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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Mikrofon und insbesondere ein Mikrofon, das ein Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) verbessern kann, indem ein Schalldruck durch wenigstens zwei akustische Erfassungsmodule empfangen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mikrofone sind in einem weitverbreiteten Maß in mobilen Einrichtungen, akustischen Einrichtungen, Fahrzeugen oder dergleichen verwendet worden und erfassen einen Schall, d.h. eine Schallwelle, und wandeln den Schall in einen physikalischen Wert oder einen elektrischen Wert um. Das umgewandelte Signal wird verarbeitet, um ein Signal zu sein, welches von einer Person oder einer Maschine wahrgenommen werden kann.
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Da das Mikrofon ein natürliches Signal, wie beispielsweise die Schallwelle, empfängt, wird für eine Signalumwandlung eine analoge Signalverarbeitung essenziell ausgeführt. Die Leistungsfähigkeit einer Schaltung zum Verarbeiten eines analogen Signals kann direkt die Gesamtqualität des Mikrofons beeinflussen. Insbesondere empfängt das Mikrofon einen breiten Frequenzbereich eines Signals als Folge von seinen Charakteristiken und deshalb sind Rauschcharakteristiken sehr wichtig.
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Das Mikrofon weist einen dünnen Film auf, auf den als Folge des Schalldrucks ein Druck ausgeübt wird und somit ein Intervall zwischen zwei Elektroden verändert wird. Da die Kapazität verändert wird, wandelt das Mikrofon infolgedessen einen Veränderungsbetrag der Kapazität in einen Spannungsausgang unter Verwendung eines Puffers um und gibt ein digitales Signal aus. Das typische Mikrofon empfängt ein einzelnes Eingangssignal und wandelt deshalb Energieversorgungsrauschen und Rauschen, das in einer Vorspannung enthalten ist, durch den Puffer um, so wie sie sind, so dass eine Empfindlichkeit des Mikrofons absinken kann. Infolgedessen kann ein Mikrofon mit hoher Empfindlichkeit ungeeignete Eigenschaften aufzeigen.
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Ferner ist ein Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) des existierenden Mikrofons, welches bei einem Fahrzeug angewendet wird, nicht gut, sodass die Unzufriedenheit der Kunden mit einer Spracherkennungsrate oder den Freihandeigenschaften zugenommen hat.
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Man kennt in diesem Zusammenhang aus der
US 5 381 473 A eine Vorrichtung zur Verringerung von akustischen Hintergrundgeräuschen zur Verwendung mit einem Telefonhörer , einer Bügelmikrofonvorrichtung oder dergleichen. Die Vorrichtung umfasst ein erstes und ein zweites Mikrofon, die so angeordnet sind, dass das erste Mikrofon eine gewünschte Spracheingabe und die in der Nähe der Sprache vorhandenen Hintergrundgeräusche empfängt und das zweite Mikrofon im Wesentlichen nur die Hintergrundgeräusche empfängt. Das Hintergrundgeräusch des zweiten Mikrofons wird in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und von einem Signal subtrahiert, das der Sprache und dem Hintergrundgeräusch entspricht, das vom ersten Mikrofon erhalten wird, um dem ersten Mikrofon erhaltenen Signal subtrahiert, so dass ein Signal entsteht, das im Wesentlichen die Sprache repräsentiert.
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Die US 2015 / 0 063 608 offenbart überdies eine Implementierung für ein Elektret in einem kapazitiven MEMS-Element mit einer druckempfindlichen Membran, die mit Standardmethoden der Halbleitertechnologie hergestellt werden kann, um eine einfache Integration in den Herstellungsprozess von MEMS-Halbleiterelementen zu ermöglichen. Solche MEMS-Elemente enthalten mindestens eine druckempfindliche Membran mit mindestens einer auslenkbaren Membranelektrode eines Kondensatorsystems zur Signaldetektion und ein feststehendes druckunempfindliches Gegenelement mit mindestens einer Gegenelektrode dieses Kondensatorsystems, wobei mindestens eine Elektrode des Kondensatorsystems mit einem elektrisch geladenen Elektret versehen ist, so dass zwischen den beiden Elektroden des Kondensatorsystems eine Potentialdifferenz besteht. Das Elektret umfasst mindestens zwei benachbarte Schichten aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind.
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Die obige Information, die in diesem Abschnitt über den Hintergrund der Erfindung offenbart ist, dient nur dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Offenbarung und kann deshalb Information enthalten, die nicht den Stand der Technik bildet, der bereits in diesem Land für einen Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Ziel durchgeführt, ein Mikrofon bereitzustellen, welches ein Signal durch Empfangen eines Schalldrucks durch wenigstens zwei akustische Erfassungsmodule verarbeiten kann.
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Ferner ist die vorliegende Erfindung mit dem Ziel durchgeführt worden, ein Mikrofon bereitzustellen, das ein Ausgangssignal anheben und ein Signal-zu-Rauschverhältnis verbessern kann.
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Erfindungsgemäß wird ein Mikrofon bereitgestellt, umfassend: erste und zweite akustische Erfassungsmodule mit einer Membran, die durch einen von außen eingeleiteten Schalldruck vibriert wird, und eine feste Membran, die von der Membran beabstandet ist, und ein Signalverarbeitungsmodul, welches erste und zweite Kapazitätssignale von jedem der ersten und zweiten akustischen Erfassungsmodule empfängt und Rauschkomponenten, die in den ersten und zweiten Kapazitätssignalen enthalten sind, entfernt und ausgibt, und zwar auf Grundlage der ersten und zweiten Kapazitätssignale.
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Das Signalverarbeitungsmodul umfasst einen, der die ersten und zweiten Kapazitätssignale verstärkt und die in den ersten und zweiten Kapazitätssignalen enthaltenen Rauschkomponenten entfernt, um ein Ausgangssignal auszugeben.
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Überdies umfasst der Verstärker: einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss, der mit dem ersten akustischen Erfassungsmodul verbunden ist und das erste Kapazitätssignal einschließlich Rauschkomponenten von dem ersten akustischen Erfassungsmodul empfängt, einen invertierenden Eingangsanschluss, der mit dem zweiten akustischen Erfassungsmodul verbunden ist und das zweite Kapazitätssignal einschließlich Rauschkomponenten von dem zweiten akustischen Erfassungsmodul empfängt, und einen Ausgangsanschluss, der die in den ersten und zweiten Kapazitätssignalen enthaltenen Rauschkomponenten entfernt und die ersten und zweiten Kapazitätssignale verstärkt, um ein Ausgangssignal auszugeben.
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Dabei wird jedes der ersten und zweiten Kapazitätssignale kann durch Empfindlichkeiten oder Kapazitäten der ersten und zweiten akustischen Erfassungsmodule, einen Schalldruck, ein Rauschen oder eine Vorspannung bestimmt.
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Die Empfindlichkeit des ersten akustischen Erfassungsmoduls und die Empfindlichkeit des zweiten akustischen Erfassungsmoduls können gleich zueinander sein, und die Kapazität des ersten akustischen Erfassungsmoduls und die Kapazität des zweiten akustischen Erfassungsmoduls können gleich zueinander sein.
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Das Ausgangssignal kann durch Ausführen einer Subtraktionsoperation mit dem ersten Kapazitätssignal und dem zweiten Kapazitätssignal erzeugt werden.
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Eine andere Ausbildung der vorliegenden Offenbarung stellt ein Mikrofon bereit, umfassend: erste und zweite akustische Erfassungsmodule, die erste und zweite Kapazitätssignale für eine durch einen von außen eingeleiteten Schalldruck veränderte Kapazität ausgeben, und ein Signalverarbeitungsmodul, das die ersten und zweiten Kapazitätssignale von jedem der ersten und zweiten akustischen Erfassungsmodule empfängt und einen Verstärker einschließt, der die ersten und zweiten Kapazitätssignale verstärkt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, wobei der Verstärker einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss, der elektrisch mit den ersten akustischen Erfassungsmodul verbunden ist und das erste Kapazitätssignal von dem ersten akustischen Erfassungsmodul empfängt, einen invertierenden Eingangsanschluss, der mit dem zweiten akustischen Erfassungsmodul elektrisch verbunden ist und das zweite Kapazitätssignal von dem zweiten akustischen Erfassungsmodul empfängt, und einen Ausgangsanschluss, der die Rauschkomponenten, die in den ersten und zweiten Kapazitätssignalen enthalten sind, entfernt und die ersten und zweiten Kapazitätssignale, von denen die Rauschkomponenten entfernt sind, verstärkt und ausgibt, umfassen.
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Gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, das von außen eingeleitete Rauschen durch Empfangen des Schalldrucks durch die wenigstens zwei akustischen Erfassungsmodule zu entfernen.
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Ferner ist es gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Offenbarung möglich die Spracherkennungsrate oder die Freihandeigenschaften dadurch zu verbessern, dass das Ausgangssignal angehoben wird und das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert wird.
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Ferner werden die Effekte, die durch die beispielhafte Ausbildung der vorliegenden Offenbarung erhalten oder vorhergesagt werden können, direkt oder implizit in der ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausbildungen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Das heißt, verschiedene Effekte, die durch die beispielhaften Ausbildungen der vorliegenden Offenbarung vorhergesagt werden, werden in der ausführlichen Beschreibung, die nun folgt, offenbart.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Diagramm, welches schematisch ein Mikrofon darstellt;
- 2 ein Diagramm, das ein erstes akustisches Erfassungsmodul darstellt;
- 3 ein Schaltungsdiagramm, das das Mikrofon darstellt; und
- 4 ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis des Mikrofons darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird ein Betriebsprinzip eines Mikrofons gemäß einer beispielhaften Ausbildung der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Jedoch beziehen sich die folgenden dargestellten Zeichnungen und die ausführliche Beschreibung, die nun folgt, auf eine beispielhafte Ausbildung von mehreren beispielhaften Ausbildungen zum effektiven Beschreiben von Merkmalen der vorliegenden Offenbarung. Deshalb ist die vorliegende Offenbarung auf nur die folgenden Zeichnungen und die Beschreibung nicht beschränkt.
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Bei der Beschreibung von beispielhaften Ausbildungen der vorliegenden Offenbarung werden altbekannte Funktionen oder Konstruktionen nicht ausführlich beschrieben, da sie unnötig das Verständnis der vorliegenden Offenbarung verschleiern können. Ferner werden die folgenden Terminologien im Hinblick auf die Funktionen in der vorliegenden Offenbarung definiert und können in vielerlei Vorgehensweisen durch die Absicht von Benutzern und Operatoren oder in der Praxis konstruiert werden. Deshalb sollten die Definitionen davon auf Grundlage der Inhalte überall in der Beschreibung interpretiert werden.
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Zum effizienten Beschreiben der technischen Kernmerkmale der vorliegenden Offenbarung werden ferner Ausdrücke in geeigneter Weise verändert, integriert oder getrennt in den folgenden beispielhaften Ausbildungen verwendet, um von einem Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet klar verstanden zu werden, aber die vorliegende Offenbarung ist natürlich nicht darauf beschränkt.
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Nachstehend wird eine beispielhafte Ausbildung der vorliegenden Offenbarung mit Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Diagramm, welches schematisch ein Mikrofon darstellt.
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Bezugnehmend auf 1 umfasst ein Mikrofon 50 ein erstes akustisches Erfassungsmodul 100, ein zweites akustisches Erfassungsmodul 200, und ein Signalverarbeitungsmodul 300.
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Das erste akustische Erfassungsmodul 100 und das zweite akustische Erfassungsmodul 200 werden durch einen Schalldruck in Abhängigkeit von einem akustischen Signaleingang von außen vibriert (in Schwingungen versetzt), um ein elektrisches Signal zu erzeugen.
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Das erste akustische Erfassungsmodul 100 und das zweite akustische Erfassungsmodul 200 können ein akustisches Erfassungsmodul unter Verwendung einer Technologie von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) sein.
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Das erste akustische Erfassungsmodul 100 und das zweite akustische Erfassungsmodul 200 umfassen eine feste Membran 160 und eine Membran 130, die einen Kondensator bilden. Wenn der Schalldruck in Abhängigkeit von dem akustischen Signal auf die Membran 130 von außen angewendet wird, wird ein Intervall zwischen der feste Membran 160 und der Membran 130 verändert und dementsprechend wird eine Kapazität des Kondensators verändert. In diesem Fall gibt das erste akustische Erfassungsmodul 100 und das zweite akustische Erfassungsmodul 200 ein sich änderndes Kapazitätssignal an das Signalverarbeitungsmodul 300 ab.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Aufbau des ersten akustischen Erfassungsmoduls 100 beschrieben.
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Das Signalverarbeitungsmodul 300 ist mit dem ersten akustischen Erfassungsmodul 100 und dem zweiten akustischen Erfassungsmodul 200 verbunden. Das Signalverarbeitungsmodul 300 empfängt ein erstes Kapazitätssignal von dem ersten akustischen Erfassungsmodul 100 und empfängt ein zweites Kapazitätssignal von dem zweiten akustischen Erfassungsmodul 200. Das Signalverarbeitungsmodul 300 verstärkt das erste Kapazitätssignal und das zweite Kapazitätssignal und gibt diese aus und kann deshalb den Schalldruck von außen erfassen.
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Das Signalverarbeitungsmodul 300 kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) sein.
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Das Signalverarbeitungsmodul 300 wird mit näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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2 ist ein Diagramm, das ein erstes akustisches Erfassungsmodul zeigt.
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Bezugnehmend auf 2 umfasst das erste akustische Erfassungsmodul 100 ein Substrat 110, eine Membran (ein Diaphragma) 130 und die feste Membran 160.
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Das Substrat 110 kann aus Silizium gebildet sein und ist mit einem Durchloch 115 versehen.
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Ein Oxidfilm 120 ist auf dem Substrat 110 aufgebracht. D.h., der Oxidfilm 120 kann zwischen dem Substrat 110 und der Membran 130 angeordnet sein.
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Die Membran 130 ist auf dem Oxidfilm 120 angeordnet und deckt das auf dem Substrat 110 gebildete Durchloch 115 ab. Ein Abschnitt der Membran 130 ist durch das Durchloch 115 freigelegt und der Abschnitt der Membran 130, der durch das Durchloch 115 freigelegt ist, wird durch den von außen eingeleiteten Schalldruck in Schwingungen versetzt (vibriert).
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Die Membran 130 kann eine kreisförmige Form aufweisen und umfasst eine Vielzahl von Schlitzen 135. Der Schlitz 135 ist auf dem Durchloch 115 angeordnet.
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Ein erster Anschlussflecken 140 ist auf der Membran 130 angeordnet. Der erste Anschlussflecken 140 ist mit dem Signalverarbeitungsmodul 300 verbunden.
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Eine Halteschicht 150 ist an einem Kantenabschnitt der Membran 130 angeordnet und hält bzw. stützt die feste Membran 160. Die Halteschicht 150 ist mit einem Kontaktloch 155 zur Freilegung des ersten Anschlussfleckens 140 versehen.
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Die feste Membran 160 ist von der Membran 130 beabstandet. Die feste Membran 160 umfasst eine Vielzahl von Lufteinlässen 165. Die feste Membran 160 ist fest auf der Halteschicht 150 angeordnet. Hierbei kann die feste Membran 160 aus Polysilizium oder Metall gebildet sein.
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Eine Luftschicht ist zwischen der festen Membran 160 und der Membran 130 gebildet. Die feste Membran 160 und die Membran 130 sind voneinander in einem vorgegebenen Abstand beabstandet. Der Schalldruck wird durch den Lufteinlass 165, der auf der festen Membran 160 gebildet ist, eingeleitet, um die Membran 130 zu stimulieren, sodass die Membran 130 in Schwingungen versetzt wird (vibriert wird). In diesem Fall wird das Intervall zwischen der feste Membran 160 und der Membran 130 verändert und die Kapazität zwischen der Membran 130 und der festen Membran 160 wird entsprechend geändert. Das so geänderte Kapazitätssignal wird an das Signalverarbeitungsmodul 300 über den ersten Anschlussflecken 140, der mit der Membran 130 verbunden ist, und einen zweiten Anschlussflecken 170, der mit der festen Membran 160 verbunden ist, ausgegeben.
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Der zweite Anschlussflecken 170 ist auf der festen Membran 160 angeordnet. Der zweite Anschlussflecken 170 ist mit dem Signalverarbeitungsmodul 300 verbunden.
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Zudem ist ein Aufbau des zweiten akustischen Erfassungsmoduls 200 der gleiche wie derjenige des in 2 beschriebenen ersten akustischen Erfassungsmoduls 100 und deshalb wird eine Beschreibung davon weggelassen.
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3 ist ein Schaltbild, das das Mikrofon darstellt.
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Bezugnehmend auf 3 kann das Signalverarbeitungsmodul ein Verstärker 300 sein, der die ersten und zweiten Kapazitätssignalen, die von dem ersten akustischen Erfassungsmodul 100 und dem zweiten akustischen Erfassungsmodul 200 eingegeben werden, verstärkt und ausgibt.
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Der Verstärker 300 umfasst einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss 320, einen invertierenden Eingangsanschluss 330 und einen Ausgangsanschluss 350.
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Der nicht-invertierende Eingangsanschluss 320 ist mit dem ersten akustischen Erfassungsmodul 100 verbunden und empfängt das erste Kapazitätssignal von dem ersten akustischen Erfassungsmodul 100.
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Das erste Kapazitätssignal kann durch wenigstens die Empfindlichkeit des ersten akustischen Erfassungsmoduls 100, oder einer Kapazität des ersten akustischen Erfassungsmoduls 100, oder einem Schalldruck, oder einem Rauschen oder einer Vorspannung bestimmt werden. In diesem Fall kann das Rauschen ein Rauschen sein, welches von außen erzeugt wird.
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D.h., das erste Kapazitätssignal kann durch die folgende Gleichung 1 bestimmt werden.
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In der obigen Gleichung 1 stellt ΔV1 das erste Kapazitätssignal da, k1 stellt eine Empfindlichkeitskonstante des ersten akustischen Erfassungsmoduls 100 dar, C1 stellt die Kapazität des ersten akustischen Erfassungsmoduls 100 dar, VN stellt das Rauschen, VB stellt die Vorspannung da und ΔPS stellt den Schalldruck dar.
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Der invertierende Eingangsanschluss 330 ist mit dem zweiten akustischen Erfassungsmodul 200 verbunden und empfängt das zweite Kapazitätssignal von dem zweiten akustischen Erfassungsmodul 200.
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Das zweite Kapazitätssignal kann durch wenigstens die Empfindlichkeit des zweiten akustischen Erfassungsmoduls 200 oder die Kapazität des zweiten akustischen Erfassungsmoduls oder einen Schalldruck oder Rauschen oder einer Vorspannung bestimmt werden.
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D.h., das zweite Kapazitätssignal kann durch die folgende Gleichung 2 bestimmt werden.
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In der obigen Gleichung 2 stellt ΔV2 das zweite Kapazitätssignal da, k2 stellt eine Empfindlichkeitskonstante des zweiten akustischen Erfassungsmoduls 200 dar, C2 stellt die Kapazität des zweiten akustischen Erfassungsmoduls 200 dar, VN stellt das Rauschen, VB stellt die Vorspannung da und ΔPS stellt den Schalldruck dar.
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Das erste Kapazitätssignal und das zweite Kapazitätssignal können Rauschkomponenten umfassen, wie sich den obigen Gleichungen 1 und 2 entnehmen lässt.
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Der Ausgangsanschluss 350 entfernt Rauschkomponenten, die in dem ersten Kapazitätssignal und dem zweiten Kapazitätssignal enthalten sind, und verstärkt das erste Kapazitätssignal und das zweite Kapazitätssignal ohne Rauschkomponenten, um ein Ausgangssignal auszugeben.
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Das Ausgangssignal kann durch die folgende Gleichung 3 bestimmt werden.
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In der obigen Gleichung 3, kann V0 das Ausgangssignal darstellen, ΔV1 kann das erste Kapazitätssignal darstellen und ΔV2 kann das zweite Kapazitätssignal darstellen.
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In diesem Fall verwenden das erste akustische Erfassungsmodul 100 und das zweite akustische Erfassungsmodul 200 das gleiche akustische Erfassungsmodul und deshalb kann die Kapazität des ersten akustischen Erfassungsmoduls 100 gleich zu derjenigen des zweiten akustischen Erfassungsmoduls 200 sein und die Empfindlichkeit des ersten akustischen Erfassungsmoduls 100 kann gleich zu derjenigen des zweiten akustischen Erfassungsmoduls 200 sein.
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Deshalb kann das Ausgangssignal durch die folgende Gleichung Ziffer vier bestimmt werden.
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In der obigen Gleichung 4, kann V0 das Ausgangssignal darstellen, k kann eine Anfangsempfindlichkeitskonstante darstellen, C0 kann eine Anfangskapazität darstellen, VB kann die Vorspannung darstellen und ΔPS kann den Schalldruck darstellen.
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Deshalb kann das Signalverarbeitungsmodul 300 Rauschkomponenten entfernen und das verstärkte Ausgangssignal ausgeben, wie mit der obigen Gleichung 4 bestätigt werden kann.
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4 ist ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis des Mikrofons 50 darstellt.
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Bezugnehmend auf 4 empfängt das Signalverarbeitungsmodul 300 ein erstes Kapazitätssignal 410 mit Rauschen von dem ersten akustischen Erfassungsmodul 100, und empfängt ein zweites Kapazitätssignal 420 von dem zweiten akustischen Erfassungsmodul 200 mit Rauschen. Das Signalverarbeitungsmodul 300 kann Rauschkomponenten aus dem ersten Kapazitätssignal 410 und dem zweiten Kapazitätssignal 420 entfernen und die Signale ohne Rauschkomponenten verstärken, um Ausgangssignale 430 und 440 auszugeben.
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Während diese Offenbarung in Verbindung damit beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische beispielhafte Ausbildungen angesehen wird, sei darauf hingewiesen, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausbildungen beschränkt ist, sondern dass im Gegenteil beabsichtigt ist, dass verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in den Grundgedanken und den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, abgedeckt werden.
