约50Hz和约80Hz之间的阈值频率)下显著减少泄漏噪声。换句话说，此类通气孔可充当例如对气流的低通滤波器，其具有介于约30Hz和约150Hz之间的截止频率。
图15中的曲线图示出了对部件级通气孔的代表性声学响应。图16中的曲线图示出了对封装级通气孔的代表性声学响应。两个曲线图一般都描绘类似的趋势，例如，随着高纵横比通气孔的纵横比增加，气压通气孔的谐振频率减小，谐振的量值也减小。
在一般意义上，尽可能减少谐振峰是优选的，但这可能驱动纵横比朝向甚至高于32,000。因此，可用于布设高纵横比气压通气孔的腔可对通气孔的可行长度施加上限阈值。尽管如此，当可充分控制制造公差以使得谐振频率在设备之间基本上相同时，使用数字信号处理器(DSP)进行补偿是可能的。此类DSP可实现在软件、固件或硬件(例如，ASIC)中。DSP处理器可以是专用处理器诸如专用集成电路(ASIC)、通用微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号控制器或一组硬件逻辑结构(例如，滤波器、算术逻辑单元和专用状态机)，并且可在如本文所述的通用计算环境中实施。
也就是说，如果给定的通气布置表现出显著的谐振峰(例如，如在低纵横比下图15和图16所示的响应一样)，该结构可在物理上更好地响应于次声输入或在声边缘处或附近的输入。因此，像脚步那样的低频输入没有与其相关联的许多可感知的“声音”，如果它与通气孔响应中的谐振峰重叠，则理论上可产生显著水平的低频噪声，这继而可显著增加换能器的高输出水平。因此，用户可听到增大的噪声水平，而实际上不知道驱动噪声的对应物理刺激。或者，补偿(例如，由DSP进行的补偿)可移除由声边缘处或低于声边缘的激励产生的谐振中的一些或全部。
此外，可利用声边缘处或低于声边缘的此类增强的灵敏度来检测事件，例如，诸如脚步的次声事件。以举例的方式，由外部源产生的谐振可由麦克风换能器或从换能器接收音频信号的电路来检测。此外，所选的次声活动的来源或类别可具有独特的频谱特征。因此，在一些情况下，麦克风或系统可能够检测次声事件的存在，并例如单独地与谐振水平对应地，或相对于其他频带中的能量内容，对事件进行分类。
VI.具有高阶复声阻抗的通气孔
现在参见图17A、图17B和图17C，其示出并描述了具有复声阻抗的通气孔的另一个示例，该复声阻抗具有二阶滚降。如图17A、图17B和图17C所示分段的细长通道1700，可在MEMS麦克风的前腔和后腔之间限定气压通气孔。在图17A中，省略限定分段通道1700的基板壁以显露出分段通道的开放内部腔。换句话说，图17A中的分段通道的阴影区域描绘了通道1700内由声学介质(例如，空气)占据的开放腔。分段通道1700具有腔室部分1701a、1701b和与腔室部分并置的管道部分1703a、1703b。每个管道部分的横截面积显著小于相邻腔室部分的对应横截面积。例如，在图17a中，管道部分1703a、1703b在y-z平面中的横截面积显著小于腔室部分1701a、1701b在y-z平面中的横截面积。
管道部分1703b从腔室部分1701a中的一个腔室部分延伸到相邻腔室部分1701b，从而提供从腔室部分1701a到管道部分1703b的横截面积收缩和从管道部分到相邻腔室部分1701b的横截面积扩展。因此，分段通道1700的腔室部分向分段通道提供声学顺应性，并且分段通道的管道部分向分段通道提供声学质量。在以下讨论中，分段通道的管道部分通常称为质量单元，并且分段通道的腔室部分通常称为顺应性单元。
在图17B中，分段通道1700被示出为移除阴影以显露顺应性单元1701a、1701b和质量单元1703a、1703b之间的内部流体连接部，同时仍然显示每个单元的边缘和拐角。图17C示出了由分段通道1700限定的通路在x-y平面上的二维投影。质量单元1703a从开口近侧端部1702延伸到开口远侧端部1704。质量单元1703a的开口近侧端部1702可以与麦克风换能器的前腔(未示出)或其他声室流体耦接。质量单元1703a的开口远侧端部1704可通过顺应性单元的选定面(例如，沿着x轴的近侧面1705a(图17A))与顺应性单元1701a流体耦接。
类似地，质量单元1703b从开口近侧端部延伸到开口远侧端部。质量单元1703b的开口近侧端部可通过选定面(例如，沿着x轴设置于近侧面1705a远侧的面)与顺应性单元1701a流体耦接。质量单元1703b的开口远侧端部可通过顺应性单元的选定面(例如，近侧面1705b(图17A))与顺应性单元1701b流体耦接。第二顺应性单元1701b的选定面(例如，沿着x轴设置在近侧面1705b远侧的面)可限定开口1706。开口1706可与麦克风换能器的后腔或其他声室直接或间接流体耦接。
与每个相应质量单元1703a、1703b的开放内部腔(例如，横截面积和长度)相比，每个顺应性单元1701a、1701b具有相对较大的开放内部腔(例如，横截面积和长度)。虽然顺应性单元1701a、1701b的尺寸在图17A中被示出为相同的，但是每个顺应性单元1701a、1701b的尺寸可以彼此不同地进行选择，以提供分段通道1700的期望的总体调谐。类似地，质量单元1703a、1703b的尺寸可彼此相同或不同。
因此，与曲折的高纵横比通道相比，分段通道可以提供相对更多的自由度，并且因此在调谐方面提供相对更大的灵活性。例如，可以选择每个质量单元1703a、1703b的长度(例如，沿着图17A、图17B和图17C中的x轴)和横截面积(例如，在y-z平面中)以在每个区段内实现期望的声学质量。此外，可以通过调节y-z平面中的相对位置来调整与每个质量单元1703a、1703b相关联的粘滞损失。并且，虽然针对通道1700的每个区段仅示出了单个质量单元1703a、1703b，但是多于一个质量单元可以在相邻的顺应性单元(例如，单元1701a、1701b)之间延伸以减小给定区段的声学质量，从而提供附加选项以调整分段通道1700的响应。可将一个或多个另外的区段(每个具有对应的质量单元和对应的顺应性单元)添加至图17A、图17B和图17C所示的分段通道1700中。
图18示出了表示具有四个级联质量单元和顺应性单元的分段通道的模拟电路1800。在电路1800中，电阻元件R1、电感元件L1和电容元件C1分别类似于通道1700的第一区段(1701a,1703a)的声导、声学顺应性和声学质量。类似地，电阻元件R2、电感元件L2和电容元件C2分别类似于通道1700的第二区段(1701b,1703b)的声导、声学顺应性和声学质量。
仍然参考图18，元件R3、L3以及C3和R4、L4以及C4分别对应于质量单元和顺应性单元的第三区段(例如，图19中的单元1901c、1903c)和第四区段(例如，图19中的单元1901d、1903d)。如图18和图19所示，级联质量和顺应性结构可实现比例如两区段通道1700所实现的更高阶的滚降。对应于重复质量/顺应性单元数量的增加，滚降阶次增大。
例如，如图19和图20所示的分段通道1900包括质量单元和顺应性单元的第五级联(例如单元1901e、1903e)和第六级联(例如单元1901f、1903f)。如图21A所示，例如与分段通道1700相比，级联质量单元和顺应性单元的区段可减小分段气压通气孔1900的截止频率。与通过高纵横比通气孔实现的相比，通过实现更陡的滚降，可使用更高阶通气孔在噪声频谱上的更高频率上滤除通气孔噪声。因此，可使用更高阶的通气孔来改善麦克风的信噪比。
对于给定的麦克风后腔以及质量单元和顺应性单元的选定数量的级联区段，可以调谐每个质量单元和顺应性单元的尺寸以实现期望的滚降。例如，可调谐通过高质量单元的粘滞损失以调节阻尼。更一般地，级联区段中的每个级联区段可被调谐成具有声学质量和声学顺应性的选定组合(例如，分别为高/高、高/低、低/高)以实现期望的截止频率和对应的麦克风频率响应。图21B示出了给定级联的质量单元和顺应性单元的不同调谐的滚降变化的示例。
在一个例示性示例中，当用于对体积为2.5mm3的后腔进行气压通气时，可选择性地调谐分段通道1900(具有6个区段)的尺寸以提供所选择的滚降频率。例如，每个顺应性单元1901n的x、y和z维度可分别选择为400μm、500μm和400μm，并且每个质量单元1903n的x和y维度可分别选择为60μm和10μm。可改变每个质量单元的z轴尺寸t并确定对应的滚降频率。在该示例中，z轴尺寸t以5μm的增量从20μm变化至50μm，并且所得的低频滚降分别发生在8Hz、12Hz、16Hz、23.5Hz和32.5Hz处。
现在参见图22A和图22B，其分别表示麦克风背部的频率响应和相位响应，该麦克风背部的后腔使用不同的二阶欠阻尼通气孔进行气压通气。值得注意的是，当低频滚降下降到较低阈值频率(例如，20Hz)以下时，频率响应2201和相位响应2202在可听见的带宽上变平。此外，可使用本文所述的高阶通气孔减小或最小化常规设计中常见的相位失配。尽管图22A和图22B中所示的响应是由二阶滤波器产生的，但该响应也将用如例如图19所示的更高阶滤波器变平。
并且，在一些方面中，与上述高纵横比通气孔相比，细长分段通道可以更容易地制造、封装和可靠地调谐。例如，如上文所述的分段通道可具有如上文结合例如图6所述的高纵横比通气孔所需总体积的约十分之一的总体积。另外，分段通道可提供更多的自由度以用于调谐由通道提供的滤波。
此外，与图19所示的通气孔1900一样，不需要沿单个坐标方向组合更高阶的分段通气孔的级联区段。相反，质量单元和顺应性单元的每个相继区段可根据给定麦克风或封装件所施加的任何物理约束以任何取向添加到前一区段。同样，级联区段的数量(例如，通气孔阶次)可根据每种期望的应用来选择。
例如，在图23和图24中，示出了分段通气孔2300具有以平行于x-y平面的U形布置的六个区段。更具体地，第一区段具有顺应性单元2301a和质量单元2303a。质量单元2303a具有在y轴方向上从近侧端部(例如，与前腔耦接，未示出)延伸到远侧端部的主要纵向轴线，该远侧端部向顺应性单元2301a的x-z面开放。
第二区段在不同的方向上取向，围绕z轴旋转90度。例如，第二区段的质量单元2303b的近侧端部与顺应性单元2301a的y-z面耦接，并且质量单元2303b在x轴方向上延伸以与顺应性单元2301b的y-z面耦接。第三区段(单元2303c和2301c)大致与第二区段那样取向。然而，第四区段(质量单元2303d和顺应性单元2301d)在与第二区段的旋转相反的方向上旋转90度，从而为第四区段提供与第一区段(质量单元2303a和顺应性单元2301a)的取向类似的取向。并且，第五区段(质量单元2303e和顺应性单元2301e)再次围绕z轴相对于第四区段旋转另一个90度，从而使第五区段相对于第二区段以180度取向。第六区段(质量单元2303f和顺应性单元2301f)与第五区段一样取向，其中提供通道2306以将顺应性单元2301f与后腔(未示出)耦接。
图25和图26示出了分段通气孔的又一另选布置。在图25和图26中，这些区段被布置成为通气孔2500提供平行于x-z平面的L形形状。其他布置也是可能的。例如，图25中示出为在z轴方向上从先前区段延伸的第六区段2501f、2503f可另选地在y轴方向上从该先前区段延伸。
一般来讲，此类分段通气孔可通过在与先前区段相比的不同取向上添加相继区段而在一个或多个坐标方向上制成紧凑的。例如，如图23所示，由分段通道限定的通气孔可自身环回，从而提供期望数量的区段(例如，以实现期望的更高阶滤波器)，同时不沿单个坐标方向延伸。通过包括一个或多个回旋(或通道方向或取向的其他变化)，可以进一步增大分段通道通气孔的总体堆积密度。
同样，如本文所述，具有复声阻抗的通气孔可以任何选定的紧凑取向被设置在后腔和前腔之间、MEMS器件上方、或封装件、基板或封盖内的任何地方。例如，相对于图17A至图26中的任一图所述的分段通道可代替上文结合图1至图16中的任一图所述的高纵横比通气孔。类似地，可使用上文结合上文相对于图1至图16所述的高纵横比通气孔所述的技术来制造分段通道。在前面的讨论中，分段通道的管道部分和腔室部分通常被描述为笛卡尔坐标系内的矩形棱柱结构。尽管如此，管道部分和腔室部分并不限于此；它们可具有其他规则或不规则的三维形状。此外，那些规则或不规则三维形状的润湿表面可具有平滑或粗糙的轮廓，例如，该表面可为平坦的、弯曲的或起伏的(例如，平滑的或具有不连续的斜率)，这可由给定制造过程产生。尽管如此，可以上述方式选择每个区段的标称尺寸，以实现分段通道的所需总体调谐。
VII.计算环境
图27示出了可在其中实施所述技术的合适计算环境2700的一般化示例。计算环境2700不旨在对本文所公开的技术的使用范围或功能提出任何限制，因为每种技术可在不同的通用或专用计算环境中实施。例如，每种公开的技术可用其他计算机系统配置来实施，其他计算机系统配置包括可穿戴设备和/或手持设备(例如，移动通信设备，并且更具体地但非排他性地，可购自Apple Inc.(Cupertino,CA)的
Figure BDA0002510072700000251
/HomePodTM/
Figure BDA0002510072700000252
设备)、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、嵌入式平台、网络计算机、小型计算机、大型计算机、智能电话、平板电脑、数据中心、音频设备等。每种公开的技术还可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信连接部或网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可位于本地存储器存储设备和远程存储器存储设备两者中。
计算环境2700包括存储器2720和至少一个中央处理单元2710。在图27中，该最基本配置2730包括在虚线内。中央处理单元2710执行计算机可执行指令，并且可以是真实或虚拟处理器。在多处理系统中或在多核中央处理单元中，多个处理单元执行计算机可执行指令(例如，线程)以提高处理速度，并且因此，多个处理器可以同时运行，尽管处理单元2710由单个功能块表示。处理单元可包括专用集成电路(ASIC)、通用微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号控制器或布置成处理指令的一组硬件逻辑结构。
存储器2720可以是易失性存储器(例如，寄存器、高速缓存、RAM)、非易失性存储器(例如，ROM、EEPROM、闪存存储器等)或两者的某个组合。存储器2720存储软件2780a，当由处理器执行时，该软件可以例如实施本文描述的一种或多种技术。
计算环境可具有附加特征结构。例如，计算环境2700包括存储装置2740、一个或多个输入设备2750、一个或多个输出设备2760，以及一个或多个通信连接部2770。诸如总线、控制器或网络的互连机构(未示出)互连计算环境2700的部件。通常，操作系统软件(未示出)为在计算环境2700中执行的其他软件提供操作环境，并协调计算环境2700的部件的活动。
存储装置2740可以是可移动的或不可移动的，并且可包括选择形式的机器可读介质。一般来讲，机器可读介质包括磁盘、磁带或盒式磁带、非易失性固态存储器、CD-ROM、CD-RW、DVD、磁带、光学数据存储设备和载波，或可用于存储信息并且可在计算环境2700内访问的任何其他机器可读介质。存储装置2740可存储软件2780b的指令，其可实施本文所描述的技术。
存储装置2740还可分布在网络上，从而以分布式方式存储和执行软件指令。在其他方面，可通过包含硬连线逻辑的特定硬件部件来执行这些操作中的一些操作。另选地，可通过所编程的数据处理部件和固定硬连线电路部件的任何组合来执行那些操作。
一个或多个输入设备2750可以是以下各项中的任何一者或多者：触摸输入设备，诸如键盘、小键盘、鼠标、笔、触摸屏、触控板或轨迹球；语音输入设备，诸如麦克风换能器、语音识别软件和处理器；扫描设备；或向计算环境2700提供输入的另一种设备。对于音频，输入设备2750可包括麦克风或其他换能器(例如，接受模拟或数字形式的音频输入的声卡或类似设备)，或向计算环境2700提供音频样本的计算机可读介质读取器。
输出设备2760可以是显示器、打印机、扬声器换能器、DVD写入器或从计算环境2700提供输出的另一设备中的任何一者或多者。
通信连接部2770使得能够通过通信介质(例如，连接网络)与另一计算实体进行通信。通信连接部可包括适合于通过局域网(LAN)、广域网(WAN)连接或两者进行通信的发射器和接收器。可通过有线连接或无线连接来促进LAN和WAN连接。如果LAN或WAN连接是无线的，则通信连接部可包括一个或多个天线或天线阵列。通信介质以调制数据信号传送信息，诸如计算机可执行指令、压缩图形信息、处理信号信息(包括经处理的音频信号)或其他数据。用于所谓的有线连接的通信介质的示例包括光纤电缆和铜线。用于无线通信的通信介质可包括一个或多个选择频带内的电磁辐射。
机器可读介质是可在计算环境2700内访问的任何可用介质。以举例而非限制的方式，在计算环境2700内，机器可读介质包括存储器2720、存储装置2740、通信介质(未示出)，以及上述各项的任何组合。有形机器可读(或计算机可读)介质不包括暂态信号。
如上所述，一些公开的原理可以体现在其上存储有指令的有形非暂态机器可读介质(诸如微电子存储器)中。指令可以编程一个或多个数据处理部件(此处统称为“处理器”)执行上述处理操作，包括(诸如由控制单元52)估计、计算(computing/calculating)、测量、调节、感测、测量、过滤、添加、减少、反演、比较和决策。在其他方面中，可通过包含硬连线逻辑部件(例如，专用数字滤波器块)的特定电子硬件部件来执行(机器过程的)这些操作中的一些。另选地，可通过所编程的数据处理部件和固定硬连线电路部件的任何组合来执行那些操作。
VIII.其他实施方案和实施例
提供先前描述以使得本领域的技术人员能够制备或使用所公开的原理。除了上文详细描述的布置之外的布置是在不脱离本公开的实质或范围的情况下，基于本文公开的原理，以及相应装置的构型中的任何伴随的变化或者本文描述的方法动作的顺序的变化来设想的。对本文所述示例的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。
例如，电子设备可具有声换能器元件，该声换能器元件具有声学振动膜。振动膜可具有相对的第一主表面和第二主表面。前腔可与振动膜的第一主表面相邻设置。后腔可与振动膜的第二主表面相邻设置。基板可以与声换能器元件耦接，并且分段通道可以限定将前腔与后腔流体耦接的气压通气孔。分段通道可以从与前腔流体耦接的第一端延伸到与后腔流体耦接的第二端，并且分段通道的一部分可以延伸穿过基板。
在一个实施例中，气压通气孔可被构造为均衡前腔和后腔之间的压力。
分段通道可以具有例如多个管道部分和多个腔室部分。每个管道部分可从腔室部分中的一个腔室部分延伸到相邻腔室部分，从而提供从每个相应腔室部分到对应管道部分中的横截面积收缩以及从相应管道部分到对应相邻腔室部分的横截面积扩展。
基板可限定向前腔开放的声学端口。在一个实施例中，基板是第一基板，并且电声设备可以具有第二基板。第一基板可以安装到第二基板。电声设备还可具有安装到第二基板的集成电路器件。集成电路器件和声换能器元件可彼此电耦接。第二基板可具有与集成电路器件耦接的电输出连接部。电声设备还可以包括覆盖在声换能器元件、第一基板和集成电路器件上面的凹陷封盖。
在另一个实施例中，基板还限定分段通道。另外，分段通道可以具有多个管道部分和多个腔室部分。每个管道部分可从腔室部分中的一个腔室部分延伸到相邻腔室部分，从而提供从每个相应腔室部分到对应管道部分中的横截面积收缩以及从相应管道部分到对应相邻腔室部分的横截面积扩展。
在一个实施例中，分段通道的区域可向声学端口开放。基板可具有多个并置的层，并且孔可延伸穿过多个层以限定声学端口。在另一个实施例中，分段通道的区域向前腔开放。
这些层中的至少一个层可限定具有管道部分和对应腔室部分的分段通道的对应部分。管道部分可以具有比腔室部分的对应横截面积显著更小的横截面积。
分段通道可以具有与对应的多个相对较宽的腔室部分并置的多个相对较窄的管道部分。分段通道可在管道部分和腔室部分之间限定至少一个回旋。
至少一个层可包括第一层和第二层。由第一层限定的分段通道的每个相应部分和由第二层限定的分段通道的每个相应部分可流体耦接在一起，从而在分段通道中限定回旋。在另一个实施例中，此类基板可包括将第一层和第二层彼此分开的中间材料层。中间层可以限定孔，该孔将由第一层限定的分段通道的区段与由第二层限定的分段通道的区段流体耦接。
在另一个实施例中，基板具有第一层和第二层。第二层可设置在第一层和声学振动膜之间。第二层可以具有易受蚀刻影响的牺牲绝缘体和限定延伸穿过牺牲绝缘体的凹陷部的边界的蚀刻停止部。凹陷部可限定分段通道的对应部分。
根据一个实施例，分段通道的第一端可与声学端口、前腔或两者相邻设置，并且分段通道的第二端可与后腔相邻设置。
延伸穿过基板的分段通道的部分可具有管道部分和对应的腔室部分。管道部分可具有向前腔开放的第一端和向对应腔室部分开放的第二端。
声换能器元件可以与基板可安装地耦接，并且可以限定与分段通道对准的孔。例如，孔可向后腔开放，从而将前腔与后腔流体耦接。
在一个实施例中，声换能器元件具有背板和绝缘体。绝缘体可设置在振动膜和背板之间。
在另一个实施例中，声换能器元件具有第一背板以及设置在第一背板和振动膜之间的对应第一绝缘体。声换能器元件还可以具有第二背板以及设置在第二背板和振动膜之间的对应第二绝缘体。振动膜可设置在第一背板和第二背板之间。
在另一个实施例中，振动膜是第一振动膜。声换能器元件可以具有背板以及设置在背板和第一振动膜之间的第一绝缘体。声换能器元件还可以具有第二振动膜以及设置在第二振动膜和背板之间的第二绝缘体。背板可设置在第一振动膜和第二振动膜之间。
在又一个实施例中，振动膜可具有压电致动器和限定开放端口的基板。振动膜可安装到基板，并且压电致动器可在开放端口上方延伸。
根据其他实施例，一种电子设备可包括具有可移动振动膜的声换能器元件。振动膜可具有相对的第一主表面和第二主表面，并且声换能器元件可限定与可移动振动膜相邻设置的孔。基板可与声换能器元件耦接。基板可限定向声换能器元件开放的声学端口以及分段通路，该分段通路从与声学端口流体耦接的第一端延伸到与孔流体耦接的第二端，从而限定将声学端口与孔耦接的气压通气孔。
例如，基板可具有多个并置的层，并且开口可延伸穿过多个层以限定声学端口。至少一个层可为第一层，并且基板可具有第二层。第一层可限定对应的第一通道，并且第二层可限定对应的第二通道。第一通道和第二通道可彼此流体耦接，从而在分段通路中限定回旋。
分段通路可具有与对应的多个腔室区域并置的多个管道区域。每个相应管道区域可以具有比相邻腔室区域的对应横截面积显著更小的横截面积。
方向和其他相关参考(例如，向上、向下、顶部、底部、左、右、向后、向前等)可用于帮助讨论本文的附图和原理，但并非旨在进行限制。例如，可使用诸如“向上”、“向下”、“上部”、“下部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”等某些术语。这些术语在适用的情况下被用于在处理相对关系时提供一些明确描述，特别是相对于所示实施方案。然而，这样的术语并非旨在暗示绝对的关系、位置和/或取向。例如，相对于物体，“上”表面可以简单地通过翻转物体而变成“下”表面。尽管如此，但它仍是相同表面，而且物体保持不变。如本文所用，“和/或”意指“和”或“或”，以及“和”和“或”。此外，出于所有目的，本文引用的所有专利和非专利文献都据此全文以引用方式并入。
并且，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离所公开的原理的情况下，本文所公开的示例性实施方案可适于各种配置和/或用途。应用本文所公开的原理，可以为高纵横比的气压通气孔提供各种布置以减少泄漏噪声。例如，上文结合任何特定示例描述的原理可以与结合本文所述的另一示例描述的原理相结合。因此，本领域的普通技术人员已知或稍后悉知的贯穿本公开描述的各种实施方案的特征和方法措施的所有结构和功能等同物旨在被本文所述的原理以及要求权利保护的特征和动作所涵盖。相应地，权利要求和这个详细描述都不应被理解为限制性意义，并且在阅读本公开之后，本领域的普通技术人员将认识到可使用本文所述的各种概念设计的各种各样的声学通气孔。
此外，本文所公开的任何内容并非旨在提供给公众，而与该公开是否明确地被陈述在权利要求中无关。除非使用短语“用于……的装置”或“用于……的步骤”明确叙述特征，否则权利要求特征不应根据35USC112(f)进行理解。
所附权利要求并非旨在受限于本文所示的布置，而是旨在使得全部范围与权利要求书的语言一致，其中对单数形式的特征的引用(诸如通过使用冠词“a”或“an”)并非旨在意味着“一个和仅一个”，而是指“一个或多个”，除非被具体指出。此外，鉴于可以应用所公开原理的许多可能的实施方案，我们保留要求保护本领域普通计算人员所理解的本文所述特征和技术的任何和所有组合的权利，包括有权主张例如前述说明书的范围和实质内的所有内容，以及在本公开或任何要求本公开的权益或优先权的申请的申请过程中任何时候提出的任何权利要求书中在字面上和等同地记载的组合，更具体地但非排他性地在所附权利要求中。

Claims (27)

1.一种电声设备，包括：
具有声学振动膜的声换能器元件，其中所述振动膜具有相对的第一主表面和第二主表面；
前腔，所述前腔与所述振动膜的所述第一主表面相邻设置；
后腔，所述后腔与所述振动膜的所述第二主表面相邻设置；
基板，所述基板与所述声换能器元件耦接并且限定形成声学端口的开口，所述声学端口与所述声学振动膜对准；以及
细长通道，所述细长通道限定将所述前腔与所述后腔流体耦接的气压通气孔，其中所述细长通道从与所述前腔流体耦接的第一端延伸到与所述后腔流体耦接的第二端，并且所述细长通道的一部分延伸穿过所述基板，其中，所述细长通道延伸穿过基板的部分包括周向部分，所述周向部分围绕所述开口从所述第一端处的第一径向位置主要周向地延伸到所述第二端处的第二径向位置，所述第二径向位置相对于所述开口设置在所述第一径向位置的径向外侧。
2.根据权利要求1所述的电声设备，其中所述气压通气孔被构造为均衡所述前腔和所述后腔之间的压力。
3.根据权利要求1所述的电声设备，其中所述基板限定向所述前腔开放的声学端口。
4.根据权利要求3所述的电声设备，其中所述基板是第一基板，并且所述电声设备还包括：
第二基板，所述第一基板被安装到所述第二基板；
集成电路器件，所述集成电路器件被安装到所述第二基板并且与所述声换能器元件耦接，其中所述第二基板包括与所述集成电路器件耦接的电输出连接部；以及
凹陷封盖，所述凹陷封盖覆盖在所述声换能器元件、所述第一基板和所述集成电路器件上面。
5.根据权利要求4所述的电声设备，其中所述第二基板进一步限定所述细长通道。
6.根据权利要求3所述的电声设备，其中所述基板进一步限定所述细长通道。
7.根据权利要求6所述的电声设备，其中所述细长通道向所述声学端口开放。
8.根据权利要求6所述的电声设备，其中所述细长通道向所述前腔开放。
9.根据权利要求3所述的电声设备，其中所述基板包括多个并置的层，并且孔延伸穿过所述多个层以限定所述声学端口。
10.根据权利要求9所述的电声设备，其中所述层中的至少一个层限定蜿蜒通路的对应区段，其中所述蜿蜒通路将所述前腔与所述后腔流体耦接，从而限定所述细长通道。
11.根据权利要求10所述的电声设备，其中所述蜿蜒通路包括至少一个回旋。
12.根据权利要求10所述的电声设备，其中所述层中的所述至少一个层包括第一层和第二层，其中所述第一层限定所述蜿蜒通路的对应的第一区段，并且所述第二层限定所述蜿蜒通路的对应的第二区段，所述蜿蜒通路的所述第一区段和所述蜿蜒通路的所述第二区段流体耦接在一起，从而在所述蜿蜒通路中限定回旋。
13.根据权利要求3所述的电声设备，其中所述基板包括第一层和第二层，其中所述第二层设置在所述第一层和所述声学振动膜之间，并且包括易受蚀刻影响的牺牲绝缘体和限定延伸穿过所述牺牲绝缘体的凹陷部的边界的蚀刻停止部，其中所述凹陷部限定所述细长通道的对应部分。
14.根据权利要求3所述的电声设备，其中所述细长通道的所述第一端与所述声学端口、所述前腔或所述声学端口和所述前腔这两者相邻设置，并且所述细长通道的所述第二端与所述后腔相邻设置。
15.根据权利要求1所述的电声设备，其中延伸穿过所述基板的所述通道的所述部分限定所述气压通气孔的曲折部分，其中所述气压通气孔的所述曲折部分向所述前腔开放。
16.根据权利要求15所述的电声设备，其中所述声换能器元件与所述基板可安装地耦接并且限定与所述气压通气孔的所述曲折部分对准的孔，其中所述孔向所述后腔开放，从而将所述前腔与所述后腔流体耦接。
17.根据权利要求1所述的电声设备，其中所述声换能器元件还包括背板以及设置在所述振动膜和所述背板之间的绝缘体。
18.一种电子设备，包括：
具有可移动振动膜的声换能器元件，其中所述振动膜具有相对的第一主表面和第二主表面，其中所述声换能器元件限定与所述可移动振动膜相邻设置的孔；
与所述声换能器元件耦接的基板，其中所述基板限定向所述声换能器元件开放的声学端口以及细长通路，所述细长通路从与所述声学端口流体耦接的第一端延伸到与所述孔流体耦接的第二端，从而限定将所述声学端口与所述孔耦接的气压通气孔。
19.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述基板包括多个并置的层，并且开口延伸穿过所述多个层以限定所述声学端口。
20.根据权利要求19所述的电子设备，其中所述层中的至少一个层限定对应的通道，所述通道限定所述通路的区段。
21.根据权利要求20所述的电子设备，其中所述通路包括具有至少一个回旋的曲折通路。
22.根据权利要求20所述的电子设备，其中所述层中的所述至少一个层包括第一层和第二层，其中所述第一层限定对应的第一通道，并且所述第二层限定对应的第二通道，其中所述第一通道和所述第二通道彼此流体耦接，从而在所述细长通路中限定回旋。
23.根据权利要求19所述的电子设备，其中所述多个并置的层包括第一层和第二层，所述第二层设置在所述第一层和所述声换能器元件之间，所述第二层包括：
牺牲绝缘体，所述牺牲绝缘体易受蚀刻影响；以及
蚀刻停止部，所述蚀刻停止部限定延伸穿过所述牺牲绝缘体的通道的边界，其中所述通道限定所述细长通路的对应部分。
24.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述声换能器元件还包括背板以及设置在所述振动膜和所述背板之间的绝缘体。
25.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述声换能器元件包括第一背板以及设置在所述第一背板和所述振动膜之间的对应的第一绝缘体，第二背板以及设置在所述第二背板和所述振动膜之间的对应的第二绝缘体，其中所述振动膜设置在所述第一背板和所述第二背板之间。
26.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述振动膜是第一振动膜，并且其中所述声换能器元件包括背板、设置在所述背板和所述第一振动膜之间的第一绝缘体、第二振动膜，以及设置在所述第二振动膜和所述背板之间的第二绝缘体，其中所述背板设置在所述第一振动膜和所述第二振动膜之间。
27.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述振动膜包括压电致动器，其中所述振动膜被安装到所述基板，并且所述压电致动器在所述声学端口上方延伸。
CN202010458416.3A 2019-05-28 2020-05-27 通气声换能器及相关方法和系统 Active CN112019982B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210190520.8A CN114531632B (zh) 2019-05-28 2020-05-27 电子设备和电声设备

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962853626P 2019-05-28 2019-05-28
US62/853,626 2019-05-28
US16/880,812 2020-05-21
US16/880,825 2020-05-21
US16/880,825 US11310591B2 (en) 2019-05-28 2020-05-21 Vented acoustic transducers, and related methods and systems
US16/880,812 US11317199B2 (en) 2019-05-28 2020-05-21 Vented acoustic transducers, and related methods and systems

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210190520.8A Division CN114531632B (zh) 2019-05-28 2020-05-27 电子设备和电声设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112019982A CN112019982A (zh) 2020-12-01
CN112019982B true CN112019982B (zh) 2022-03-22

Family

ID=73264653

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010458416.3A Active CN112019982B (zh) 2019-05-28 2020-05-27 通气声换能器及相关方法和系统
CN202210190520.8A Active CN114531632B (zh) 2019-05-28 2020-05-27 电子设备和电声设备

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210190520.8A Active CN114531632B (zh) 2019-05-28 2020-05-27 电子设备和电声设备

Country Status (2)

Country Link
CN (2) CN112019982B (zh)
DE (1) DE102020113974A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11451909B1 (en) * 2021-04-01 2022-09-20 Apple Inc. Vented audio transducer
CN115243149A (zh) * 2021-04-23 2022-10-25 深圳市韶音科技有限公司 一种振动传感装置
US11758312B2 (en) * 2021-06-01 2023-09-12 Xmems Taiwan Co., Ltd. Sound producing package structure and manufacturing method thereof
DE102021211813A1 (de) 2021-10-20 2023-04-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikrofluidisches Bauelement, entsprechende Anordnung und entsprechendes Betriebsverfahren
TWI844967B (zh) * 2022-07-26 2024-06-11 大陸商美律電子(深圳)有限公司 微機電封裝結構

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102625992A (zh) * 2009-04-15 2012-08-01 楼氏电子亚洲有限公司 具备可调节特性的麦克风

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1869178A (en) * 1930-08-15 1932-07-26 Bell Telephone Labor Inc Sound translating device
JP4966370B2 (ja) * 2006-03-30 2012-07-04 パルス・エムイーエムエス・アンパルトセルスカブ シングルダイ型ｍｅｍｓ音響トランスデューサおよび製造方法
EP2252077B1 (en) * 2009-05-11 2012-07-11 STMicroelectronics Srl Assembly of a capacitive acoustic transducer of the microelectromechanical type and package thereof
US9516428B2 (en) * 2013-03-14 2016-12-06 Infineon Technologies Ag MEMS acoustic transducer, MEMS microphone, MEMS microspeaker, array of speakers and method for manufacturing an acoustic transducer
KR102056287B1 (ko) * 2013-11-27 2019-12-16 한국전자통신연구원 마이크로폰
US9510106B2 (en) * 2014-04-03 2016-11-29 Invensense, Inc. Microelectromechanical systems (MEMS) microphone having two back cavities separated by a tuning port
KR101619253B1 (ko) * 2014-11-26 2016-05-10 현대자동차 주식회사 마이크로폰 및 그 제조방법
US9888307B2 (en) * 2015-12-04 2018-02-06 Apple Inc. Microphone assembly having an acoustic leak path
JP6658126B2 (ja) * 2016-03-10 2020-03-04 オムロン株式会社 静電容量型トランスデューサ及び音響センサ
ITUA20163571A1 (it) * 2016-05-18 2017-11-18 St Microelectronics Srl Trasduttore acustico mems con elettrodi interdigitati e relativo procedimento di fabbricazione
GB2538432B (en) * 2016-08-05 2017-08-30 Incus Laboratories Ltd Acoustic coupling arrangements for noise-cancelling headphones and earphones
US10469941B2 (en) * 2016-08-23 2019-11-05 Apple Inc. Vented acoustic transducers and related methods and systems
US9961464B2 (en) * 2016-09-23 2018-05-01 Apple Inc. Pressure gradient microphone for measuring an acoustic characteristic of a loudspeaker
US10167188B2 (en) * 2017-01-30 2019-01-01 Apple Inc. Integrated particle filter for MEMS device
CN208874727U (zh) * 2017-02-23 2019-05-17 苹果公司 声学换能器、声学换能器模块和防水电子设备
US10299032B2 (en) * 2017-09-11 2019-05-21 Apple Inc. Front port resonator for a speaker assembly

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102625992A (zh) * 2009-04-15 2012-08-01 楼氏电子亚洲有限公司 具备可调节特性的麦克风

Also Published As

Publication number Publication date
CN112019982A (zh) 2020-12-01
DE102020113974A1 (de) 2020-12-03
CN114531632A (zh) 2022-05-24
CN114531632B (zh) 2023-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112019982B (zh) 通气声换能器及相关方法和系统
US11317199B2 (en) Vented acoustic transducers, and related methods and systems
CN105519137B (zh) Mems设备以及工艺
US10171895B2 (en) Hydrophobic mesh cover
CN107690116B (zh) Mems麦克风组件
US11059716B2 (en) Directional microphone and associated packing techniques
TWI658986B (zh) Ｍｅｍｓ裝置與製程
CN107211222B (zh) Mems换能器
US11310591B2 (en) Vented acoustic transducers, and related methods and systems
US9888307B2 (en) Microphone assembly having an acoustic leak path
CN104254047B (zh) 具有用于机电换能器的大背面体积的电子设备
EP2355541B1 (en) Microphone unit
US20050207605A1 (en) Microphone and method of producing a microphone
US20180220216A1 (en) Integrated particle and light filter for mems device
US10085094B2 (en) MEMS devices and processes
US20230097786A1 (en) Mems flow microphone with equal acoustic path lengths
JP2007228345A (ja) コンデンサマイクロホン
KR101514567B1 (ko) 음향 소자 및 이를 구비하는 마이크로폰 패키지
US20230254635A1 (en) Mems microphone with multiple sound ports
US20190100429A1 (en) Mems devices and processes
US20180167744A1 (en) Transducer packaging
WO2023177770A1 (en) Acoustic sensor devices with multiple sensing elements
CN112135210A (zh) 有图案化导体的麦克风换能器封装件盖及相关模块和设备
WO2018002565A1 (en) Mems devices and processes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant