TWI810238B - 具有校正電路之方向性微機電系統麥克風 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種麥克風總成，其包括一換能器總成，該換能器總成包含界定一第一聲學體積之一第一圍封殼及安置於該第一圍封殼內之一微機電系統(「MEMS」)麥克風換能器。該麥克風總成亦包含一第二圍封殼，該第二圍封殼安置成鄰近於該第一圍封殼且界定與該第一聲學體積聲學連通之一第二聲學體積，該第二圍封殼包含一聲阻，其中該等第一及第二聲學體積與該聲阻協作產生一聲學延遲以產生一方向性極性型樣。本發明亦提供電路，該電路包括經組態以校正該MEMS麥克風換能器之一頻率回應之一部分的一擱架濾波器。在一些實施例中，該電路嵌入於該換能器總成內或至少包含於該麥克風總成內。在其他實施例中，該電路定位於電連接至該麥克風總成之一連接埠的一纜線上。

Description

具有校正電路之方向性微機電系統麥克風
本申請案大體上係關於MEMS(微機電系統)麥克風。特定言之，本申請案係關於一種方向性MEMS麥克風，其具有用於校正該麥克風之一頻率回應之電路。
存在數種類型之麥克風及相關換能器(舉例而言，諸如動態、晶體、電容器(condenser/capacitor)(外部偏壓及駐極體)等)，其等可經設計具有各種極性回應型樣(心形、超心形、全向等)。各類型之麥克風取決於應用具有其優點及缺點。
微機電系統(「MEMS」)麥克風、或具有一MEMS元件作為核心換能器之麥克風已歸因於其等之小封裝大小及高效能特性(例如，高信號對雜訊比(「SNR」)、低功耗、良好敏感度等)而變得愈來愈流行。然而，歸因於麥克風封裝之實體約束，一習知MEMS麥克風之極性型樣本質上係全向的，此對於寬頻應用(舉例而言，諸如錄音工作室、實況演出等)不太理想。
更明確言之，MEMS麥克風藉由產生與換能器位置處之瞬時氣壓位準成比例之一輸出電壓而有效地操作為「壓力麥克風」。例如， MEMS麥克風換能器通常包含一移動隔膜，該移動隔膜定位於位於換能器之一前端處之用於接收傳入聲波的一聲音入口與具有一固定空氣容積且由覆蓋換能器之一後端(back end)之一外殼形成的一後聲學腔室之間。歸因於傳入聲波之氣壓位準變化引起隔膜相對於亦包含於換能器中之一穿孔背板移動。此移動產生隔膜與背板之間之一電容變化，此產生藉由包含於麥克風封裝中之一積體電路(例如，特定應用積體電路(「ASIC」))感測之一交流輸出電壓。如將瞭解，因為外殼(例如，圍封罐)覆蓋MEMS換能器之後端，所以其阻擋至MEMS換能器之移動隔膜之後部聲學通路。因此，MEMS麥克風僅透過換能器前端處之聲音入口接收聲音，因此產生一全向回應。
因此，需要一種具有一方向性極性型樣之MEMS麥克風，其可與非所需環境聲音隔離且適用於寬頻音訊及專業應用。
本發明意欲藉由提供一種MEMS麥克風而解決上述及其他問題，該麥克風尤其具有：(1)一內部聲學延遲網路，其經組態以產生一方向性極性型樣，該聲學延遲網路包括藉由在該MEMS換能器之現有圍封罐後方添加一第二圍封罐而形成之一大腔順性(cavity compliance)及耦合至該第二圍封罐之一後壁之一聲阻；及(2)校正電路，其用於產生適用於寬頻音訊(例如，20Hz至20kHz)之一麥克風頻率回應。
例如，一項實施例包含一種麥克風總成，其包括：一換能器總成，其包含界定一第一聲學體積(acoustic volume)之一第一圍封殼及安置於該第一圍封殼內之一微機電系統(「MEMS」)麥克風換能器；一第二圍封殼，其安置成鄰近於該第一圍封殼且界定與該第一聲學體積聲學連 通之一第二聲學體積，該第二圍封殼包含一聲阻，其中該等第一及第二聲學體積與該聲阻協作產生一聲學延遲以產生該MEMS麥克風換能器之一方向性極性型樣；及電路，其電耦合至該換能器總成且包括經組態以校正該MEMS麥克風換能器之一頻率回應之一部分的一擱架濾波器(shelving filter)。
另一實例實施例包含一種麥克風總成，其包括：一換能器總成，其包含一微機電系統(「MEMS」)麥克風換能器、電耦合至該MEMS麥克風換能器之一積體電路及界定一第一聲學體積且具有安置於其中之該積體電路及該MEMS麥克風換能器之一第一圍封殼；及一第二圍封殼，其安置成鄰近於該第一圍封殼且界定與該第一聲學體積聲學連通之一第二聲學體積，該等第一及第二圍封殼產生一聲學延遲以產生該MEMS麥克風換能器之一方向性極性型樣，其中該體積電路包含包括經組態以校正該MEMS麥克風換能器之一頻率回應之一部分之一擱架濾波器的電路。
自闡述指示可採用本發明之原理之各種方式之闡釋性實施例的以下[實施方式]及隨附圖式將明白且更完全理解此等及其他實施例以及各種置換及態樣。
100:微機電系統(MEMS)麥克風
101:換能器總成
102:微機電系統(MEMS)感測器/微機電系統(MEMS)換能器
104:積體電路
106:基板/矽基板
108:外殼/圍封罐
110:薄膜/隔膜
112:背板
114:前部腔室/腔
116:聲音入口
118:背部腔室
200:方向性微機電系統(MEMS)麥克風
201:換能器總成
202:微機電系統(MEMS)麥克風換能器/微機電系統(MEMS)換能器
204:積體電路
206:基板
208:第一圍封殼
210:隔膜
212:穿孔背板
214:前部腔
216:第一聲音入口/前部聲音入口/開口/第一入口
218:第一聲學體積
220:孔隙/開口
222:輔助圍封殼/第二圍封殼
224:第二聲學體積
226:第二聲音入口/第二入口
228:聲阻
300:頻率對比音壓圖
302:第一回應曲線/未校正回應曲線
304:經校正回應曲線/第二回應曲線
400:頻率對比音壓圖
402:第一回應曲線/未校正回應曲線/麥克風回應
404:經校正回應曲線/第二回應曲線/經校正頻率曲線
500:回應曲線/擱架濾波器曲線
600:電路/校正電路
700:麥克風總成外殼/麥克風
702:校正電路
706:連接埠
800:麥克風總成外殼
804:焊料墊
806:連接埠
900:麥克風系統
902:麥克風總成外殼
904:校正電路
906:纜線
906a:纜線之一第一區段
906b:纜線之一第二區段
908:連接埠
910:焊料墊
Ctotal:總體腔順性
d1:外部聲學延遲/外部延遲
d2:內部聲學延遲/聲學網路延遲
圖1係繪示一習知全向MEMS麥克風之一般拓撲之一示意圖。
圖2係繪示根據一或多項實施例之一例示性方向性MEMS麥克風之一般拓撲之一示意圖。
圖3係根據實施例之圖2中展示之方向性MEMS麥克風的一例示性頻率回應曲線及歸因於一第一校正電路之一第一經校正回應。
圖4係根據實施例之圖2中展示之方向性MEMS麥克風的一例示性頻率回應曲線及歸因於一第二校正電路之一第二經校正回應。
圖5係根據實施例之包含於圖4之第二校正電路中之一例示性擱架濾波器的一頻率回應曲線。
圖6係根據實施例之圖5之例示性擱架濾波器之一電路圖。
圖7係根據一或多項實施例之包括圖2中展示之方向性MEMS麥克風及耦合至麥克風之校正電路的一麥克風總成外殼之一示意圖。
圖8係根據一或多項實施例之包括圖2中展示之方向性MEMS麥克風及整合於麥克風內之校正電路的一麥克風總成外殼之一示意圖。
圖9係根據一或多項實施例之包括圖2中展示之方向性MEMS麥克風的一麥克風總成外殼及包含於耦合至麥克風總成外殼之一纜線上的校正電路之一示意圖。
交叉參考
本申請案主張2018年1月24日申請之美國臨時專利申請案第62/621,406號之優先權，該案之內容以引用的方式完全併入本文中。
以下描述描述、繪示且例示根據本發明原理之本發明之一或多項特定實施例。本描述並非經提供以將本發明限制於本文中描述之實施例，而是用來說明且教示本發明之原理，使得一般技術者能夠理解此等原理，且運用該理解而能夠將該等原理應用於不僅實踐本文描述之實施例而且實踐可根據此等原理想到之其他實施例。本發明之範疇意欲涵蓋在字 面上或根據等同原則可落在隨附發明申請專利範圍之範疇內之全部此等實施例。
應注意，在描述及圖式中，相似或實質上類似元件可用相同元件符號標記。然而，有時可用不同數字標記此等元件，舉例而言，諸如在此標記有利於一更清楚描述之情況中。另外，本文中闡述之圖式不一定按比例繪製，且在一些例項中，可能已放大比例以更清楚描繪某些特徵。此等標記及圖式實踐不一定暗指一潛在實質目的。如上文所述，本說明書意欲被視為一整體且根據如本文中教示且為一般技術者所理解之本發明之原理解釋。
圖1繪示一典型或習知類比MEMS麥克風100之一般拓撲，其經展示用於與根據本文中描述之技術設計且在圖2中展示的方向性MEMS麥克風200之一般拓撲比較。MEMS麥克風100包含一習知換能器總成101，換能器總成101包括電耦合至一積體電路104之一MEMS感測器或換能器102(其等兩者皆形成於一基板106(例如，矽晶圓)上且包裝於一外殼108(例如，圍封罐)內)。積體電路104通常為經組態以將MEMS換能器102可操作地耦合至一印刷電路板(「PCB」)及其他外部裝置之一特定應用積體電路(「ASIC」)。
MEMS換能器102本質上用作矽電容器，其包括一可移動薄膜或隔膜110及一固定背板112。更明確言之，隔膜110在形成於換能器102內之一前部腔室或腔114後方，且背板112定位於隔膜110後方而鄰近於藉由圍封罐108圍繞換能器102之一後方形成之一背部腔室118。可移動隔膜110係回應於因聲波進入腔114引起之一氣壓變化而撓曲之一薄的實心結構。聲波透過一聲音入口116進入腔114，聲音入口116經形成穿過換 能器102之一前端處之基板106。背板112係一穿孔結構，其在空氣移動通過穿孔而朝向背部腔室118時保持靜止。在操作期間，隔膜110回應於傳入聲壓波(acoustic pressure wave)或聲音而相對於背板112移動產生隔膜110與背板112之間之一電容量變化。此產生藉由經附接積體電路104感測之一交流輸出電壓。
如圖1中展示，外殼108阻擋至隔膜110之後部聲學通路，此引起MEMS麥克風100本質上為全向的。更明確言之，因為聲波可僅透過在換能器102前面之聲音入口116進入換能器102，所以隔膜110能夠僅對前部腔114內之音壓(sound pressure)作出反應，因此使整體換能器102對定位於任何方向(例如，前側、背側、左側或右側)上之聲源同樣敏感。雖然全向麥克風在例如其中目標聲音來自多個方向之某些應用中可為有利的，但一方向性(或更明確言之，單向)麥克風在其他應用中(諸如，在對與許多非所需群眾或背景雜訊相關聯之實況演出進行錄音時)可較佳。
圖2繪示根據實施例之一方向性MEMS麥克風200之一般拓撲。方向性MEMS麥克風200包含類似於圖1中展示之習知換能器總成101之一換能器總成201。特定言之，換能器總成201包含類似於換能器102之一MEMS麥克風換能器202、類似於積體電路104之一積體電路204，及類似於矽基板106之一基板206。此外，MEMS換能器202包含安置於一穿孔背板212下方之一可移動隔膜210及形成於隔膜210與一第一聲音入口216之間之一前部腔214，第一聲音入口216經形成穿過換能器202之一前端處之基板206。
換能器總成201亦包含一第一圍封殼208，其可為用於容置一MEMS換能器之一標準圍封罐且至少在某種程度上類似於外殼108。例 如，MEMS換能器202及積體電路204兩者如圖1中般安置於第一圍封殼208內，且第一圍封殼208界定或形成MEMS換能器202後方之一第一聲學體積218，類似於圖1中展示之背部腔室118。然而，不同於背部腔室118，第一圍封殼208包含一孔隙220，孔隙220定位成鄰近於MEMS換能器202之一後端(rear end)(或背側)而與第一聲音入口216相對，如圖2中展示。孔隙220可藉由打孔或切割一孔穿過第一圍封殼208之一頂表面或任何其他適合手段形成。
在實施例中，孔隙220經組態以至少部分敞開換能器202之背側而允許至隔膜210之後部聲學通路。此引起MEMS換能器202之隔膜210在兩個相對側(例如，前側及背側)上部分敞開，此產生跨隔膜210之一聲壓差。例如，沿0度軸入射於換能器總成201上(例如，在x方向上行進)之聲音將首先透過前部聲音入口216進入且接著在延遲達兩個開口216與220之間之距離之後穿過孔隙220。如將瞭解，進入孔隙220之聲波將為進入第一入口216之聲波的一衰減(取決於距來源之一距離)及相移版本。所得壓力梯度施加一凈力(例如，前力減去後力(back force))於隔膜210上而引起其移動。因此，MEMS麥克風200有效地操作為一「壓力梯度麥克風」。
隔膜210之前側與背側之間的壓力差產生MEMS麥克風200中之一方向性回應。例如，在一些實施例中，MEMS麥克風200可對從換能器202之前面或後面到達之聲音同樣敏感，但對從側面到達之聲音不敏感(例如，雙向)。在一較佳實施例中，MEMS麥克風200組態為單向的，或主要對僅來自一個方向(例如，一前側)之聲音敏感。在此等情況中，MEMS麥克風200可經組態以藉由獲得壓力及壓力梯度效應之適當組合而 具有任何一階方向性極性型樣(舉例而言，諸如心形、高心形(hypercardioid)、超心形(supercardioid)或亞心形(subcardioid))。此可例如藉由調整MEMS麥克風200內之一內部空氣容積(例如，透過添加輔助圍封殼222)及/或組態其之一聲阻值(例如，透過添加聲阻228)而達成。
更明確言之，用於調整MEMS麥克風200內之容積之一個性質係前部聲音入口與背部聲音入口之間之距離，其與隔膜210上之凈力成線性比例。如將瞭解，為建立一壓力梯度，聲音入口之間之距離必須至少足夠大以建立可在任何系統雜訊(包含MEMS換能器202之聲學自有雜訊(self-noise))之上偵測到之一凈力。在一些情況中，第一聲音入口216與孔隙220之間之距離係由換能器總成201之製造商預先判定，且此預定距離(例如，大約2毫米(mm))並未大到可足以在整體麥克風系統之電/機械組件之雜訊底之上偵測到。
在實施例中，可藉由增大前部聲音入口及背部聲音入口之間之距離直至壓力梯度在一所關注頻寬內最大化或實質上增大而達成一改良的方向性麥克風回應。為幫助達成此結果，換能器總成201進一步包含一第二圍封殼222，第二圍封殼222安置成鄰近於(或附接至)第一圍封殼208之一外部且界定第一圍封殼208及形成於其中之第一聲學體積218後方的一第二聲學體積224。第二圍封殼222可為類似於第一圍封殼208之一圍封罐或外殼，且其可堆疊於第一圍封殼208之頂部上，如圖2中展示。根據實施例，在第一圍封殼208後端之孔隙220促成第一聲學體積218與第二聲學體積224之間之聲學連通，藉此增大換能器總成201之一總聲學體積。此外，如圖2中展示，第二圍封殼222之一後端或壁包含一第二聲音入口226，第二聲音入口226定位成與孔隙220相對以容許穿過第二圍封殼 222至隔膜210之後部通路。根據實施例，第二聲音入口226操作為麥克風200之後部聲音入口。例如，隔膜210上之凈力可依據第一或前部聲音入口216與第二聲音入口226之間之距離而變化。如圖2中展示，第二入口226可與孔隙220及/或第一聲音入口216實質上對準以進一步促成至隔膜210之後部通路。
在實施例中，第二入口226可定位成距第一入口216一預定距離D，且此預定距離(亦稱為「前部至背部距離」)可經選擇以產生跨隔膜210之一壓力梯度。如圖2中展示，麥克風200之前部至背部距離實質上等於第一圍封殼208之一高度加上第二圍封殼222之一高度。在一些實施例中，第一圍封殼208之高度保持固定，而選擇第二圍封殼222之高度使得從麥克風200之前部至背部的距離D足以最大化或實質上增大跨隔膜210之壓力梯度。例如，在實施例中，藉由組態第二圍封殼222使其具有5毫米(mm)之一高度而將麥克風200之前部至背部距離D增大至大約7mm。在其他實施例中，亦可調整第一圍封殼208之一高度以達成從麥克風200之前部至背部之總距離之一增大。
增大麥克風200之前部至背部距離D可引起外部聲學延遲d1(亦稱為一「聲音延遲」)增大，或引起一音壓波從麥克風200之前端(例如，第一聲音入口216)行進至麥克風200之後端(例如，第二聲音入口226)所花費之時間增大。如將瞭解，假定一平面聲波且麥克風200與聲源之間之一距離足夠大而足以產生自麥克風200之前部至背部的一可忽略壓降，則入射於麥克風200之後端上的聲波與入射於前端上之聲波將僅在相位上不同。
在實施例中，第二圍封殼222進一步經組態以幫助引入一 內部聲學延遲d2(在本文中亦稱為一「網路延遲」)而能夠建立麥克風200之一一階方向性極性型樣(舉例而言，諸如心形、高心形、超心形或亞心形)。為達成此結果，第二圍封殼222可包含一聲學延遲網路(亦稱為一「相位延遲網路」)之全部或(若干)部分，該聲學延遲網路經組態以修改聲音至麥克風200後端處之第二聲音入口226的傳播且產生具有朝向麥克風200前端處之第一聲音入口216之一方向性偏好的一一階極性型樣。例如，在實施例中，聲學延遲網路藉由MEMS麥克風200之一總體腔順性Ctotal或第一圍封殼208內部之第一聲學體積218及第二圍封殼222內部之第二聲學體積224之一總和、以及放置成鄰近於第二入口226之具有一預定聲阻值R之一聲阻228形成。聲阻228可為一織物、篩網或其他適合材料，其附接至第二圍封殼222以覆蓋第二入口226，且其經組態以產生第二聲音入口226處之聲流阻力R。在操作期間，透過第一聲音入口216撞擊於隔膜210上之聲波亦將傳播至且穿過麥克風200後端處之第二聲音入口226，而在到達隔膜210之後方之前穿過聲學延遲網路，包含聲阻228。
在實施例中，第二圍封殼222(包含藉此形成之第二聲學體積224及包含於其上之聲阻228)之機械性質可在很大程度上判定聲學網路延遲d2之一值。例如，在一項實施例中，聲學網路延遲d2被估計為實質上等於聲阻R與腔順性Ctotal之一乘積。此外，在一些情況中，總體腔順性Ctotal主要依據藉由第二圍封殼222形成之第二聲學體積224而變化，此係因為第二聲學體積224顯著大於第一聲學體積218。如將瞭解，可藉由組態聲學網路延遲d2以抵消外部聲學延遲d1且產生一相移以消除從壓力梯度接近一空值(或零)之方向接近的聲波而達成一方向性麥克風回應。因此，在實施例中，可適當選擇MEMS麥克風200之聲阻R及腔順性Ctotal之 值，使得聲學網路延遲d2所引起之時間延遲實質上等於外部聲學延遲d1所引起之時間延遲，其中外部延遲d1近似等於麥克風200之前部至背部距離D除以聲速(「c」)。
因此，本文中描述之技術提供一種具有一聲學延遲網路之一方向性MEMS麥克風200，該聲學延遲網路在MEMS換能器總成201外部或並非MEMS換能器總成201之部分，如圖2中展示。此組態提供MEMS麥克風200之增大的設計靈活性，此係因為可在未更改下層換能器總成201之情況下針對特定應用或極性型樣定製第二圍封殼222。應瞭解，雖然本文中已描述聲學延遲網路之例示性實施方案，但亦預期根據本文中描述之技術之其他實施方案。
在實施例中，方向性MEMS麥克風200之壓力梯度回應按每倍頻程6分貝(dB)之一速率上升但歸因於聲學延遲網路所產生之一低通濾波效應而在較高頻率處變平。換言之，麥克風200具有一高端回應，但無低音或中頻區段回應。作為一實例，在將第二圍封殼222添加至換能器總成201時產生之聲學延遲網路可表現得像一一階低通濾波器，假定如上文論述之7mm之一前部至背部距離，其具有在10kHz附近開始變平且在7.8千赫(kHz)處具有一轉角頻率(coner frequency)或拐點(例如，一-3dB下行點(down point))之一頻率回應(參見例如圖3中展示之回應曲線302)。此頻率回應對於某些應用(舉例而言，諸如實況或舞臺演出及其他寬頻音訊應用，其中預期麥克風換能器實質上再現整個音訊頻寬(例如，20赫茲(Hz)
Figure 108102767-A0305-02-0014-6
f
Figure 108102767-A0305-02-0014-7
20千赫(kHz)))而言可為無法接受的。因此，本文中描述之技術進一步提供校正電路，該校正電路經組態以跨所關注頻寬之至少一實質部分產生方向性MEMS麥克風200之一變平頻率回應(參見例如圖3中之經校 正回應曲線304及圖4中之經校正回應曲線404)。校正電路可由運算放大器技術構成(例如，如圖6中展示)，且可附接至MEMS麥克風200(例如，如圖7中展示)、整合至MEMS麥克風200中(例如，如圖8中展示)或包含於耦合至麥克風總成外殼之一纜線上(例如，如圖9中展示)，如下文將更詳細論述。
現參考圖3，其展示根據實施例之MEMS麥克風200之一例示性頻率對比音壓圖300。圖300包含一第一回應曲線302(本文中亦稱為「未校正回應曲線」)，其表示不具有任何校正或等化效應之方向性MEMS麥克風200之原始頻率回應。如所展示，未校正回應曲線302在一第一預定頻率以上(例如，在10kHz附近)開始變平且在一第二預定頻率(例如，7.8千赫(kHz))處具有一轉角頻率或拐點(例如，一-3dB下行點)。圖300進一步包含一第二回應曲線304(本文中亦稱為「經校正回應曲線」)，其表示在藉由一第一校正電路調節或等化之後之方向性MEMS麥克風200的一經校正頻率回應。在實施例中，第一例示性校正電路(未展示)可包含一被動低通濾波器，其具有足夠小以涵蓋MEMS麥克風200之整個所關注頻寬(例如，20Hz至20kHz)之一轉角頻率。因為跨整個所關注頻寬應用低通濾波，所以經校正麥克風回應在更高頻率處衰減，如圖3中之曲線304所展示。此可為不太合意的，此至少因為MEMS麥克風200在特定較高頻率(例如，10kHz)以上已歸因於聲學延遲網路之添加而至少部分衰減。
圖4繪示根據實施例之MEMS麥克風200之另一例示性頻率對比音壓圖400。圖400包含一第一回應曲線402(本文中亦稱為「未校正回應曲線」)，其表示不具有任何校正或等化效應之方向性MEMS麥克風 200之一原始頻率回應。如同圖3中展示之曲線302，未校正回應曲線402在一第一預定頻率以上(例如，在10kHz附近)開始變平且在一第二預定頻率(例如，7.8千赫(kHz))處具有一轉角頻率或拐點(例如，一-3dB下行點)。圖400進一步包含一第二回應曲線404(本文中亦稱為「校正回應曲線」)，其表示在藉由一第二校正電路調節或等化之後之方向性MEMS麥克風200的一經校正頻率回應。根據實施例，第二校正電路包含一主動擱架濾波器，其經組態以校正MEMS麥克風200之頻率回應之一選定部分。例如，主動擱架濾波器可經組態以等化麥克風回應402之一非平坦部分(例如，每倍頻程6dB上升直至7.8kHz處之轉角頻率拐點)且保持不影響回應402之一變平部分(例如，10kHz以上)。
圖5係根據實施例之用於校正MEMS麥克風200之頻率回應之一部分之一例示性主動擱架濾波器的一回應曲線500。如所展示，回應曲線500(本文中亦稱為「擱架濾波器曲線」)減小直至到達一預定高頻率值(例如，10kHz)，在此之後，濾波器之頻率回應變平。在實施例中，擱架濾波器曲線500之此形狀歸因於與擱架濾波器相關聯之至少三個所關注轉角頻率。第一轉角頻率鄰近於曲線500之一左側且充當用於控制低頻回應或「擴展」之一高通濾波器。一第二轉角頻率在-6dB/倍頻程校正曲線開始之前發生，且第三轉角頻率恰在-6dB/倍頻程校正曲線結束時或校正停止運作之處發生，以容許高頻輸出不受影響地通過。根據實施例，圖4中展示之經校正頻率曲線404係組合圖5之擱架濾波器曲線500及圖4之未校正回應曲線402之結果。如圖4中展示，經校正回應曲線404之頻率回應之絕大部分(例如，在擱架濾波器之第二轉角頻率與第三轉角頻率之間)係平坦的，其中衰減僅發生在10kHz之後(例如，在第三轉角頻率之後)。
圖6繪示根據實施例之實施用於校正MEMS麥克風200之頻率回應之一部分或使其變平之擱架濾波器之一類比版本的一例示性電路600。如所展示，可使用運算放大器(「op-amp」)技術來構造電路600以達成主動擱架濾波器之類比版本。應瞭解，所描繪之電路係實施擱架濾波器之一個實例，且預期根據本文中描述之技術之其他實施方案。
在一些實施例中，擱架濾波器可使用一數位信號處理器、一或多個類比組件及/或其等之一組合來實施。例如，一般而言，一擱架濾波器可藉由諸如方程式1之一數學轉移函數來表示，其中分母描述低頻極點位置，且分子描述高頻零點及擱架位置。
Figure 108102767-A0305-02-0017-2
將方程式1應用於圖6之電路600，可使用方程式2獲得高頻零點(擱架)，而可使用方程式3獲得低頻極點。
Figure 108102767-A0305-02-0017-3
Figure 108102767-A0305-02-0017-4
假定電路600之電容器C1之一電容值足夠大使得其阻抗不計入(factor into)擱架函數，則可藉由方程式4表示擱架部分之電路轉移函數。
Figure 108102767-A0305-02-0017-5
在一些情況中，方程式4可用於例如在一數位信號處理器上實施擱架濾波器之一數位版本。在其他情況中，方程式4可用於實施圖6中展示之電路600。應瞭解，本文中提供之擱架濾波器方程式係例示性 的，且預期根據本文中描述之技術之其他實施方案。
現參考圖7，其展示根據實施例之一例示性總成外殼700(本文中亦稱為「麥克風總成」)，其包括用於產生圖2之方向性MEMS麥克風200之一變平頻率回應之校正電路702。如所繪示，外殼700包含MEMS麥克風200及可操作地耦合至其之校正電路702。如圖7中展示，校正電路702可電連接至包含於麥克風700之換能器總成201內的積體電路704。此電連接可經由提供於基板206之一外表面上之一焊料墊204形成，其中積體電路704亦經由基板206電耦合至焊料墊204。
如圖7中展示，校正電路702可耦合於MEMS麥克風200外部但在整體總成外殼700內。根據實施例，校正電路702可機械附接至換能器總成201之一外部及第二圍封殼222之一外部之一或多者。在所繪示實施例中，校正電路702沿麥克風200之一個側耦合而鄰近於第一圍封殼208及第二圍封殼222兩者。在其他實施例中，校正電路702可定位於總成外殼700內之別處，只要校正電路702保持電耦合至積體電路204即可。此組態(例如，將校正電路702完全放置於MEMS麥克風200外部且透過一外部連接耦合兩者)容許將校正電路702添加至任何已有MEMS麥克風，包含例如一習知MEMS麥克風單元(例如，圖1之MEMS麥克風100)或其他MEMS麥克風設計。此組態亦能夠獨立於校正電路702更改MEMS麥克風200且反之亦然，因此降低整體麥克風設計之複雜度。
在實施例中，校正電路702包含一印刷電路板(PCB)，該印刷電路板(PCB)耦合至經組態以產生一所要頻率回應之一或多個類比裝置(舉例而言，諸如圖6中展示之校正電路600)。校正電路702可經組態使得不需要總成外殼700外部之其他介面或電路以獲得所要回應。例如，全部 必要等化電路可包含於總成外殼700內部之校正電路702上。在一較佳實施例中，校正電路702包含經組態以校正MEMS麥克風200之一頻率回應之一選定部分的一主動擱架濾波器。在一些實施例中，主動擱架濾波器係使用op-amp技術(舉例而言，諸如圖6之電路600)構造。
如圖7中展示，外殼700進一步包含一連接埠706，連接埠706經組態以接納一纜線用於將麥克風總成外殼700可操作地連接至一外部裝置(例如，一接收器等)。在一些實施例中，連接埠706係一標準音訊輸入埠，其經組態以接納連接至纜線之一標準音訊插頭。如所展示，連接埠706可連接至校正電路702，使得藉由麥克風200擷取之音訊信號在經由埠706離開麥克風總成外殼700之前藉由校正電路702修改。
圖8描繪根據實施例之另一例示性總成外殼800(本文中亦稱為「麥克風總成」)，其包括圖2之方向性MEMS麥克風200及經組態以校正麥克風200之一頻率回應之校正電路。圖8之校正電路可在功能上類似於在上文描述且在圖7中展示之校正電路702，但在其結構組成方面實體上不同。例如，在所繪示實施例中，校正電路包含於積體電路204(例如，ASIC)內，使得換能器總成201外部不需要外部電路或單獨PCB。在一較佳實施例中，積體電路204之校正電路包含經組態以校正MEMS麥克風200之一頻率回應之一選定部分的一主動擱架濾波器，如在本文中且參考圖7描述。如將瞭解，此組態大幅降低麥克風總成外殼800之一整體大小以及麥克風設計之總體複雜度。
如圖8中展示，總成外殼800進一步包含經由一焊料墊804電耦合至積體電路204之一連接埠806。如同圖7中展示之連接埠706，連接埠806可經組態以接納一纜線用於將麥克風200可操作地耦合至一外部 裝置(例如，接收器等)。例如，埠806可為一標準音訊輸入埠，其經組態以接納附接至纜線之一個端之一標準音訊插頭。亦如同連接埠706，經由連接埠806離開麥克風總成外殼800之音訊信號已由外殼800內之校正電路修改。
圖9描繪根據實施例之一例示性麥克風系統900，其包括一總成外殼902(本文中亦稱為「麥克風總成」)，總成外殼902容置圖2之方向性MEMS麥克風200、經組態以校正麥克風200之一頻率回應之校正電路904及一纜線906。校正電路904可類似於在上文描述且在圖7中展示之校正電路702。例如，在一較佳實施例中，校正電路904包含經組態以校正MEMS麥克風200之一頻率回應之一選定部分的一主動擱架濾波器，如在本文中且參考圖7描述。然而，不同於校正電路702，校正電路904定位於麥克風總成外殼900外部且經由纜線906可操作地耦合至麥克風總成外殼902。
如圖9中展示，纜線906耦合至包含於總成外殼902中之一連接埠908。在實施例中，連接埠908可類似於如分別在圖7及圖8中展示且在本文中描述之連接埠706及806。例如，連接埠908可為一標準音訊輸入埠，其經組態以接納連接至纜線906之一第一端之一標準音訊插頭。適合連接埠之實例包含但不限於一XLR連接器(例如，XLR3、XLR4、XLR5等)、一小型XLR連接器(例如，TA4F、MTQG或其他小型4接腳連接器)、一1/8”或3.5mm連接器(例如，一TRS連接器或類似者)及一低電壓或同軸連接器(例如，LEMO所製造之單極或多極連接器，或類似者)。如圖9中展示，連接埠908可經由一焊料墊910電連接至麥克風200之積體電路204，焊料墊910提供於麥克風200之基板206之一外部表面上。一電 連接可透過基板206形成於焊料墊910與積體電路204之間。
在實施例中，校正電路904可包含於一印刷電路板(未展示)上，該印刷電路板包含於纜線906上或以其他方式耦合至纜線906。印刷電路板可為一剛性或撓性板。作為一實例，校正電路904之一輸入端可耦合至定位於總成外殼900與校正電路904之間之纜線906的一第一區段906a，且校正電路904之一輸出端可耦合至定位於校正電路904之相對側上之纜線906的一第二區段906b，如圖9中展示。在此等情況中，纜線906之一第一端可耦合至連接埠908(如所展示)，且纜線906之一第二端(未展示)可耦合至一外部裝置(未展示)。因此，藉由麥克風200擷取之音訊信號可在經由連接埠908離開總成外殼902之後但在繼續前進至耦合至纜線906之第二端的外部裝置(例如，接收器)之前藉由包含於纜線906上之校正電路904修改。
在實施例中，纜線906係能夠在總成外殼902與外部裝置之間傳送音訊信號及/或控制信號之一標準音訊纜線。在一些實施例中，纜線906實體分離成兩個區段906a及906b，區段906a及906b經由或透過校正電路904彼此電連接。在其他實施例中，纜線906係一連續纜線且校正電路904使用一並聯連接電耦合至纜線906。在一項實例實施例中，校正電路904包裝於耦合至纜線906之一外殼(例如，一塑膠殼)中。藉由將校正電路放置於纜線906上及總成外殼902外部，可最小化或減小麥克風總成902之一整體大小及複雜度，且使校正電路904可更容易接取以視需要進行微調、維修及/或更換。將校正電路904放置於纜線906上亦產生整個移除校正電路904之選項，例如，在其中麥克風總成已經包含其自身之校正電路(例如，如圖7及圖8中展示)或其中MEMS麥克風不需要額外校正之情況 中。
因此，本文中描述之技術提供一種方向性MEMS麥克風，其包含在換能器總成之原生圍封罐後方之一第二圍封罐或外殼及兩個圍封殼之一後壁內之孔隙，以聲學連接由原生圍封殼界定之一第一聲學體積及由第二圍封罐界定之一第二聲學體積。第一及第二聲學體積與安置於經形成穿過第二圍封殼之後部聲音入口上方的一聲阻協作經組態以產生一聲學延遲而產生MEMS麥克風之方向性極性型樣。
本文中描述之技術亦提供產生一種具有適用於寬頻音訊應用之一頻率回應之方向性MEMS麥克風。可使用包含用於校正麥克風回應之一相關部分之一擱架濾波器的校正電路來修改麥克風之頻率回應。例如，擱架濾波器可經組態以僅修改頻率回應之非平坦部分，使得高頻部分不受影響地通過。在實施例中，校正電路可嵌入於MEMS麥克風換能器之積體電路內、附接至換能器總成之一外部或包含於耦合至麥克風總成外殼之一纜線上。
本發明意欲說明如何根據本技術設計及使用各種實施例而非限制本發明之真實、預期且公平範疇及精神。前述描述並不意欲為詳盡的或限於所揭示之精確形式。根據上文教示之修改或變動係可能的。選取且描述(若干)實施例以提供對所描述技術之原理及其實際應用之最佳繪示，且使一般技術者能夠在各種實施例中且以適用於所設想特定用途之各種修改利用本技術。全部此等修改及變動在如由隨附發明申請專利範圍(如可在本專利申請案待審期間修正)及其全部等效物(當根據公平、合法且公正地授權之廣度來解釋時)判定之實施例之範疇內。
200‧‧‧方向性微機電系統(MEMS)麥克風
201‧‧‧換能器總成
202‧‧‧微機電系統(MEMS)麥克風換能器/微機電系統(MEMS)換能器
204‧‧‧積體電路
206‧‧‧基板
208‧‧‧第一圍封殼
210‧‧‧隔膜
212‧‧‧穿孔背板
214‧‧‧前部腔
216‧‧‧第一聲音入口/前部聲音入口/開口/第一入口
218‧‧‧第一聲學體積
220‧‧‧孔隙/開口
222‧‧‧輔助圍封殼/第二圍封殼
224‧‧‧第二聲學體積
226‧‧‧第二聲音入口/第二入口
228‧‧‧聲阻
Ctotal‧‧‧總體腔順性
d1‧‧‧外部聲學延遲/外部延遲
d2‧‧‧內部聲學延遲/聲學網路延遲

Claims (28)

  1. 一種麥克風總成，其包括：一換能器總成，其包含界定一第一聲學體積之一第一圍封殼及安置於該第一圍封殼內之一微機電系統(「MEMS」)麥克風換能器，以使得該第一聲學體積圍繞該MEMS麥克風換能器之一後方(rear)；一第二圍封殼，其安置成鄰近於該第一圍封殼且界定與該第一聲學體積聲學連通之一第二聲學體積，該第二圍封殼包含一聲阻，其中該等第一及第二聲學體積與該聲阻協作產生一聲學延遲以產生一方向性極性型樣；及電路，其電耦合至該換能器總成且包括經組態以校正該MEMS麥克風換能器之一頻率回應之一部分的一擱架(shelving)濾波器，以使在一預定頻寬內跨所有頻率值之該頻率回應變平。
  2. 如請求項1之麥克風總成，其中該電路機械附接至該換能器總成之一外部。
  3. 如請求項1之麥克風總成，其中該電路機械附接至該第二圍封殼之一外部。
  4. 如請求項1之麥克風總成，其中該方向性極性型樣係一一階方向性極性型樣。
  5. 如請求項1之麥克風總成，其中該換能器總成進一步包含一積體電路，該積體電路電耦合至該MEMS麥克風換能器且安置於該第一圍封殼內，該電路電連接至該換能器總成之該積體電路。
  6. 如請求項1之麥克風總成，其中該第一圍封殼包含一孔隙以促成該第一聲學體積與該第二聲學體積之間之聲學連通，該孔隙定位成鄰近於該MEMS麥克風換能器。
  7. 如請求項6之麥克風總成，其中該第一圍封殼包含定位成鄰近於該MEMS麥克風換能器之一第一聲音入口，且該第二圍封殼包含定位成距該第一聲音入口一預定距離之一第二聲音入口。
  8. 如請求項7之麥克風總成，其中該預定距離經選擇以產生跨該MEMS麥克風換能器之一隔膜之一壓力梯度。
  9. 如請求項7之麥克風總成，其中該聲阻覆蓋該第二聲音入口。
  10. 如請求項1之麥克風總成，其進一步包括一連接埠，該連接埠電耦合至該電路且經組態以接納一纜線用於將該換能器總成可操作地耦合至一外部裝置。
  11. 如請求項1之麥克風總成，其進一步包括經組態以支撐該換能器總成之一基板。
  12. 一種麥克風總成，其包括：一換能器總成，其包含一微機電系統(「MEMS」)麥克風換能器、電耦合至該MEMS麥克風換能器之一積體電路，及界定一第一聲學體積且具有安置於其中之該積體電路及該MEMS麥克風換能器的一第一圍封殼，以使得該第一聲學體積圍繞該MEMS麥克風換能器之一後方；及一第二圍封殼，其安置成鄰近於該第一圍封殼且界定與該第一聲學體積聲學連通之一第二聲學體積，該第二圍封殼包含一聲阻，且該等第一及第二圍封殼產生一聲學延遲以產生一方向性極性型樣，其中該體積電路包含電路，該電路包括經組態以校正該MEMS麥克風換能器之一頻率回應之一部分的一擱架濾波器，以使在一預定頻寬內跨所有頻率值之該頻率回應變平。
  13. 如請求項12之麥克風總成，其中該積體電路係一特定應用積體電路(ASIC)。
  14. 如請求項12之麥克風總成，其中該方向性極性型樣係一一階方向性極性型樣。
  15. 如請求項12之麥克風總成，其中該第二圍封殼包含一孔隙以促成該第一聲學體積與該第二聲學體積之間之聲學連通，該孔隙定位成鄰近於該MEMS麥克風換能器。
  16. 如請求項12之麥克風總成，其中該第一圍封殼包含定位成鄰近於該MEMS麥克風換能器之一第一聲音入口，且該第二圍封殼包含定位成距該第一聲音入口一預定距離之一第二聲音入口。
  17. 如請求項16之麥克風總成，其中該預定距離經選擇以產生跨該MEMS麥克風換能器之一隔膜之一壓力梯度。
  18. 如請求項16之麥克風總成，其中該聲阻覆蓋該第二聲音入口。
  19. 如請求項12之麥克風總成，其進一步包括一連接埠，該連接埠電耦合至該積體電路且經組態以接納一纜線用於將該換能器總成可操作地耦合至一外部裝置。
  20. 如請求項12之麥克風總成，其進一步包括經組態以支撐該換能器總成之一基板。
  21. 一種麥克風系統，其包括：一麥克風總成，其包括：一換能器總成，其包含界定一第一聲學體積之一第一圍封殼及安置於該第一圍封殼內之一微機電系統(「MEMS」)麥克風換能器；一第二圍封殼，其安置成鄰近於該第一圍封殼且界定與該第一聲學體積聲學連通之一第二聲學體積，該第二圍封殼包含一聲阻，其中該等第一及第二聲學體積與該聲阻協作產生一聲學延遲以產生一 方向性極性型樣；及一連接埠，其電耦合至該換能器總成；一纜線，其電耦合至該連接埠以將該換能器總成可操作地耦合至一外部裝置；及電路，其包含於該纜線上且經由該連接埠電耦合至該換能器總成，該電路包括經組態以校正該MEMS麥克風換能器之一頻率回應之一部分的一擱架濾波器，以使在一預定頻寬內跨所有頻率值之該頻率回應變平。
  22. 如請求項21之麥克風系統，其中該換能器總成進一步包含一積體電路，該積體電路電耦合至該MEMS麥克風換能器且安置於該第一圍封殼內，該電路電連接至該換能器總成之該積體電路。
  23. 如請求項21之麥克風系統，其中該方向性極性型樣係一一階方向性極性型樣。
  24. 如請求項21之麥克風系統，其中該第二圍封殼包含一孔隙以促成該第一聲學體積與該第二聲學體積之間之聲學連通，該孔隙定位成鄰近於該MEMS麥克風換能器。
  25. 如請求項21之麥克風系統，其中該第一圍封殼包含定位成鄰近於該MEMS麥克風換能器之一第一聲音入口，且該第二圍封殼包含定位成距該第一聲音入口一預定距離之一第二聲音入口。
  26. 如請求項25之麥克風系統，其中該預定距離經選擇以產生跨該MEMS麥克風換能器之一隔膜之一壓力梯度。
  27. 如請求項25之麥克風系統，其中該聲阻覆蓋該第二聲音入口。
  28. 如請求項21之麥克風系統，其進一步包括經組態以支撐該換能器總成之一基板。
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