微型揚(yáng)聲器聲調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微型揚(yáng)聲器聲調(diào)制器。一種MEMS揚(yáng)聲器，其可包括：位于第一平面中的膜，其中膜可配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)；以及可包括膜片和遮擋板的聲調(diào)制器；其中膜片可位于第二平面中；其中遮擋板可位于第三平面中；其中第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離；以及其中聲調(diào)制器可配置成(a)接收或產(chǎn)生遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，以及(b)響應(yīng)于遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，調(diào)制超聲波聲信號(hào)，使得音頻信號(hào)可產(chǎn)生。
【專利說(shuō)明】微型揚(yáng)聲器聲調(diào)制器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求通過(guò)引用被并入本文的提交日期為2015年3月25日的美國(guó)臨時(shí)專利序列號(hào)62/137835的優(yōu)先權(quán)。
[0003]本公開(kāi)的背景
[0004]本公開(kāi)的領(lǐng)域
[0005]本公開(kāi)涉及用于使用MEMS揚(yáng)聲器在移動(dòng)設(shè)備上產(chǎn)生音頻信號(hào)的技術(shù)。
[0006]本公開(kāi)的背景
[0007]揚(yáng)聲器是產(chǎn)生聲信號(hào)的設(shè)備。傳統(tǒng)揚(yáng)聲器通常包括由在音頻頻率中的信號(hào)驅(qū)動(dòng)(例如使用電磁驅(qū)動(dòng))的移動(dòng)膜，代表需要由揚(yáng)聲器重現(xiàn)的實(shí)際音頻信號(hào)。移動(dòng)膜然后產(chǎn)生在與音頻信號(hào)有關(guān)的氣壓中的局部變化。作為在氣壓中的這些局部變化的結(jié)果，聲波被產(chǎn)生并通過(guò)空氣傳播，因而再現(xiàn)用于驅(qū)動(dòng)膜的音頻信號(hào)。對(duì)于直徑為D的膜的給定位移d，所產(chǎn)生的波的聲壓隨著頻率f按比例調(diào)整為(Ddf)2。
[0008]因此，這樣的揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)(SPL)對(duì)按照因子10的頻率的下降以40dB的速率隨著頻率而降低。由于這樣的調(diào)整比例，傳統(tǒng)揚(yáng)聲器需要大振膜以便產(chǎn)生低頻聲音。這個(gè)基本原理對(duì)例如在移動(dòng)設(shè)備中使用的小尺寸揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)是一種限制。
[0009]在移動(dòng)設(shè)備中使用的小揚(yáng)聲器的一種設(shè)計(jì)被稱為微機(jī)電系統(tǒng)微型揚(yáng)聲器或(MEMS微型揚(yáng)聲器)并在專利US8861752中被描述。在微型揚(yáng)聲器中使用聲壓隨著頻率增加2次乘方的相同的調(diào)整比例。如在US8861752中描述的，膜在使用想要的音頻信號(hào)調(diào)制的超聲頻率下振蕩。聲遮擋板然后用于阻擋和打開(kāi)由振蕩膜產(chǎn)生的超聲波的空氣流，因而調(diào)制了這個(gè)超聲波。在與用于膜的中心頻率相同的超聲頻率下操作遮擋板/調(diào)制器導(dǎo)致產(chǎn)生在相應(yīng)于想要的音頻信號(hào)的音頻頻率范圍內(nèi)的輸出氣壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可提供MEMS揚(yáng)聲器，其可包括:位于第一平面中的膜，其中膜可配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)；以及可包括膜片(blind)(穿孔薄板)和遮擋板(shutter)的聲調(diào)制器;其中膜片可位于第二平面中；其中遮擋板可位于第三平面中；其中第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離；以及其中聲調(diào)制器可配置成(a)接收或產(chǎn)生遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，以及(b)響應(yīng)于遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，調(diào)制超聲波聲信號(hào)，使得可產(chǎn)生音頻信號(hào)。
[0011 ]遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)可以相對(duì)于彼此是相移的。
[0012]遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)可以是反相的。
[0013]膜片可以是柔性的。
[0014]膜片和遮擋板可配置成在第一位置和第二位置之間振蕩，在第一位置上，膜片密封遮擋板開(kāi)口，而在第二位置上，膜片不密封遮擋板開(kāi)口。
[0015]膜片和遮擋板可配置成在第一位置和第二位置之間振蕩，在第一位置上，聲調(diào)制器使超聲波聲信號(hào)按照第一衰減因子衰減，而在第二位置上，聲調(diào)制器使超聲波聲信號(hào)按照不同于第一衰減因子的第二衰減因子衰減。
[0016]第一衰減因子和第二衰減因子之間的比的范圍可在5db和1db之間或可具有任何其它值。
[0017]膜片和遮擋板可配置成以振蕩頻率振蕩;其中振蕩頻率實(shí)質(zhì)上等于遮擋板的諧振頻率并實(shí)質(zhì)上等于膜片的諧振頻率。
[0018]當(dāng)MEMS揚(yáng)聲器閑置時(shí)，遮擋板開(kāi)口在膜片上的垂直投影不與膜片開(kāi)口重疊。遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)一旦被提供到遮擋板和膜片，就可產(chǎn)生在遮擋板和膜片之間的交變式的靜電力。
[0019]遮擋板和膜片中的每一個(gè)可包括可位于一對(duì)電極之間的壓電層。
[0020]可以給膜饋送可具有超聲頻率并可由輸入音頻信號(hào)調(diào)制的膜控制信號(hào);其中遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)可具有超聲頻率且可以不被輸入音頻信號(hào)調(diào)制。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可提供可包括實(shí)質(zhì)上相同的單元(cell)的陣列的設(shè)備；其中每個(gè)單元可包括膜、膜片和遮擋板;其中多個(gè)單元的多個(gè)膜可位于第一層中；其中多個(gè)單元的多個(gè)膜片可位于第二層中；其中多個(gè)單元的多個(gè)遮擋板可位于第三層中；其中第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離；其中單元陣列的給定MEMS單元可包括給定膜，該給定膜可配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生給定超聲波聲信號(hào);給定MEMS單元的給定膜片和給定遮擋板形成給定聲調(diào)制器，該給定聲調(diào)制器可配置成(a)接收給定遮擋板控制信號(hào)和給定膜片控制信號(hào)，以及(b)響應(yīng)于給定遮擋板控制信號(hào)和給定膜片控制信號(hào)，調(diào)制給定超聲波聲信號(hào)，使得可產(chǎn)生給定音頻信號(hào)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可提供MEMS揚(yáng)聲器，其可包括:位于第一平面中的膜，其中膜可配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)；以及可包括膜片和遮擋板的聲調(diào)制器;其中膜片可位于第二平面中；其中遮擋板可位于第三平面中；其中第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離;其中聲調(diào)制器可配置成通過(guò)使膜片和遮擋板兩者振蕩來(lái)調(diào)制超聲波聲信號(hào)，以提供音頻信號(hào)。
[0023]聲調(diào)制器可配置成在遮擋板和膜片之間施加交變式的靜電力。
[0024]聲調(diào)制器可配置成在遮擋板和膜片上施加壓電驅(qū)動(dòng)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可提供用于操作MEMS揚(yáng)聲器的方法。MEMS揚(yáng)聲器可包括:位于第一平面中的膜，其中膜可配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)；以及可包括膜片和遮擋板的聲調(diào)制器;其中膜片可位于第二平面中；其中遮擋板可位于第三平面中；其中第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離。該方法可包括:(a)由聲調(diào)制器接收或產(chǎn)生遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，以及(b)響應(yīng)于遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，調(diào)制超聲波聲信號(hào)，使得可產(chǎn)生音頻信號(hào)。
[0026]遮擋板控制信號(hào)和和膜片控制信號(hào)可以相對(duì)于彼此是相移的。
[0027]遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)可以是反相的。
[0028]膜片可以是柔性的。
[0029]該方法可包括使膜片和遮擋板在第一位置和第二位置之間振蕩，在第一位置上，膜片密封遮擋板開(kāi)口，而在第二位置上，膜片不密封遮擋板開(kāi)口。
[0030]該方法可包括使膜片和遮擋板在第一位置和第二位置之間振蕩，在第一位置上，聲調(diào)制器使超聲波聲信號(hào)按照第一衰減因子衰減，而在第二位置上，聲調(diào)制器使超聲波聲信號(hào)按照不同于第一衰減因子的第二衰減因子衰減。
[0031]第一衰減因子和第二衰減因子之間的比的范圍可在5db和1db之間或可具有任何其它值。
[0032]該方法可包括使膜片和遮擋板以振蕩頻率振蕩;其中振蕩頻率實(shí)質(zhì)上等于遮擋板的諧振頻率并實(shí)質(zhì)上等于膜片的諧振頻率。
[0033]當(dāng)MEMS揚(yáng)聲器閑置時(shí)，遮擋板開(kāi)口在膜片上的垂直投影不與膜片開(kāi)口重疊。
[0034]該方法可包括提供遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，從而在遮擋板和膜片之間產(chǎn)生交變式的靜電力。
[0035]遮擋板和膜片中的每一個(gè)可包括可位于一對(duì)電極之間的壓電層。
[0036]該方法可包括給膜饋送可具有超聲頻率并可由輸入音頻信號(hào)調(diào)制的膜控制信號(hào)。該方法可包括接收或產(chǎn)生具有超聲頻率且可以不被輸入音頻信號(hào)調(diào)制的遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可提供用于操作包括多個(gè)MEMS單元的設(shè)備的方法。每個(gè)單元可包括膜、膜片和遮擋板;其中多個(gè)MEMS單元的多個(gè)膜可位于第一層中；其中多個(gè)單元的多個(gè)膜片可位于第二層中；其中多個(gè)MEMS單元的多個(gè)遮擋板可位于第三層中；其中第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離。其中陣列中的多個(gè)單元的給定單元可包括給定膜，該給定膜可配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生給定超聲波聲信號(hào);給定單元的給定膜片和給定遮擋板形成給定聲調(diào)制器。
[0038]其中對(duì)于陣列的每個(gè)給定MEMS單元，該方法可包括:(a)接收給定遮擋板控制信號(hào)和給定膜片控制信號(hào)，以及(b)響應(yīng)于給定遮擋板控制信號(hào)和給定膜片控制信號(hào)，調(diào)制給定超聲波聲信號(hào)，使得可產(chǎn)生給定音頻信號(hào)。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可提供用于操作MEMS揚(yáng)聲器的方法。MEMS揚(yáng)聲器可包括:
(a)位于第一平面中的膜，其中膜可配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)；以及
(b)可包括膜片和遮擋板的聲調(diào)制器;其中膜片可位于第二平面中；其中遮擋板可位于第三平面中；其中第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離。
[0040]該方法可包括通過(guò)使膜片和遮擋板兩者振蕩來(lái)調(diào)制超聲波聲信號(hào)，以提供音頻信號(hào)。
[0041]該方法可包括在遮擋板和膜片之間施加交變式的靜電力。
[0042]該方法可包括在遮擋板和膜片上施加壓電驅(qū)動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示例微型揚(yáng)聲器的方框示意圖；
[0044]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的如圖1所述的微型揚(yáng)聲器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的圖；
[0045]圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的膜的設(shè)計(jì)的例子；
[0046]圖3B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示出膜的示例微型揚(yáng)聲器的機(jī)械組件的簡(jiǎn)圖；
[0047]圖3C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的膜片的設(shè)計(jì)的例子；
[0048]圖3D是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示出膜片的示例微型揚(yáng)聲器的機(jī)械組件的簡(jiǎn)圖；
[0049]圖3E是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的遮擋板的設(shè)計(jì)的例子；
[0050]圖3F是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示出遮擋板的示例微型揚(yáng)聲器的機(jī)械組件的簡(jiǎn)圖；
[0051]圖4A表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的當(dāng)遮擋板在其中性位置(neutralposit1n)上時(shí)的情況；
[0052]圖4B描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的當(dāng)使遮擋板朝著膜片被壓下時(shí)的狀態(tài)；
[0053]圖4C描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的當(dāng)使遮擋板移動(dòng)而遠(yuǎn)離膜片時(shí)的狀態(tài)；
[0054]圖5A表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的當(dāng)遮擋板和膜片在其中性位置上時(shí)的情況；
[0055]圖5B描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的當(dāng)使遮擋板和膜片朝著彼此被壓下時(shí)的狀態(tài)；
[0056]圖5C描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的當(dāng)使遮擋板和膜片移動(dòng)而彼此遠(yuǎn)離時(shí)的狀態(tài)；
[0057]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的符合本公開(kāi)的微型揚(yáng)聲器的例子的方框不意圖；
[0058]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法；
[0059]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法；
[0060]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法；以及[0061 ]圖1O示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0062]在下面的詳細(xì)描述中，闡述了很多特定的細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)本發(fā)明的徹底理解。然而，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解，本發(fā)明可在沒(méi)有這些特定的細(xì)節(jié)的情況下被實(shí)施。在其它實(shí)例中，沒(méi)有詳細(xì)描述公知的方法、過(guò)程和部件，以便不使本發(fā)明含糊。
[0063]被看作本發(fā)明的主題被特別指出并在說(shuō)明書(shū)的結(jié)束部分中被清楚地要求權(quán)益。然而，當(dāng)與附圖一起被閱讀時(shí)，本發(fā)明一一關(guān)于操作方法和組織一一連同其目的、特征和優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述被最好地理解。
[0064]因?yàn)榭赏ǔＪ褂帽绢I(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的MEMS部件和電路來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的所示實(shí)施方式，將不在任何比如上所示被考慮為必要的程度更大的程度上解釋細(xì)節(jié)，為了本發(fā)明的基本概念的理解和認(rèn)識(shí)且為了不使本發(fā)明的教導(dǎo)模糊或不能集中于本發(fā)明的教導(dǎo)。
[0065]本公開(kāi)的一些實(shí)施方式通常涉及在MEMS微型揚(yáng)聲器中使用的聲調(diào)制器中的改進(jìn)，但在聲調(diào)制可以是有用的任何地方，相同的實(shí)施方式可用于其它目的。
[0066]首先考慮示例微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)的下面的綜述，以便說(shuō)明與所提出的方法的差異。圖1是示例微型揚(yáng)聲器10的方框示意圖。音頻信號(hào)輸入20被施加到接口和控制塊30。接口和控制塊20產(chǎn)生兩個(gè)刺激頻率信號(hào)40和70。頻率信號(hào)40在超聲頻率下，其由音頻輸入信號(hào)20調(diào)制。一般超聲頻率可以在100到500KHz范圍內(nèi)。頻率信號(hào)40被施加到膜50。這使膜與刺激頻率40—致地振蕩或振動(dòng)。從膜振動(dòng)產(chǎn)生的超聲波由聲調(diào)制器塊60調(diào)制。聲調(diào)制器60的動(dòng)作是阻擋和打開(kāi)來(lái)自膜50的空氣流。來(lái)自接口和控制塊30的刺激信號(hào)70在用于刺激膜40的相同超聲頻率下，但在這種情況下，它不被音頻信號(hào)調(diào)制。可表明，可使所產(chǎn)生的聲波70具有在相應(yīng)于輸入信號(hào)20的音頻信號(hào)頻率下的強(qiáng)分量。
[0067]由于來(lái)自給定膜的氣壓隨著頻率上升2次乘方的事實(shí)，這樣的微型揚(yáng)聲器的性能使得低頻和因而音頻性能的總質(zhì)量相對(duì)于常規(guī)揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)提高了。接口和控制塊產(chǎn)生所需的驅(qū)動(dòng)電壓，以便使膜和遮擋板振動(dòng)。這些驅(qū)動(dòng)電壓取決于特定類型的驅(qū)動(dòng)方案。例如，對(duì)于靜電驅(qū)動(dòng)，這些一般在100到120V的數(shù)量級(jí)。
[0068]圖2是如圖1所述的微型揚(yáng)聲器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的圖。振動(dòng)膜110由兩個(gè)部分一一膜111和絕緣體和支承結(jié)構(gòu)112—一組成，支承結(jié)構(gòu)112機(jī)械地支承膜并且也允許膜振動(dòng)。聲調(diào)制器100由四個(gè)部分組成。結(jié)構(gòu)支承物104分離并支承穿孔膜片103。膜片103是剛性的但與遮擋板薄板分離地接收控制信號(hào)，遮擋板薄板在其內(nèi)有孔以允許從振動(dòng)膜產(chǎn)生的空氣流動(dòng)。支承結(jié)構(gòu)104使膜片103與膜111分離，以便支承膜片103但也允許使膜111振動(dòng)的空間。支承結(jié)構(gòu)102使膜片103與遮擋板101分離，使得遮擋板101被支承但仍然可振動(dòng)。動(dòng)作是，當(dāng)遮擋板101振動(dòng)時(shí)，它可選擇性使可流經(jīng)聲調(diào)制器的空氣的路徑變窄和加寬，并因而可選擇性地中斷來(lái)自膜111的空氣流。
[0069]圖3A-3E是根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的MEMS微型揚(yáng)聲器機(jī)械設(shè)計(jì)250、連同分別由膜控制信號(hào)530、膜片控制信號(hào)570和遮擋板控制信號(hào)580饋送的膜200、膜片210和遮擋板220的示例設(shè)計(jì)的例子。在這個(gè)例子中，微型揚(yáng)聲器機(jī)械設(shè)計(jì)是小圓柱體。為了清楚起見(jiàn)，機(jī)械組件被示為部分剖視圖。揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)由膜、膜片和遮擋板以及如在圖2中引入的三個(gè)支承結(jié)構(gòu)組成。如在圖1中所述的接口和控制塊30通常在機(jī)械揚(yáng)聲器封裝的外部。
[0070]圖3A是膜200的設(shè)計(jì)的例子。膜200是具有位于膜的邊緣處的四個(gè)對(duì)稱孔201、202、203和204的圓形設(shè)計(jì)，其懸掛在彈簧205、206、207和208上。具有相應(yīng)的孔的四個(gè)彈簧便于膜的振動(dòng)。圖3B是示出結(jié)構(gòu)支承物251和在那個(gè)膜200之上的示例微型揚(yáng)聲器的機(jī)械組件的簡(jiǎn)圖。在膜200之上的是結(jié)構(gòu)支承物253。膜200因此夾在兩個(gè)結(jié)構(gòu)支承物251和253之間。結(jié)構(gòu)支承物251—般由底座和用于膜200的外邊緣支承物組成。絕緣體252—般是支承膜200的外邊緣的環(huán)，因而允許膜自由地振動(dòng)。
[0071]圖3C是膜片210的設(shè)計(jì)的例子。膜片210是具有四個(gè)對(duì)稱孔211、212、213和214的圓形設(shè)計(jì)。四個(gè)孔定位成使得來(lái)自膜振動(dòng)的空氣流可自由地穿過(guò)孔。圖3D再次是示例微型揚(yáng)聲器的機(jī)械組件250的簡(jiǎn)圖。膜片210分別夾在兩個(gè)絕緣體252和253之間。結(jié)構(gòu)支承物252和253—般具有將膜片牢固地保持在適當(dāng)?shù)奈恢玫试S空氣流經(jīng)中心的環(huán)形設(shè)計(jì)。
[0072]圖3E是遮擋板220的設(shè)計(jì)的例子。遮擋板220是具有四個(gè)對(duì)稱孔221、222、223和224和四個(gè)相應(yīng)的彈簧225、226、227和228的圓形設(shè)計(jì)，彈簧225、226、227和228在外邊緣處并具有便于遮擋板的振動(dòng)的目的。在遮擋板220的中心處也有圓孔230?？扇菀卓吹?，如果遮擋板220放置在膜片210的頂部上，則膜片210的孔211、212、213和214將被關(guān)上。圖3f再次是示例微型揚(yáng)聲器的機(jī)械組件250的簡(jiǎn)圖。遮擋板220由支承結(jié)構(gòu)253支承。
[0073]圖4A-4C是根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的MEMS微型揚(yáng)聲器的機(jī)械設(shè)計(jì)的橫截面300，MEMS微型揚(yáng)聲器包括分別由膜控制信號(hào)530、膜片控制信號(hào)570和遮擋板控制信號(hào)580饋送的膜、遮擋板和膜片。圖4A表示當(dāng)遮擋板301在其中性位置上時(shí)的情況。膜303由支承結(jié)構(gòu)310支承。使膜在垂直于它的底托的平面中振動(dòng)320。膜片302由結(jié)構(gòu)311支承，且遮擋板301由支承結(jié)構(gòu)312支承。注意，在膜片302中的孔313、314以及在遮擋板301中的孔315、316和317使得它們彼此不對(duì)齊。圖4B描繪當(dāng)使遮擋板301朝著膜片302被壓下時(shí)的狀態(tài)。在膜片302中的孔313和314由遮擋板301封閉。圖4C描繪當(dāng)使遮擋板301移動(dòng)而遠(yuǎn)離膜片302時(shí)的狀態(tài)。在膜片302中的孔313和314現(xiàn)在是打開(kāi)的，且由振動(dòng)膜303產(chǎn)生的聲波可經(jīng)由在膜片302中的孔313和314以及在遮擋板301中的孔315、316和317逸出。
[0074]注意，在膜片302中所示的孔313和314代表在如圖3C所示的膜片210中的四個(gè)孔211、212、213、214。類似地，在遮擋板301中所示的孔316和317代表在如圖3E所示的遮擋板220 中的四個(gè)孔 221、222、223、224。
[0075]由剛性穿孔膜片和遮擋板形成的聲調(diào)制器使膜的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成在所需音頻信號(hào)頻率下的空氣波。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，在如附圖所示的膜、膜片和遮擋板中的孔的實(shí)際幾何形狀可改變，以及附圖僅是為了提供資料，且并不按比例或意欲代表任何特定的實(shí)際設(shè)計(jì)。如在本文所述的設(shè)計(jì)概念的優(yōu)點(diǎn)被很好地證明。然而將指出，基本原理是，通過(guò)使膜以超聲頻率振動(dòng)，因而產(chǎn)生的氣壓比可由以音頻頻率振動(dòng)的膜所建立的高得多。注意，當(dāng)遮擋板關(guān)閉膜片中的孔時(shí)，由膜產(chǎn)生的波的聲壓級(jí)(SPL)降低，以及當(dāng)遮擋板打開(kāi)膜片中的孔時(shí)，相同波的SPL增加。在調(diào)制超聲波時(shí)遮擋板和膜片的動(dòng)作導(dǎo)致音頻產(chǎn)生，其具有跨越寬音頻頻率的平坦聲壓級(jí)(SPL)響應(yīng)。
[0076]圖5A-5C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的MEMS微型揚(yáng)聲器的機(jī)械設(shè)計(jì)的橫截面400。圖5A表示當(dāng)遮擋板401在其中性位置上時(shí)的情況。膜403由支承結(jié)構(gòu)410支承。與前面一樣，使膜403在垂直于它的底托的平面中振動(dòng)420。膜片402由支承結(jié)構(gòu)411支承，且遮擋板401由支承結(jié)構(gòu)412支承。再次注意，在膜片402中的孔413、414以及在遮擋板401中的孔415、416和417使得它們彼此不對(duì)齊。圖5B描繪當(dāng)使遮擋板401朝著膜片402被壓下時(shí)的狀態(tài)。然而注意，在本公開(kāi)中，膜片402也是柔性的，且在這種情況下，使得其朝著遮擋板401向上移動(dòng)。在膜片402中的孔413和414由遮擋板401封閉。圖5C描繪當(dāng)使遮擋板401移動(dòng)而遠(yuǎn)離膜片402時(shí)的狀態(tài)。因?yàn)楝F(xiàn)在膜片在這種情況下是柔性的，使得其移動(dòng)而遠(yuǎn)離遮擋板401。在膜片402中的孔413和414現(xiàn)在是打開(kāi)的，且由振動(dòng)膜403產(chǎn)生的波可經(jīng)由在膜片402中的孔413和414以及在遮擋板401中的孔415、416和417逸出。
[0077]遮擋板的調(diào)制的深度確定了從由膜產(chǎn)生的超聲波到期望音頻頻率波的能量的轉(zhuǎn)換的效率。調(diào)制深度越大，越多的能量就轉(zhuǎn)換成音頻。這個(gè)調(diào)制深度實(shí)際上是遮擋板在它是打開(kāi)(如在圖4C和圖5C中所示)時(shí)和當(dāng)它是關(guān)閉(如在圖4B和圖5B中所示)時(shí)超聲波的衰減中的差異。衰減由在膜片402和遮擋板401之間的距離確定。對(duì)于遮擋板的給定幾何形狀，在遮擋板和膜片之間的距離越小，衰減就越大。因此，在遮擋板的操作期間在膜片和遮擋板之間的距離越大，調(diào)制就越大，而從超聲到音頻的能量的轉(zhuǎn)換就越有效。板401和402之間的距離由板的變形決定。在如圖4所示的剛性靜態(tài)膜片302的情況下，只有遮擋板301變形并拉近板之間的距離。在膜片402是柔性的情況下，如圖5A-5C所示，膜片402和遮擋板401都變形。因此，為了獲得與由剛性膜片產(chǎn)生的相同的調(diào)制或產(chǎn)生與由剛性膜片產(chǎn)生的在板之間的相同的距離，在柔性膜片402的情況下，需要較小的力施加到每個(gè)板、膜片401和遮擋板402。因此，結(jié)果是需要提供到微型揚(yáng)聲器調(diào)制器的刺激信號(hào)的值的大約30%到40%的明顯減小。雖然遮擋板和膜片的振動(dòng)被示為材料的彎曲，但是彎曲的形狀僅為了舉例目的而示出。可通過(guò)膜片和遮擋板的向上和向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)使它們之間的隔片振動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作。
[0078]可以存在使用柔性遮擋板和膜片板來(lái)實(shí)現(xiàn)聲調(diào)制器的這個(gè)方案的不同實(shí)施方式。在一個(gè)實(shí)施方式中，可使用靜電驅(qū)動(dòng)。在超聲頻率處的電位差被施加到柔性膜片401和柔性遮擋板402。這使靜電吸引力在板之間操作，結(jié)果是，這兩個(gè)板移動(dòng)而更靠攏。在超聲頻率處的電位差可被施加到剛性膜片301和柔性遮擋板302，但在這種情況下，在這兩個(gè)板之間的距離的拉近只是遮擋板302彎曲的結(jié)果，而在膜片也是柔性的情況下，在這兩個(gè)板之間的距離是膜片和遮擋板都彎曲的結(jié)果，從而使用較低的外加力實(shí)現(xiàn)較高的調(diào)制并因而實(shí)現(xiàn)較小的驅(qū)動(dòng)電壓。
[0079]在另一實(shí)施方式中，可使用壓電驅(qū)動(dòng)方案。單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電壓可施加到這兩個(gè)板一一膜片和遮擋板一一中的每個(gè)。類似于前一實(shí)施方式，從柔性遮擋板和柔性膜片的組合所需的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)于為了實(shí)現(xiàn)相同的調(diào)制的剛性膜片和柔性遮擋板的組合是減小了的。
[0080]圖6是符合本公開(kāi)的微型揚(yáng)聲器的方框示意圖。音頻信號(hào)輸入510被施加到接口和控制塊520。接口和控制塊520產(chǎn)生三個(gè)刺激頻率信號(hào)530、570和580。刺激頻率信號(hào)530處在超聲頻率，其由音頻輸入信號(hào)510調(diào)制。一般超聲頻率可以在100到500KHz范圍內(nèi)。高頻信號(hào)530被施加到膜540。這使膜與刺激頻率530—致地振蕩或振動(dòng)。從膜振動(dòng)產(chǎn)生的空氣聲波由聲調(diào)制器塊590調(diào)制，聲調(diào)制器塊590由膜片550和遮擋板560組成。聲調(diào)制器60的動(dòng)作是阻擋和打開(kāi)來(lái)自膜540的空氣流，如前面在圖5A-5C中所述的。刺激信號(hào)570和580可以是以在超聲頻率處的電位差的形式，以便產(chǎn)生使膜片550和遮擋板560吸引在一起的靜電效應(yīng)。可通過(guò)將信號(hào)570、580之一保持在固定電位處來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的電位差，例如信號(hào)570可連接到地，而另一信號(hào)在其對(duì)等物的電位和某個(gè)最大電壓之間振蕩，例如信號(hào)580可在地和某個(gè)最大電壓之間振蕩?？蛇x地，可通過(guò)給這兩個(gè)板饋送具有相反的極性的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的電位差，因而降低每個(gè)信號(hào)所需的振幅。應(yīng)注意，施加到穿孔板和遮擋板的信號(hào)570和580的實(shí)際波形可以是諧波、電壓的脈沖、電荷脈沖或引起周期性電位差的任何其它周期性刺激。
[0081]在可選的實(shí)現(xiàn)中，可通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)遮擋板和膜片。在這樣的情況下，分別施加到穿孔膜片和遮擋板的刺激570和580需要使用相反的極性引起它們的變形。
[0082]重要的是，注意到，為了這樣的柔性板、遮擋板的有效操作，這兩個(gè)板都需要有接近的諧振頻率，并由接近于共振的頻率下的刺激驅(qū)動(dòng)。
[0083]來(lái)自聲調(diào)制器590的因而產(chǎn)生的輸出本質(zhì)上是音頻信號(hào)595。
[0084]圖7示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的方法600。方法600可由步驟601開(kāi)始，在步驟601，使位于第一平面中的膜以第一頻率振動(dòng)。第一頻率是通過(guò)使用進(jìn)入的音頻信號(hào)調(diào)制超聲頻率而形成的超聲波信號(hào)。步驟601后面可以是步驟602，在步驟602，使穿孔膜片和遮擋板分別在第二和第三平面中彼此反相地振蕩，使得在步驟601中由膜產(chǎn)生的超聲振動(dòng)被調(diào)制以產(chǎn)生想要的音頻信號(hào)。
[0085]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法800。
[0086]方法800可包括(a)由MEMS揚(yáng)聲器的聲調(diào)制器接收或產(chǎn)生遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)以及(b)使MEMS揚(yáng)聲器的膜以第一頻率振蕩從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)的步驟810。
[0087]膜可位于是第一平面中。聲調(diào)制器可包括膜片和遮擋板。膜片可位于第二平面中。遮擋板可位于第三平面中。第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分離。
[0088]聲調(diào)制器可從控制器接收遮擋板控制信號(hào)和/或膜片控制信號(hào)?？商峁┤魏斡布刂破?。控制器可以是集成電路、集成電路的一部分等。
[0089]步驟810可包括提供遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，從而在遮擋板和膜片之間產(chǎn)生交變式的靜電力。
[0090]步驟810可包括給膜饋送可具有超聲頻率并可由輸入音頻信號(hào)調(diào)制的膜控制信號(hào)。
[0091]此外或可選地，步驟810可包括接收或產(chǎn)生具有超聲頻率且可不被輸入音頻信號(hào)調(diào)制的遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)。
[0092]步驟810后面是響應(yīng)于遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)而調(diào)制超聲波聲信號(hào)使得可產(chǎn)生音頻信號(hào)的步驟820。
[0093]遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)可以相對(duì)于彼此是相移的。
[0094]遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)可以是反相的。
[0095]膜片可以是剛性的但可接收可以不同于或可獨(dú)立于遮擋板控制信號(hào)的專用控制信號(hào)(膜片控制信號(hào))。
[0096]膜片可以是柔性的。
[0097]步驟820可包括使膜片和/或遮擋板振蕩的步驟822。
[0098]步驟822可包括使膜片和遮擋板振蕩或只使遮擋板振蕩。
[0099]步驟822可包括使膜片和遮擋板在第一位置和第二位置之間振蕩，在第一位置上，膜片密封遮擋板開(kāi)口，而在第二位置上，膜片不密封遮擋板開(kāi)口。
[0100]步驟822可包括使膜片和遮擋板在第一位置和第二位置之間振蕩，在第一位置上，聲調(diào)制器使超聲波聲信號(hào)按照第一衰減因子衰減，而在第二位置上，聲調(diào)制器使超聲波聲信號(hào)按照不同于第一衰減因子的第二衰減因子衰減。在第一衰減因子和第二衰減因子之間的比的范圍可在5db和1db之間或可具有任何其它值。
[0101]步驟822可包括使膜片和遮擋板以振蕩頻率振蕩；其中振蕩頻率實(shí)質(zhì)上等于遮擋板的諧振頻率并實(shí)質(zhì)上等于膜片的諧振頻率。
[0102]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法900。
[0103]方法900可包括使MEMS揚(yáng)聲器的膜以第一頻率振蕩從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)的步驟910。膜可位于第一平面中。MEMS揚(yáng)聲器還可包括聲調(diào)制器。聲調(diào)制器可包括膜片和遮擋板。膜片可位于第二平面中。遮擋板可位于第三平面中。第一平面、第二平面和第三平面可實(shí)質(zhì)上彼此分咼。
[0104]步驟910后面可以是通過(guò)使膜片和遮擋板都振蕩來(lái)調(diào)制超聲波聲信號(hào)以提供音頻信號(hào)的步驟920。
[0105]步驟920可包括在遮擋板和膜片之間施加交變式的靜電力。
[0106]步驟920可包括在遮擋板和膜片上施加壓電驅(qū)動(dòng)。
[0107]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法1000。
[0108]方法1000可被應(yīng)用在來(lái)自多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器中的一個(gè)或多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器上。方法1000可包括在多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器的一個(gè)或多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器上應(yīng)用方法800和/或900的任何步驟。
[0109]例如，假設(shè)方法1000涉及在一個(gè)或多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器上應(yīng)用方法800的步驟810和820，則方法1000可包括在來(lái)自(多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器的)一個(gè)或多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器的每個(gè)給定MEMS揚(yáng)聲器上執(zhí)行步驟1010和1020。
[0110]步驟1010可包括(a)由給定MEMS揚(yáng)聲器的給定聲調(diào)制器接收或產(chǎn)生給定遮擋板控制信號(hào)和給定膜片控制信號(hào)，以及(b)使給定MEMS揚(yáng)聲器的給定膜以第一振蕩頻率振蕩，從而產(chǎn)生給定超聲波聲信號(hào)。
[0111]步驟1020可包括響應(yīng)于給定遮擋板控制信號(hào)和給定膜片控制信號(hào)而調(diào)制給定超聲波聲信號(hào)，使得可產(chǎn)生給定音頻信號(hào)。
[0112]雖然上面的描述包含很多細(xì)節(jié)，但這些不應(yīng)被解釋為對(duì)范圍的限制，而是更確切地作為其幾個(gè)實(shí)施方式的例示。很多其它變形是可能的，包括例如:膜、膜片和遮擋板的機(jī)械設(shè)計(jì)、在膜、膜片和遮擋板中的孔的設(shè)計(jì)和布局、所使用的材料、刺激信號(hào)的細(xì)節(jié)、膜、膜片和遮擋板的實(shí)際振蕩特性、引起膜、膜片和遮擋板的振動(dòng)的方法、膜、膜片和遮擋板的彎曲形狀。相應(yīng)地，范圍應(yīng)不被所示實(shí)施方式?jīng)Q定，而是由權(quán)利要求及其合法等效形式?jīng)Q定。
[0113]本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明不限于上面在本文特別示出和描述的內(nèi)容。此外，除非上面提到相反的情況，應(yīng)注意，所有附圖并不按比例。按照上面的教導(dǎo)，各種修改和變化是可能的，而不偏離范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)揚(yáng)聲器，包括: 膜，其位于第一平面中，其中所述膜配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)；以及 聲調(diào)制器，其包括膜片和遮擋板;其中所述膜片位于第二平面中；其中所述遮擋板位于第三平面中；其中所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面實(shí)質(zhì)上彼此分離；以及 其中所述聲調(diào)制器配置成(a)接收或產(chǎn)生遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)，以及(b)響應(yīng)于所述遮擋板控制信號(hào)和所述膜片控制信號(hào)，調(diào)制所述超聲波聲信號(hào)，使得產(chǎn)生音頻信號(hào)。2.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述遮擋板控制信號(hào)和所述膜片控制信號(hào)相對(duì)于彼此是相移的。3.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述遮擋板控制信號(hào)和所述膜片控制信號(hào)是反相的。4.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述膜片是剛性的。5.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述膜片是柔性的。6.如權(quán)利要求5所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述膜片和所述遮擋板配置成在第一位置和第二位置之間振蕩，在所述第一位置上，所述膜片密封遮擋板開(kāi)口，而在所述第二位置上，所述膜片不密封遮擋板開(kāi)口。7.如權(quán)利要求5所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述膜片和所述遮擋板配置成在第一位置和第二位置之間振蕩，在所述第一位置上，所述聲調(diào)制器使所述超聲波聲信號(hào)按照第一衰減因子衰減，而在所述第二位置上，所述聲調(diào)制器使所述超聲波聲信號(hào)按照不同于所述第一衰減因子的第二衰減因子衰減。8.如權(quán)利要求7所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述第一衰減因子和所述第二衰減因子之間的比的范圍在5db和1db之間。9.如權(quán)利要求5所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述遮擋板和所述膜片配置成以振蕩頻率振蕩;其中所述振蕩頻率實(shí)質(zhì)上等于所述遮擋板的諧振頻率并實(shí)質(zhì)上等于所述膜片的諧振頻率。10.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中當(dāng)所述MEMS揚(yáng)聲器閑置時(shí)，則遮擋板開(kāi)口在所述膜片上的垂直投影不與膜片開(kāi)口重疊。11.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述遮擋板控制信號(hào)和膜片控制信號(hào)一旦被提供到所述遮擋板和所述膜片就產(chǎn)生在所述遮擋板和所述膜片之間的交變式的靜電力。12.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述遮擋板和所述膜片中的每一個(gè)包括位于一對(duì)電極之間的壓電層。13.如權(quán)利要求1所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述膜被饋送有具有超聲頻率并由輸入音頻信號(hào)調(diào)制的膜控制信號(hào);其中所述遮擋板控制信號(hào)和所述膜片控制信號(hào)具有超聲頻率且不被所述輸入音頻信號(hào)調(diào)制。14.一種設(shè)備，包括多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)揚(yáng)聲器； 其中每個(gè)MEMS揚(yáng)聲器包括膜、膜片和遮擋板； 其中所述多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器的多個(gè)膜位于第一層中； 其中所述多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器的多個(gè)膜片位于第二層中； 其中所述多個(gè)MEMS揚(yáng)聲器的多個(gè)遮擋板位于第三層中； 其中所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面實(shí)質(zhì)上彼此分離； 其中所述多個(gè)揚(yáng)聲器中的給定MEMS揚(yáng)聲器包括給定膜，所述給定膜配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生給定超聲波聲信號(hào);所述給定MEMS揚(yáng)聲器的給定膜片和給定遮擋板形成給定聲調(diào)制器，所述給定聲調(diào)制器配置成(a)接收或產(chǎn)生給定遮擋板控制信號(hào)和給定膜片控制信號(hào)，以及(b)響應(yīng)于所述給定遮擋板控制信號(hào)和所述給定膜片控制信號(hào)，調(diào)制所述給定超聲波聲信號(hào)，使得產(chǎn)生給定音頻信號(hào)。15.—種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)揚(yáng)聲器，包括: 膜，其位于第一平面中，其中所述膜配置成以第一頻率振蕩，從而產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)；以及 聲調(diào)制器，其包括膜片和遮擋板;其中所述膜片位于第二平面中；其中所述遮擋板位于第三平面中；其中所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面實(shí)質(zhì)上彼此分離； 其中所述聲調(diào)制器配置成通過(guò)使所述膜片和所述遮擋板兩者振蕩來(lái)調(diào)制所述超聲波聲信號(hào)，以提供音頻信號(hào)。16.如權(quán)利要求15所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述聲調(diào)制器配置成在所述遮擋板和所述膜片之間施加交變式的靜電力。17.如權(quán)利要求15所述的MEMS揚(yáng)聲器，其中所述聲調(diào)制器配置成在所述遮擋板和所述膜片上施加壓電驅(qū)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】H04R19/02GK106028243SQ201610176653
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】海姆·庫(kù)珀施密特
【申請(qǐng)人】Dsp集團(tuán)有限公司