CN112218220B - 基于mems超声波换能器的微型扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，包括单个或多个MEMS超声波换能器，用于根据输入的电学控制信号发出超声波脉冲或超声波波包序列；控制电路，用于输出离散或近似离散的电学控制信号，其中，电学控制信号使超声波脉冲或超声波波包序列在时域上叠加后能够形成逼近目标音频波形的声波包络。本发明的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器最终合成包络失真小，声压灵敏度高，能量转化效率高。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种基于MEMS超声波换能器的微型扬声器。
背景技术
微型扬声器目前被广泛的应用于各类小型化微型化的声学器件和电子设备中。而MEMS(微机电系统)执行器是上述扬声器的重要组成部分，其核心工作原理是利用机电效应在微尺度上实现声能(机械能)-电能的耦合和相互转化，具体为通过压电效应、电容静电效应或电磁效应，将电学信号转化为微型机械结构的振动，并通过机械结构的振动产生空气的振动，进而发出声波产生声音。
目前，无论是基于何种效应的微型MEMS扬声器，均采用简单模拟系统，简单来说为输入电信号的波形与目标声波波形相同或相似，见图1。由于传统扬声器以及微型MEMS扬声器系统在不同频率点的机械和电学特性不同，很难在整个音频频段(一般为20Hz到20kHz)范围内实现平坦的频率响应，传统微型MEMS扬声器的典型声压灵敏度曲线如图2所示；同时，由于扬声器系统的执行器机械阻抗远大于扬声器空气负载机械阻抗，导致扬声器的声压灵敏度和能量转化效率较低。因此，提升频率响应的平坦度、声压灵敏度以及能量转化效率是解决当前微型MEMS扬声器的关键性问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，以克服现有技术中的缺陷。
本发明的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，包括：单个或多个MEMS超声波换能器，用于根据输入的电学控制信号发出超声波脉冲或超声波波包序列；控制电路，用于输出离散或近似离散的电学控制信号，其中，所述电学控制信号使所述超声波脉冲或超声波波包序列在时域上叠加后能够形成逼近目标音频波形的声波包络。
可选地，所述电学控制信号的时间间隔小于50μs。
可选地，所述MEMS超声波换能器的中心频率或者谐振频率大于20kHz。
可选地，所述MEMS超声波换能器发出的声学脉冲时域半高宽小于20μs。
可选地，所述控制电路中，包括编码解码模块和功率放大模块。
可选地，所述控制电路中，包括反馈调节模块。
可选地，所述多个MEMS超声波换能器排列呈阵列形式。
可选地，所述多个MEMS超声波换能器采用数字式控制、模拟式控制或者数模混合控制。
可选地，还包括超声频段阻抗匹配结构。
可选地，所述超声频段阻抗匹配结构为亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长匹配管或者声学匹配层。
可选地，所述电学控制信号正比于目标音频波形的时域采样信号。
可选地，所述MEMS超声波换能器中，压电薄膜和电极的厚度为0.1-10μm，或者为0.01-100μm。
本发明实施例的本发明实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，利用MEMS超声波换能器发出超声波来合成目标声波，具有最终合成包络失真小、声压灵敏度高和能量转化效率高的有益效果。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1是微型MEMS扬声器的输入信号与目标波形的关系示意图；
图2是传统微型MEMS扬声器的典型声压灵敏度曲线图；
图3a是输入电信号控制超声波换能器发出多个脉冲声波信号的示意图，图3b是对应的频率-信号强度关系示意图；
图4是输入电信号控制传统超声波换能器发出脉冲声波信号的示意图；
图5是本发明的原理示意图；
图6是利用传统超声波换能器的多个输出脉冲信号叠加形成声波包络的示意图；
图7是本发明实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器的结构示意图；
图8a和图8b为本发明第一实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器的工作过程示意图；
图9a和图9b为本发明第二实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器的工作过程示意图；
图10a和图10b为本发明第三实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器的工作过程示意图；
图11a和图11b为本发明第四实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器的工作过程示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解，发明人先对发明原理详细阐述如下。通过施加离散或近似离散的电学信号，控制MEMS超声波换能器发出超声波(频率大于20kHz的声波)脉冲或波包信号，由参数可控的多个脉冲或波包信号在时域上叠加后合成声波包络，用声波包络逼近目标音频波形(20Hz到20kHz的声波)。见图3a，输入电信号控制超声波换能器发出多个脉冲声波信号，且脉冲序列的幅值变化跟随目标信号的幅值变化。如图3b，频谱A-和A+对应图3a目标波形的频谱，由于周期性脉冲序列的频谱相当于对目标频谱的周期化，因此频谱A-和A+、B-和B+、C-和C+、D-和D+等对应输出脉冲信号对应的频谱。人耳仅对20kHz以内的音频信号敏感，而将自动滤除20kHz以上的信号，因此人们最终听到的声信号会被还原为目标信号。本发明的微型扬声器需要满足两个前提：1.脉冲序列的时间周期要足够小，即脉冲频率要大于20kHz，因此需要超声波换能器实现；2.脉冲宽度要足够窄，即超声波换能器的带宽要尽量宽，MEMS超声波换能器的带宽优于传统超声波换能器。
本发明的微型扬声器主要具有如下两方面优点。
第一方面，由于本发明的扬声器在不同频率的声压灵敏度均由超声波换能器在其中心频率处的灵敏度决定，其工作原理和传统线性扬声器系统完全不同，因此在整个声波频段可以实现非常平坦的声压灵敏度曲线；另一方面，相比于传统超声波换能器，MEMS超声波换能器的带宽更宽，由其发出的超声波脉冲更窄，脉冲波形可控性更好，因此最终合成的时域包络更接近目标声波波形，失真度更小。图4为输入电信号控制传统超声波换能器发出脉冲声波信号，其输出脉冲更宽，且振铃效应严重，导致信号可控性差。图5为利用MEMS超声波换能器的多个输出脉冲信号叠加形成声波包络，进而逼近目标声波信号。图6为利用传统超声波换能器的多个输出脉冲信号叠加形成声波包络，进而逼近目标声波信号。可见MEMS超声波换能器输出信号的最终合成包络失真更小。
第二方面，传统扬声器系统的执行器机械阻抗远大于扬声器输出的空气负载机械阻抗，因此扬声器的声压灵敏度和能量转化效率较低。使执行器机械阻抗接近甚至小于空气负载机械阻抗可以提高扬声器的声压灵敏度和能量转化效率。与传统扬声器、传统MEMS扬声器、传统超声波换能器的执行机构相比，MEMS超声波换能器尺寸更小、结构弯曲刚度更小，因此其机械阻抗更小。采用MEMS超声波换能器推动空气可以实现更高的声压灵敏度和能量转化效率。
如图7所示，本发明实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器70，可以包括单个或多个MEMS超声波换能器701和控制电路702。其中：单个或多个MEMS超声波换能器701用于根据输入的电学控制信号发出超声波脉冲或超声波波包序列；控制电路702用于输出离散或近似离散的电学控制信号，其中，电学控制信号可以使超声波脉冲或超声波波包序列在时域上叠加后能够形成逼近目标音频波形的声波包络。本发明实施例的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，利用MEMS超声波换能器发出超声波来合成目标声波，具有最终合成包络失真小、频率响应平坦、声压灵敏度高和能量转化效率高的有益效果。
在本发明的实施例中，电学控制信号的时间间隔小于50μs。MEMS超声波换能器的中心频率或者谐振频率大于20kHz。MEMS超声波换能器的脉冲时域半高宽小于20μs。换言之，MEMS超声波换能器在超声频段内工作。
控制电路中，包括编码解码模块Codec和功率放大模块。编解码模块根据目标音频波形输出符合控制规则的脉冲信号，功率放大模块用于将这些脉冲信号的强度提高到合适的功率用于驱动MEMS超声换能器。
控制电路中，可包括数字信号处理芯片DSP。DSP和编码解码模块可共同根据目标音频波形输出符合控制规则的脉冲信号。
控制电路中，可包括反馈调节模块。反馈调节模块可以有助于控制电路输出更精密、更贴近目标的电学控制信号。
在本发明的实施例中，多个MEMS超声波换能器排列呈阵列形式，包括但不限于一维线阵、二维阵列或者三维阵列。采用阵列形式可提高输出声压和输出声波的灵活度及复杂性，如减小失真、声波定向发送等。采用数字式控制、模拟式控制或者数模混合控制。
该微型扬声器还可包括超声频段阻抗匹配结构，具体可以采用亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长匹配管或者声学匹配层。在MEMS超声换能器上加入超声频段阻抗匹配结构，能够提升等效的空气负载机械阻抗，使得等效空气负载机械阻抗接近甚至大于MEMS超声换能器的机械阻抗，可以大幅提高扬声器的声压灵敏度和能量转化效率；同时，提升等效空气负载机械阻抗还可以提高MEMS超声换能器的带宽，可以进一步优化超声波脉冲波形、提升波形可控性，最终可以减小扬声器输出的波形失真度。另一方面，使用阻抗匹配结构匹配本发明的微型扬声器的难度远小于传统扬声器，因为本专利扬声器需要匹配的相对带宽更窄，原则上仅需匹配MEMS超声换能器的工作带宽即可；若要匹配传统扬声器的整个音频频段(20Hz到20kHz)，相对带宽为200％，匹配非常困难。
该MEMS超声波换能器中，压电薄膜和电极的厚度范围在0.01-100μm之间，优选在0.1-10μm之间。
MEMS超声换能器包括所有利用MEMS工艺或薄膜工艺制造的、最小结构尺寸在亚微米到亚微米级(如膜厚、振膜直径等)的、能够发射超声波的声学器件。
为使本领域技术人员更好地理解，下面具体实施例进行详细说明。
实施例1
如图8a和图8b所示，其中图8b中的控制电路部分省略未绘出。图8b中，001表示基底，002表示MEMS超声波换能器。MEMS超声波换能器002由控制电路发出的离散或近似离散的电学信号控制，发出多个超声波脉冲或波包声波，这些声波在时域叠加后形成合成声波包络，逼近目标音频声波。MEMS超声波换能器002的中心频率或者谐振频率大于20kHz。脉冲时域半高宽小于20μs。MEMS超声波换能器002可以为压电型、电容型或者电磁型等。基底001的材料可以为硅、石英、铌酸锂、钽酸锂、砷化镓等。MEMS超声波换能器002由薄膜工艺或者MEMS工艺制造，包含薄膜结构，最小尺寸在亚毫米到亚微米量级，通常包含空腔或空气间隙以提供微结构的振动空间。
实施例2
如图9a和图9b所示，其中图9b中的控制电路部分省略未绘出。图9b中，001表示基底，002表示MEMS超声波换能器。多个MEMS超声波换能器002组成阵列，包括但不限于线阵、2维或3维形式。每个MEMS超声波换能器002充当阵列的阵元。换能器阵列的每个阵元可以相同，好处是控制简易，制造方便；阵元之间也可以不同，例如具有不同的中心频率，这样可以扩大换能器阵列带宽。阵元可以采用数字式控制，即振动发声时振幅为定值，通过控制发声阵元的个数调控超声波脉冲信号大小，进而调制音频声波的波形；阵元也可以采用模拟式控制，即振动的振幅由输入电学信号控制，通过控制阵元的振幅调控超声波脉冲信号大小，进而调控整个换能器阵列发声的声压强度；或者数模控制形式，即二者的结合。
实施例3
如图10a和图10b所示，其中图10b中的控制电路部分省略未绘出。图10b中，001表示基底，002表示MEMS超声波换能器，003表示超声频段阻抗匹配结构。超声频段阻抗匹配结构003的声波匹配频段在超声频段。器件中加入超声频段阻抗匹配结构003后，输出的声波声压更大、失真更小。超声频段阻抗匹配结构003可以为亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长匹配管、声学匹配层等，匹配结构的中心频率在超声频段。
实施例4
如图11a和图11b所示，其中图11b中的控制电路部分省略未绘出。图11b中，001表示基底，002a表示MEMS超声波换能器的两个电极，002b表示MEMS超声波换能器的压电薄膜，004表示封装结构。其中，基底001中开孔形成背部空腔A，封装结构003与基底002和MEMS超声波换能器直接具有上部空腔B，封装结构003上具有声孔C。该基于压电MEMS超声波换能器及亥姆霍兹谐振腔匹配结构的MEMS扬声器，在压电薄膜002b的上下电极002a施加超声频率的交流电信号，由于上下两个空腔A和B的存在，压电薄膜002b振动从而推动空气，从封装结构004上的声孔C发出超声波，利用超声脉冲信号在时域上叠加后合成声波包络。上部空腔B和声孔C一起组成亥姆霍兹谐振腔匹配结构，该匹配结构的中心频率与压电MEMS超声波换能器的中心频率相匹配。压电薄膜002b和电极002a的厚度约为0.1-10μm。该压电MEMS超声波换能器和亥姆霍兹谐振腔匹配结构工作在超声频段，但通过声波合成方式工作的方式用于音频频段的扬声器。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，包括：
单个或多个MEMS超声波换能器，用于根据输入的电学控制信号发出超声波脉冲或超声波波包序列；
控制电路，用于输出离散或近似离散的电学控制信号，其中，所述电学控制信号使所述超声波脉冲或超声波波包序列在时域上叠加后能够形成逼近目标音频波形的声波包络。
2.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述电学控制信号的时间间隔小于50μs。
3.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述MEMS超声波换能器的中心频率或者谐振频率大于20kHz。
4.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于所述MEMS超声波换能器发出的声学脉冲时域半高宽小于20μs。
5.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述控制电路中，包括编码解码模块和功率放大模块。
6.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述控制电路中包括反馈调节模块。
7.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述多个MEMS超声波换能器排列呈阵列形式。
8.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述多个MEMS超声波换能器采用数字式控制、模拟式控制或者数模混合控制。
9.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，还包括超声频段阻抗匹配结构。
10.根据权利要求9所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述超声频段阻抗匹配结构为亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长匹配管或者声学匹配层。
11.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述电学控制信号正比于目标音频波形的时域采样信号。
12.根据权利要求1所述的基于微机电系统MEMS超声波换能器的微型扬声器，其特征在于，所述MEMS超声波换能器中，压电薄膜和电极的厚度为0.1-10μm，或者为0.01-100μm。
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