專(zhuān)利名稱(chēng)：具有多個(gè)換能器元件的傳聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專(zhuān)利申請(qǐng)涉及一種具有兩個(gè)或更多個(gè)換能器元件的傳聲器。


為了更完整的理解本公開(kāi)，應(yīng)該參考下面的詳細(xì)描述和附圖，其中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的使用多個(gè)換能器的傳聲器的剖視立體圖； 圖2示出了本發(fā)明實(shí)施方式中的安裝在帶有緩沖器元件的單個(gè)隔音板上的四個(gè)換能器元件的立體圖； 圖3示出了本發(fā)明實(shí)施方式中的安裝在帶有緩沖器元件的單個(gè)隔音板上的三個(gè)換能器元件的立體圖； 圖4示出了本發(fā)明實(shí)施方式中的安裝在帶有緩沖器元件的單個(gè)隔音板上的兩個(gè)換能器元件的立體圖； 圖5示出了本發(fā)明實(shí)施方式中的傳聲器的立體圖； 圖6示出了本發(fā)明實(shí)施方式中的使用包含兩個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)換能器的整體式傳聲器單元的傳聲器的剖視立體圖； 圖7示出了本發(fā)明實(shí)施方式中的帶有包含四個(gè)單獨(dú)換能器元件的整體式換能器元件的隔音板的立體圖； 圖8是示出了本發(fā)明實(shí)施方式中的單獨(dú)換能器到緩沖電路的連通性的電路的示意圖； 圖9是示出了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式中的單獨(dú)換能器到緩沖電路的連通性的電路的示意圖； 圖10是示出了利用多個(gè)換能器元件實(shí)現(xiàn)更高信噪比的疊加方法的示意圖。
技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，圖中的元件應(yīng)該被清楚簡(jiǎn)要地示出。還應(yīng)意識(shí)到，可能會(huì)以特定的發(fā)生順序來(lái)描述或描繪某些動(dòng)作和/或步驟，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解關(guān)于順序的這種特定性實(shí)際是不需要的。而且應(yīng)該理解，本文使用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)具有一般意義，與該術(shù)語(yǔ)和表達(dá)在各自相應(yīng)的調(diào)查和研究領(lǐng)域相關(guān)的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)一致，除非本文中已經(jīng)另外闡明了特定的意義。
具體實(shí)施例方式雖然本公開(kāi)易于具有多種修改和替換形式，但是在附圖中通過(guò)實(shí)施例示出了某些實(shí)施方式，并且本文將詳細(xì)描述這些實(shí)施方式。然而應(yīng)該理解，本公開(kāi)不旨在將本發(fā)明限制在所描述的特定形式，而相反地，本發(fā)明旨在涵蓋落入由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有的修改、替換和等價(jià)物。
在一個(gè)實(shí)施方式中，提供一種傳聲器。所述傳聲器具有外殼；聲學(xué)端口，該聲學(xué)端口位于所述外殼中；基板，該基板與所述外殼結(jié)合；集成電路，該集成電路定位在所述基板上；以及兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器，所述兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器安裝在所述基板上， 其中所述換能器并聯(lián)連接。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基板由硅構(gòu)成。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基板由陶瓷材料構(gòu)成。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所所述述基板在前腔和后腔之間提供隔音。
在一個(gè)實(shí)施方式中，至少一個(gè)所述MEMS換能器具有開(kāi)口，從而允許聲音撞擊在該換能器上。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述換能器良好匹配。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器形成整體式MEMS換能器元件。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述集成電路是緩沖電路。
在一個(gè)實(shí)施方式中，至少一個(gè)所述MEMS換能器元件是可變電容器。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，提供一種傳聲器。所述傳聲器具有外殼；聲學(xué)端口，該聲學(xué)端口位于所述外殼中；基板，該基板結(jié)合到所述外殼；集成電路，該集成電路定位在所述基板上；以及多個(gè)MEMS換能器，所述多個(gè)MEMS換能器安裝在所述基板上，其中多個(gè)換能器中的兩個(gè)或更多個(gè)換能器是并聯(lián)連接的。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基板由硅構(gòu)成。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基板由陶瓷材料構(gòu)成。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基板在前腔和后腔之間提供隔音效果。
在一個(gè)實(shí)施方式中，至少一個(gè)所述MEMS換能器具有開(kāi)口，從而允許聲音撞擊在該換能器上。
在一個(gè)實(shí)施方式中，至少兩個(gè)所述換能器良好匹配。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述多個(gè)MEMS換能器中的兩個(gè)或更多個(gè)換能器形成整體式 MEMS換能器元件。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述集成電路是緩沖電路。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述多個(gè)MEMS換能器元件中的至少一個(gè)是可變電容器。
圖1示出了具有多個(gè)聲學(xué)換能器元件4的傳聲器2。傳聲器可以由例如不銹鋼或者其他沖壓金屬等材料構(gòu)成。聲音可通過(guò)位于頂蓋8內(nèi)的聲學(xué)端口 6進(jìn)入傳聲器2。頂蓋 8可以定義為如下區(qū)域該區(qū)域從傳聲器的一側(cè)水平延伸到另一側(cè)，并且從傳聲器2的隔音板14垂直延伸到傳聲器2的頂面12。隔音板14位于頂蓋和底蓋之間，并且可以在前腔15 和后腔17之間提供隔音。隔音板14可以由例如金屬、陶瓷等的材料構(gòu)成。定位在隔音板 14上的聲學(xué)換能器元件4可以通過(guò)例如表面安裝、粘合劑粘接或任何其他本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以構(gòu)想的方法與隔音板14相連接。換能器元件4例如可以是MEMS傳聲器換能器。 緩沖集成電路16靠近一個(gè)或多個(gè)換能器元件4。緩沖集成電路16可以通過(guò)例如表面安裝、 粘合劑粘接或任何其他本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以構(gòu)想的方法與隔音板14相連接。每一個(gè)聲學(xué)換能器元件4均包含一個(gè)聲音端口，以允許聲音撞在擊換能器元件4上，從而產(chǎn)生電輸出，該電輸出由緩沖集成電路16緩沖。聲音可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)與換能器元件4的聲音端口對(duì)準(zhǔn)的孔20傳播。
在一個(gè)實(shí)施方式中，使用了 MEMS換能器元件。通過(guò)利用MEMS換能器元件，可以實(shí)現(xiàn)某些增益。例如，較小尺寸的MEMS換能器元件可以允許使用多個(gè)換能器元件來(lái)保持小的整體包裝。由于MEMS換能器使用半導(dǎo)體工藝，晶片中的元件就靈敏度來(lái)說(shuō)良好匹配。MEMS 換能器中的靈敏度是由隔膜質(zhì)量、聲順和電機(jī)間隙決定的?？梢钥刂七@些參數(shù)，因?yàn)樗鼈兒捅∧さ牡矸e厚度有關(guān)，該厚度是在半導(dǎo)體制作工藝中使MEMS和半導(dǎo)體裝置中使用的材料淀積的厚度。使用良好匹配的換能器可以使靈敏度和噪聲的性能最佳，從而優(yōu)化信噪比 (SNR)。
在另一實(shí)施方式中，MEMS聲學(xué)元件不需要良好匹配。與單個(gè)換能器的結(jié)構(gòu)相比， 可以實(shí)現(xiàn)信噪比增益。通過(guò)對(duì)多個(gè)換能器元件求和，可使各個(gè)換能器元件保持精密匹配的相關(guān)性最小化。
再一次參考圖1，頂蓋8結(jié)構(gòu)允許沿著任何表面放置聲學(xué)端口，例如，聲學(xué)端口可以放置在長(zhǎng)側(cè)或短側(cè)處或者放置在頂面中。這提供了例如可以在不同的應(yīng)用中使用的靈活的端口配置。
多個(gè)匹配的換能器元件在單個(gè)傳聲器組件中求和可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的信噪比。改進(jìn)的程度和使用的換能器的數(shù)量直接相關(guān)。圖2示出了四個(gè)換能器50連接至隔音板52的實(shí)施方式。圖3示出了三個(gè)換能器M連接至隔音板56的實(shí)施方式。圖4示出了連接于隔音板 60的兩個(gè)換能器58的實(shí)施方式。信噪比改進(jìn)的程度隨著聲學(xué)換能器元件數(shù)量的增加而提高。使用比圖2至圖4中示出的換能器數(shù)量更多的換能器可以達(dá)到更高的信噪比。
圖5示出了本發(fā)明的另一實(shí)施方式。傳聲器70的頂面74具有與換能器元件(未顯示，即被壁76和78所遮擋)對(duì)準(zhǔn)的端口 72。在這個(gè)實(shí)施方式中，不存在頂蓋結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是，可以實(shí)現(xiàn)更小的傳聲器組件，這樣的傳聲器可以允許在更小尺寸的應(yīng)用中使用。
在再一個(gè)實(shí)施方式中，如圖6和圖7所示，可以制造整體式MEMS換能器80，其具有兩個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)換能器元件82。這可以通過(guò)在一個(gè)MEMS聲學(xué)換能器中將多個(gè)單獨(dú)換能器集成在單個(gè)基板上實(shí)現(xiàn)。這可使用分離技術(shù)，通過(guò)切割期望數(shù)量的換能器，將多個(gè)電機(jī)構(gòu)件安裝在單個(gè)整體式設(shè)備上。此外，可以設(shè)計(jì)利用多個(gè)單獨(dú)換能器的構(gòu)造，在該構(gòu)造中， 單獨(dú)換能器的電連接被組合起來(lái)而使連接點(diǎn)最少。換能器元件80可以和緩沖電路84相連接。由于可以消除處理多個(gè)換能器元件的需求，因此該實(shí)施方式可以提供更高效的生產(chǎn)和 /或包裝。
參照?qǐng)D8所示的示意圖100，多個(gè)換能器元件102并聯(lián)連接。在示意圖100中，換能器元件102被描繪成可變電容器。多個(gè)換能器元件102并聯(lián)連接并且連接到緩沖電路 104。緩沖集成電路104可以用于在高阻抗換能器元件102和用戶(hù)接口電路之間提供阻抗匹配。這使傳聲器在不引起最終電路中的信號(hào)損失的情況下達(dá)到最大靈敏度。在換能器良好匹配的情況下，信噪比(SNR)最大化。以這種方式組合的良好匹配的換能器將形成具有下述特征的傳聲器該傳聲器具有與單個(gè)換能器元件的靈敏度相同的靈敏度，但是具有更好的噪聲性能。非電介體電容換能器需要直流電壓源106，而電介體類(lèi)型的換能器不需要直流電壓源106。
圖10中示出模擬電路圖。在電路300中，η個(gè)交流電源302并聯(lián)連接來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)負(fù)載304。η個(gè)電源中的每一個(gè)都具有一個(gè)電源阻抗Si，總輸出傳遞給負(fù)載ZL 306。輸出電壓VOUT可以通過(guò)累加原理計(jì)算如下 VOUT = VI*(Z2//Z3//. · //Zn//ZL)/(Zl+(Z2//Z3//. · //Zn//ZL)) + V2* (Z1//Z3//. · //Zn//ZL)/(Z2+(Z1//Z3//. · //Zn//ZL))+…+ Vn* (Z1//Z2//. . //Zn_l//ZL)/(Zn+(Z1//Z2//. . //Zn_l//ZL)) 當(dāng)每一個(gè)電源的電源阻抗良好匹配，Zl = Z2 =···Ζη，并且相對(duì)于電源阻抗而言負(fù)載阻抗ZL較大時(shí)，上面的等式可以簡(jiǎn)化為 VOUT = (l/n)*Vl+(l/n)*V2+... + (l/n)*Vn 更進(jìn)一步，如果V = Vl = V2 =…=Vn，也就是說(shuō)在電源精密匹配的情況下，輸出電壓可以如下表示 VOUT = n* (1/n) *V = V 輸出電壓VOUT等于任何一個(gè)匹配電源的電源電壓。
每一個(gè)電壓電源的噪聲電壓均可以用m，N2，…Nn表示。如果像熱電子噪聲或聲阻噪聲中那樣噪聲是非相關(guān)的，則總系統(tǒng)噪聲可以表示為來(lái)自每個(gè)貢獻(xiàn)源的單獨(dú)噪聲功率之和。
噪聲傳遞函數(shù)和上面所示的一樣，但是當(dāng)噪聲功率相加時(shí)，合成噪聲可以表示為 (NOUT) 2 = (Nl/n) 2+ (N2/n) 2+... + (Nn/n) 2 如果電壓源的噪聲電壓良好匹配，則N = Nl = N2 =…=Nn NOUT = N*SQRT( 1/n) 信噪比(SNR)可以由規(guī)定輸出產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)的本底噪聲(noise floor) 之比進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于換能器良好匹配的多個(gè)換能器系統(tǒng)而言，信噪比可以規(guī)定為 SNR = V0UT/N0UT = V/ (N*SQRT (1/n)) 單個(gè)換能器的信噪比可以表示為比值V/N。在多個(gè)換能器系統(tǒng)中，信噪比有效地增大 SNR = (V/N) *SQRT (η) 如上所示，當(dāng)使用匹配的換能器時(shí)，信噪比的增大可以通過(guò)求系統(tǒng)中使用的附加元件的數(shù)量的平方根而獲得。例如，與單個(gè)換能器相比，四個(gè)元件增大信噪比性能為 SQRT(4) =2或者6dB。這代表利用多個(gè)換能器元件的信噪比增益的理論最大值。使用上面相同的方程，可斷定使用不太匹配的單獨(dú)換能器仍然可以提供信噪比增益，但最大增益由(V/N) *SQRT (η)規(guī)定。
圖9中的示意圖200示出了通過(guò)求和方法連接多個(gè)換能器元件的另一種方式。這個(gè)方法可以用在多個(gè)換能器或整體式換能器構(gòu)造中。通過(guò)對(duì)成對(duì)的換能器元件202求和， 除了具有低噪聲性能外還可以獲得更高的傳聲器靈敏度。換能器元件可以和緩沖電路204 相連。非電介體電容換能器元件需要直流電壓源206，而電介體類(lèi)型的換能器不需要直流電壓源206。
通過(guò)增加電源電容可以達(dá)到額外的信噪比增益。按照如圖8所示的方式并聯(lián)連接單獨(dú)換能器，多個(gè)換能器系統(tǒng)的電源電容隨著使用的單獨(dú)元件數(shù)量的增加而增加。因?yàn)樗鶎?dǎo)致的電源電容的增加，緩沖電路噪聲因輸入熱噪聲傳遞到較大的輸入電容而減少，從而導(dǎo)致低通噪聲轉(zhuǎn)折頻率降低，最終使得總集成輸出噪聲降低。
盡管通常認(rèn)為，對(duì)相關(guān)信號(hào)源求和是增大信噪比的手段，這是通過(guò)使整體信號(hào)增大n*V，而使總的非相關(guān)噪聲增大SQRT (η)，由此得到總信噪比增益n/sqrt (η)，但是本發(fā)明使用并聯(lián)連接電源來(lái)改善總體信噪比。
如圖8所示并聯(lián)連接源，相關(guān)信號(hào)沒(méi)有從累加信號(hào)中獲得增益，但是仍然實(shí)現(xiàn)了信噪比增益。除了信噪比增益外，本方案可以得到比單獨(dú)求和所獲得的功率系統(tǒng)更低的功率系統(tǒng)。通過(guò)僅使用一個(gè)緩沖器，與多個(gè)緩沖器求和電路相比可使電流最小化。
還可以使用并聯(lián)連接源改進(jìn)累加源設(shè)計(jì)(summed source design) 0圖9示出了一種思想，借此布置并聯(lián)連接源202并求和，以通過(guò)對(duì)并聯(lián)連接源進(jìn)行后求和而除了增大的靈敏度增益外還提供并聯(lián)連接源的信噪比增益。
本文描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，包含了發(fā)明人已知的用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。應(yīng)該理解到，舉例說(shuō)明的實(shí)施方式僅僅是示例性的，不應(yīng)該理解為對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種傳聲器，該傳聲器包括 夕卜殼；聲學(xué)端口，該聲學(xué)端口位于所述外殼中；基板，該基板與所述外殼結(jié)合；集成電路，該集成電路定位在所述基板上；以及兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器，所述兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器安裝在所述基板上，其中所述換能器并聯(lián)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，所述基板由硅構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，所述基板由陶瓷材料構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，所述基板在前腔和后腔之間提供隔音。
5.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，至少一個(gè)所述MEMS換能器具有開(kāi)口，從而允許聲音撞擊在該換能器上。
6.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，所述換能器良好匹配。
7.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，所述兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器形成整體式MEMS 換能器元件。
8.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，所述集成電路是緩沖電路。
9.如權(quán)利要求1所述的傳聲器，其中，至少一個(gè)所述MEMS換能器元件是可變電容器。
10.一種傳聲器，該傳聲器包括 夕卜殼；聲學(xué)端口，該聲學(xué)端口位于所述外殼中；基板，該基板結(jié)合到所述外殼；集成電路，該集成電路定位在所述基板上；以及多個(gè)MEMS換能器，所述多個(gè)MEMS換能器安裝在所述基板上，其中所述多個(gè)換能器中的兩個(gè)或更多個(gè)換能器是并聯(lián)連接的。
11.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中，所述基板由硅構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中，所述基板由陶瓷材料構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中，所述基板在前腔和后腔之間提供隔音。
14.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中至少一個(gè)所述MEMS換能器具有開(kāi)口，從而允許聲音撞擊在該換能器上。
15.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中，至少兩個(gè)所述換能器良好匹配。
16.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中，所述多個(gè)MEMS換能器中的兩個(gè)或更多個(gè)換能器形成整體式MEMS換能器元件。
17.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中，所述集成電路是緩沖電路。
18.如權(quán)利要求10所述的傳聲器，其中，所述多個(gè)MEMS換能器元件中的至少一個(gè)是可變電容器。
全文摘要
提供一種傳聲器。所述傳聲器包括外殼；聲學(xué)端口，該聲學(xué)端口位于所述外殼中；基板，該基板與所述外殼結(jié)合；集成電路，該集成電路定位在所述基板上；以及兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器，所述兩個(gè)或更多個(gè)MEMS換能器安裝在所述基板上，其中所述換能器并聯(lián)連接。
文檔編號(hào)H04R19/04GK102187685SQ200980140993
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者威廉·A·瑞安, 邁克爾·阿貝伊, 彼得·洛佩特 申請(qǐng)人:美商樓氏電子有限公司