DE102020113974A1

DE102020113974A1 - Entlüftete akustische wandler und verwandte verfahren und systeme

Info

Publication number: DE102020113974A1
Application number: DE102020113974.8A
Authority: DE
Inventors: Peter C. Hrudey; Justin D. Crosby; Gokhan HATIPOGLU
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2020-12-03
Also published as: CN114531632B; CN112019982A; CN112019982B; CN114531632A

Abstract

Eine elektronische Vorrichtung weist einen akustischen Wandler mit einer akustischen Membran auf. Die Membran hat gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen. Ein vorderes Volumen ist benachbart zu der ersten Hauptfläche angeordnet. Ein hinteres Volumen ist benachbart zu der zweiten Hauptfläche angeordnet. Ein länglicher Kanal definiert eine barometrische Entlüftung und erstreckt sich von einem ersten Ende, das fluidisch mit dem vorderen Volumen gekoppelt ist, bis zu einem zweiten Ende, das fluidisch mit dem hinteren Volumen gekoppelt ist, wobei das vordere Volumen fluidisch mit dem hinteren Volumen gekoppelt ist. Der längliche Kanal kann ein hohes Aspektverhältnis (L/D) aufweisen, wodurch der Entlüftung eine beträchtliche Luftmasse bereitgestellt wird. Der längliche Kanal kann segmentiert sein, um einen Filter höherer Ordnung zu definieren. Zum Beispiel kann ein segmentierter Kanal eine Kaskade von sich wiederholenden akustischen Masseeinheiten und Einheiten zur akustischen Nachgiebigkeit aufweisen, wodurch der barometrischen Entlüftung zusätzliche Freiheitsgrade für die Abstimmung bereitgestellt werden.

Description

GEBIET
Diese Anmeldung und der hierin offenbarte Gegenstand (zusammenfassend als „Offenbarung“ bezeichnet) betreffen im Wesentlichen entlüftete akustische Wandler und damit verwandte Verfahren und Systeme. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, werden Entlüftungsanordnungen beschrieben, die konfiguriert sind, um eine komplexe akustische Impedanz in Bezug auf eine Vielzahl von elektroakustischen Wandlern und elektronischen Geräten, die solche Wandler enthalten, aufzuweisen. Beispiele elektroakustischer Wandler schließen Lautsprecherwandler und Mikrofonwandler ein, einschließlich beispielsweise MEMs-Mikrofonwandler.
HINTERGRUNDINFORMATIONEN
Im Allgemeinen stellt Schall (manchmal auch als „akustisches Signal“ bezeichnet) eine Vibration dar, die sich durch ein Trägermedium wie z. B. ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff ausbreitet. Ein elektroakustischer Wandler wiederum ist eine Vorrichtung, die konfiguriert ist, um eintreffenden Schall in ein elektrisches Signal umzuwandeln oder umgekehrt.
Im Laufe seiner Nutzungsdauer kann ein elektroakustischer Wandler einer Vielzahl von Umgebungsdrücken, z. B. barometrischen Drücken, ausgesetzt sein. Zum Beispiel kann eine elektronische Vorrichtung mit einem elektroakustischen Wandler von einem Benutzer in verschiedenen Höhenlagen (z. B. von etwa Meereshöhe bis zu hochalpinen Umgebungen) oder sogar unter Wasser (z. B. bei der Ausübung einer Wassersportart wie Schwimmen, Surfen, Rafting, Wakeboarding usw.) betrieben werden. Solche Variationen im Umgebungsdruck können zu einer Bewegung der Membran des Wandlers führen, was sich auf ein Ausgangssignal des Wandlers auswirkt. Und oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts oder einer bestimmten Änderungsrate kann eine solche Bewegung sogar den Wandler beschädigen.
Insbesondere kann großer Druckgradient, der über eine herkömmliche akustische Membran ausgeübt wird, die Membran in eine äußerste (oder innerste) Position der Verschiebung vorspannen. Bei einer Vorspannung durch eine externe Last kann der Betrieb des akustischen Wandlers, ob als Lautsprecher oder Mikrofon konfiguriert, negativ beeinflusst werden oder der Wandler kann ganz funktionsunfähig gemacht werden. Beispiele für negative Auswirkungen schließen akustische Verzerrungen oder eine unter der Norm liegende Amplitude (z. B. abgegebene oder erfasste Lautheit) ein.
KURZDARSTELLUNG
Die offenbarten akustischen Wandler schließen eine Membran und eine Entlüftung zum Druckausgleich über die Membran ein. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, ermöglichen bestimmte offenbarte Entlüftungsanordnungen den Ausgleich barometrischer Drücke (z. B. niederfrequente Schwankung oder langsame Druckänderungsraten) über die Membran, während der Druckausgleich bei höherfrequenten Druckschwankungen (z. B. in einer hörbaren Bandbreite) verhindert wird.
Die offenbarten Entlüftungen definieren einen Durchgang mit einer komplexen akustischen Impedanz. Einige Durchgänge mit einer komplexen akustischen Impedanz haben ein hohes Aspektverhältnis (z. B. ein Verhältnis von Länge zu effektivem Durchmesser zwischen etwa 1.000 und etwa 32.000 oder ein Verhältnis von Länge zu Querschnittsfläche zwischen etwa 1×10⁸ und etwa 2×10⁹), wodurch dem Durchgang eine große akustische Masse bereitgestellt wird und sich die Entlüftung wie eine akustische Induktivität verhält. Andere der nachstehend im Detail beschriebenen Durchgänge mit einer komplexen akustischen Impedanz sind segmentiert und definieren eine Vielzahl von akustischen Masseeinheiten, die neben einer entsprechenden Vielzahl von Einheiten zur akustischen Einhaltung angeordnet sind. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, kann eine akustische Masseeinheit als ein vergleichsweise schmaler Kanal und eine Einheit zur akustischen Nachgiebigkeit als ein vergleichsweise größerer Kanal oder eine Kammer angeordnet werden.
Die offenbarten Entlüftungen können sogenanntes „Leckrauschen“ oder „Leckagerauschen“ erheblich reduzieren. Leckagerauschen kann im Allgemeinen entstehen, wenn die Membran durch einen Luftstrom (oder ein anderes akustisches Medium) durch eine Entlüftung angeregt wird, insbesondere wenn der Strom die Membran innerhalb einer gewünschten Bandbreite (z. B. ein vom Menschen hörbares Band) anregt. Solches Leckagerauschen kann beispielsweise entstehen, wenn sich eine Entlüftung primär als akustischer Widerstand verhält. Im Gegensatz zu einer resistiven Entlüftung kann eine wie hierin beschriebene Entlüftung die Strömung durch die Entlüftung dämpfen, wenn sie Druckschwankungen (oder Schall) in einem gewünschten Frequenzband (z. B. zwischen etwa 20 Hz und etwa 20 kHz) ausgesetzt ist, und dennoch eine Strömung unter niederfrequenten oder langsamen Druckschwankungen (z. B. wie bei Änderungen des barometrischen Drucks) zulassen.
Folglich können offenbarte Entlüftungsanordnungen Leckrauschen reduzieren, die wesentlich zur In-Band-Geräuschleistung beitragen, und gleichzeitig einen Durchgang zum Druckausgleich über eine Membran bereitstellen. Somit können Wandler mit den offenbarten Entlüftungsanordnungen im Vergleich zu Wandlern mit einer überwiegend resistiven Entlüftungsanordnung verbesserte Signal-Rausch-Signale bereitstellen.
Ferner können die offenbarten Entlüftungsvorrichtungen externe Vorspannkräfte, die durch Änderungen des Umgebungsdrucks auf die Membran ausgeübt werden, reduzieren oder eliminieren. Darüber hinaus können reduzierte Vorspannkräfte ermöglichen, dass der Wandler eine geringere akustische Verzerrung bereitstellt und dass sich die Membran durch Vollhub-Auslenkungen über einen großen Bereich von Umgebungsdrücken bewegt. Somit können akustische Wandler mit offenbarten Entlüftungsanordnungen eine verbesserte abgegebene oder erkannte Lautheit über einen weiten Bereich von Umgebungsdrücken bereitstellen.
In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt hat eine elektronische Vorrichtung ein akustisches Wandlerelement mit einer akustischen Membran. Die Membran hat gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen. Ein vorderes Volumen wird neben der ersten Hauptfläche der Membran positioniert, und ein hinteres Volumen wird neben der zweiten Hauptfläche der Membran positioniert. Ein „länglicher Kanal“ definiert eine barometrische Entlüftung, die das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch verbindet. Der längliche Kanal erstreckt sich von einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem vorderen Volumen bis zu einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit dem hinteren Volumen. Gemäß einem Gesichtspunkt kann der längliche Kanal ein „segmentierter Kanal“ sein, der in eine Vielzahl von akustischen Masseeinheiten unterteilt ist, die nebeneinander mit einer entsprechenden Vielzahl von Einheiten zur akustischen Nachgiebigkeit angeordnet sind. In einem anderen Gesichtspunkt erstreckt sich der längliche Kanal kreisförmig vom ersten zum zweiten Ende.
Die barometrische Entlüftung kann konfiguriert sein, um den Druck zwischen dem vorderen Volumen und dem hinteren Volumen auszugleichen. Einige offenbarte elektroakustische Vorrichtungen schließen auch ein Substrat ein, das mit dem akustischen Wandlerelement gekoppelt ist. Das Substrat kann einen akustischen Anschluss definieren, der sich zu dem vorderen Volumen öffnet. In einem Gesichtspunkt definiert das Substrat ferner die barometrische Entlüftung.
In einigen Gesichtspunkten ist das Substrat ein erstes Substrat, und die elektroakustische Vorrichtung kann ein zweites Substrat einschließen. Zum Beispiel kann das erste Substrat auf das zweite Substrat montiert sein. Die elektroakustische Vorrichtung kann ferner eine integrierte Schaltungsvorrichtung einschließen, die auf dem zweiten Substrat montiert ist. Die integrierte Schaltungsvorrichtung und das akustische Wandlerelement können elektrisch miteinander gekoppelt sein. Das zweite Substrat kann eine elektrische Ausgangsverbindung einschließen, die mit der integrierten Schaltungsvorrichtung gekoppelt ist. Die elektroakustische Vorrichtung kann auch einen vertieften Deckel aufweisen, der über dem akustischen Wandlerelement, dem ersten Substrat und der integrierten Schaltungsvorrichtung liegt.
Die barometrische Entlüftung kann sich zum akustischen Anschluss, zum vorderen Volumen oder zu beiden öffnen.
Ein offenbartes Substrat kann eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Schichten einschließen. Eine Öffnung kann sich durch die Vielzahl der Schichten erstrecken, um den akustischen Anschluss zu definieren. Mindestens eine der Schichten kann ein entsprechendes Segment eines sinusförmigen Durchgangs definieren. Der sinusförmige Durchgang kann das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch koppeln, wodurch der längliche Kanal definiert wird. Der sinusförmige Durchgang kann mindestens eine Faltung einschließen.
Eine erste Schicht eines offenbarten Substrats kann ein entsprechendes erstes Segment des sinusförmigen Durchgangs definieren, und die zweite Schicht kann ein entsprechendes zweites Segment des sinusförmigen Durchgangs definieren. Das Substrat kann zudem eine Zwischenschicht aus Material einschließen, welche die erste Schicht und die zweite Schicht voneinander trennt. Die Zwischenschicht kann eine Öffnung definieren, die das erste Segment des sinusförmigen Durchgangs mit dem zweiten Segment des sinusförmigen Durchgangs fluidisch koppelt und damit eine Faltung im sinusförmigen Durchgang definiert.
Wie vorstehend erwähnt, kann ein offenbartes Substrat eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisen. Die zweite Schicht kann zwischen der ersten Schicht und der akustischen Membran angeordnet sein. Die zweite Schicht kann einen für Ätzung empfänglichen Opferisolator einschließen. Die zweite Schicht kann auch einen Ätzstopp einschließen, der eine Grenze einer Vertiefung definiert, die sich durch den Opferisolator erstreckt. Die Vertiefung kann einen entsprechenden Abschnitt des länglichen Kanals definieren.
In einem Gesichtspunkt kann sich der längliche Kanal von einer Position benachbart zu dem akustischen Anschluss, dem vorderen Volumen oder beiden zu einer Position benachbart zu dem hinteren Volumen erstrecken.
Das Substrat kann ein gewundenes Segment der barometrischen Entlüftung definieren. Das gewundene Segment kann sich zu dem vorderen Volumen hin öffnen. Das akustische Wandlerelement kann montierbar mit dem Substrat gekoppelt sein und kann eine Öffnung definieren, die mit dem gewundenen Segment der barometrischen Entlüftung ausgerichtet ist. Die Öffnung kann sich zum hinteren Volumen hin öffnen, wodurch die barometrische Entlüftung (und damit das vordere Volumen) mit dem hinteren Volumen durch das akustische Wandlerelement fluidisch gekoppelt wird.
Ein offenbartes akustisches Wandlerelement kann eine Rückplatte und einen Isolator einschließen, der zwischen der Membran und der Rückplatte angeordnet ist.
Ein offenbartes akustisches Wandlerelement kann eine erste Rückplatte und einen entsprechenden ersten Isolator einschließen, der zwischen der ersten Rückplatte und der Membran angeordnet ist. Das akustische Wandlerelement kann auch eine zweite Rückplatte und einen entsprechenden zweiten Isolator einschließen, der zwischen der zweiten Rückplatte und der Membran angeordnet ist. Die Membran kann zwischen der ersten Rückplatte und der zweiten Rückplatte angeordnet sein.
Ein offenbartes akustisches Wandlerelement kann eine erste und eine zweite Membran einschließen. Das akustische Wandlerelement kann auch eine Rückplatte, einen zwischen der Rückplatte und der ersten Membran angeordneten ersten Isolator und einen zwischen der zweiten Membran und der Rückplatte angeordneten zweiten Isolator einschließen. Zum Beispiel kann die Rückplatte zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet sein.
Eine offenbarte Membran kann einen piezoelektrischen Aktor einschließen. Ein akustisches Wandlerelement kann ein erstes Substrat einschließen, das einen entsprechenden offenen Anschluss definiert. Der piezoelektrische Aktor kann auf dem ersten Substrat montiert sein und sich über den offenen Anschluss des ersten Substrats erstrecken. Das akustische Wandlerelement kann auf einem zweiten Substrat montiert sein, das eine entsprechende akustische Öffnung definiert, wobei der offene Anschluss mit dem akustischen Anschluss ausgerichtet ist und der piezoelektrische Aktor sich über den ausgerichteten offenen Anschluss und den akustischen Anschluss erstreckt und eine Grenze dazwischen definiert.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt schließt eine elektronische Vorrichtung ein akustisches Wandlerelement mit einer beweglichen Membran ein. Die Membran hat gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen, und das akustische Wandlerelement definiert eine Öffnung, die neben der beweglichen Membran angeordnet ist. Ein Substrat ist mit dem akustischen Wandlerelement gekoppelt. Das Substrat definiert einen akustischen Anschluss, der zu dem akustischen Wandlerelement hin offen ist. Ein länglicher Durchgang erstreckt sich von einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem akustischen Anschluss zu einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit der Öffnung, wodurch eine barometrische Entlüftung definiert wird, die den akustischen Anschluss mit der Öffnung koppelt.
Das Substrat kann eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Schichten einschließen, und eine Öffnung kann sich durch die Vielzahl von Schichten erstrecken, um den akustischen Anschluss zu definieren. Mindestens eine der Schichten kann einen entsprechenden Kanal definieren, der ein Segment des Durchgangs definiert. Der Durchgang kann einen gewundenen Durchgang mit mindestens einer Faltung einschließen.
Die mindestens eine der Schichten kann eine erste Schicht und eine zweite Schicht einschließen. Die erste Schicht kann einen entsprechenden ersten Kanal definieren und die zweite Schicht kann einen entsprechenden zweiten Kanal definieren. Der erste Kanal und der zweite Kanal können fluidisch miteinander gekoppelt sein, wodurch eine Faltung in dem länglichen Durchgang definiert wird.
Die Vielzahl der nebeneinander liegenden Schichten kann eine erste und eine zweite Schicht einschließen. Die zweite Schicht kann zwischen der ersten Schicht und dem akustischen Wandlerelement angeordnet sein. Die zweite Schicht kann einen für Ätzung empfänglichen Opferisolator und einen Ätzstopp einschließen, der eine Grenze eines sich durch den Opferisolator erstreckenden Kanals definiert. Der Kanal kann einen entsprechenden Abschnitt des länglichen Durchgangs definieren.
Das akustische Wandlerelement kann eine Rückplatte und einen Isolator einschließen, der zwischen der Membran und der Rückplatte angeordnet ist.
Das akustische Wandlerelement kann eine erste Rückplatte und einen entsprechenden ersten Isolator einschließen, der zwischen der ersten Rückplatte und der Membran angeordnet ist. Das akustische Wandlerelement kann eine zweite Rückplatte und einen entsprechenden zweiten Isolator einschließen, der zwischen der zweiten Rückplatte und der Membran angeordnet ist. Die Membran kann zwischen der ersten Rückplatte und der zweiten Rückplatte angeordnet sein.
Die Membran des akustischen Wandlerelements kann eine erste Membran sein. Das akustische Wandlerelement kann auch eine Rückplatte und einen ersten Isolator einschließen, der zwischen der Rückplatte und der ersten Membran angeordnet ist. Das akustische Wandlerelement kann auch eine zweite Membran und einen zweiten Isolator einschließen, der zwischen der zweiten Membran und der Rückplatte angeordnet ist. Die Rückenplatte kann zwischen der ersten und der zweiten Membran angeordnet sein.
Die Membran des akustischen Wandlerelements kann einen piezoelektrischen Aktor einschließen. Die Membran kann auf dem Substrat montiert sein, und der piezoelektrische Aktor kann sich über den akustischen Anschluss erstrecken.
Ebenfalls offenbart sind zugehörige Computerumgebungen, die beschriebene Technologien enthalten können.
Das Vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile werden in der folgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erfolgt, deutlicher.
Figurenliste
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten und dieser Patentschrift verweisen, werden Gesichtspunkte der gegenwärtig offenbarten Prinzipien als Beispiel und nicht als Einschränkung dargestellt.

1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch ein Paket für einen akustischen Wandler, z. B. einen MEMS-Mikrofonwandler.
2 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsansicht durch ein Paket für einen akustischen Wandler mit einer akustisch resistiven barometrischen Entlüftung. 2 ist mit einem elektrischen Analog eines akustischen Pfades durch das Paket gekennzeichnet.
3 zeigt ein Diagramm, in dem der Beitrag mehrerer Rauschquellen zu dem gesamten akustischen Rauschen für einen verpackten Wandler wie in 2 verglichen wird.
4 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsansicht durch ein Paket für einen akustischen Wandler mit einer barometrischen Entlüftung, die eine komplexe akustische Impedanz aufweist. 4 ist mit einem elektrischen Analog eines akustischen Pfades durch das Paket gekennzeichnet.
5 zeigt ein Diagramm, in dem der Beitrag mehrerer Rauschquellen zu dem gesamten akustischen Rauschen für einen verpackten Wandler wie in 4 verglichen wird.
6 veranschaulicht eine isometrische Ansicht eines Substrats, das eine barometrische Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis definiert, die entlang der Linie A-A in 7 geschnitten ist.
7 veranschaulicht eine Draufsicht auf das in 6 gezeigte Substrat von oben.
8 veranschaulicht eine Draufsicht, von oben, eines akustischen Wandlers mit einem akustischen Wandlerelement, das wie in 6 und 7 auf einem Substrat montiert ist.
9 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines akustischen Wandlers wie in 8, geschnitten wie entlang der Linie A-A in 7.
10 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines anderen akustischen Wandlers, geschnitten wie entlang der Linie A-A in 7.
11 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines noch anderen akustischen Wandlers, geschnitten wie entlang der Linie A-A in 7.
12 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines noch anderen akustischen Wandlers, geschnitten wie entlang der Linie A-A in 7.
13 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines gepackten Mikrofonwandlers mit einem Paket-Substrat, das eine barometrische Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis enthält, geschnitten wie entlang der Linie A-A in 7.
14 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines gepackten Mikrofonwandlers mit einem Paket-Substrat, das eine darin strukturierte barometrische Entlüftung mit einem hohen Aspektverhältnis enthält, geschnitten wie entlang der Linie A-A in 7.
15 zeigt ein Diagramm der Filterreaktion für mehrere barometrische Entlüftungen mit hohem Aspektverhältnis (zweiter Ordnung), die durch ein Substrat (z. B. 6 bis 12) für einen akustischen Wandler definiert sind.
16 zeigt ein Diagramm der Filterreaktion für mehrere barometrische Entlüftungen mit hohem Aspektverhältnis, die durch ein Substrat (z. B. 13 und 14) für ein Paket für einen akustischen Wandler definiert sind.
17A und 17B zeigen eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines segmentierten Kanals, der eine barometrische Entlüftung definiert.
17C zeigt eine zweidimensionale Projektion der in 17A und 17B gezeigten segmentierten Kanäle auf eine Ebene.
18 zeigt einen elektrischen Schaltkreis analog zu einem akustischen Filter, der durch einen segmentierten Kanal definiert ist, der eine barometrische Entlüftung definiert.
19 zeigt eine perspektivische Ansicht eines segmentierten Kanals, der durch eine Kaskade von sechs sich wiederholenden Kanal- und Kammereinheiten definiert ist.
20 zeigt eine zweidimensionale Projektion des in 19 gezeigten segmentierten Kanals.
21A zeigt ein Diagramm, das den Niederfrequenz-Roll-off für mehrere verschiedene Ordnungen von akustischen Filtern zeigt, die jeweils durch einen entsprechenden segmentierten Kanal mit einer entsprechenden Kaskade von sich wiederholenden Kanal- und Kammereinheiten definiert sind. 21B zeigt eine Schwankung in dem Niederfrequenz-Roll-off für mehrere segmentierte Kanäle mit ähnlichen Kaskaden von sich wiederholenden Kanal- und Kammereinheiten, jedoch mit unterschiedlichen Abmessungen für jede Kaskade.
22A und 22B zeigen jeweilige Diagramme der Frequenz- und Phasenantwort für ein Mikrophon, das mit verschiedenen segmentierten Kanälen entlüftet ist.
23 zeigt eine perspektivische Ansicht eines segmentierten Kanals mit einer Kaskade von sich wiederholenden Kanal- und Kammereinheiten.
24 zeigt eine zweidimensionale Projektion des in 23 gezeigten segmentierten Kanals.
25 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren segmentierten Kanals mit einer Kaskade von sich wiederholenden Kanal- und Kammereinheiten.
26 zeigt eine zweidimensionale Projektion des in 25 gezeigten segmentierten Kanals.
27 zeigt ein Blockdiagramm einer Computerumgebung, die für die Implementierung offenbarter Technologien geeignet ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Prinzipien in Bezug auf entlüftete akustische Wandler und Wandlerpakete sowie damit verbundene Verfahren und Systeme unter Bezugnahme auf spezifische Merkmale beschrieben. Zum Beispiel beziehen sich bestimmte Prinzipien auf barometrische Entlüftungen für Wandlerelemente, und andere Prinzipien beziehen sich auf barometrische Entlüftungen für Wandlerpakete. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, beziehen sich bestimmte Gesichtspunkte auf Entlüftungen, die eine komplexe akustische Impedanz zum Ausgleich des Drucks über akustische Membranen haben. Die im Zusammenhang mit spezifischen Konfigurationen beschriebenen Entlüftungen sind nur besondere Beispiele für in Betracht gezogene Entlüftungsanordnungen, die als geeignete illustrative Beispiele für offenbarte Prinzipien gewählt wurden. Nichtsdestotrotz können eines oder mehrere der offenbarten Prinzipien in verschiedene andere Anordnungen von akustischen Wandlern, Modulen und Systemen integriert werden, um eine beliebige aus einer Vielzahl von entsprechenden Systemeigenschaften zu erreichen.
Somit können entlüftete akustische Wandler, Module und Systeme (und damit verbundene Techniken) mit Eigenschaften, die sich von den hierin erörterten spezifischen Beispielen unterscheiden, ein oder mehrere derzeit offenbarte Prinzipien verkörpern und in Anwendungen eingesetzt werden, die hierin nicht ausführlich beschrieben sind. Dementsprechend können auch solche alternative Ausführungsformen in den Umfang dieser Offenbarung fallen.
Überblick
Ein Lautsprecher kann ein akustisches Signal in einem Trägermedium aussenden, indem er eine akustische Membran in Schwingung versetzt oder bewegt, um eine Druckschwankung oder eine andere Schwingung in dem Trägermedium zu induzieren oder anderweitig hervorzurufen. Zum Beispiel kann ein elektromagnetischer Lautsprecher, der als Direktstrahler angeordnet ist, in einer Spule (z. B. ein um eine Spule gewickelter Draht), die an einer Membran befestigt ist, einen zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss induzieren. Die Spule kann einem Magnetfeld ausgesetzt sein, z. B. einem Magnetfeld eines Permanentmagneten, und eine resultierende Kraft zwischen dem von der Spule ausgehenden Magnetfluss und dem Magnetfeld bzw. den Magnetfeldern kann die Spule und damit die Membran in Bewegung setzen.
Umgekehrt kann ein Mikrofonwandler konfiguriert sein, um ein eingehendes akustisches Signal beispielsweise in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Eine akustische Membran eines Mikrofonwandlers, z. B. eines MEMs-Mikrofonwandlers, kann vibrieren, sich bewegen oder auf andere Weise auf eine Druckschwankung reagieren, die durch ein umgebendes oder angrenzendes Trägermedium empfangen wird. Eine Bewegung der Membran kann eine entsprechende Reaktion in einer elektrischen Komponente auslösen. Beispielsweise kann die Bewegung einer Membran in einem kapazitiven MEMs-Mikrofon eine Kapazität der Vorrichtung verändern, wodurch ein beobachtbares, zeitlich variierendes Spannungssignal in einer elektrischen Schaltung verursacht wird. Als weiteres Beispiel kann die Bewegung einer piezoelektrischen Membran aufgrund einer piezoelektrischen Reaktion auf die Bewegung ein zeitlich variierendes elektrisches Signal erzeugen. Eine mit jeder Art von Mikrofonwandlern erzeugte zeitlich variierende elektrische Reaktion kann zur nachfolgenden Verarbeitung in eine maschinenlesbare Form umgewandelt (z. B. digitalisiert) werden.
Somit kann ein elektroakustischer Wandler (manchmal einfach als „akustischer Wandler“ bezeichnet) in Form eines Lautsprechers ein eingehendes Signal (z. B. ein elektrisches Signal) in Schall umwandeln, während ein akustischer Wandler in Form eines Mikrofons eingehenden Schall in ein elektrisches (oder anderes) Signal umwandeln kann. Wie hierin verwendet, kann sich der Begriff „Audiosignal“ auf eine elektrische Reaktion (z. B. ein analoges oder digitales Signal) beziehen, die Audioinformationen oder -daten trägt, die in Ton umgewandelt werden können oder die aus Ton umgewandelt wurden.
Ein akustischer Wandler kann auf einem Substrat (oder Chassis) montiert und von einem Gehäuse (oder Deckel) abgedeckt oder eingeschlossen sein, um eine umschlossene akustische Kammer zu definieren, die teilweise durch die Membran begrenzt ist. Mit einer solchen Anordnung kann die Membran eine akustische Reaktion in der Kammer induzieren, wenn die Membran Schallenergie abgibt oder empfängt.
Bezugnehmend auf 1, 2 und 4 werden Komponentenpakete, z. B. für Mikrofonwandler, veranschaulicht und kurz beschrieben. In 1 hat das Komponentenpaket 100 ein Substrat 102, das eine erste Hauptfläche 104 und eine gegenüberliegende zweite Hauptfläche 106 definiert. Das Substrat 102 definiert auch mindestens eine Öffnung 101a, die sich durch das Substrat von der ersten Hauptfläche 104 zu der zweiten Hauptfläche 106 erstreckt, wodurch eine Schalleintrittsöffnung 101 (manchmal auch als akustische Öffnung bezeichnet) durch das Substrat 102 definiert wird. Ein Mikrofonwandler 103 ist montierbar mit dem Substrat 102 auf der ersten Hauptfläche 104 gekoppelt und hat eine schallempfindliche Membran (z. B. wie in 2 und 4), die akustisch mit der durch das Substrat definierten Schalleintrittsöffnung 101 gekoppelt ist, wodurch der Schall in ein vorderes, teilweise durch den Mikrofonwandler begrenztes Volumen eindringen kann. Ein Deckel 109, der auf dem Substrat 102 montiert ist, liegt über dem Mikrofonwandler 103 und definiert ein hinteres Volumen 112.
Ein Druckgradient zwischen dem vorderen Volumen 110 und dem hinteren Volumen 112 kann eine Vorspannkraft auf die Membran ausüben. Einige offenbarte elektroakustische Vorrichtungen 103 und Wandlerelemente 107 sind barometrisch entlüftet, z. B. um den barometrischen Druck auf gegenüberliegenden Seiten der Membran auszugleichen. Als Alternative sind einige Wandlerpakete 100 barometrisch entlüftet, z. B. um den barometrischen Druck auf gegenüberliegenden Seiten der Membran auszugleichen.
Solche entlüfteten Wandler und Pakete können eine Bewegung der Membran aufgrund von Schwankungen des Umgebungsdrucks abschwächen oder eliminieren und somit Auswirkungen von Änderungen des Umgebungsdrucks auf den Wandlerausgang abschwächen oder eliminieren. Darüber hinaus können entlüftete Wandler und Pakete eine Wahrscheinlichkeit von Schäden an dem Wandler aufgrund von Änderungen des Umgebungsdrucks abschwächen oder eliminieren.
In einigen Gesichtspunkten betreffen die hierin offenbarten Konzepte im Wesentlichen entlüftete akustische Wandler und verwandte Verfahren und Systeme. Einige offenbarte Konzepte beziehen sich auf Komponenten, die konfiguriert sind, um eine statische oder niederfrequente Druckdifferenz über eine akustische Membran auszugleichen. Als Beispiel haben einige offenbarte Wandler und Pakete eine Entlüftungsanordnung, die konfiguriert ist, um eine komplexe akustische Impedanz aufzuweisen. Einige Entlüftungen enthalten einen länglichen, gewundenen Durchgang, der ein vorderes Volumen eines Wandlers mit einem hinteren Volumen des Wandlers fluidisch koppelt, wodurch eine kompakte Anordnung für eine Entlüftung mit komplexer akustischer Impedanz bereitgestellt wird, die im Vergleich zu dem Querschnitt der Entlüftung oder sogar zu den Gesamtabmessungen des Wandlers oder des Pakets recht lang sein kann. Andere Entlüftungen enthalten einen segmentierten Durchgang mit einer Vielzahl von akustischen Masseneinheiten, die nebeneinander mit einer entsprechenden Vielzahl von Einheiten zur akustischen Nachgiebigkeit angeordnet sind, wodurch ein Filter höherer Ordnung bereitgestellt wird.
Erneut bezugnehmend auf 1 kann ein Mikrofonwandler 103 ein schallempfindliches Element 107 haben, das manchmal auch als „akustisches Wandlerelement“ bezeichnet wird. Der veranschaulichte Wandler 105 schließt auch ein Substrat 105 als Träger für das akustische Wandlerelement ein, z. B. auf dem das akustische Wandlerelement während der Herstellung gebildet wird. Das Substrat 105 definiert eine Schalleintrittsöffnung 105a, die das Eintreten von Schallwellen in das akustische Wandlerelement ermöglicht, z. B. von der Schalleintrittsöffnung 101 des Paketsubstrats 102.
Viele Konfigurationen von akustischen Wandlerelementen sind möglich, von denen einige nachfolgend beispielhaft beschrieben werden. Zum Beispiel kann der Mikrofonwandler 103 beispielsweise ein Mikrofon mit mikroelektromechanischem System (MEMS-Mikrofon) einschließen. Eine mit Abstand zu einer kapazitiven Rückplatte angeordnete flexible Membran stellt eine Anordnung eines akustischen Wandlerelements für ein MEMS-Mikrofon bereit, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass ein Mikrofonwandler jede Art von elektroakustischem Wandler sein kann, der Schall in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt, wie beispielsweise ein piezoelektrisches Mikrofon, ein dynamisches Mikrofon oder ein Elektret-Mikrofon.
In den schematischen Veranschaulichungen von MEMS-Mikrofonen in 2 und 4 schließt jedes schallempfindliche Element 207, 307 eine entsprechende Membran 220, 320 und eine Rückplatte 222, 322 ein, die montierbar mit einem Substrat 205, 305 gekoppelt ist. Jede Membran ist von der entsprechenden Rückplatte durch einen Abstandshalter distanziert, der einen entsprechenden Spalt zwischen der Membran und der Rückplatte definiert. In 2 und 4 kann jede der akustischen Membranen 220, 320 eine Grenze zwischen einem vorderen Volumen 210, 310 und einem hinteren Volumen 212, 312 definieren. Wenn Schall in ein vorderes Volumen eintritt, bilden sich entsprechende Druckgradienten zwischen dem vorderen Volumen 210, 310 und dem hinteren Volumen 212, 312, wodurch die jeweilige Membran 220, 320 gestört wird. Wenn sich eine Membran aufgrund des Schalls relativ zur entsprechenden Rückplatte bewegt, ändert sich die Kapazität des akustischen Wandlerelements in Übereinstimmung mit dem Schalldruckpegel. Die Kapazitätsänderungen können beobachtet werden, um ein elektrisches Signal entsprechend den Schwankungen des Schalldruckpegels zu erzeugen. Dieses elektrische Signal oder ein davon abgeleitetes Signal (z. B. nach Verarbeitung zum Digitalisieren oder zum Entfernen von Rauschen oder Echo) wird in der Fachsprache manchmal als Audiosignal bezeichnet.
Wie vorstehend erwähnt, können das vordere Volumen 210, 310 und das entsprechende hintere Volumen 212, 312 fluidisch miteinander gekoppelt sein, z. B. zum Druckausgleich zwischen dem hinteren Volumen und dem vorderen Volumen. Beispielsweise kann die Membran 220 perforiert sein, wie in 2 schematisch dargestellt. Eine solche Perforation kann eine akustisch resistive Entlüftung definieren, die das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch koppelt. Nichtsdestotrotz kann eine akustisch resistive Entlüftung ein erhebliches Maß an sogenanntem „Leckrauschen“ verursachen, z. B. wenn die Membran durch einen Luftstrom durch die Entlüftung angeregt wird, der durch Druckschwankungen mit einer Frequenz innerhalb eines gewünschten Frequenzbandes (z. B. menschlich hörbares Band) angetrieben wird.
Als eine Alternative kann, wie z. B. in 4 schematisch dargestellt, eine Entlüftung mit einer komplexen akustischen Impedanz das Leckrauschen erheblich reduzieren (5). Im Gegensatz zu einer resistiven Entlüftung kann eine Entlüftung mit komplexer akustischer Impedanz die Strömung durch die Entlüftung dämpfen, wenn sie Druckschwankungen (oder Schall) in dem gewünschten Frequenzband ausgesetzt ist, und kann dennoch eine Strömung unter niederfrequenten Druckschwankungen (z. B. wie bei Änderungen des barometrischen Drucks) ermöglichen. Obwohl 4 schematisch eine Entlüftung mit einer komplexen akustischen Impedanz über die Membran 320 veranschaulicht, sollte 4 nicht unbedingt so interpretiert werden, dass die Entlüftung durch die Membran verlaufen muss, obwohl dies eine Option in einigen Anordnungen sein kann.
In anderen Anordnungen kann sich eine Entlüftung mit komplexer akustischer Impedanz durch eine an die Membran angrenzende Struktur statt durch die Membran selbst erstrecken, wodurch das vordere Volumen 310 mit dem hinteren Volumen 312 fluidisch gekoppelt wird. Zum Beispiel kann sich ein länglicher Kanal von dem vorderen Volumen 310 bis zum hinteren Volumen 312 erstrecken, wobei er diese fluidisch miteinander koppelt und eine Entlüftung mit einer komplexen akustischen Impedanz definiert. Ein wie hierin offenbarter länglicher Kanal kann genügend Luftmasse bereitstellen, um den Luftstrom durch die Entlüftung zu behindern, wenn er Druckschwankungen oberhalb einer Schwellenfrequenz ausgesetzt ist. In einigen Gesichtspunkten kann der längliche Kanal durch einen Durchgang mit hohem Aspektverhältnis definiert werden, und in anderen Gesichtspunkten kann der längliche Kanal segmentiert werden, um einen Filter höherer Ordnung bereitzustellen.
Dennoch stellt das Bereitstellen einer Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis in einem begrenzten Volumen, z. B. in einem elektroakustischen Wandler oder einer anderen elektronischen Vorrichtung, gewisse Schwierigkeiten dar und ist nicht einfach. Beispielsweise kann die Länge einer solchen Entlüftung mehrere Größenordnungen größer als die Nennabmessungen einer akustischen Wandlervorrichtung oder mehrere Größenordnungen größer als die Nennabmessungen eines akustischen Wandlerpakets sein.
Wie in 6 dargestellt, kann jedoch ein gewundener Kanal 610 eine barometrische Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis definieren, die sich für die Aufnahme in eine Wandlerkomponente 103 (z. B. im Substrat 105) oder ein Wandlerpaket 100 (z. B. im Substrat 102) eignet. Alternativ kann eine Vielzahl von Masse- und Nachgiebigkeitseinheiten, wie in den 17A bis 17C, zusammengebaut sein, um einen segmentierten Kanal zu definieren, der einen Roll-off höherer Ordnung als der gewundene Kanal 610 bereitstellt. Mit offenbarten Entlüftungen mit komplexer akustischer Impedanz können niederfrequente Druckschwankungen, wie z. B. aufgrund von Wetteränderungen, Änderungen in der Höhe eines Benutzers oder Druckbeaufschlagung einer Passagierkabine in einem Flugzeug, zwischen dem vorderen Volumen 110 und dem hinteren Volumen 112 ausgeglichen werden. Eine solche Entlüftung kann das Rauschen in einem hörbaren Frequenzband, das aufgrund von Leckagen durch die barometrische Entlüftung entsteht, erheblich reduzieren.
Weitere Details zu den offenbarten Prinzipien sind nachstehend aufgeführt. Abschnitt II beschreibt Prinzipien, die sich allgemein auf Mikrofonpakete beziehen. Abschnitt III beschreibt Prinzipien, die sich auf Substrate beziehen, die gewundene Kanäle definieren, die sich zum Bereitstellen einer barometrischen Entlüftung mit komplexer akustischer Impedanz eignen. Abschnitt IV beschreibt Prinzipien, die sich auf entlüftete Mikrofonwandler und entlüftete Pakete für Mikrofonwandler beziehen. Abschnitt V beschreibt mehrere Merkmale einer verbesserten Leistung, die durch Einarbeiten von offenbarten Entlüftungsanordnungen erzielbar sind. Und Abschnitt VI beschreibt Prinzipien in Bezug auf eine allgemeine Computerumgebung, in der offenbarte Technologien implementiert werden können.
Die hierin verwendeten Begriffe „sinusförmig“, „gewunden“, „kurvenförmig“ und „schlangenförmig“ werden synonym verwendet und sollen Strukturen bezeichnen, die gebogen, gerade, geordnet, ungeordnet, spiralförmig, verwickelt oder mit, in oder durch andere Strukturen verschlungen oder verflochten sein können, aber nicht müssen.
Mikrofonpakete
Erneut bezugnehmend auf 1, kann der Mikrofonwandler 103 auf einem anderen Substrat 102, z. B. einem Substrat auf Paketebene und/oder einem Verbindungssubstrat, montiert oder anderweitig mit diesem operativ gekoppelt sein. Das Mikrofonpaket 100 kann auch einen Deckel 109 einschließen, der über dem akustischen Wandler 103 liegt. Der Deckel 109 kann ausgespart sein, wodurch eine Kammer oder das hintere Volumen 112 für den Wandler 103 definiert wird.
In 1 definiert das Paket-Substrat 102 einen Schalleintrittsbereich 101, der akustisch mit der Schalleintrittsöffnung 105a gekoppelt ist, die durch das Substrat 105 des Mikrofonpakets 103 definiert ist. Der Schalleintrittsbereich 101 kann eine einzelne Öffnung sein oder durch eine Vielzahl von Öffnungen 101a definiert sein, die einen perforierten Bereich des Substrats 102 definieren. In beiden Anordnungen ist der Schalleintrittsbereich 101 akustisch, und in vielen Fällen fluidisch, mit dem empfindlichen Bereich des schallempfindlichen Elements 107 des Mikrofonwandlers 103 gekoppelt. Eine unbesetzte, offene Kammer, die durch das Substrat 102, das Substrat 105 und den empfindlichen Bereich des Mikrofonwandlers 103 begrenzt wird, wird in der Fachsprache manchmal als „vorderes Volumen“ bezeichnet.
Der akustische Anschluss 105a durch das Mikrofonsubstrat 105 kann die gleiche Größe und Form wie der Schalleintrittsbereich 101 des Mikrofonpakets 100 haben, oder der akustische Anschluss 105a 150 kann größer oder kleiner oder anderweitig anders geformt sein als der Schalleintrittsbereich 101.
Ein typisches Substrat 102 auf Paketebene kann eine Dicke zwischen etwa 0,250 mm und etwa 0,65 mm haben, z. B. zwischen etwa 0,300 mm und etwa 0,600 mm oder zwischen etwa 0,400 mm und etwa 0,500 mm. Dieses typische Substrat 102 kann, wenn es wie in 7 von oben betrachtet wird (z. B. in einer Ebene rechtwinklig zur Richtung der „Dicke“), eine Ordinatenabmessung von etwa 4.000 mm mal etwa 3.500 mm haben. Zum Beispiel kann in ausgewählten Gesichtspunkten jede Ordinatenabmessung in der Ebene zwischen ca. 2.500 mm und ca. 6.000 mm messen, wie z. B. zwischen ca. 3.000 mm und ca. 5.000 mm oder zwischen ca. 3.300 mm und ca. 4.100 mm.
Jede Öffnung 101a, die einen Schalleintrittsbereich 101 durch das Substrat 102 definiert, kann ein nicht durchkontaktierter Durchgang mit einem Durchmesser zwischen etwa 50 µm und etwa 200 µm sein, wie z. B. zwischen etwa 75 µm und etwa 150 µm, z. B. zwischen etwa 90 µm und etwa 110 µm. Der Schalleintrittsbereich 101 kann eine charakteristische Dimension haben, z. B. einen hydraulischen Durchmesser in ausgewählten Gesichtspunkten, der zwischen ca. 1.000 mm und ca. 3.000 mm beträgt, wie z. B. zwischen etwa 1.200 mm und etwa 2.400 mm, wie z. B. zwischen etwa 1,4 mm und etwa 2,2 mm. Selbstverständlich sind auch andere Konfigurationen und Abmessungen für eine Schalleintrittsregion 101 möglich. Die vorstehend aufgeführten Abmessungen wurden ausgewählt, da sie repräsentativ für eine bestimmte Konfiguration der vielen in dieser Offenbarung in Betracht gezogenen Konfigurationen sind.
Der Schalleintrittsbereich 101 und die jeweilige Öffnung 101a haben eine entsprechende charakteristische Abmessung. Strömungseigenschaften oder akustische Eigenschaften einer Öffnung können mit einer ausgewählten charakteristischen Abmessung der Öffnung variieren. In einigen Fällen kann eine charakteristische Abmessung einer gegebenen Struktur so definiert sein, dass z. B. akustische oder strömungstechnische Vergleiche von Strukturen mit unterschiedlichen Formen möglich sind. Zum Beispiel kann eine charakteristische Abmessung eines Kreises ein Durchmesser des Kreises sein. Andererseits kann eine charakteristische Abmessung eines Quadrats die Länge der Seite des Quadrats oder das Verhältnis einer Fläche des Quadrats zu einem Quadratumfang sein. Ein solches Verhältnis wird in der Fachsprache manchmal als hydraulischer Durchmesser bezeichnet. Bei einem Kreis reduziert sich das Verhältnis auf den Durchmesser des Kreises.
Weiterhin bezugnehmend auf 1, weist das Mikrofonpaket eine integrierte Schaltungsvorrichtung 115 (z. B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, oder ASIC) auf, die auf dem Paket-Substrat 102 montiert ist. Ein Bonddraht 113 koppelt die integrierte Schaltungsvorrichtung elektrisch mit dem akustischen Wandlerelement 107. Für ein kapazitives MEMS-Mikrofon kann der ASIC 115 eine Schaltung einschließen, um dem akustischen Wandlerelement 107 eine Ladung aufzuerlegen, und wenn sich die Membran (in 1 nicht dargestellt) verformt, kann der ASIC die sich aus der Verformung der Membran ergebenden Spannungsänderungen (z. B. Kapazitätsänderungen) beobachten. Die Spannungsschwankungen können Schallwellen entsprechen, welche die Auslenkungen in der Membran induzieren.
Das Paket-Substrat 102 kann eine elektrische Ausgangsverbindung (nicht abgebildet) aufweisen, die mit der integrierten Schaltungsvorrichtung 115 gekoppelt ist. Ebenso kann das Paket-Substrat 102 eine elektrische Leiterbahn oder einen anderen elektrischen Koppler aufweisen, der sich von dem Kontakt zu einem anderen durch das Substrat definierten Bereich erstreckt (z. B. ein zweiter, externer elektrischer Kontakt). Folglich kann das Paket-Substrat 102 einen externen Abschnitt einer elektrischen Schaltung mit dem ASIC 115 elektrisch koppeln.
Das Paket 100 kann auf ein Verbindungssubstrat (nicht abgebildet) montiert und mit diesem elektrisch gekoppelt werden. Im Allgemeinen kann ein Verbindungssubstrat eine Vielzahl von elektrischen Leitern einschließen, die konfiguriert sind, um ein elektrisches Signal oder eine Leistung oder ein Massesignal von einer Verbindungsstelle (z. B. einem Lötpunkt) zu einer anderen Verbindungsstelle (z. B. einem anderen Lötpunkt) zu übertragen. Beispielsweise kann eine verpackte Komponente, z. B. der verpackte Mikrofonwandler 100, gelötet oder anderweitig elektrisch mit einer oder mehreren Verbindungsstellen verbunden werden, die durch ein Verbindungssubstrat definiert sind.
Das Verbindungssubstrat kann die verpackte Komponente 100 mit einer oder mehreren anderen Komponenten (z. B. einer Speichervorrichtung, einer Verarbeitungseinheit, einer Energieversorgung), die physikalisch von der verpackten Komponente getrennt sind, elektrisch koppeln. Zusätzlich zu dem Mikrofonwandler können eine oder mehrere andere Komponenten mit den elektrischen Leitern in dem Verbindungssubstrat elektrisch koppeln, wodurch das Mikrofonpaket mit einer solchen anderen Komponente elektrisch koppelt. Beispiele für die andere Komponente können eine Verarbeitungseinheit, ein Sensor verschiedener Typen und/oder andere funktionelle und/oder rechnerische Einheiten einer Computerumgebung oder einer anderen elektronischen Vorrichtung einschließen.
In einem Gesichtspunkt kann das Verbindungssubstrat (nicht abgebildet) ein laminiertes Substrat mit einer oder mehreren Schichten elektrischer Leiter sein, die neben abwechselnden Schichten aus dielektrischem oder elektrisch isolierendem Material, z. B. FR4 oder einem Polyimidsubstrat, angeordnet sind. Einige Verbindungssubstrate sind flexibel, z. B. biegsam oder innerhalb bestimmter Grenzen biegbar, ohne die elektrischen Leiter zu beschädigen oder die nebeneinander liegenden Schichten zu delaminieren. Die elektrischen Leiter einer flexiblen Leiterplatte können aus einer Kupferlegierung gebildet sein, und die dazwischenliegenden Schichten, die die leitenden Schichten trennen, können z. B. aus Polyimid oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein. Eine solche flexible Leiterplatte wird in der Fachsprache manchmal als „flexible Schaltung“ oder „Biegung“ bezeichnet. Ebenso kann die Biegung perforiert sein oder anderweitig eine oder mehrere durchgehende Öffnungen definieren.
Obwohl nicht veranschaulicht, kann das Mikrofonpaket 100 eine Vielzahl von freiliegenden elektrischen Kontakten definieren, die konfiguriert sind, um gelötet oder anderweitig elektrisch mit einer entsprechenden durch das Substrat definierten Verbindungsstelle verbunden zu werden. In einem Gesichtspunkt liegen die elektrischen Kontakte auf derselben Seite des Wandlerpakets 100 wie der Schalleintrittsbereich 101 (z. B. die Unterseite 106). Das Verbindungssubstrat kann eine Öffnung oder einen anderen gasdurchlässigen Bereich (nicht abgebildet) definieren, der konfiguriert ist, um ein akustisches Signal in akustisch transparenter Weise oder mit einem ausgewählten Maß an Dämpfung durchzulassen, wodurch eine Umgebung mit dem empfindlichen Bereich des Mikrofonwandlers 103 durch das Verbindungssubstrat hindurch akustisch koppelt. In einer alternativen Anordnung liegen die elektrischen Kontakte auf der Oberseite 104 des Substrats 102.
Substrate mit gewundenen, sinusförmigen oder schlangenförmigen Kanälen
6 veranschaulicht schematisch einen Kanal 610 mit hohem Aspektverhältnis, der durch ein Substrat 600 definiert ist. Das Substrat 600 in 6 kann repräsentativ für jedes der in 1 gezeigten Substrate sein, z. B. ein Wandlersubstrat 105 oder ein Substrat auf Paketebene 102.
Weiterhin bezugnehmend auf 6 kann das Substrat 600 einen Einlass 612 in den gewundenen Kanal 610 definieren. Egal, ob die Entlüftung auf Komponentenebene oder auf Paketebene integriert ist, kann der Einlass 612 fluidisch mit dem vorderen Volumen 110 koppeln. Wenn zum Beispiel die Entlüftung 610 in das Wandlersubstrat 105 integriert ist, kann der Einlass 612 in die Entlüftung 610 mit dem akustischen Anschluss 105a an einer Position neben dem akustischen Wandlerelement 107 fluidisch koppeln. Wenn die Entlüftung 610 in das Paket-Substrat 102 integriert ist, kann die Entlüftung alternativ mit dem vorderen Volumen 110 an einer Position neben dem Schalleintrittsbereich 101 fluidisch koppeln.
In jeder Konfiguration kann sich der Kanal 610 überwiegend in Umfangsrichtung um eine Öffnung 614 durch das Substrat 600 erstrecken. Zum Beispiel kann sich der Kanal 610 beständig spiralförmig um die Öffnung 614 herum und radial nach außen drehen. Alternativ kann sich der Kanal 610, wie in 6 gezeigt, vom Einlass 612 mit einer im Wesentlichen konstanten radialen Position in Umfangsrichtung um die Substratöffnung 614 herum erstrecken und an einer Position 613 in der Nähe des Einlasses 612 stufenförmig oder auf andere Weise in vorwiegend radialer Richtung nach außen verlaufen. Der gewundene Durchgang 610 kann sich an jeder aufeinanderfolgenden radialen Position weiter um die Öffnung 614 herum erstrecken, bis der Kanal 610 eine gewünschte Weglänge vom Einlass 612 aufweist. Ein Endabschnitt 616 des Kanals 610 kann einen Auslassbereich aus dem Kanal an einer Position seitlich oder radial nach außen von der durch das Substrat 600 definierten Öffnung 614 definieren. In 6 definiert der Endabschnitt 616 des Kanals einen im wesentlichen kreisförmigen Auslass, der mit dem Kanal in Fluidverbindung steht. Obwohl in 6 nicht dargestellt, kann der Endabschnitt 616 des Kanals 610 bis zu einer äußeren Peripherie 618 des Substrats 600 reichen und sich von dort aus öffnen, wodurch der Kanal direkt mit dem hinteren Volumen des Wandlers gekoppelt wird (z. B. das hintere Volumen 112 in 1).
6 stellt schematisch ein Volumen 620 dar, das von einer Vorrichtung beansprucht wird, die von dem Substrat 600 getragen oder auf diesem montiert ist. In 6 kann das Volumen 620 ein akustisches Wandlerelement (z. B. das akustische Wandlerelement 107 in 1) eines akustischen Wandlers darstellen, oder das Volumen 620 kann einen akustischen Wandler (z. B. MEMS-Mikrofon 103 in 1) darstellen, der auf einem Paket-Substrat (z. B. Substrat 102 in 1) montiert ist. In beiden Fällen kann die durch das Volumen 620 repräsentierte Vorrichtung eine Öffnung 622 definieren, die sich vom Endabschnitt 616 des Kanals 610 zu einem hinteren Volumen und durch die durch das Volumen repräsentierte Vorrichtung hindurch erstreckt.
In einer weiteren Anordnung, z. B. wenn eine Gesamtabmessung des Substrats 600 eine Gesamtabmessung der durch das Volumen 620 repräsentierten Vorrichtung überschreitet, kann sich der Endabschnitt 616 des Kanals bis zu einem Bereich (nicht abgebildet) des Substrats erstrecken, der seitlich nach außen vom Volumen 620 positioniert ist. Ein solcher Kanal kann das vordere Volumen direkt mit dem hinteren Volumen des Wandlers koppeln, ohne dass sich die Entlüftung durch den Wandler oder eine andere Struktur erstrecken muss.
Weiterhin bezugnehmend auf 6 kann das Substrat 600 eine Basisschicht 602 aufweisen, die aus Silizium (Si) oder einem anderen geeigneten Substratmaterial gebildet ist. Eine Isolatorschicht 604 kann über der Basisschicht liegen und aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Polyimid oder einem anderen geeigneten Isolator bestehen. Eine Öffnung 614 kann sich durch die Vielzahl der Schichten des Substrats erstrecken. Die Isolatorschicht 604 kann ein Segment des gewundenen Durchgangs 610 definieren. Zum Beispiel kann die Isolatorschicht 604 eine Opferschicht sein, die selektiv geätzt wurde, um den Kanal 610 zwischen den Wänden 611 des verbleibenden Isolators zu definieren. In einer Anordnung kann der Kanal durch ein laterales Ätzstoppmaterial, wie z. B. Siliziumnitrid (SiN), begrenzt sein. Der Ätzstopp 615 (9) kann die Kanalwände 611a, 611b (6 und 9) definieren, da das Opfermaterial selektiv geätzt werden kann, um Material zwischen den nebeneinander liegenden Wänden 615 des Ätzstopps zu entfernen, wobei eine Aussparung definiert und ein entsprechender Abschnitt des gewundenen Kanals 610 gebildet wird, der sich um die Öffnung 614 herum erstreckt.
Barometrische Entlüftungen mit hohem Aspektverhältnis können ein Verhältnis von charakteristischer Länge zu charakteristischem Durchmesser („L/D-Verhältnis“) zwischen etwa 1.000 und etwa 32.000 aufweisen, wie z. B. zwischen etwa 2.000 und etwa 16.000 oder z. B. zwischen etwa 4.000 und etwa 8.000. Zum Beispiel misst eine Entlüftung mit einem hydraulischen Durchmesser von 25 µm und einem L/D-Verhältnis von 32.000 etwa 800 mm in der Länge, während eine Entlüftung mit dem gleichen Querschnitt und einem L/D-Verhältnis von 8.000 etwa 200 mm in der Länge misst. Beide Entlüftungsbeispiele haben eine Länge, die um mehrere Größenordnungen größer als eine Ordinatenabmessung eines Pakets für einen Mikrofonwandler ist.
Als ein noch weiteres Beispiel kann ein Substrat 105 für einen Mikrofonwandler 103 (1) eine Entlüftung mit einem hydraulischen Durchmesser von ca. 5 µm und einer Durchgangslänge von ca. 80 mm definieren, wodurch ein L/D-Verhältnis von 16.000 bereitgestellt wird. Als weiteres Beispiel kann eine Entlüftung mit einem hydraulischen Durchmesser von 5 µm und einer Durchgangslänge von etwa 5 mm ein L/D-Verhältnis von 1.000 aufweisen.
Im Allgemeinen kann die Durchgangslänge für eine Entlüftung in Längsrichtung von einem Entlüftungseinlass zu einem Entlüftungsauslass entlang einer Mittellinie durch die Entlüftung gemessen werden. Eine Mittellinie für eine Entlüftung mit einer Querschnittsform, die mit der Längsposition variiert, kann durch eine Kurve definiert werden, die durch den Schwerpunkt jedes durch die Entlüftung definierten Querschnitts vom Einlass zum Auslass verläuft. Ein Beispiel für einen charakteristischen Durchmesser für eine Entlüftung kann ein hydraulischer Durchmesser (z. B. eine Fläche eines Querschnitts geteilt durch einen benetzten Umfang des Querschnitts) der Entlüftung sein.
Entlüftete Mikrofonwandler und Pakete
Jetzt Bezugnehmend auf die 7, 8 und 9 wird ein entlüfteter Mikrofonwandler beschrieben, wobei eine Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis als illustratives Beispiel für eine Entlüftung mit komplexer akustischer Impedanz verwendet wird, wobei die Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis durch eine segmentierte oder andere Entlüftung höherer Ordnung ersetzt werden kann. Das in 7 gezeigte Substrat 600 definiert eine barometrische Entlüftung 610 mit hohem Aspektverhältnis, die sich von einem akustischen Anschluss 614 kreisförmig nach außen erstreckt, im Allgemeinen wie vorstehend in Bezug auf 6 beschrieben. Wie in den 6 und 7 gesehen, kann sich die längliche barometrische Entlüftung 610 kreisförmig von einem ersten Ende 612, das fluidisch mit dem vorderen Volumen 614 gekoppelt ist, bis zu einem zweiten Ende 616, das fluidisch mit einem hinteren Volumen des Wandlers gekoppelt ist (z. B. durch die Öffnung 622 in 6), erstrecken. In 8 ist ein akustisches Wandlerelement 800 in einer Draufsicht dargestellt, das auf dem Substrat 600 in überlagerter Beziehung zu dem Kanal 610 montiert ist. Die Explosionsansicht in 9 zeigt eine seitliche Draufsicht auf das Substrat 600 sowie das akustische Wandlerelement 800 im Schnitt, aufgenommen entlang der Linie A-A in 7.
Wie in 9 dargestellt, hat das akustische Wandlerelement 800 eine einzige Rückplatte 810, die von der akustischen Membran 802 durch eine Isolierschicht 804 getrennt ist. Die Rückplatte 810 weist eine Vielzahl von Schichten auf, einschließlich einer leitenden Schicht (z. B. Polysilizium) und einer Isolatorschicht (z. B. SiN). Die Membran kann aus Silizium (Si), Polysilizium, Siliziumnitrid (SiN) oder einem anderen Material gebildet sein, das sich zum Bilden einer auslenkbaren Membran zur Verwendung in einem kapazitiven Mikrofonwandler eignet.
Wie in den 8 und 9 dargestellt, definiert die Rückplatte 810 eine Vielzahl von Öffnungen 812, die eine Rückseite 803 der Membran 802 fluidisch und akustisch mit einem hinteren Volumen koppeln, z. B. das hintere Volumen 112 in 1. Die Isolatorschicht 804 definiert eine Öffnung 805 mit einer äußeren Peripherie (z. B. Umfang), die nach außen von dem geöffneten Bereich der Rückplatte 810 positioniert ist. Die durch den Isolator definierte Öffnung 805 kann größer, kleiner oder gleich groß wie der durch das Substrat definierte akustische Anschluss 614 sein. Ein äußerer peripherer Bereich 806 der Membran kann mit der Isolatorschicht 804 befestigt oder verbunden sein und kann die Wände 611, die den gewundenen Kanal 610 definieren, überlagern und berühren, wodurch eine distale Kante (relativ zur Schicht 602) des Kanals 610 verschlossen wird. Die verschlossene distale Kante des Kanals kann in Kombination mit den durch die Opferschicht 604 definierten Wänden und dem durch die Schicht 602 definierten Boden einen geschlossenen kreisförmigen Durchgang definieren, der sich vom Einlass 612 bis zum Auslass 616 erstreckt (7).
10 stellt eine alternative Konfiguration für einen akustischen Wandler dar. In 10 ist das Substrat ähnlich konfiguriert wie das in Bezug auf die 7, 8 und 9 beschriebene Substrat 600. Und das akustische Wandlerelement 1000 kann mit dem Substrat 600 in ähnlicher Weise, wie in den 7, 8 und 9 beschrieben, kontaktieren, sich mit diesem verbinden oder darauf montieren, um den durch das Substrat 600 definierten Kanal 610 zu umschließen.
Im Gegensatz zu dem akustischen Wandlerelement 800 in 9 hat das akustische Wandlerelement 1000 in 10 jedoch eine Membran 1002, die zwischen der ersten und zweiten gegenüberliegenden Rückplatte 1008, 1010 angeordnet ist. Ein Isolator 10007, 1009 trennt die Membran 1002 von der jeweiligen Rückplatte 1008, 1010. Jede Rückenplatte 1008, 1010 kann in ähnlicher Weise wie die Rückenplatte 810 in 9 geformt sein. In ähnlicher Weise kann die Membran 1002 aus ähnlichen Materialien wie die Membran 802 in 9 geformt sein. Ebenso kann jede Rückplatte 1008, 1010 eine entsprechende Vielzahl von Öffnungen definieren, um die Membran mit dem vorderen Volumen bzw. dem hinteren Volumen der Membran fluidisch und akustisch zu koppeln (z. B. vorderes Volumen 110 und hinteres Volumen 112 in 1).
11 stellt eine weitere alternative Konfiguration für einen akustischen Wandler dar. In 11 ist das Substrat 600 ähnlich konfiguriert wie das in Bezug auf die 7 bis 10 beschriebene Substrat. Und das akustische Wandlerelement 1100 kann mit dem Substrat 600 in ähnlicher Weise, wie in den 7 bis 10 beschrieben, kontaktieren, sich mit diesem verbinden oder darauf montieren, um den durch das Substrat 600 definierten Kanal 610 zu umschließen.
Im Gegensatz zu den akustischen Wandlerelementen 800 und 1000 in den 9 und 10 hat das akustische Wandlerelement 1100 in 11 jedoch eine Rückplatte 1100, die zwischen der ersten und zweiten gegenüberliegenden Membran 1101, 1102 angeordnet ist. Ein Isolator 1107, 1109 trennt jede entsprechende Membran 1101, 1102 von der Rückplatte 1110. Die Rückplatte 1110 kann in ähnlicher Weise wie die vorstehend in Bezug auf die 9 und 10 beschriebenen Rückplatten geformt sein. In ähnlicher Weise kann jede Membran 1101, 1102 aus ähnlichen Materialien wie die vorstehend in Bezug auf die 9 und 10 beschriebenen Membranen 802, 1002 geformt sein.
12 stellt eine noch weitere alternative Konfiguration für einen akustischen Wandler dar. In 12 ist das Substrat 600 ähnlich konfiguriert wie die in Bezug auf die 7 bis 11 beschriebene Substrate. Und das akustische Wandlerelement 1200 kann mit dem Substrat 600 in ähnlicher Weise, wie in Bezug auf die 7 bis 11 beschrieben, kontaktieren, sich mit diesem verbinden oder darauf montieren, um den durch das Substrat definierten Kanal 610 zu umschließen. Obwohl Explosionsansichten in den 9, 10, 11 und 12 gezeigt sind, wird verstanden und geschätzt, dass jedes jeweilige akustische Wandlerelement 800, 1000, 1100 und 1200 mit dem in diesen Zeichnungen gezeigten Substrat 600 kontaktiert oder anderweitig physikalisch gekoppelt ist oder von diesem getragen wird.
Im Gegensatz zu den vorstehend in Bezug auf die 9 bis 11 beschriebenen akustischen Wandlerelementen, ist die Membran 1202 in 12 jedoch ein piezoelektrischer Aktor, der über dem durch das Substrat 600 definierten akustischen Anschluss 614 liegt und sich über diesen erstreckt. In 12 schließt das akustische Wandlerelement ein erstes Substrat 1201 ein, das einen entsprechenden offenen Anschluss 1203 definiert. Der piezoelektrische Aktor 1202 ist auf dem ersten Substrat montiert und erstreckt sich über den offenen Anschluss 1203 des ersten Substrats. Das akustische Wandlerelement 1202 ist auf einem zweiten Substrat 600 montiert, das den akustischen Anschluss 614 definiert. Wenn das akustische Wandlerelement 1200 und das zweite Substrat 600 zusammengebaut sind, wird der offene Anschluss des akustischen Wandlerelements mit dem akustischen Anschluss 614 ausgerichtet, und der piezoelektrische Aktor 1202 erstreckt sich über den ausgerichteten offenen Anschluss und den akustischen Anschluss und definiert eine Grenze dazwischen.
Die Membran 1202 kann ein dünnschichtiges piezoelektrisches Material einschließen, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN) und Aluminium-Scandiumnitrid (AlScN). Andere geeignete Materialien, aus denen die piezoelektrische Membran 1202 gebildet werden kann, sind zum Beispiel Pb(Zr, Ti)O₃ und andere heute bekannte oder nachfolgend entwickelte piezoelektrische Materialien.
Ein peripherer Bereich jedes der vorstehend in Bezug auf die 9 bis 12 beschriebenen akustischen Wandlerelemente kann eine durchgehende Öffnung 822 definieren, die mit dem Auslass 616 der gewundenen Entlüftung ausgerichtet ist und diesen überlagert. Die Öffnung 822 kann den Entlüftungsauslass 616 mit dem hinteren Volumen des Wandlers fluidisch koppeln und so das vordere Volumen (z. B. vorderes Volumen 110 in 1) mit dem hinteren Volumen (z. B. hinteres Volumen 112 in 1) über den gewundenen Kanal 616 und die Öffnung 822 koppeln.
Die vorstehend in Bezug auf die 9 bis 12 beschriebenen gewundenen Kanäle stellen Anordnungen von Entlüftungen mit hohem Aspektverhältnis dar, die eine komplexe akustische Impedanz aufweisen. Die Entlüftungen werden in oder durch ein Substrat für einen Mikrofonwandler gebildet, z. B. ein Substrat 105 in 1. Allerdings kann, wie vorstehend in Bezug auf 6 erläutert, eine Entlüftung mit einer komplexen akustischen Impedanz höherer Ordnung in oder durch ein Substrat für einen Wandler gebildet sein.
Ebenso können Substrate auf Paketebene z. B. Substrat 102 in 1, auch eine Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis und komplexer akustischer Impedanz sowie Entlüftungen höherer Ordnung des nachfolgend ausführlicher beschriebenen Typs definieren. 13 und 14 stellen zwei Substrate auf Paketebene dar, die eine Entlüftung mit einer komplexen akustischen Impedanz definieren, die zur Verwendung in einem Paket für einen akustischen Wandler geeignet ist. Obwohl Explosionsansichten in den 13 und 14 gezeigt sind, wird verstanden und geschätzt, dass jeder jeweilige akustische Wandler 1302 und 1402 mit dem in diesen Zeichnungen gezeigten entsprechenden Substrat 1301, 1401 kontaktiert oder anderweitig physikalisch gekoppelt ist oder von diesem getragen wird.
13 stellt eine Explosionsansicht eines MEMs-Mikrofonwandlers dar, der auf einem Substrat auf Paketebene montiert ist, das eine Entlüftung mit einer komplexen akustischen Impedanz definiert, die als ein gewundener Kanal ausgeführt ist, ähnlich der in 6 gezeigten Anordnung. Der in 13 gezeigte MEMs-Mikrofonwandler 1302 kann ein akustisches Wandlerelement gemäß einer der vorstehend in Bezug auf die 9 bis 12 beschriebenen Anordnungen enthalten. Wie in 6 weist das Substrat 1301 eine obere Schicht 1304 und eine untere Schicht 1303 auf. Die obere Schicht 1304 des in 13 gezeigten mehrschichtigen Substrats 1301 wurde selektiv geätzt (oder anderweitig bearbeitet), um einen akustischen Pfad 1307 mit hohem Aspektverhältnis zu definieren. Der Mikrofonwandler 1302 kann eine Öffnung 1310 definieren, die den Auslass 1309 von dem Pfad 1307 bis zu dem hinteren Volumen 1330 des Mikrofons fluidisch koppelt. Und der Pfad 1307 erstreckt sich von einem Einlass 1306 zu dem Auslass 1309, wobei der akustische Anschluss 1305 oder ein anderer Bereich des vorderen Volumens 1320 über den Pfad 1307 und die Öffnung 1310 fluidisch mit dem hinteren Volumen 1330 des Mikrofonwandlers 1302 gekoppelt wird. Insbesondere kann sich der Pfad 1307 entlang einer sich nach außen ausdehnenden Spirale erstrecken, z. B. kann der Krümmungsradius des Pfades mit der Längsposition entlang des Pfades, der sich vom Einlass 1306 zum Auslass 1309 bewegt, kontinuierlich zunehmen. Alternativ kann sich der Pfad in Umfangsrichtung um den akustischen Anschluss 1305 mit einem im Wesentlichen konstanten Radius erstrecken, und in einem ausgewählten Bereich des Substrats kann sich der Pfad in einer vorwiegend radialen Richtung von einem Ring zu einem benachbart positionierten Ring mit sukzessiv größerem Radius erstrecken. Der Kanal 1307 kann zwischen nebeneinander liegenden Wänden 1308 definiert sein. 6 und 7 stellen eine Entlüftung 610 mit hohem Aspektverhältnis dar, die eine solche Sequenz von aufeinanderfolgenden Ringen mit größerem Radius aufweist, die durch relativ kurze, sich radial erstreckende Segmente 613 miteinander verbunden sind. Wie der Kanal 610 in 6 kann sich der Kanal 1307 bis zu einer äußeren Peripherie des Substrats erstrecken oder sich seitlich aus der MEMs-Komponente 1302 heraus erstrecken, wobei das vordere Volumen 1320 direkt mit dem hinteren Volumen 1330 gekoppelt wird.
14 stellt eine Explosionsansicht eines MEMs-Mikrofonwandlers 1402 dar, der auf einer alternativen Anordnung eines Substrats auf Paketebene 1401 montiert ist, die eine Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis 1410 definiert. In 14 weist das Substrat 1401 vier Schichten (obwohl zusätzliche oder weniger Schichten möglich sind) auf, wobei die abwechselnden isolierenden Schichten 1404, 1406 im Wesentlichen durchgehend sind und die abwechselnden Opferschichten 1403, 1405 selektiv geätzt (oder anderweitig bearbeitet) wurden, um entsprechende Segmente 1410, 1412 eines akustischen Pfades mit hohem Aspektverhältnis zu definieren. Wie bei den vorstehend beschriebenen Substraten auf Paketebene definiert das Substrat 1401 in 14 einen Schalleintrittbereich (oder akustischen Anschluss) 1407. Ein Einlass 1411 zur Entlüftung ist mit dem akustischen Anschluss 1407 fluidisch gekoppelt, wodurch eine direkte Fluidkopplung eines ersten sinusförmigen Segments 1410 der Entlüftung mit dem vorderen Volumen 1420 bereitgestellt wird. Das erste sinusförmige Segment 1410 erstreckt sich durch aufeinanderfolgende Durchgänge mit größerem Radius, ähnlich wie die vorstehend in Bezug auf 13 beschriebene Entlüftung, bis es auf einen ersten Auslassbereich 1414 trifft.
14 zeigt eine im Wesentlichen durchgehende Schicht 1406, die über dem ersten sinusförmigen Segment 1410 liegt. Die Schicht 1406 definiert eine Öffnung 1416 oder offene Durchkontaktierung, die mit dem ersten Auslassbereich 1414 des ersten sinusförmigen Segments 1410 ausgerichtet ist. Die obere Schicht 1405 des Substrats 1401 definiert ein zweites sinusförmiges Segment 1412 der barometrischen Entlüftung, und die Öffnung 1416 koppelt das erste sinusförmige Segment 1410 fluidisch mit dem zweiten sinusförmigen Segment 1412. Das zweite sinusförmige Segment 1412 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den akustischen Anschluss 1407 durch aufeinanderfolgende Durchgänge mit kleinerem Radius, bis das zweite sinusförmige Segment 1412 auf einen zweiten Auslassbereich 1418 trifft. Die aufeinanderfolgenden Durchgänge mit kleinerem Radius können durch eine kontinuierlich abnehmende Radiusspirale definiert sein oder Segmente mit im wesentlichen konstantem Radius aufweisen, wobei benachbarte Segmente wie bei den in 6 dargestellten Ringen durch ein überwiegend radial verlaufendes Segment miteinander verbunden sind. In einigen Anordnungen kann die Schicht 1406 weggelassen werden, wodurch eine direkte Kopplung zwischen dem ersten sinusförmigen Segment 1410 und dem zweiten sinusförmigen Segment 1412 bereitgestellt wird. Wie der in 13 gezeigte akustische Wandler 1302 kann auch der in 14 gezeigte akustische Wandler 1402 eine durchgehende Öffnung 1419 definieren, die den zweiten Auslassbereich 1418 mit dem hinteren Volumen 1430 fluidisch koppelt. Durch Einfügen einer oder mehrerer Faltungen (oder einer anderen Änderung in der Kanalrichtung), wie soeben beschrieben (z. B. eine Kombination eines sich nach außen ausdehnenden Segments 1410 mit einem sich nach innen kontrahierenden Segment 1412), kann die Gesamtpackungsdichte einer Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis weiter erhöht werden.
Performance-Beispiele
Eine akustische Entlüftung mit einem L/D-Verhältnis zwischen etwa 1.000 und etwa 32.000 hat eine große akustische Masse, wie bei den vorstehend beschriebenen Entlüftungen mit hohem Aspektverhältnis. Eine solche Entlüftung kann somit den Durchfluss durch die Entlüftung dämpfen, wenn sie durch Druckschwankungen mit einer Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz angeregt wird, wodurch Leckrauschen im Vergleich zu Leckrauschen, die von einer vorwiegend resistiven akustischen Entlüftung herrühren, reduziert werden. Beispielsweise können Entlüftungen mit einer hierin beschriebenen komplexen akustischen Impedanz Leckrauschen bei Frequenzen oberhalb einer Schwelle zwischen etwa 30 Hz und etwa 150 Hz erheblich reduzieren, wie z. B. oberhalb von Schwellenfrequenzen zwischen etwa 40 Hz und etwa 100 Hz, z. B. oberhalb von Schwellenfrequenzen zwischen etwa 50 Hz und etwa 80 Hz. Anders ausgedrückt kann eine solche Entlüftung als Tiefpassfilter wirken, z. B. für den Luftstrom, mit einer Grenzfrequenz zwischen etwa 30 Hz und etwa 150 Hz.
Das Diagramm in 15 zeigt repräsentative akustische Reaktionen auf Entlüftungen der Komponentenebene. Das Diagramm in 16 zeigt repräsentative akustische Reaktionen auf Entlüftungen der Paketebene. Beide Diagramme stellen im Allgemeinen ähnliche Trends dar, z. B. nehmen mit zunehmendem Aspektverhältnis einer Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis sowohl die Resonanzfrequenz der barometrischen Entlüftung als auch die Größe der Resonanz ab.
Generell wird bevorzugt, die Resonanzspitzen so weit wie möglich zu reduzieren, obwohl dies die Aspektverhältnisse in Richtung oder sogar über 32.000 treiben kann. Somit kann das zum Leiten der barometrischen Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis verfügbare Volumen einen oberen Grenzwert für die machbare Länge der Entlüftung festlegen. Nichtsdestotrotz kann eine Kompensation mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) möglich sein, wenn Fertigungstoleranzen ausreichend kontrolliert werden können, sodass die Resonanzfrequenz bei allen Vorrichtungen im Wesentlichen gleich ist. Ein solcher DSP kann in Software, Firmware oder Hardware (z. B. in einem ASIC) verkörpert sein. Ein DSP-Prozessor kann ein Spezialprozessor wie beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein Universal-Mikroprozessor, eine vor Ort programmierbare Gatteranordnung (FPGA), ein digitaler Signalcontroller oder Satz von logischen Hardware-Strukturen (z. B. Filter, arithmetische logische Einheiten und dedizierte Zustandsmaschinen) sein, und kann in einer allgemeinen Computerumgebung wie hierin beschrieben implementiert werden.
Wenn jedoch eine bestimmte Entlüftungsanordnung eine beträchtliche Resonanzspitze aufweist (z. B. wie bei den in den 15 und 16 gezeigten Reaktionen bei niedrigeren Aspektverhältnissen), kann die Struktur physisch stärker auf eine Infraschalleingabe oder eine Eingabe am oder in der Nähe des akustischen Streifens reagieren. Infolgedessen könnte eine niederfrequente Eingabe wie z. B. ein Schritt, mit dem nicht viel wahrnehmbarer „Schall“ verbunden ist, theoretisch signifikante Pegel niederfrequenten Rauschens erzeugen, wenn er sich mit einer Resonanzspitze in der Entlüftungsreaktion überlappt, was wiederum einen hohen Ausgabepegel des Wandlers wesentlich erhöhen kann. Folglich kann ein Benutzer einen erhöhten Geräuschpegel hören, ohne sich eines entsprechenden physikalischen Reizes, der das Geräusch verursacht, wirklich bewusst zu sein. Alternativ kann die Kompensation, z. B. die Kompensation durch einen DSP, einen Teil oder die gesamte Resonanz entfernen, die durch die Anregung bei oder unterhalb eines akustischen Streifens entsteht.
Darüber hinaus können solche erhöhten Empfindlichkeiten am oder unterhalb des akustischen Streifens ausgenutzt werden, um Ereignisse, z. B. Infraschallereignisse wie z. B. Schritte, zu erkennen. Beispielsweise kann eine Resonanz, die durch eine externe Quelle entsteht, durch einen Mikrofonwandler oder eine Schaltung, die ein Audiosignal vom Wandler empfängt, erfasst werden. Zusätzlich können ausgewählte Quellen oder Klassen von Infraschallaktivität einzigartige spektrale Signaturen aufweisen. Dementsprechend kann das Mikrofon oder das System in einigen Fällen in der Lage sein, das Vorhandensein eines Infraschallereignisses zu erkennen und das Ereignis zu klassifizieren, z. B. in Übereinstimmung mit einem Resonanzpegel allein oder in Bezug auf den Energiegehalt in anderen Bändern.
Entlüftungen mit komplexer akustischer Impedanz höherer Ordnung
Jetzt bezugnehmend auf 17A, 17B und 17C wird ein weiteres Beispiel einer Entlüftung mit einer komplexen akustischen Impedanz gezeigt und beschrieben, die einen Roll-Off zweiter Ordnung aufweist. Der längliche Kanal 1700, der wie in den 17A, 17B und 17C dargestellt segmentiert ist, kann eine barometrische Entlüftung zwischen einem vorderen Volumen und einem hinteren Volumen eines MEMS-Mikrofons definieren. In 17A werden die Substratwände, die den segmentierten Kanal 1700 definieren, weggelassen, um das offene Innenvolumen des segmentierten Kanals zu zeigen. Anders ausgedrückt stellen die schattierten Bereiche des segmentierten Kanals in 17A das offene Volumen innerhalb des Kanals 1700 dar, das von einem akustischen Medium (z. B. Luft) eingenommen wird. Der segmentierte Kanal 1700 weist die Kammerabschnitte 1701a, 1701b und Kanalabschnitte 1703a, 1703b auf, die benachbart zu den Kammerabschnitten angeordnet sind. Jeder Kanalabschnitt hat eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche als eine entsprechende Querschnittsfläche eines benachbarten Kammerabschnitts. Zum Beispiel ist in 17a eine Querschnittsfläche der Kanalabschnitte 1703a, 1703b in einer y-z-Ebene wesentlich kleiner als eine Querschnittsfläche der Kammerabschnitte 1701a, 1701b in einer y-z-Ebene.
Der Kanalabschnitt 1703b erstreckt sich von einem der Kammerabschnitte 1701a zum benachbarten Kammerabschnitt 1701b, wodurch eine Kontraktion der Querschnittsfläche vom Kammerabschnitt 1701a in den Kanalabschnitt 1703b und eine Expansion der Querschnittsfläche vom Kanalabschnitt zum benachbarten Kammerabschnitt 1701b bereitgestellt wird. Folglich stellen Kammerabschnitte des segmentierten Kanals 1700 eine akustische Nachgiebigkeit für den segmentierten Kanal und die Kanalabschnitte des segmentierten Kanals eine akustische Masse für den segmentierten Kanal bereit. In der folgenden Erläuterung werden Kanalabschnitte von segmentierten Kanälen allgemein als Masseneinheiten und Kammerabschnitte von segmentierten Kanälen allgemein als Nachgiebigkeitseinheiten bezeichnet.
In 17B ist der segmentierte Kanal 1700 mit entfernter Schattierung dargestellt, um die internen Flüssigkeitsverbindungen zwischen den Nachgiebigkeitseinheiten 1701a, 1701b und den Masseneinheiten 1703a, 1703b sichtbar zu machen, während die Kanten und Ecken jeder Einheit weiterhin gezeigt werden. 17C zeigt eine zweidimensionale Projektion auf die x-y-Ebene des durch den segmentierten Kanal 1700 definierten Durchgangs. Die Masseneinheit 1703a erstreckt sich von einem offenen proximalen Ende 1702 bis zu einem offenen distalen Ende 1704. Das offene proximale Ende 1702 der Masseneinheit 1703a kann fluidisch mit einem vorderen Volumen (nicht abgebildet) oder einer anderen akustischen Kammer eines Mikrofonwandlers koppeln. Das offene distale Ende 1704 der Masseeinheit 1703a kann mit der Nachgiebigkeitseinheit 1701a durch eine ausgewählte Fläche der Nachgiebigkeitseinheit, z. B. die proximale Fläche 1705a ( entlang der x-Achse, fluidisch koppeln.
Auf ähnliche Weise erstreckt sich die Masseneinheit 1703b von einem offenen proximalen Ende zu einem offenen distalen Ende. Das offene proximale Ende der Masseneinheit 1703b kann mit der Nachgiebigkeitseinheit 1701a durch eine ausgewählte Fläche (z. B. die distal von der proximalen Fläche 1705a entlang der x-Achse positionierte Fläche) fluidisch koppeln. Das offene distale Ende der Masseneinheit 1703b kann mit der Nachgiebigkeitseinheit 1701b durch eine ausgewählte Fläche der Nachgiebigkeitseinheit, z. B. die proximale Fläche 1705b, fluidisch koppeln (17A). Eine ausgewählte Fläche der zweiten Nachgiebigkeitseinheit 1701b (z. B. die distal von der proximalen Fläche 1705b entlang der x-Achse angeordnete Fläche) kann eine Öffnung 1706 definieren. Die Öffnung 1706 kann direkt oder indirekt fluidisch mit einem hinteren Volumen oder einer anderen akustischen Kammer des Mikrofonwandlers gekoppelt sein.
Jede Nachgiebigkeitseinheit 1701a, 1701b hat ein vergleichsweise größeres offenes Innenvolumen (z. B. Querschnittsfläche und Länge) im Vergleich zum offenen Innenvolumen (z. B. Querschnittsfläche und Länge) der jeweiligen Masseneinheit 1703a, 1703b. Obwohl die Abmessungen der Nachgiebigkeitseinheiten 1701a, 1701b in 17A als gleich dargestellt sind, können die Abmessungen der einzelnen Nachgiebigkeitseinheiten 1701a, 1701b unterschiedlich voneinander gewählt werden, um eine gewünschte Gesamtabstimmung des segmentierten Kanals 1700 bereitzustellen. In ähnlicher Weise können die Abmessungen der Masseneinheiten 1703a, 1703b gleich oder voneinander verschieden sein.
Dementsprechend kann ein segmentierter Kanal im Vergleich zu einem gewundenen Kanal mit hohem Aspektverhältnis relativ mehr Freiheitsgrade bereitstellen und bietet somit relativ mehr Flexibilität bei der Abstimmung. Zum Beispiel kann eine Länge (z. B. entlang der x-Achse in den 17A, 17B und 17C) und eine Querschnittsfläche (z. B. in der y-z-Ebene) von jeder Masseneinheit 1703a, 1703b gewählt werden, um eine gewünschte akustische Masse innerhalb jedes Segments zu erreichen. Darüber hinaus können die mit jeder Masseneinheit 1703a, 1703b verbundenen viskosen Verluste durch Einstellen der relativen Position in der y-z-Ebene abgestimmt werden. Und obwohl für jedes Segment des Kanals 1700 nur eine einzige Masseneinheit 1703a, 1703b gezeigt wird, kann sich mehr als eine Masseneinheit zwischen benachbarten Nachgiebigkeitseinheiten (z. B. Einheiten 1701a, 1701b) erstrecken, um die akustische Masse für ein bestimmtes Segment zu reduzieren, wodurch zusätzliche Optionen zum Anpassen einer Antwort des segmentierten Kanals 1700 bereitgestellt werden. Ein oder mehrere weitere Segmente, die jeweils eine entsprechende Masseneinheit und eine entsprechende Nachgiebigkeitseinheit aufweisen, können dem in den 17A, 17B und 17C dargestellten segmentierten Kanal 1700 hinzugefügt werden.
18 zeigt eine analoge elektrische Schaltung 1800, die einen segmentierten Kanal mit vier kaskadierten Massen- und Nachgiebigkeitseinheiten darstellt. In der elektrischen Schaltung 1800 sind die resistiven, induktiven und kapazitiven Elemente R₁, L₁, und C₁ jeweils analog zu der akustischen Leitfähigkeit, der akustischen Nachgiebigkeit bzw. der akustischen Masse des ersten Segments (1701a, 1703a) des Kanals 1700. In ähnlicher Weise sind die resistiven, induktiven und kapazitiven Elemente R₂, L₂, und C₂ jeweils analog zu der akustischen Leitfähigkeit, der akustischen Nachgiebigkeit und der akustischen Masse des zweiten Segments (1701b, 1703b) des Kanals 1700.
Weiterhin bezugnehmend auf 18, entsprechen die Elemente R₃, L₃, und C₃ sowie R₄, L₄, und C₄ jeweils einem dritten Segment (z. B. Einheiten 1901c, 1903c in 19) und einem vierten Segment (z. B. Einheiten 1901d, 1903d in 19) von Masse- und Nachgiebigkeitseinheiten. Kaskadierte Masse- und Nachgiebigkeitsstrukturen, wie in den 18 und 19, können einen Roll-off höherer Ordnung erreichen als z. B. der Kanal mit zwei Segmenten 1700. Die Reihenfolge des Roll-offs nimmt in Übereinstimmung mit einer zunehmenden Anzahl sich wiederholender Masse-/Nachgiebigkeitseinheiten zu.
Zum Beispiel schließt der in den 19 und 20 gezeigte segmentierte Kanal 1900 eine fünfte Kaskade (z. B. Einheiten 1901e, 1903e) und eine sechste Kaskade (z. B. Einheiten 1901f, 1903f) von Masse- und Nachgiebigkeitseinheiten ein. Wie in 21A dargestellt, kann das Kaskadieren der Segmente von Masse- und Nachgiebigkeitseinheiten die Grenzfrequenz der segmentierten barometrischen Entlüftung 1900, z. B. im Vergleich zum segmentierten Kanal 1700, reduzieren. Entlüftungsrauschen kann über höhere Frequenzen des Rauschspektrums mithilfe von Entlüftungen höherer Ordnung herausgefiltert werden, indem ein steileres Roll-off im Vergleich zu dem einer Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis erreicht wird. Folglich kann das Signal-Rausch-Verhältnis für ein Mikrofon unter Verwendung einer Entlüftung höherer Ordnung verbessert werden.
Für ein bestimmtes hinteres Volumen des Mikrofons und eine ausgewählte Anzahl von kaskadierten Segmenten von Masse- und Nachgiebigkeitseinheiten können die Abmessungen jeder Masse- und Nachgiebigkeitseinheit so abgestimmt werden, dass ein gewünschtes Roll-off erreicht wird. Zum Beispiel können viskose Verluste durch die Einheiten mit hoher Masse abgestimmt werden, um die Dämpfung anzupassen. Generell kann jedes der kaskadierten Segmente so abgestimmt werden, dass es eine ausgewählte Kombination aus akustischer Masse und akustischer Nachgiebigkeit (z. B. hoch/hoch, hoch/tief, tief/hoch) aufweist, um eine gewünschte Grenzfrequenz und einen entsprechenden Mikrofonfrequenzgang zu erreichen. 21B zeigt ein Beispiel für die Variation des Roll-offs bei unterschiedlichen Abstimmungen einer gegebenen Kaskade von Masse- und Nachgiebigkeitseinheiten.
In einem veranschaulichenden Beispiel können die Abmessungen des segmentierten Kanals 1900 (mit 6 Segmenten) selektiv abgestimmt werden, um ausgewählte Roll-Off-Frequenzen bereitzustellen, wenn er zum barometrischen Entlüften eines hinteren Volumens mit einem Volumen von 2,5 mm³ verwendet wird. Zum Beispiel können die x-, y-, und z-Abmessungen jeder Nachgiebigkeitseinheit 1901n jeweils als 400 µm, 500 µm und 400 µm und die x- und y-Abmessungen jeder Masseneinheit 1903n jeweils als 60 µm und 10 µm gewählt werden. Die z-Achsenabmessung, t, jeder Masseneinheit kann variiert werden und eine entsprechende Roll-off-Frequenz kann bestimmt werden. In diesem Beispiel variierte die z-Achsenabmessung, t, von 20 µm bis 50 µm in Schritten von 5 µm, und der resultierende Niederfrequenz-Roll-off trat bei 8 Hz, 12 Hz, 16 Hz, 23,5 Hz bzw. 32,5 Hz auf.
22A und 22B beziehen sich auf repräsentative Frequenzgänge bzw. Phasengänge eines Mikrofonrückteils, dessen hinteres Volumen durch verschiedene unterdämpfte Entlüftungen zweiter Ordnung barometrisch entlüftet wird. Insbesondere verflachen der Frequenzgang 2201 und der Phasengang 2202 über die hörbare Bandbreite, wenn der niederfrequente Roll-off unter eine untere Grenzfrequenz, z. B. 20 Hz, fällt. Darüber hinaus kann die Phasenfehlanpassung, die bei herkömmlichen Konstruktionen häufig auftritt, durch die Verwendung der hierin beschriebenen Entlüftungen höherer Ordnung reduziert oder minimiert werden. Obwohl sich die in den 22A und 22B gezeigten Reaktionen aus einem Filter zweiter Ordnung ergeben, werden die Reaktionen auch mit Filtern höherer Ordnung verflachen, wie z. B. in 19 dargestellt.
Und in mancher Hinsicht kann ein länglicher, segmentierter Kanal leichter hergestellt, verpackt und zuverlässiger abgestimmt werden als eine vorstehend beschriebene Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis. Zum Beispiel kann ein wie vorstehend beschriebener segmentierter Kanal ein Gesamtvolumen aufweisen, das etwa ein Zehntel des Gesamtvolumens beträgt, das für eine Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis, wie vorstehend in Bezug auf z. B. 6 beschrieben, erforderlich ist. Ebenso kann ein segmentierter Kanal mehr Freiheitsgrade für das Abstimmen der durch den Kanal bereitgestellten Filterung bieten.
Ferner müssen kaskadierte Segmente einer segmentierten Entlüftung höherer Ordnung nicht entlang einer einzigen Koordinatenrichtung kombiniert werden, wie dies bei der Entlüftung 1900 in 19 der Fall ist. Vielmehr kann jedes aufeinanderfolgende Segment von Massen- und Nachgiebigkeitseinheiten in beliebiger Ausrichtung zu einem vorhergehenden Segment hinzugefügt werden, vorbehaltlich aller physikalischen Beschränkungen, die durch ein bestimmtes Mikrofon oder Paket auferlegt werden. Ebenso kann die Anzahl der kaskadierten Segmente (z. B. die Reihenfolge der Entlüftung) entsprechend der jeweils gewünschten Anwendung gewählt werden.
Zum Beispiel ist in den 23 und 24 die segmentierte Entlüftung 2300 mit sechs Segmenten dargestellt, die in einer U-Form parallel zu einer x- y-Ebene angeordnet sind. Genauer gesagt, weist ein erstes Segment eine Nachgiebigkeitseinheit 2301a und eine Masseneinheit 2303a auf. Die Masseneinheit 2303a hat eine Hauptlängsachse, die sich in einer y-Achsenrichtung von einem proximalen Ende (z. B. mit einem vorderen Volumen gekoppelt, nicht abgebildet) zu einem distalen Ende erstreckt, das sich zu einer x-z-Fläche der Nachgiebigkeitseinheit 2301a öffnet.
Das zweite Segment ist in einer anderen Richtung ausgerichtet und um 90 Grad um die z-Achse gedreht. Zum Beispiel koppelt das proximale Ende der Masseneinheit 2303b des zweiten Segments mit einer y-z-Fläche der Nachgiebigkeitseinheit 2301a und die Masseneinheit 2303b erstreckt sich in Richtung der x-Achse, um mit einer y-z-Fläche der Nachgiebigkeitseinheit 2301b zu koppeln. Das dritte Segment (Einheit 2303c und 2301c) ist im Allgemeinen wie das zweite Segment ausgerichtet. Das vierte Segment (Masseneinheit 2303d und Nachgiebigkeitseinheit 2301d) wird jedoch um 90 Grad in einer der Drehrichtung des zweiten Segments entgegengesetzten Richtung gedreht, wodurch dem vierten Segment eine ähnliche Ausrichtung wie dem ersten Segment (Masseneinheit 2303a und Nachgiebigkeitseinheit 2301a) bereitgestellt wird. Und das fünfte Segment (Masseneinheit 2303e und Nachgiebigkeitseinheit 230le) wird wiederum um eine z-Achse um weitere 90 Grad relativ zum vierten Segment gedreht, wodurch das fünfte Segment um 180 Grad relativ zum zweiten Segment ausgerichtet wird. Das sechste Segment (Masseneinheit 2303f und Nachgiebigkeitseinheit 2301f) ist wie das fünfte Segment ausgerichtet, wobei ein Kanal 2306 zum Koppeln der Nachgiebigkeitseinheit 2301f mit einem hinteren Volumen bereitgestellt wird (nicht abgebildet).
25 und 26 zeigen eine noch weitere alternative Anordnung einer segmentierten Entlüftung. In 25 und 26 sind die Segmente so angeordnet, um der Entlüftung 2500 eine L-Form parallel zu einer x-z-Ebene bereitzustellen. Noch andere Anordnungen sind möglich. Zum Beispiel kann sich das sechste Segment 2501f, 2503f, das in 25 als sich in Richtung der z-Achse vom vorherigen Segment erstreckend dargestellt ist, alternativ auch in Richtung der y-Achse von diesem vorherigen Segment aus erstrecken.
Im Allgemeinen können solche segmentierten Entlüftungen in einer oder mehreren Koordinatenrichtungen kompakt gemacht werden, indem aufeinanderfolgende Segmente in einer anderen Ausrichtung als das vorherige Segment hinzugefügt werden. Zum Beispiel kann, wie in 23 gezeigt, eine durch einen segmentierten Kanal definierte Entlüftung auf sich selbst zurückschleifen, wodurch eine gewünschte Anzahl von Segmenten bereitgestellt wird (z. B. um ein gewünschtes Filter höherer Ordnung zu erreichen), während sie sich nicht entlang einer einzigen Koordinatenrichtung erstreckt. Durch Einbeziehen einer oder mehrerer Faltungen (oder einer anderen Änderung der Kanalrichtung oder -orientierung) kann die Gesamtdichte des Pakets einer segmentierten Kanalentlüftung weiter erhöht werden.
Ebenso können Entlüftungen mit komplexer akustischer Impedanz, wie hierin beschrieben, zwischen dem hinteren Volumen und dem vorderen Volumen, über einer MEMS-Vorrichtung oder an beliebiger Position innerhalb eines Pakets, Substrats oder Deckels mit jeder gewählten kompakten Ausrichtung angeordnet sein. Beispielsweise kann ein in Bezug auf eine der 17A bis 26 beschriebener segmentierter Kanal eine Entlüftung mit hohem Aspektverhältnis ersetzen, die vorstehend in Bezug auf eine der 1 bis 16 beschrieben wurde. Auf ähnliche Weise kann ein segmentierter Kanal mit den oben beschriebenen Techniken in Verbindung mit den oben in Bezug auf die 1 bis 16 beschriebenen Entlüftungen mit hohem Aspektverhältnis hergestellt werden. In der vorstehenden Erläuterung werden Kanalabschnitte und Kammerabschnitte von segmentierten Kanälen allgemein als rechteckige, prismatische Strukturen innerhalb eines kartesischen Koordinatensystems beschrieben. Nichtsdestotrotz sind Kanal- und Kammerabschnitte nicht darauf beschränkt; sie können andere regelmäßige oder unregelmäßige dreidimensionale Formen aufweisen. Darüber hinaus können die benetzten Oberflächen dieser regelmäßigen oder unregelmäßigen dreidimensionalen Formen eine glatte oder raue Kontur aufweisen, z. B. können die Oberflächen flach, gekrümmt oder wellenförmig sein (z. B. glatt oder mit diskontinuierlichen Steigungen), wie sie sich aus einem bestimmten Herstellungsverfahren ergeben können. Nichtsdestotrotz können nominalen Abmessungen jedes Segments in einer vorstehend beschriebenen Weise ausgewählt werden, um eine gewünschte Gesamtabstimmung für den segmentierten Kanal zu erreichen.
Computerumgebungen
27 veranschaulicht ein verallgemeinertes Beispiel einer geeigneten Computerumgebung 2700, in der beschriebene Technologien implementiert werden können. Die Computerumgebung 2700 soll keine Einschränkung hinsichtlich des Anwendungsbereichs oder der Funktionalität der hierin offenbarten Technologien vorschlagen, da jede Technologie in verschiedenen allgemeinen oder speziellen Computerumgebungen implementiert sein kann. Zum Beispiel kann jede offenbarte Technologie mit anderen Computersystemkonfigurationen implementiert werden, einschließlich tragbarer und/oder handgehaltener Vorrichtungen (z. B. ein Mobilkommunikationsgerät und insbesondere, aber nicht ausschließlich, IPHONE®/IPAD®/HomePod™/AIRPODS®-Geräte, erhältlich bei Apple Inc. of Cupertino, CA.), Multiprozessorsysteme, mikroprozessorbasierte oder programmierbare Unterhaltungselektronik, eingebettete Plattformen, Netzwerkcomputer, Minicomputer, Großrechner, Smartphones, Tablet-Computer, Rechenzentren, Audiogeräte und dergleichen. Jede offenbarte Technologie kann auch in verteilten Computerumgebungen praktiziert werden, in denen Aufgaben von entfernten Verarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die über eine Kommunikationsverbindung oder ein Netzwerk miteinander verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können Programmmodule sowohl in lokalen als auch entfernten Speichervorrichtungen angeordnet sein.
Die Computerumgebung 2700 schließt mindestens eine zentrale Verarbeitungseinheit 2710 und einen Speicher 2720 ein. In 27 ist diese grundlegende Konfiguration 2730 innerhalb einer gestrichelten Linie enthalten. Die zentrale Verarbeitungseinheit 2710 führt computerausführbare Befehle aus und kann ein realer oder virtueller Prozessor sein. In einem Multiprozessorsystem oder in einer Multi-Core-Zentralverarbeitungseinheit führen mehrere Verarbeitungseinheiten computerausführbare Befehle (z. B. Threads) aus, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, sodass mehrere Prozessoren gleichzeitig laufen können, obwohl die Verarbeitungseinheit 2710 durch einen einzigen Funktionsblock dargestellt wird. Eine Verarbeitungseinheit kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein Universal-Mikroprozessor, eine vor Ort programmierbare Gatteranordnung (FPGA), einen digitalen Signalcontroller oder einen Satz von logischen Hardware-Strukturen einschließen, die zur Verarbeitung von Befehlen angeordnet sind.
Der Speicher 2720 kann ein flüchtiger Speicher (z. B. Register, Cache, RAM), ein nichtflüchtiger Speicher (z. B. ROM, EEPROM, Flash-Speicher usw.) oder eine Kombination aus beiden sein. Der Speicher 2720 speichert die Software 2780a, die beispielsweise eine oder mehrere der hierin beschriebenen Technologien implementieren kann, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt wird.
Eine Computerumgebung kann zusätzliche Merkmale aufweisen. Beispielsweise schließt die Computerumgebung 2700 den Speicher 2740, eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 2750, eine oder mehrere Ausgabevorrichtungen 2760 und eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen 2770 ein. Ein Verbindungsmechanismus (nicht abgebildet), wie z. B. ein Bus, ein Controller oder ein Netzwerk, verbindet die Komponenten der Computerumgebung 2700 miteinander. In der Regel stellt Betriebssystemsoftware (nicht abgebildet) eine Betriebsumgebung für andere Software bereit, die in der Computerumgebung 2700 ausgeführt wird, und koordiniert die Aktivitäten der Komponenten der Computerumgebung 2700.
Der Speicher 2740 kann entfernbar oder nicht entfernbar sein und kann ausgewählte Formen von maschinenlesbaren Medien einschließen. Im Allgemeinen schließen maschinenlesbare Medien magnetische Festplatten, Magnetbänder oder -kassetten, nichtflüchtige Festkörperspeicher, CD-ROM, CD-RW, DVD, Magnetbänder, optische Datenspeichervorrichtungen und Trägerwellen oder jedes andere maschinenlesbare Medium ein, das zum Speichern von Informationen verwendet werden kann und auf das innerhalb der Computerumgebung 2700 zugegriffen werden kann. Der Speicher 2740 kann Anweisungen für die Software 2780b speichern, die hierin beschriebene Technologien implementieren kann.
Der Speicher 2740 kann auch über ein Netzwerk verteilt sein, sodass Softwarebefehle in verteilter Form gespeichert und ausgeführt werden können. In anderen Gesichtspunkten könnten manche dieser Vorgänge durch spezifische Hardwarekomponenten durchgeführt werden, die fest verdrahtete Logik enthalten. Diese Vorgänge könnten alternativ durch eine beliebige Kombination von programmierten Datenverarbeitungskomponenten und festen fest verdrahteten Schaltungskomponenten durchgeführt werden.
Die Eingabevorrichtung(en) 2750 kann/können eines oder mehrere der folgenden sein: eine Eingabevorrichtung mit Berührungseingabe, z. B. eine Tastatur, ein Tastenfeld, eine Maus, ein Stift, ein Touchscreen, ein Touchpad oder ein Trackball; eine Spracheingabevorrichtung, wie z. B. ein Mikrofonwandler, Spracherkennungssoftware und Prozessoren; eine Abtastvorrichtung; oder eine andere Vorrichtung, die eine Eingabe in die Computerumgebung 2700 bereitstellt. Für Audio kann/können die Eingabevorrichtung(en) 2750 ein Mikrofon oder einen anderen Wandler (z. B. eine Soundkarte oder eine ähnliche Vorrichtung, die Audioeingabe in analoger oder digitaler Form akzeptiert) oder ein computerlesbares Medienlesegerät, das Audio-Samples an die Computerumgebung 2700 bereitstellt, enthalten.
Die Ausgabevorrichtung(en) 2760 kann/können ein Display, ein Drucker, ein Lautsprecherwandler, ein DVD-Brenner oder eine andere Vorrichtung sein, die eine Ausgabe aus der Computerumgebung 2700 bereitstellt.
Die Kommunikationsverbindung(en) 2770 ermöglicht/ermöglichen die Kommunikation über oder durch ein Kommunikationsmedium (z. B. ein Verbindungsnetzwerk) mit einer anderen Computereinheit. Eine Kommunikationsverbindung kann einen Sender und einen Empfänger einschließen, die zum Kommunizieren über ein lokales Netzwerk (LAN), ein Weitverkehrsnetz (WAN) oder beide geeignet sind. LAN- und WAN-Verbindungen können durch eine drahtgebundene Verbindung oder eine drahtlose Verbindung erleichtert werden. Bei einer drahtlosen LAN- oder WAN-Verbindung kann die Kommunikationsverbindung eine oder mehrere Antennen oder Antennenanordnungen umfassen. Das Kommunikationsmedium überträgt Informationen wie z. B. computerausführbare Anweisungen, komprimierte Grafikinformationen, verarbeitete Signalinformationen (einschließlich verarbeiteter Audiosignale) oder andere Daten in einem modulierten Datensignal. Beispiele für Kommunikationsmedien für sogenannte drahtgebundene Verbindungen schließen Glasfaserkabel und Kupferdrähte ein. Kommunikationsmedien für drahtlose Kommunikation können elektromagnetische Strahlung innerhalb eines oder mehrerer ausgewählter Frequenzbänder umfassen.
Maschinenlesbare Medien sind alle verfügbaren Medien, auf die innerhalb einer Computerumgebung 2700 zugegriffen werden kann. Beispielsweise, und nicht einschränkend, umfassen maschinenlesbare Medien bei der Computerumgebung 2700 den Speicher 2720, den Speicher 2740, die Kommunikationsmedien (nicht abgebildet) und Kombinationen aus allen vorstehend genannten Medien. Greifbare maschinenlesbare (oder computerlesbare) Medien schließen transitorische Signale aus.
Wie vorstehend erläutert, können einige offenbarte Prinzipien in einem greifbaren, nichtflüchtigen maschinenlesbaren Medium (wie z. B. einem mikroelektronischen Speicher) verkörpert sein, auf dem Anweisungen gespeichert sind. Die Anweisungen können eine oder mehrere Datenverarbeitungskomponenten (hier allgemein als „Prozessor“ bezeichnet) programmieren, um eine der vorstehend beschriebenen Verarbeitungsvorgänge auszuführen, einschließlich der Schätzung, Berechnung, Kalkulation, Messung, Anpassung, Abtastung, Messung, Filterung, Addition, Subtraktion, Inversion, Vergleiche und Entscheidungsfindung (z. B. durch die Steuereinheit 52). In anderen Gesichtspunkten könnten manche dieser Vorgänge (eines Maschinenprozesses) durch spezifische Hardwarekomponenten durchgeführt werden, die fest verdrahtete Logik enthalten (z. B. dedizierte digitale Filterblöcke). Diese Vorgänge könnten alternativ durch eine beliebige Kombination von programmierten Datenverarbeitungskomponenten und festen fest verdrahteten Schaltungskomponenten durchgeführt werden.
Andere Ausführungsformen und Beispiele
Die vorstehende Beschreibung wird bereitgestellt, um einem Fachmann die Herstellung oder Anwendung der offenbarten Prinzipien zu ermöglichen. Andere als die vorstehend ausführlich beschriebenen Anordnungen werden auf der Grundlage der hierin offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen, zusammen mit allen damit einhergehenden Änderungen der Konfigurationen der jeweiligen Vorrichtung oder Änderungen in der Reihenfolge der hierin beschriebenen Verfahrenshandlungen, ohne von dem Geist oder Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Verschiedene Änderungen an den hierin beschriebenen Beispielen werden für den Fachmann leicht ersichtlich sein.
Zum Beispiel kann eine elektronische Vorrichtung ein akustisches Wandlerelement mit einer akustischen Membran aufweisen. Die Membran kann gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen aufweisen. Ein vorderes Volumen kann benachbart zu der ersten Hauptfläche der Membran angeordnet sein. Ein hinteres Volumen kann benachbart zu der zweiten Hauptfläche der Membran angeordnet sein. Ein Substrat kann mit dem akustischen Wandlerelement gekoppelt sein, und ein segmentierter Kanal kann eine barometrische Entlüftung definieren, die das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch koppelt. Der segmentierte Kanal kann sich von einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem vorderen Volumen bis zu einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit dem hinteren Volumen erstrecken, und ein Abschnitt des segmentierten Kanals kann sich durch das Substrat erstrecken.
In einem Beispiel kann die barometrische Entlüftung konfiguriert sein, um den Druck zwischen dem vorderen Volumen und dem hinteren Volumen auszugleichen.
Der segmentierte Kanal kann zum Beispiel eine Vielzahl von Kanalabschnitten und eine Vielzahl von Kammerabschnitten aufweisen. Jeder Kanalabschnitt kann sich von einem der Kammerabschnitte zu einem angrenzenden Kammerabschnitt erstrecken, wodurch eine Kontraktion der Querschnittsfläche von jedem jeweiligen Kammerabschnitt in den entsprechenden Kanalabschnitt und eine Expansion der Querschnittsfläche von dem jeweiligen Kanalabschnitt zu dem entsprechenden angrenzenden Kammerabschnitt bereitgestellt wird.
Das Substrat kann einen akustischen Anschluss definieren, der sich zu dem vorderen Volumen öffnet. In einem Beispiel ist das Substrat ein erstes Substrat, und die elektroakustische Vorrichtung kann ein zweites Substrat einschließen. Das erste Substrat kann auf das zweite Substrat montiert sein. Die elektroakustische Vorrichtung kann ferner eine integrierte Schaltungsvorrichtung haben, die auf dem zweiten Substrat montiert ist. Die integrierte Schaltungsvorrichtung und das akustische Wandlerelement können elektrisch miteinander gekoppelt sein. Das zweite Substrat kann eine elektrische Ausgangsverbindung aufweisen, die mit der integrierten Schaltungsvorrichtung gekoppelt ist. Die elektroakustische Vorrichtung kann auch einen vertieften Deckel einschließen, der über dem akustischen Wandlerelement, dem ersten Substrat und der integrierten Schaltungsvorrichtung liegt.
In einem anderen Beispiel definiert das Substrat auch den segmentierten Kanal. Ferner kann der segmentierte Kanal eine Vielzahl von Kanalabschnitten und eine Vielzahl von Kammerabschnitten aufweisen. Jeder Kanalabschnitt kann sich von einem der Kammerabschnitte zu einem angrenzenden Kammerabschnitt erstrecken, wodurch eine Kontraktion der Querschnittsfläche von jedem jeweiligen Kammerabschnitt in den entsprechenden Kanalabschnitt und eine Expansion der Querschnittsfläche von dem jeweiligen Kanalabschnitt zu dem entsprechenden angrenzenden Kammerabschnitt bereitgestellt wird.
In einem Beispiel kann sich ein Bereich des segmentierten Kanals zum akustischen Anschluss hin öffnen. Das Substrat kann eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Schichten aufweisen, und eine Öffnung kann sich durch die Vielzahl von Schichten erstrecken, um den akustischen Anschluss zu definieren. In einem anderen Beispiel öffnet sich ein Bereich des segmentierten Kanals zum vorderen Volumen.
Mindestens eine der Schichten kann einen entsprechenden Abschnitt des segmentierten Kanals mit einem Kanalabschnitt und einem entsprechenden Kammerabschnitt definieren. Der Kanalabschnitt kann eine Querschnittsfläche aufweisen, die wesentlich kleiner als eine entsprechende Querschnittsfläche des Kammerabschnitts ist.
Der segmentierte Kanal kann eine Vielzahl von vergleichsweise schmalen Kanalabschnitten aufweisen, die nebeneinander mit einer entsprechenden Vielzahl von vergleichsweise breiteren Kammerabschnitten angeordnet sind. Der segmentierte Kanal kann mindestens eine Faltung zwischen den Kanalabschnitten und den Kammerabschnitten definieren.
Die mindestens eine Schicht kann eine erste Schicht und eine zweite Schicht einschließen. Jeder entsprechende Abschnitt des durch die erste Schicht definierten segmentierten Kanals und jeder entsprechende Abschnitt des durch die zweite Schicht definierten segmentierten Kanals kann fluidisch miteinander gekoppelt sein, wodurch eine Faltung im segmentierten Kanal definiert wird. Ein solches Substrat kann in einem anderen Beispiel eine Zwischenschicht aus Material einschließen, welche die erste Schicht und die zweite Schicht voneinander trennt. Die Zwischenschicht kann eine Öffnung definieren, die das Segment des durch die erste Schicht definierten segmentierten Kanals mit dem Segment des durch die zweite Schicht definierten segmentierten Kanals fluidisch koppelt.
In einem anderen Beispiel weist das Substrat eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf. Die zweite Schicht kann zwischen der ersten Schicht und der akustischen Membran angeordnet sein. Die zweite Schicht kann einen für Ätzung empfänglichen Opferisolator und einen Ätzstopp aufweisen, der eine Grenze eines sich durch den Opferisolator erstreckenden Kanals definiert. Die Vertiefung kann einen entsprechenden Abschnitt des segmentierten Kanals definieren.
Gemäß einem Beispiel kann das erste Ende des segmentierten Kanals neben dem akustischen Anschluss, dem vorderen Volumen oder beiden angeordnet sein, und das zweite Ende des segmentierten Kanals kann neben dem hinteren Volumen angeordnet sein.
Der Abschnitt des sich durch das Substrat erstreckenden segmentierten Kanals kann einen Kanalabschnitt und einen entsprechenden Kammerabschnitt aufweisen. Der Kanalabschnitt kann ein erstes Ende aufweisen, das sich zum vorderen Volumen hin öffnet, und ein zweites Ende, das sich zum entsprechenden Kammerabschnitt hin öffnet.
Das akustische Wandlerelement kann montierbar mit dem Substrat gekoppelt sein und eine Öffnung definieren, die mit dem segmentierten Kanal ausgerichtet ist. Beispielsweise kann sich die Öffnung zum hinteren Volumen hin öffnen, wodurch das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch gekoppelt wird.
In einem Beispiel weist das akustische Wandlerelement eine Rückplatte und einen Isolator auf. Der Isolator kann zwischen der Membran und der Rückplatte angeordnet sein.
In einem anderen Beispiel hat das akustische Wandlerelement eine erste Rückplatte und einen entsprechenden ersten Isolator, der zwischen der ersten Rückplatte und der Membran angeordnet ist. Das akustische Wandlerelement kann auch eine zweite Rückplatte und einen entsprechenden zweiten Isolator aufweisen, der zwischen der zweiten Rückplatte und der Membran angeordnet ist. Die Membran kann zwischen der ersten Rückplatte und der zweiten Rückplatte angeordnet sein.
In einem anderen Beispiel ist die Membran eine erste Membran. Das akustische Wandlerelement kann eine Rückplatte und einen ersten Isolator aufweisen, der zwischen der Rückplatte und der ersten Membran angeordnet ist. Das akustische Wandlerelement kann auch eine zweite Membran und einen zweiten Isolator aufweisen, der zwischen der zweiten Membran und der Rückplatte angeordnet ist. Die Rückenplatte kann zwischen der ersten und der zweiten Membran angeordnet sein.
In einem noch anderen Beispiel kann die Membran einen piezoelektrischen Aktor und ein Substrat aufweisen, das einen offenen Anschluss definiert. Die Membran kann auf dem Substrat montiert sein, und der piezoelektrische Aktor kann sich über den offenen Anschluss erstrecken.
Gemäß anderen Beispielen kann eine elektronische Vorrichtung ein akustisches Wandlerelement mit einer beweglichen Membran einschließen. Die Membran kann gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen aufweisen, und das akustische Wandlerelement kann eine Öffnung definieren, die neben der beweglichen Membran angeordnet ist. Ein Substrat kann mit dem akustischen Wandlerelement gekoppelt sein. Das Substrat kann einen zum akustischen Wandlerelement offenen akustischen Anschluss und einen segmentierten Durchgang definieren, der sich von einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem akustischen Anschluss zu einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit der Öffnung erstreckt, wodurch eine barometrische Entlüftung definiert wird, die den akustischen Anschluss mit der Öffnung koppelt.
Zum Beispiel kann das Substrat eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Schichten aufweisen, und eine Öffnung kann sich durch die Vielzahl von Schichten erstrecken, um den akustischen Anschluss zu definieren. Die mindestens eine Schicht kann eine erste Schicht sein, und das Substrat kann eine zweite Schicht aufweisen. Die erste Schicht kann einen entsprechenden ersten Kanal definieren und die zweite Schicht kann einen entsprechenden zweiten Kanal definieren. Der erste Kanal und der zweite Kanal können fluidisch miteinander gekoppelt sein, wodurch eine Faltung in dem segmentierten Durchgang definiert wird.
Der segmentierte Durchgang kann eine Vielzahl von Kanalbereichen aufweisen, die nebeneinander mit einer entsprechenden Vielzahl von Kammerbereichen angeordnet sind.
Jeder jeweilige Kanalbereich kann eine Querschnittsfläche aufweisen, die wesentlich kleiner als eine entsprechende Querschnittsfläche eines benachbarten Kammerbereichs ist.
Richtungen und andere relative Referenzen (z. B. aufwärts, abwärts, oben, unten, links, rechts, rückwärts, vorwärts usw.) können verwendet werden, um die Erörterung der Zeichnungen und Prinzipien hierin zu erleichtern, sollen aber nicht einschränkend sein. Beispielsweise können bestimmte Begriffe wie „oben“, „unten“, „obere“, „untere“, „horizontal“, „vertikal“, „links“, „rechts“ und dergleichen verwendet werden. Solche Begriffe werden gegebenenfalls verwendet, um eine gewisse Klarheit der Beschreibung bereitzustellen, wenn relative Beziehungen behandelt werden, insbesondere in Bezug auf die veranschaulichten Ausführungsformen. Solche Begriffe sind jedoch nicht dazu gedacht, absolute Beziehungen, Positionen und/oder Ausrichtungen zu implizieren. Zum Beispiel kann in Bezug auf ein Objekt eine „obere“ Fläche durch einfaches Umdrehen des Objekts zu einer „unteren“ Fläche werden. Nichtsdestotrotz ist es immer noch die gleiche Oberfläche, und das Objekt bleibt das gleiche. Wie hierin verwendet, bedeutet „und/oder“ „und“ oder „oder“, sowie „und“ und „oder“. Darüber hinaus wird hiermit die gesamte hierin zitierte Patent- und Nichtpatentliteratur durch Verweis in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke einbezogen.
Und der Fachmann wird erkennen, dass die hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen an verschiedene Konfigurationen und/oder Verwendungen angepasst werden können, ohne von den offenbarten Prinzipien abzuweichen. Unter Anwendung der hierin offenbarten Prinzipien ist es möglich, eine Vielzahl von Anordnungen für barometrische Entlüftungen mit hohem Aspektverhältnis zum Reduzieren des Leckrauschens bereitzustellen. Zum Beispiel können die vorstehend in Verbindung mit einem bestimmten Beispiel beschriebenen Prinzipien mit den Prinzipien kombiniert werden, die in Verbindung mit einem anderen hierin beschriebenen Beispiel beschrieben sind. Somit sollen alle strukturellen und funktionellen Äquivalente zu den Merkmalen und Verfahrensschritten der verschiedenen in der Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen, die dem Fachmann bekannt sind oder später bekannt werden, von den beschriebenen Prinzipien und den hierin beanspruchten Merkmalen und Handlungen erfasst werden. Dementsprechend sind weder die Ansprüche noch diese detaillierte Beschreibung in einem beschränkenden Sinne auszulegen, und nach einer Durchsicht dieser Offenbarung wird der Fachmann die große Vielfalt an akustischen Entlüftungen schätzen, die mit den verschiedenen hierin beschriebenen Konzepten entwickelt werden können.
Darüber hinaus ist nichts hierin Offenbartes für die Öffentlichkeit gedacht, unabhängig davon ob eine solche Offenbarung ausdrücklich in den Ansprüchen aufgeführt wird. Kein Anspruchsmerkmal ist gemäß den Bestimmungen von 35 USC 112(f) auszulegen, es sei denn, das Merkmal wird ausdrücklich mit der Wendung „Mittel für“ oder „Schritt für“ rezitiert.
Die beiliegenden Ansprüche sollen nicht auf die hierin gezeigten Anordnungen beschränkt sein, sondern dass sie den vollständigen Umfang entsprechend der Sprache der Ansprüche verdienen, wobei der Verweis auf ein Merkmal im Singular, z. B. durch Verwendung des Artikels „ein“ oder „eine“, nicht „eines und nur eines“, sofern dies nicht ausdrücklich so vermerkt ist, sondern eher „eines oder mehrere“ bedeuten soll. Ferner behalten wir uns in Anbetracht der vielen möglichen Ausführungsformen, auf welche die offenbarten Prinzipien angewendet werden können, das Recht vor, jede und alle Kombinationen von Merkmalen und Technologien, die hierin beschrieben werden, so zu beanspruchen, wie sie von einem Fachmann verstanden werden, einschließlich des Rechts, zum Beispiel alles zu beanspruchen, was in den Umfang und den Geist der vorstehenden Beschreibung fällt, sowie die wörtlich und gleichwertig rezitierten Kombinationen in allen Ansprüchen, die jederzeit während der gesamten Verfolgung dieser Anmeldung oder jeder Anmeldung, die einen Nutzen oder eine Priorität dieser Anmeldung beansprucht, vorgelegt werden, und insbesondere, aber nicht ausschließlich, in den dieser Anmeldung beigefügten Ansprüchen.

Claims

Eine elektroakustische Vorrichtung, umfassend: ein akustisches Wandlerelement mit einer akustischen Membran, wobei die Membran gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen aufweist; ein vorderes Volumen, das benachbart zu der ersten Hauptfläche der Membran angeordnet ist; ein hinteres Volumen, das benachbart zu der zweiten Hauptoberfläche der Membran angeordnet ist; ein Substrat, das mit dem akustischen Wandlerelement gekoppelt ist; und einen länglichen Kanal, der eine barometrische Entlüftung definiert, die das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch koppelt, wobei sich der längliche Kanal von einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem vorderen Volumen bis zu einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit dem hinteren Volumen erstreckt.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die barometrische Entlüftung konfiguriert ist, um den Druck zwischen dem vorderen Volumen und dem hinteren Volumen auszugleichen.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat einen akustischen Anschluss definiert, der sich zum vorderen Volumen hin öffnet.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat ein erstes Substrat ist und die elektroakustische Vorrichtung ferner umfasst: ein zweites Substrat, wobei das erste Substrat auf das zweite Substrat montiert ist, eine integrierte Schaltungsvorrichtung, die auf dem zweiten Substrat montiert und mit dem akustischen Wandlerelement gekoppelt ist, wobei das zweite Substrat eine elektrische Ausgangsverbindung umfasst, die mit der integrierten Schaltungsvorrichtung gekoppelt ist; und einen vertieften Deckel, der über dem akustischen Wandlerelement, dem ersten Substrat und der integrierten Schaltungsvorrichtung liegt.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das zweite Substrat ferner den länglichen Kanal definiert.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat ferner den länglichen Kanal definiert.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei sich der längliche Kanal zu dem akustischen Anschluss öffnet.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei sich der längliche Kanal zu dem vorderen Volumen hin öffnet.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Schichten umfasst und sich eine Öffnung durch die Vielzahl von Schichten erstreckt, um den akustischen Anschluss zu definieren.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei mindestens eine der Schichten ein entsprechendes Segment eines sinusförmigen Durchgangs definiert, wobei der sinusförmige Durchgang das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch koppelt, wodurch der längliche Kanal definiert wird.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der sinusförmige Durchgang mindestens eine Faltung umfasst.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die mindestens eine der Schichten eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht ein entsprechendes erstes Segment des sinusförmigen Durchgangs definiert und die zweite Schicht ein entsprechendes zweites Segment des sinusförmigen Durchgangs definiert, wobei das erste Segment des sinusförmigen Durchgangs und das zweite Segment des sinusförmigen Durchgangs fluidisch miteinander gekoppelt sind, wodurch eine Faltung in dem sinusförmigen Durchgang definiert wird.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der akustischen Membran angeordnet ist und einen für Ätzen empfänglichen Opferisolator und einen Ätzstopp umfasst, der eine Grenze einer sich durch den Opferisolator erstreckenden Aussparung definiert, wobei die Aussparung einen entsprechenden Abschnitt des länglichen Kanals definiert.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das erste Ende des länglichen Kanals benachbart zu dem akustischen Anschluss, dem vorderen Volumen oder beiden angeordnet ist und das zweite Ende des länglichen Kanals benachbart zu dem hinteren Volumen angeordnet ist.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt des sich durch das Substrat erstreckenden Kanals einen gewundenen Abschnitt der barometrischen Entlüftung definiert, wobei sich der gewundene Abschnitt der barometrischen Entlüftung zum vorderen Volumen hin öffnet.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das akustische Wandlerelement montierbar mit dem Substrat gekoppelt ist und eine Öffnung definiert, die mit dem gewundenen Abschnitt der barometrischen Entlüftung ausgerichtet ist, wobei sich die Öffnung zu dem hinteren Volumen öffnet und das vordere Volumen mit dem hinteren Volumen fluidisch koppelt.
Elektroakustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das akustische Wandlerelement ferner eine Rückplatte und einen zwischen der Membran und der Rückplatte angeordneten Isolator umfasst.
Elektronische Vorrichtung, umfassend: ein akustisches Wandlerelement mit einer beweglichen Membran, wobei die Membran gegenüberliegende erste und zweite Hauptoberflächen aufweist, wobei das akustische Wandlerelement eine Öffnung definiert, die benachbart zu der beweglichen Membran angeordnet ist; ein mit dem akustischen Wandlerelement gekoppeltes Substrat, wobei das Substrat einen zu dem akustischen Wandlerelement offenen akustischen Anschluss und einen länglichen Durchgang definiert, der sich von einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem akustischen Anschluss zu einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit der Öffnung erstreckt, wodurch eine barometrische Entlüftung definiert wird, die den akustischen Anschluss mit der Öffnung koppelt.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Substrat eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Schichten umfasst und sich eine Öffnung durch die Vielzahl von Schichten erstreckt, um den akustischen Anschluss zu definieren.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei mindestens eine der Schichten einen entsprechenden Kanal definiert, der ein Segment des Durchgangs definiert.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Durchgang einen gewundenen Durchgang mit mindestens einer Faltung umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine der Schichten eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht einen entsprechenden ersten Kanal definiert und die zweite Schicht einen entsprechenden zweiten Kanal definiert, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal fluidisch miteinander gekoppelt sind, wodurch eine Faltung in dem länglichen Durchgang definiert wird.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl von nebeneinander angeordneten Schichten eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und dem akustischen Wandlerelement angeordnet ist, wobei die zweite Schicht umfasst: einen für Ätzung empfänglichen Opferisolator; und einen Ätzstopp, der eine Grenze eines sich durch den Opferisolator erstreckenden Kanals definiert, wobei der Kanal einen entsprechenden Abschnitt des länglichen Durchgangs definiert.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das akustische Wandlerelement ferner eine Rückplatte und einen zwischen der Membran und der Rückplatte angeordneten Isolator umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das akustische Wandlerelement eine erste Rückplatte und einen zwischen der ersten Rückplatte und der Membran angeordneten entsprechenden ersten Isolator, eine zweite Rückplatte und einen zwischen der zweiten Rückplatte und der Membran angeordneten entsprechenden zweiten Isolator umfasst, wobei die Membran zwischen der ersten Rückplatte und der zweiten Rückplatte angeordnet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Membran eine erste Membran ist und wobei das akustische Wandlerelement eine Rückplatte, einen zwischen der Rückplatte und der ersten Membran angeordneten ersten Isolator, eine zweite Membran und einen zwischen der zweiten Membran und der Rückplatte angeordneten zweiten Isolator umfasst, wobei die Rückplatte zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Membran einen piezoelektrischen Aktor umfasst, wobei die Membran auf dem Substrat montiert ist und der piezoelektrische Aktor sich über den akustischen Anschluss erstreckt.