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HINTERGRUND
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In
vielen elektronischen Anwendungen werden ein oder mehrere Mikrofone
benötigt.
Zum Beispiel wird in Kommunikationsgeräten ein Mikrofon benötigt, um
ein Audiosignal (zum Beispiel Sprache) in ein elektrisches Signal
umzuwandeln, zur Übermittlung
an einen Empfänger.
Ein oder mehrere zusätzliche
Mikrofone können
in dem Kommunikationsgerät
enthalten sein, um eine Rauschunterdrückung von Umgebungsgeräuschen vorzunehmen.
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Mikrofone
auf der Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) haben inzwischen
das Interesse als Kandidaten für
verschiedene Anwendungen auf sich gezogen. Ein Typ eines MEMS-Mikrofons
ist ein Mikrofon auf Kapazitätsbasis.
Ein kapazitives Mikrofon enthält
normalerweise eine feste Platte und eine floatende Platte. Es müssen Schritte
ergriffen werden, um einen Kontakt zwischen den Platten zu vermeiden.
Das kann durch die Verwendung von Abstandshaltern erreicht werden,
die einen Mindestabstand zwischen den Platten aufrechterhalten. Um
eine Rauschunterdrückung
bei kapazitiven Mikrofonen zu erreichen, muss eine ziemlich komplexe Plattenstruktur
hergestellt werden. Es liegt auf der Hand, dass es im Zusammenhang
mit bekannten kapazitiven Mikrofonstrukturen komplizierte Herstellungsschritte
und Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit gibt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrofonstruktur und
ein elektronisches Gerät bereitzustellen,
die verbesserte Eigenschaften aufweisen. Diese Aufgabe wird durch
die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
enthält
ein elektronisches Gerät
ein erstes Mikrofon, das eingerichtet ist, Audiosignale aus einer ersten
Richtung zu empfangen; und ein zweites Mikrofon, das eingerichtet
ist, Audiosignale aus einer zweiten Richtung zu empfangen. Das Gerät enthält außerdem eine
Steuereinheit, die eingerichtet ist, selektiv das zweite Mikrofon
einzustellen, um Umgebungsaudiorauschen zu empfangen oder um eine Audioeingabe
zu empfangen.
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Gemäß einer
anderen exemplarischen Ausführungsform
enthält
eine Mikrofonvorrichtung ein erstes Mikrofon, das über einem
Substrat angeordnet ist und eingerichtet ist, Audiosignale aus einer
ersten Richtung zu empfangen. Die Mikrofonvorrichtung enthält außerdem ein
zweites Mikrofon, das über dem
Substrat angeordnet ist und eingerichtet ist, Audiosignale aus einer
zweiten Richtung zu empfangen.
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Gemäß noch einer
anderen exemplarischen Ausführungsform
enthält
eine Mikrofonvorrichtung ein erstes Mikrofon, das ein erstes Film
Bulk Acoustic (FBA) Bauelement aufweist. Das erste Mikrofon ist eingerichtet,
Audiosignale aus einer ersten Richtung zu empfangen. Die Mikrofonvorrichtung
enthält
des Weiteren ein zweites Mikrofon, das ein zweites FBA Bauelement
aufweist. Das zweite Mikrofon ist eingerichtet, Audiosignale aus
einer zweiten Richtung zu empfangen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
exemplarischen Ausführungsformen werden
am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den begleitenden Figuren verstanden. Es wird darauf hingewiesen,
dass die verschiedenen Merkmale nicht unbedingt maßstabsgetreu
gezeichnet sind. Das heißt
konkret, dass die Abmessungen beliebig vergrößert oder verkleinert sein
können,
wenn es der besseren Klarheit der Diskussion dient. Sofern zutreffend
und zweckdienlich, bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente.
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1A ist
ein vereinfachtes Blockschaubild einer Architektur einer elektronischen
Vorrichtung gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung.
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1B ist
ein vereinfachtes Blockschaubild einer Architektur einer elektronischen
Vorrichtung gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung.
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2A ist
eine Draufsicht auf eine Mikrofonvorrichtung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung.
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2B ist
eine Draufsicht auf eine Mikrofonvorrichtung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Mikrofonvorrichtung von 2A.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer Mikrofonvorrichtung gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung.
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BEGRIFFSDEFINITION
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Die
Begriffe "ein" oder "eine(r)" meinen im Sinne
des vorliegenden Textes "genau
ein" oder "mehr als ein".
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Der
Begriff "Mehrzahl" meint im Sinne des vorliegenden
Textes "zwei" oder "mehr als zwei".
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Der
Begriff "Richtung" meint im Sinne des vorliegenden
Textes "aus einer
bestimmten Richtung" (zum
Beispiel entlang einer Achse) oder "von einer Seite eines Mikrofons" (zum Beispiel aus
einer allgemeinen Richtung), oder beides.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung sind – zum Zweck der Erläuterung
und nicht der Einschränkung – spezifische
Details beschrieben, um ein gründliches
Verständnis
exemplarischer Ausführungsformen
gemäß den hier
dargelegten Lehren zu ermöglichen.
Dem Durchschnittsfachmann, der von der vorliegenden Offenbarung
Nutzen gemacht hat, ist jedoch offensichtlich, dass auch andere
Ausführungsformen
gemäß den hier
dargelegten Lehren, die von den im vorliegenden Text offenbarten
konkreten Details abweichen, innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche bleiben.
Des Weiteren können
Beschreibungen von Hardware, Software, Firmware, Materialien und
Verfahren weggelassen sein, um die Beschreibung der exemplarischen
Ausführungsformen
nicht in den Hintergrund treten zu lassen oder unklar werden zu
lassen. Ungeachtet dessen können
solche Hardware, Software, Firmware, Materialien und Verfahren,
die innerhalb der Kenntnisse des Durchschnittsfachmanns liegen,
gemäß den exemplarischen
Ausführungsformen
verwendet werden. Solche Hardware, Software, Firmware, Materialien
und Verfahren liegen klar innerhalb des Umfangs der hier besprochenen
Lehren.
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1A ist
ein vereinfachtes Blockschaubild einer Architektur einer elektronischen
Vorrichtung 100 gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform. Das
Blockschaubild enthält
nur jene Komponenten, die für
die Beschreibung der im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen
relevant sind. Vor allem sind eine Anzahl von Komponenten, die in
einer elektronischen Vorrichtung implementiert werden würden und
nicht für
die Beschreibung der Ausführungsformen
erforderlich sind, nicht gezeigt oder beschrieben, um die Beschreibung
der Ausführungsformen
nicht in den Hintergrund treten zu lassen.
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Die
elektronische Vorrichtung 100 kann ein handgehaltenes Gerät („hand-held
device") sein, wie zum
Beispiel ein Mobiltelefon, eine Kamera, eine Videokamera, ein persönlicher
digitaler Assistent (PDA), ein Tonaufzeichnungsgerät, ein Laptop-Computer,
ein Schreibtisch-Computer, ein handgehaltener Computer, eine handgehaltene
Fernbedienung oder ein Gerät,
das die Funktionalität
eines oder mehrerer dieser Geräte
aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass die genannten Geräte lediglich
veranschaulichend sind und dass auch andere Geräte eingesetzt werden können. Allgemein
handelt es sich bei der elektronischen Vorrichtung 100 um
ein Gerät, das
von einer Mikrofonstruktur profitiert, die eine Mehrzahl von Mikrofonen
aufweist, wobei mindestens ein Mikrofon optional eingerichtet ist,
in mehr als einem einzigen Modus zu funktionieren. In vielen exemplarischen
Ausführungsformen
ist die elektronische Vorrichtung tragbar. Das ist jedoch nicht
essentiell, sondern optional. Zum Beispiel können viele elektronische Vorrichtungen,
die vergleichsweise klein sind, aber trotzdem nicht unbedingt während des
Transports funktionieren müssen,
von der Mikrofonstruktur der exemplarischen Ausführungsformen profitieren.
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Die
Vorrichtung 100 enthält
eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, „central processing unit") 101, einen
Speicher 102, eine Steuereinheit (zum Beispiel Eingabe/Ausgabe
(I/O)) 103, ein erstes Mikrofon (Mik) 104 und
ein zweites Mikrofon 105 (Mik). Die CPU 101 kann
ein bekannter Mikroprozessor sein und ist eingerichtet, Daten an
den Speicher 102 auszugeben und von dem Speicher 102 zu
empfangen. Wie im vorliegenden Text noch näher beschrieben wird, gibt
die Steuereinheit 103 Anweisungen an die Mikrofone 104, 105 aus
und empfängt
Rückmeldungen
von den Mikrofonen 104, 105; und empfängt Anweisungen
von der CPU 101 und stellt der CPU 101 Ausgaben
bereit. Wie mit Strichlinienpfeilen gezeigt, sind Verbindungen zwischen
den Mikrofonen 104, 105 und zwischen den Mikrofonen 104, 105 und der
CPU 101 möglich.
Diese Verbindungen können zusätzlich zu
oder anstelle von bestimmten gezeigten Verbindungen vorhanden sein
und können
für eine
Vielzahl von Gründen
verwendet werden. Zum Beispiel kann die Verbindung zwischen den
Mikrofonen 104, 105 dazu dienen, eine analoge
Rauschunterdrückung
wie zum Beispiel eine Differenzsignalunterdrückung über eine (nicht gezeigte) bekannte Schaltung
zu ermöglichen.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
von 1A sind nur zwei Mikrofone 104, 105 gezeigt. Das
hat lediglich den Grund einer Vereinfachung der Beschreibung, und
es wird darauf hingewiesen, dass auch mehr als zwei Mikrofone (zum
Beispiel eine Anordnung von Mikrofonen) in der Vorrichtung 100 vorhanden
sein können.
Wie dem Durchschnittsfachmann, der von der vorliegenden Offenbarung
profitiert hat, klar ist, können
die verschiedenen Funktionalitäten,
die mittels der beiden Mikrofone 104, 105 bereitgestellt
werden, ohne weiteres auch auf mehr als zwei Mikrofone ausgeweitet
werden.
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In
einer Ausführungsform
kann eines der Mikrofone 104, 105 für eine aktive
Schalleingabe, wie zum Beispiel eine Spracheingabe, verwendet werden,
und das andere Mikrofon kann zur Hintergrundunterdrückung (Umgebungsgeräusche) verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform
können beide
Mikrofone 104, 105 für eine aktive Schalleingabe
verwendet werden, wobei ein Mikrofon Schall aus einer Richtung empfängt und
ein Mikrofon Schall aus einer anderen Richtung empfängt. Somit
können
die Mikrofone 104, 105 der Vorrichtung 100 jeweils
eingerichtet sein, eine Doppelfunktion zu erfüllen: aktive Schalleingabe
und Störschallunterdrückung. Dadurch
verleihen die Mikrofone 104, 105 der Vorrichtung 100 Funktionsvielfalt.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist die Steuereinheit 103 die Steuereinheit (I/O) für die Vorrichtung 100,
die somit auch andere Funktionen der Vorrichtung 100 steuert.
Da die Details der Steuereinheit 103, ihre Anforderungen
und ihre Funktion klar innerhalb der Kenntnisse des Durchschnittsfachmanns
liegen, werden solche Details weggelassen, um die hier dargelegten
Lehren nicht in den Hintergrund treten zu lassen.
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In
einer ersten exemplarischen Ausführungsform
ist das Mikrofon 104 für
eine aktive Schalleingabe konfiguriert, und das Mikrofon 105 ist
für eine
Störschallunterdrückung ausgelegt.
Wenn zum Beispiel die Vorrichtung 100 ein Mobiltelefon
ist, so kann das Mikrofon 104 ein Sprachmikrofon sein.
Das Mikrofon 105 kann an einer Seite angeordnet sein, die
dem Mikrofon 104 gegenüberliegt,
um die Umgebungsgeräusche
aufzunehmen, die vorzugsweise über
der Sprache des Benutzers liegen. Die Auswahl dieses Modus kann
eine standardmäßige Voreinstellung („default") sein, wobei die
Steuereinheit 103 Anweisungen an die Mikrofone 104, 105 bereitstellt.
Alternativ kann eine (nicht gezeigte) Benutzereingabe verwendet
werden, um diesen Modus über
die CPU 101 und den Speicher 102 selektiv zu aktivieren.
Bei Auswahl gibt die Steuereinheit 103 die Befehle an die Mikrofone 104, 105 aus,
um diesen Modus zu aktivieren oder einzustellen.
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Bei
Aktivierung empfängt
das erste Mikrofon 104 das aktive Audiosignal, während das
zweite Mikrofon 105 die Hintergrundgeräusche empfängt. Die Eingaben zu dem ersten
Mikrofon 104 und dem zweiten Mikrofon 105 werden
in elektrische Signale umgewandelt, die der Steuereinheit 103 und
der CPU 101 zugeführt
werden. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die CPU 101 eingerichtet,
eine algorithmische Störschallunterdrückung auszuführen. Nach
Ausführung
einer Störschallunterdrückung an dem
Signal von dem ersten Mikrofon 104 gibt die CPU 101 das
Signal zur Übermittlung
mittels der Vorrichtung 100 aus.
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In
einer anderen exemplarischen Ausführungsform können die
Rollen der Mikrofone vertauscht sein. Zum Beispiel sind viele Mobiltelefone eingerichtet,
Video, wie zum Beispiel Streaming-Video, aufzuzeichnen. Die Linse
der Kamera kann an einer Rückseite
des Telefons angeordnet sein, wodurch es dem Benutzer möglich ist,
während
der Aufzeichnung das Anzeigefeld zu betrachten. Somit kann ein auf
der Rückseite
des Telefons angeordnetes Mikrofon zur Tonaufzeichnung verwendet
werden, während
die Kamera Bilder aufzeichnet. Das heißt, das zweite Mikrofon 105 kann
zum Empfangen aktiver Audiosignale verwendet werden. Darüber hinaus
kann es von Vorteil sein, eine Störschallunterdrückung von
Umgebungsgeräuschen
vorzunehmen, um das Audiosignal des aufgezeichneten Videos zu verbessern.
In diesem Fall kann das erste Mikrofon 104, das sich an
der Seite befindet, die der Linse (und somit der Aufzeichnungsrichtung)
gegenüberliegt,
dafür verwendet
werden, die Umgebungsgeräusche
für eine
zusätzliche
Störschallunterdrückung zu empfangen.
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In
der besprochenen Ausführungsform
gibt die Steuereinheit 103 auf Auswahl eines Videoaufzeichnungsmodus
durch den Benutzer hin Anweisungen an die Mikrofone 104, 105,
mit der Aufzeichnung zu beginnen. Die Steuereinheit 103 empfängt die
umgewandelten Signale von den Mikrofonen 104, 105 und
stellt diese der CPU 101 zur Verarbeitung bereit, wie zuvor
angesprochen.
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In
noch einer anderen exemplarischen Ausführungsform werden beide Mikrofone 104, 105 zum Empfangen
aktiver Audiosignale verwendet. Weiter bezugnehmend auf die Ausführungsform,
in der die Vorrichtung 100 ein Mobiltelefon ist, kann das
erste Mikrofon 104 das Sprachaktivaudiosignal für eine Telefonübertragung
empfangen, und das zweite Mikrofon 105 kann zum Aufzeichnen
eines Audiosignals verwendet werden, wenn die Videofunktion des
Telefons eingestellt ist. Bei einer solchen Ausführungsform kann das zweite
Mikrofon 105 eine andere Audioempfangscharakteristik aufweisen
als das erste Mikrofon 104, um den Audiosignalempfang von
Objekten, die sich in einiger Entfernung zu dem Telefon befinden,
oder über
einen breiteren Akzeptanzwinkel, oder beides, zu unterstützen.
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In
der besprochenen Ausführungsform
kann das erste Mikrofon 104 deaktiviert sein, und das zweite
Mikrofon 105 kann aktiviert sein, wenn der Benutzer den
Videoaufzeichnungsmodus wählt.
Wie zuvor stellt die Steuereinheit 103 die Anweisungen
an die Mikrofone 104, 105 bereit, für eine selektive
Aktivierung bzw. Deaktivierung.
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1B ist
ein vereinfachtes Blockschaubild einer Architektur einer elektronischen
Vorrichtung 106 gemäß einer
anderen exemplarischen Ausführungsform.
Die Vorrichtung 106 von 1B enthält viele
Komponenten, die in Verbindung mit den Ausführungsformen von 1A beschrieben
wurden. Beschreibungen gemeinsamer Komponenten und ihrer Funktionen
werden nicht wiederholt, um die Beschreibung der nun besprochenen
Ausführungsformen
nicht in den Hintergrund treten zu lassen. Des Weiteren enthält das Blockschaubild
von 1B – wie 1A – nur jene
Komponenten, die für
die Beschreibung der im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen
relevant sind. Vor allem sind eine Anzahl von Komponenten, die in
einer elektronischen Vorrichtung implementiert würden und nicht für die Beschreibung
der Ausführungsformen
erforderlich sind, weder gezeigt noch beschrieben, um die Beschreibung
der Ausführungsformen
nicht in den Hintergrund treten zu lassen.
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Die
Vorrichtung 106 enthält
ein erstes Mikrofon 104 und ein zweites Mikrofon 105.
Das erste Mikrofon 104 und das zweite Mikrofon 105 sind
mit einer Mikrofon-Steuereinheit 107 verbunden. Die Mikrofon-Steuereinheit 107 ist
eine dedizierte Steuereinheit für
die Mikrofone 104, 105. Wie im vorliegenden Text
beschrieben wird, gibt die Mikrofon-Steuereinheit 107 Anweisungen
an die Mikrofone 104, 105 aus und ist eingerichtet,
Signale von den Mikrofonen 104, 105 zu verarbeiten.
In einer exemplarischen Ausführungsform
ist die Mikrofon-Steuereinheit ein Mikrocontroller, wie zum Beispiel
ein Mikroprozessor mit Harvard-Architektur, und kann ein anwendungsspezifischer
integrierter Schaltkreis (ASIC) sein. Es ist hervorzuheben, dass
der angesprochene Mikroprozessor lediglich veranschaulichend ist
und dass auch andere Mikrocontroller eingesetzt werden können.
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Wie
in den Ausführungsformen,
die in Verbindung mit 1A beschrieben wurden, sind
die Mikrofone 104, 105 eingerichtet, diverse Funktionen
für die
Vorrichtung 106 zu erbringen. Zum Beispiel kann ein Mikrofon
eingerichtet sein, aktive Audiosignale zu empfangen, während das
andere eingerichtet sein kann, Umgebungsgeräuschsignale zu empfangen. Alternativ
können
beide Mikrofone 104, 105 eingerichtet sein, aktive
Audiosignale zu empfangen. Des Weiteren können mehr als zwei Mikrofone
in der Vorrichtung zum Empfangen aktiver Audiosignale und zum Empfangen
von Umgebungsgeräuschsignalen vorgesehen
sein.
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Die
Rauschunterdrückungsfunktion
(oder Rauscheliminierungsfunktion) der Vorrichtung 106 kann über Rauschunterdrückungsalgorithmen
der Mikrofon-Steuereinheit 107 beeinflusst werden. Alternativ
könnte
eine analoge Rauschunterdrückung, wie
zum Beispiel eine Differenzsignalunterdrückung, implementiert werden.
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2A ist
eine Draufsicht auf eine Mikrofonvorrichtung 200 gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform.
Die Mikrofonvorrichtung 200 kann in der Vorrichtung 100 oder
in der Vorrichtung 106 angeordnet sein und das erste und
das zweite Mikrofon 104, 105 bereitstellen.
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Die
Mikrofonvorrichtung 200 enthält ein erstes Mikrofon 201 und
ein zweites Mikrofon 202. Wie zuvor können mehr als zwei Mikrofone
in der Vorrichtung 200 vorhanden sein. Eine (in 2A nicht
gezeigte) erste untere Elektrode des ersten Mikrofons 201 ist über einem
(in 2A nicht gezeigten) Substrat angeordnet; und eine
(in 2A ebenfalls nicht gezeigte) zweite untere Elektrode
des zweiten Mikrofons 202 ist über dem Substrat angeordnet.
Eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material 203 ist über den
ersten Elektroden und dem Substrat angeordnet. Eine erste obere
Elektrode 204 für
das erste Mikrofon 201 ist über der piezoelektrischen Schicht 203 angeordnet.
Eine zweite obere Elektrode 205 für das zweite Mikrofon 202 ist über der
Schicht 203. Schließlich
bilden Kontakte 206, 207 elektrische Verbindungen
zu dem ersten Mikrofon 201, und Kontakte 208, 209 bilden
elektrische Verbindungen zu dem zweiten Mikrofon 202.
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Es
ist anzumerken, dass die Mikrofone 201, 202 sowie
andere im vorliegenden Text beschriebene Mikrofone Film Bulk Acoustic
(FBA) Bauelemente sein können
und mittels Verfahren und Materialien hergestellt werden können, die
sich zur Herstellung von Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) Bauelementen
eignen, die dem Fachmann wohlbekannt sind. Die FBA-Mikrofone der exemplarischen
Ausführungsformen ähneln den
FBAR-Bauelementen,
aber unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Funktion. Insbesondere
werden die Mikrofone der hier besprochenen Ausführungsformen nicht elektrisch
getrieben und haben daher normalerweise keine Resonanz.
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Alternativ
kann die Architektur der im vorliegenden Text beschriebenen exemplarischen
Ausführungsformen
Mikrofone enthalten, die auf anderen Technologien basieren. Zum
Beispiel können
Mikrofone auf Elektretbasis eingebaut werden, um die Mikrofonvorrichtung 200 zu
realisieren.
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2B ist
eine Draufsicht auf ein erstes Mikrofon 210 und ein zweites
Mikrofon 211 gemäß einer anderen
exemplarischen Ausführungsform.
Die Mikrofone 210, 211 sind im Wesentlichen die
gleichen wie die Mikrofone 201 bzw. 202. Jedoch
sind die Mikrofone 210, 211 separate Vorrichtungen,
die jeweils über
jeweiligen (nicht gezeigten) Substraten ausgebildet sind. Des Weiteren,
und wie im weiteren Verlauf dieser Beschreibung noch deutlicher
wird, können
die Mikrofone 210, 211 einzeln verkapselt bzw. gepackaged
sein.
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Das
Mikrofon 210 hat eine erste obere Elektrode 212,
die über
einer ersten piezoelektrischen Schicht 213 angeordnet ist.
Wie zuvor ist die piezoelektrische Schicht 213 über dem
Substrat und der (nicht gezeigten) ersten unteren Elektrode des
ersten Mikrofons 210 angeordnet. Kontakte 214, 215 sind mit
der ersten oberen bzw. unteren Elektrode verbunden. Das Mikrofon 211 hat
eine zweite obere Elektrode 216 und eine (in 2B nicht
gezeigte) zweite untere Elektrode. Eine zweite piezoelektrische
Schicht 217 ist über
dem Substrat und der zweiten unteren Elektrode angeordnet. Kontakte 218, 219 sind
mit den zweiten oberen bzw. unteren Elektroden verbunden.
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Die
einzelnen Mikrofone 211, 212 sind eingerichtet,
als die Mehrzahl von Mikrofonen 104, 105 zu fungieren,
die zuvor beschrieben wurde. Außerdem können mehr
als zwei einzelne Mikrofone gemäß den hier
dargelegten Lehren zum Beispiel in Vorrichtungen 100, 106 und
zum Realisieren verschiedener Funktionen implementiert werden. Des
Weiteren können
die einzelnen Mikrofone 211, 212 eine Struktur haben,
wie sie in Verbindung mit den 3 und 4 beschrieben
wurde, und können
gemäß den in Verbindung
mit den 3 und 4 beschriebenen Verfahren
hergestellt werden.
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Mikrofonvorrichtung 200 von 2A entlang
der Linie 3-3. In den hier beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen
sind eine Mehrzahl von Mikrofonen über einem einzigen Substrat
angeordnet. In anderen Ausführungsformen
kann jedes von einer Mehrzahl von Mikrofonen über einem jeweiligen Substrat angeordnet
werden, wie zum Beispiel in 2B gezeigt.
Obgleich die Ausführungsformen
von 2B hier nicht im Querschnitt gezeigt sind, finden
die Strukturen und Herstellungsabläufe, die in Verbindung mit
den Ausführungsformen
von 3 beschrieben sind, auch auf Ausführungsformen
mit einem einzelnen Mikrofon/einem einzelnen Substrat Anwendung.
Des Weiteren, und wie dem Fachmann klar ist, können nach der Massenfertigung über einem
einzigen Substrat (Wafer) eine Mehrzahl von Mikrofonen, die jeweils über einem
jeweiligen Substrat angeordnet sind, mittels Zersägens oder
sonstigen Vereinzelns des Wafers hergestellt werden.
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Die
Vorrichtung 200 enthält
ein Substrat 301, das eines einer Vielzahl verschiedener
Materialien aufweisen kann. Eine erste untere Elektrode 302 ist über dem
Substrat 301 und teilweise über einem Hohlraum 305 angeordnet,
der ein Ventilationselement 304 enthält. Das Ventilationselement 304 kann als
ein Auslasskanal ausgebildet sein, der dazu dient, Opfermaterial 303 zu
entfernen, das zum Ausbilden des Hohlraums 305 verwendet
werden kann. Wie im vorliegenden Text noch eingehender beschrieben wird,
wird über
das Ventilationselement 304 ein Druckausgleich für den Hohlraum 305 bereitgestellt.
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Die
Schicht aus piezoelektrischem Material 203 ist über der
ersten unteren Elektrode 302 angeordnet, und die erste
obere Elektrode 204 ist über der ersten unteren Elektrode 302 angeordnet.
Dementsprechend weist das erste Mikrofon 201 eine FBA-Struktur
auf, welche die erste untere Elektrode 302, die erste obere
Elektrode 204 und den Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 203 dazwischen
enthält.
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Eine
zweite untere Elektrode 306 ist über einem Hohlraum 307 in
dem Substrat 301 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 203 ist über der
zweiten unteren Elektrode 306 angeordnet, und die zweite obere
Elektrode 205 ist über
der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Somit weist das zweite
Mikrofon 202 eine FBA-Struktur auf, welche die zweite untere Elektrode 306,
die zweite obere Elektrode 205 und den Abschnitt des piezoelektrischen
Materials 203 dazwischen enthält.
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Es
ist hervorzuheben, dass eine Vielzahl verschiedener Herstellungsabläufe in Betracht
kommt, um die Mikrofone der exemplarischen Ausführungsformen zu realisieren.
Zum Beispiel können
die unteren Elektroden unabhängig
voneinander oder simultan hergestellt werden; die piezoelektrische
Schicht kann über
den unteren Elektroden unabhängig
voneinander oder simultan angeordnet werden; und die oberen Elektroden
können
unabhängig
voneinander oder simultan hergestellt werden. Des Weiteren können optional
(nicht gezeigte) Passivierungsschichten eingearbeitet werden.
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Ohne
akustische Isolation sind das erste und das zweite Mikrofon 201, 202 eingerichtet,
in Reaktion auf Audiosignale aus beiden Richtungen 308, 309 zu
vibrieren. Insbesondere führt
das Entfernen eines Abschnitts des Substrats 301 zum Ausbilden der Hohlräume 305, 307 zu
einem Schwingen der Membranen der Mikrofone 201, 202 durch
Audiosignale aus den Richtungen 308, 309.
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Falls
gewünscht
können
die Mikrofone 201, 202 unidirektional sein. Gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
kann mittels Anordnens einer Entkopplungsstruktur über dem
ersten Mikrofon 201 oder dem zweiten Mikrofon 202,
oder über
beiden, vermieden werden, dass Audiosignale aus einer bestimmten
Richtung die Membranen von mindestens einem der Mikrofone 201, 202 in
Schwingung versetzen. In einer Ausführungsform stellt eine erste Isolationsstruktur 310 eine
akustische Isolation bereit und ist über dem ersten Mikrofon 201 angeordnet; und
eine zweite Isolationsstruktur 311 stellt eine akustische
Isolation bereit und ist über
dem zweiten Mikrofon 202 angeordnet. Die Isolationsstruktur 310 isoliert
im Wesentlichen das erste Mikrofon 201 von Audiosignalen
aus der Richtung 309; und die Isolationsstruktur 311 isoliert
im Wesentlichen das zweite Mikrofon 202 von Audiosignalen
aus der Richtung 308. Somit ist in der exemplarischen Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist, die Mikrofonvorrichtung 200 eingerichtet,
Audiosignale aus der Richtung 308 über das erste Mikrofon 201 zu
empfangen und Audiosignale aus der Richtung 309 über das
zweite Mikrofon 202 zu empfangen.
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Die
Isolationsstrukturen
310,
311 können Mikrokappenstrukturen
sein, wie sie dem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Die Mikrokappenstruktur
ist eine bekannte Struktur und ist zum Beispiel in den US-Patenten
US 6,265,246 ;
US 6,376,280 ;
US 6,777,267 , alle von Ruby et al.;
und
US-Patent US 6,777,263 von
Gan et al. beschrieben. Die Offenbarungen dieser Patente werden
ausdrücklich
mittels Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen. Es ist
hervorzuheben, dass die Verwendung einer Mikrokappenstruktur zum
Bereitstellen einer direktionalen akustischen Isolation lediglich veranschaulichend
ist und dass auch andere Strukturen eingesetzt werden können. Zum
Beispiel können die
Entkopplungsstrukturen
310,
311 gemäß der
US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 11/540,412 mit
dem Titel "PROTECTIVE
STRUCTURES AND METHODS OF FABRICATING PROTECTIVE STRUCTURES OVER
WAFERS" von Frank
S. Geefay et al. hergestellt werden. Diese Anmeldung, eingereicht
am 28. September 2006, ist gemeinsam übertragen und wird ausdrücklich mittels
Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen.
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Des
Weiteren kann zum Bereitstellen eines Druckausgleichs ein Ventilationselement
(zum Beispiel eine Entlüftung) 312 in
der zweiten Entkopplungsstruktur 311 ausgebildet werden.
Alternativ kann ein (nicht gezeigtes) Ventilationselement ähnlich dem
Ventilationselement 304 bereitgestellt werden.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann es von Vorteil sein, wenn das Substrat 301 ein Halbleitersubstrat
ist. Das ermöglicht
die Verwendung bekannter Fertigungsverfahren und gestattet ebenso die
Herstellung von Schaltkreisen und elektronischen Komponenten aus
dem Substrat 301 oder über
dem Substrat 301 oder beides. Dementsprechend kann das
Substrat Silizium, SiGe oder ein III–V Halbleiter wie zum Beispiel
GaAs sein. Es sind aber auch andere Materialien möglich, einschließlich beispielsweise Glas,
Aluminiumoxid und andere halbleitende, leitfähige und nicht-leitfähige Substratmaterialien.
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Es
versteht sich, dass die Herstellung der Vorrichtung 200 die
Verwendung bekannter Verarbeitungsabläufe gestattet, um die verschiedenen Strukturelemente
auszubilden. Die Verfahren und Materialien, die sich zur Herstellung
der Vorrichtung 200 eignen, sind dem Fachmann auf dem Gebiet
der Verarbeitung sehr hoch integrierter Schaltkreise (VLSI-Schaltkreise)
allgemein bekannt; und andere sind dem Fachmann auf dem Gebiet der
MEMS bekannt. Da viele der angesprochenen Verarbeitungsabläufe zum
Ausbilden der Strukturelemente bekannt sind, wird auf die Einzelheiten
verzichtet, um die hier dargelegten Lehren nicht in den Hintergrund
treten zu lassen. Es ist anzumerken, dass auch andere Verfahren
oder Materialien oder beides, die innerhalb der Kenntnisse des Durchschnittsfachmanns
liegen, möglich
sind. Darüber
hinaus ist anzumerken, dass die beschriebenen Verfahren auf die
Massen-(Wafer)Produktion anwendbar sind. Dementsprechend können die
Mikrofonvorrichtungen mehr als zwei Mikrofone aufweisen, und es
sind eine Mehrzahl von Mikrofonen auf einem einzelnen Substrat möglich. Diese
Wafer können
nach Bedarf vereinzelt werden, um eine Vorrichtung mit mehreren
Mikrofonen bereitzustellen.
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Die
Herstellung des Ventilationselements 304 kann in der Weise
erfolgen, dass eine Opferschicht 303 in einem Hohlraum
ausgebildet wird, der aus dem Substrat 301 herausgeätzt wurde.
Die Schicht 303 kann Phosphorsilikatglas (PSG) sein. Ein
Polierschritt, wie zum Beispiel chemisch-mechanisches Polieren (CMP), kann verwendet
werden, um eine bündige
Oberfläche
der Opferschicht 303 mit dem Substrat 301 herzustellen,
wie gezeigt. Die Komponenten des ersten Mikrofons 201 können dann über der
Schicht 303 ausgebildet werden, wobei das Ventilationselement 304 zu
dem Zweck ausgebildet wird, das Freisetzen bzw. Entfernen der Opferschicht 303 zu
unterstützen
und zum Ventilieren zu fungieren, wie oben angemerkt.
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Die
Opferschicht 303 kann als ein Ätzstopp in einer Trockenätzfolge
oder einer Nassätzfolge
eingesetzt werden, um den Hohlraum 305 auszubilden. Zum
Beispiel kann der Hohlraum 305 mittels eines tiefen reaktiven
Ionenätz-Verfahrens
(DRIE-Verfahren), wie zum Beispiel dem bekannten Bosch-Verfahren,
ausgebildet werden, das eine Ätzung
mit einem vergleichsweise großen
Aspektverhältnis
erbringt. Nachdem das Ätzen
des Hohlraums vollendet ist, wird die Schicht 303 mittels
bekannter Verfahren durch das Ventilationselement 304 und
durch den Hohlraum 305 entfernt.
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Viele
Details der angesprochenen Verarbeitungsabfolge finden sich im
US-Patent US 6,384,697 mit dem
Titel "Cavity Spanning
Bottom Electrode of Substrate Mounted Bulk Wave Acoustic Resonator" von Ruby et al.,
das an den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Die Offenbarung
dieses Patents wird ausdrücklich
mittels Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen.
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Der
Hohlraum 307 kann unter Verwendung eines bekannten Ätzprozesses
ausgebildet werden. Insbesondere kann ein Trockenätzen (zum
Beispiel DRIE) verwendet werden. Alternativ kann ein Nassätzen mit
einer ausreichenden Ätzselektivität verwendet
werden. In einer anderen Ausführungsform kann
eine Opferschicht (zum Beispiel PSG, nicht gezeigt) unter der zweiten
unteren Elektrode 306 angeordnet werden. Darauf folgt das Ätzen des
Hohlraums 307, und die Opferschicht wird gleichzeitig mit der
Schicht 303 entfernt. Auch diese Verfahren sind dem Fachmann
bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.
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Wie
zuvor angemerkt, sind die Ventilationselemente 304, 312 nützlich beim
Bereitstellen eines Druckausgleichs. Wie dem Durchschnittsfachmann bekannt
ist, sind die Hohlräume 305, 307 vorgesehen,
dass die Membranen der Mikrofone 201, 202 in Reaktion
auf mechanische Vibrationen (Schallwellen) vibrieren können. Wenn
sich der Umgebungsdruck ändert
und der Druck in den Hohlräumen
unverändert
bleibt, so kann der Frequenzgang der Mikrofone 201, 202 beeinträchtigt werden.
Wenn darüber
hinaus der Druck zu schnell auf den Umgebungsdruck ausgeglichen
wird, so kann der Frequenzgang der Mikrofone 201, 202 am
unteren (Frequenz-)Ende beeinträchtigt
werden. Insofern ist ein vergleichsweise langsamer Druckausgleich
auf den Umgebungsdruck wünschenswert
und unterstützt
einen gewünschten
Frequenzgang bzw. Frequenzresponse. Insbesondere fungieren die Ventilationselemente 304, 312 als
Ablasslöcher,
die es ermöglichen,
dass der Druckausgleich vergleichsweise langsam vonstatten geht.
Wie dem Fachmann einleuchtet, wird die Größe der Öffnung der Ventilationselemente 304, 312 so
gewählt,
dass ein zweckmäßiger mechanischer
Frequenzabfall für
die Mikrofone für
den speziellen Anwendungszweck der Mikrofone ermöglicht wird.
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Die
Verwendung von Halbleitern für
das Substrat 301 erleichtert auch die Integration der Vorrichtung 200 in
Unterstützungsschaltungen
oder nichtzugehörige
Schaltungen, oder beides. Unter anderem sind die Schaltungen und
Komponenten, die für
eine gemeinsame Anordnung auf dem Substrat 301 in Betracht
gezogen werden, die Komponenten, die zur Signalverarbeitung, einschließlich der
Rauschunterdrückung,
benötigt
werden. Das heißt,
es können
viele Komponenten, die in Verbindung mit den 1A und 1B beschrieben
wurden und die zur Signalverarbeitung benötigt werden, aus dem Substrat 301 hergestellt
werden. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform die Mikrofon-Steuereinheit 107 ein
ASIC. Gemäß den hier
dargelegten Lehren kann der ASIC aus dem Substrat 301 hergestellt
werden, wodurch eine Einzel-"Chip"-Mikrofonvorrichtung
bereitgestellt wird, die eine Mehrzahl von Mikrofonen, eine Steuerung
der Mikrofone 201, 202 und eine Signalverarbeitungsfähigkeit
enthält,
wie es zum Beispiel in Verbindung mit den 1A und 1B beschrieben
wurde. Eine solche Vorrichtung kann mittels bekannter Verfahren
weiter verkapselt oder gepackaged werden, um eine Mikrofonvorrichtung
mit Signalverarbeitungsfähigkeit
in einem einzelnen Gehäuse
oder Package bereitzustellen.
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Alternativ
kann die Mikrofonvorrichtung 200 in dem Substrat 301 instanziiert
werden, und die Signalverarbeitungsschaltungen (und optional weitere Schaltungen)
können
in einem (nicht gezeigten) zweiten Substrat instanziiert werden.
Diese beiden Chips können
dann mittels bekannter Verfahren verkapselt oder gepackaged werden.
Somit kann die Funktionalität
der Komponenten, die in Verbindung mit den Ausführungsformen der 1A und 1B beschrieben
wurden, in einem einzigen Gehäuse
untergebracht werden.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer Mikrofonvorrichtung 400 gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform.
Die Mikrofonvorrichtung 400 hat gemeinsame Merkmale mit
der Mikrofonvorrichtung 200, die in Verbindung mit den
exemplarischen Ausführungsformen
zuvor beschrieben wurde. Des Weiteren kann die Mikrofonvorrichtung 400 in
den elektronischen Vorrichtungen 100, 106 implementiert werden.
Viele gemeinsame Details werden weggelassen, um die Beschreibung
der hier besprochenen Ausführungsform
nicht in den Hintergrund treten zu lassen.
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Die
Mikrofonvorrichtung 400 enthält ein Gehäuse (oder Package) 401,
das um ein erstes Mikrofon 402 und ein zweites Mikrofon 403 herum
angeordnet ist. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Gehäuse 401 ein
Polymermaterial (zum Beispiel ein Kunststoffmaterial) sein, das
sich zur Verwendung bei der Verkapselung von Halbleiterchips eignet.
In einer anderen exemplarischen Ausführungsform kann das Gehäuse 401 ein
Mikrokappengehäuse
gemäß den oben
zitierten Patenten sein.
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Das
erste Mikrofon 402 und das zweite Mikrofon 403 weisen
jeweils FBA-Strukturen auf, die wie gezeigt über dem Substrat 404 angeordnet
sind. Alternativ kann jedes Mikrofon 402, 403 über einem jeweiligen
Substrat angeordnet sein. Insofern kann ein einzelnes (nicht gezeigtes)
Gehäuse über jedem Substrat
der einzelnen Mikrofone 402, 403 angeordnet sein.
Die einzelnen Gehäuse
für jedes
der Mikrofone 402, 403 können Polymergehäuse oder
Mikrokappengehäuse
sein, wie in Verbindung mit dem Gehäuse 401 besprochen.
Alternativ kann ein einziges Gehäuse
(zum Beispiel ein in geeigneter Weise modifiziertes Gehäuse 401)
für beide
Mikrofone 402, 403 bereitgestellt werden.
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Hohlräume 405 und 406 sind
in dem Substrat 403 und unter jeweiligen FBA-Strukturen
der Mikrofone 402, 403 angeordnet. Außerdem können (nicht gezeigte)
Ventilationselemente vorgesehen sein, um einen zweckmäßigen Druckausgleich
zu unterstützen.
In den hier besprochenen Ausführungsformen können die
Ventilationselemente zum Beispiel ähnlich dem Ventilationselement 304 sein
und werden mittels ähnlicher
Verfahren hergestellt.
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In
der hier besprochenen exemplarischen Ausführungsform sind das erste und
das zweite Mikrofon 402, 403 im Wesentlichen identisch,
was die Herstellung vereinfacht. Jedoch können die Mikrofone 402, 403 auch
mit einem oder beiden der ersten und zweiten Mikrofone 201, 202,
die zuvor beschrieben wurden, im Wesentlichen identisch sein. Darum sind
die Mikrofone 402, 403 ohne direktionale (oder gerichtete)
akustische Isolation beide eingerichtet, Audiosignale aus mehr als
einer Richtung zu empfangen. Es versteht sich, dass es in bestimmten
Anwendungen nützlich
ist, eine direktionale (oder gerichtete) Isolation für eines
oder beide der Mikrofone 402, 403 vorzusehen.
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In
der hier beschriebenen Ausführungsform ermöglicht das
Gehäuse 401 selektiv
direktionalen Empfang mittels entsprechender Entkopplung oder Isolation
des ersten und des zweiten Mikrofons 402, 403.
Das erste Mikrofon 402 ist eingerichtet, Audiosignale von
einer ersten Seite oder aus einer ersten Richtung 407 zu
empfangen, und ist im Wesentlichen von Audiosignalen entkoppelt
oder isoliert, die von einer zweiten Seite oder aus einer zweiten
Richtung 408 ausgehen. Im Gegensatz dazu ist das zweite
Mikrofon 403 eingerichtet, Audiosignale von der zweiten
Seite oder aus der zweiten Richtung 408 zu empfangen, und
ist im Wesentlichen von Audiosignalen entkoppelt, die aus der ersten
Richtung 407 ausgehen.
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Eine
Entkopplung des ersten Mikrofons 402 von Audiosignalen
aus der zweiten Richtung 408 wird mittels einer ersten
Wand 409 des Gehäuses 401 bewerkstelligt;
und der Empfang von Audiosignalen aus der ersten Richtung 407 mittels
des ersten Mikrofons 402 wird durch eine Öffnung 410 in
dem Gehäuse 401 unterstützt. Gleichermaßen wird
eine Entkopplung des zweiten Mikrofons 403 von Audiosignalen aus
der ersten Richtung 407 mittels einer zweiten Wand 411 des
Gehäuses 401 bewerkstelligt;
und der Empfang von Audiosignalen aus der zweiten Richtung 408 mittels
des zweiten Mikrofons 403 wird mittels einer Öffnung 412 in
dem Gehäuse 401 unterstützt.
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Wie
in Verbindung mit den Ausführungsformen
der 2 und 3 beschrieben,
kann das Substrat, das für
die Mikrofonvorrichtung benutzt wird, dafür verwendet werden, andere
Schaltungen, wie zum Beispiel Signalverarbeitungsschaltungen, bereitzustellen.
Insofern wird eine verkapselte Mikrofonvorrichtung mit integrierten
Signalverarbeitungsschaltungen durch die in 4 gezeigte
exemplarische Ausführungsform
möglich.
Des Weiteren kann die Mikrofonvorrichtung 400 das Substrat 404 umfassen,
und ein (nicht gezeigtes) anderes Substrat kann die Signalverarbeitungsschaltungen
aufweisen. Diese Substrate können
dann in dem Gehäuse
oder Package 401 angeordnet werden, und somit können eine
Mikrofonvorrichtung und Signalverarbeitungsschaltungen in einer
Verkapselung (gepackaged) bereitgestellt werden.
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Das
erste und das zweite Mikrofon 402, 403 können ebenfalls
mittels einer Sperre oder Barriere 413 voneinander entkoppelt
oder isoliert sein. Die Sperre 413 kann aus dem Material
gebildet sein, das für
das Gehäuse 401 verwendet
wird, obgleich auch andere Materialien verwendet werden können. Die Sperre 413 vermeidet
zweckmäßigerweise,
dass akustische Energie zwischen den Mikrofonen 402, 403 übertragen
wird. Eine zusätzliche
Entkopplung kann dadurch realisiert werden, dass ein Spalt oder eine
Unterbrechung (nicht gezeigt) in einer piezoelektrischen Schicht 414 angeordnet
wird.
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In
Verbindung mit exemplarischen Ausführungsformen werden piezoelektrische
Mikrofone und Verfahren zur Herstellung der Mikrofone beschrieben.
Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass viele Variationen,
die mit den hier besprochenen Lehren im Einklang stehen, möglich sind
und innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche liegen. Diese und weitere
Variationen würden
dem Durchschnittsfachmann nach dem Studium der Beschreibung, der
Zeichnungen und der Ansprüche
des vorliegenden Textes einfallen. Die Erfindung darf darum auf
keine andere Weise eingeschränkt
werden als durch den Geist und Geltungsbereich der angehängten Ansprüche.