CN102811411B

CN102811411B - 麦克风设备

Info

Publication number: CN102811411B
Application number: CN201210147605.4A
Authority: CN
Inventors: 阿尔方斯·德赫
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: CN102811411A; US20120288130A1

Abstract

一种麦克风设备，包括：具有音孔的壳体、具有第一灵敏度的第一输入音频换能器和具有第二灵敏度的第二输入音频换能器。在此麦克风设备中，第一和第二输入音频换能器被布置在壳体中，使得第一输入音频换能器与音孔在声学上直接耦合，并使得第二输入音频换能器经由第一输入音频换能器与音孔在声学上间接耦合。

Description

麦克风设备

技术领域

根据本发明的实施方式涉及麦克风设备和用于制造麦克风设备的方法。

背景技术

对于不同的应用场合，用移动装置（例如移动电话）记录音频对该装置的麦克风提出了不同的要求。在呼叫的情况下，麦克风必须确保良好的信噪比（SNR），大约60dB(A)，对于低声压级（SPL），大约是60dBSPL至70dBSPL，具有低总谐波失真（THD小于1%）。第二个示例性应用场合是远声源的音频-视频摄录，例如，在距离讲话人几米远的位置采集。对于此示例性应用场合，高信噪比（例如大于66dB(A)）将是有利的。第三个示例性应用场合是音频-视频摄录，但是在此情况中，具有非常高的声压级（例如大于120dBSPL至140dBSPL），例如在摇滚音乐会存在该声压级。对于此示例性应用场合，应通过麦克风尽可能避免音频失真（THD小于10%）。

对于移动装置，将小型麦克风或微机电系统（MEMS）用作扬声器或麦克风，其中，数字麦克风由于具有有限动态范围的相关模数转换器而存在问题。因此，具有高灵敏度的麦克风使得能够具有高信噪比，但是在高声压级的情况中，其导致高总谐波失真。另一方面，对于中等声压级，低灵敏度的麦克风信噪比非常低。

发明内容

根据本发明的一些实施方式提供一种麦克风设备，其包括：具有音孔的壳体、具有第一灵敏度的第一输入音频换能器和具有第二灵敏度的第二输入音频换能器。第一输入音频换能器布置在壳体中，使得其与音孔在声学上直接耦合（couple）。第二输入音频换能器装在壳体中，使得其经由第一输入音频换能器与音孔在声学上间接耦合。

另一实施方式提供一种麦克风设备，其包括：具有音孔的壳体、第一输入音频换能器和第二输入音频换能器。将第一和第二输入音频换能器布置在壳体中，使得第一输入音频换能器与音孔在声学上直接耦合并使第二输入音频换能器经由第一输入音频换能器与音孔在声学上间接耦合。该实施方式进一步包括减音元件（dampingelement），其布置在壳体中以衰减传播至第二输入音频换能器的声音信号。

用于制造根据这里公开的实施方式的麦克风设备的方法包括：提供具有音孔的壳体。以使得第一输入音频换能器与音孔在声学上直接耦合的方式将第一输入音频换能器配置为具有第一灵敏度。以使得第二输入音频换能器经由第一输入音频换能器与音孔在声学上间接耦合的方式将第二输入音频换能器配置为具有第二灵敏度。

附图说明

图1A示出了根据一个实施方式的麦克风设备的示意性截面图；

图1B示出了根据另一实施方式的麦克风设备的示意性截面图；

图2A示出了根据又一实施方式的麦克风设备的示意性俯视图；

图2B示出了图2A的麦克风设备的示意性截面图；

图3A示出了根据又一实施方式的包括电子电路的麦克风设备的示意性俯视图；

图3B示出了图3A的麦克风设备的示意性截面图；

图4示出了根据又一实施方式的包括电子电路的麦克风设备的示意性框图；

图5A至图5L示出了根据又一实施方式的制造过程中的麦克风设备的传感器芯片和电子电路的不同的示意性俯视图和截面图。

具体实施方式

下面将参考图1至图5依次讨论这里公开的发明的不同实施方式，其中，在附图中，对具有相同或相似功能的物体提供相同的参考符号，使得在不同的实施方式中用相同的参考符号表示的物体是可互换的并且其描述可相互适用。

图1A示出了根据第一实施方式的麦克风设备10。麦克风设备10包括具有不同壁部元件的壳体12，例如底板（groundplate）12a和固定于其上的顶盖12b。通过壁部元件，在壳体12内形成内部体积或空间16。音孔或音口14贯穿壳体12的一个壁部元件。这里，音孔14示例性地形成在底板12a中。

此外，麦克风设备10包括具有第一灵敏度的第一输入音频换能器20，其形成于底板12a上，例如，与音孔14对准，使得音孔14被第一换能器20覆盖。此外，麦克风设备10在壳体12内包括具有第二灵敏度的第二输入音频换能器22。也可将第二换能器22布置在底板12a上，但是相对于第一换能器20处于横向偏移的位置。或者，原则上可将第二换能器22放在壳体内的一个壁部元件上的任何位置。在此示例性实施方式中，可将MEMS元件分别用作第一和第二换能器20和22，其通常包括有源传感器结构、膜（membrane）和对电极，未在图1A中示出。所谓的后部体积与各个换能器相关，其中，内部体积16形成第一换能器20的后部体积，并且其中，在底板12a和第二换能器22的有源传感器区域之间限定第二换能器22的后部体积38。

在下文中，将详细地讨论麦克风设备10的功能。

将第一换能器20布置在壳体12中，使得其与音孔14在声学上直接耦合。这里，音孔14提供从外部空间18（未示出），例如从外部声源，到第一换能器20的声道，并经其到达壳体12内部的内部体积16。将第二换能器22布置在壳体12中，使其例如与内部体积16在声学上直接耦合并经由第一换能器20与音孔14和外部空间18在声学上间接耦合。换句话说，该设备限定声音信号的声音传播路径23，从外部空间18经由音孔14和第一换能器20、通过内部体积16到达第二换能器22。

第一和第二换能器20和22被配置为将声音信号（即从外部空间18到达各个换能器的声音信号部分）分别转换为第一和第二电音频信号。例如，第一换能器20具有相对高的灵敏度，将其尺寸构造为用于中等声压级，例如70dB至90dB或60dB至120dB，并对其优化以获得例如与第二换能器22相比高的信噪比。第二换能器22具有比第一换能器20低的灵敏度，并优化用于高声压级，例如120dB至140dB、或100dB至145dB，同时与第一换能器20相比具有低信噪比。两个换能器20和22可将其电音频信号输出至电子电路，将在下文参照图4进行描述。

第一和第二换能器20和22的灵敏度差异可以基于第一和第二换能器20和22的（例如有源传感器区域的）不同配置、不同的后部体积16和38、与相应换能器相关的用于衰减传播路径23的声音信号的附加减音元件、或者以上灵敏度调节因素的组合。

更具体地讲，可用膜（即两个换能器20和22的有源传感器结构的膜）的不同直径或不同材料特性导致两个换能器20和22的不同灵敏度。例如，第二换能器22的膜的直径可比第一换能器20的膜的直径小，从而相对于第一换能器20的灵敏度减小第二换能器22的灵敏度。第二换能器22的较低灵敏度也可以是与第一换能器20的膜相比第二换能器22的膜厚度增加和/或膜柔性（flexibility）减小的结果。改变诸如膜和对电极之间的电容的电特性，是另一用于改变两个换能器20和22相对于彼此的灵敏度的替代方式。增加或减小换能器的膜和对电极之间的间隙可使电容改变。为了减小第二换能器22的灵敏度，例如可增加其膜与其对电极之间的间隙。

在此实施方式中，两个换能器20和22之间的有效灵敏度差还基于这两个换能器20和22在壳体12内的具体布置。第二换能器22的间接耦合导致从外部空间18经由第一换能器20传播至第二换能器22（见声音传播路径）的声音信号的声衰减（减弱）。

后部体积38和16的尺寸分别对两个换能器20和22的有效灵敏度具有额外的影响。换能器20或22中的一个的更小的后部体积通常增加膜的机械衰减，并由此减小换能器的有效灵敏度。因此，在麦克风设备10中，第一换能器20具有后部体积16，第二换能器22具有后部体积38，为了相对于第一换能器20的有效灵敏度减小第二换能器22的灵敏度，后部体积38比后部体积16小。

或者，麦克风设备在壳体12内可包括其他换能器，例如用于其他灵敏度范围的第三和第四换能器。

图1B示出了麦克风设备11，其与图1A的实施方式10相似，但是与图1A的麦克风设备10相比，在声音信号的传播路径23中进一步包括减音元件13。

通过至少部分地在内部体积16的传播路径23中的附加减音元件13（例如泡沫材料等）可实现减音，其部分地吸收传播至第二换能器22的声音信号。

因此，可以使用例如两个相同的具有相同灵敏度的输入音频换能器20和22，其中，通过在信号传播路径中使用减音元件13来减小第二换能器22的有效灵敏度。这种实施方式由于简单的制造过程而可赋予额外的成本优点。结果，如果通过减音元件调节不同的有效灵敏度，那么减音元件在传播路径中的位置允许利用任何（相当的或不同的）对的换能器。

下面，将关于图2A和图2B描述麦克风设备30。图2A和图2B示出了与麦克风设备10相比进一步包括公共基板32的麦克风设备30。例如在同一基板32上设置第一换能器20和第二换能器22，其中，在基板32的表面上构造膜20a和22a。面向膜20a和22a，在表面上方安装对电极20b和22b。在下文中，也将具有两个形成于其上的换能器20和22的基板32叫做传感器芯片33。基板32具有与第一换能器20对准的第一孔34和与第二换能器22对准的第二孔36。在由顶盖12b封闭的壳体12的底板12a上形成基板32，如图1A所示。将底板12a的音孔14（其可包括作为机械保护元件的透声泡沫）与孔34对准，并由此与第一换能器20对准。与图1A类似，壳体12的内部体积16限定第一换能器20的后部体积16。与第二换能器22对准的孔36，与第二换能器22的膜22a以及封闭相对侧上的孔36的底板12a一起，限定后部体积38。

在图2A和图2B的实施方式中，在基板32上布置触点42。在底板12a中绘制（plat）触点44，其也叫做输出焊盘44。经由这些触点42和44，可将两个换能器20和22与电子电路52（未示出）电连接，在以下图4中描述。

在下文中，将详细地讨论麦克风设备30的功能。

在麦克风设备30中，在壳体12中布置两个换能器20和22，使得第一换能器20经由孔34与音孔14在声学上直接耦合，同时，第二换能器22经由第一换能器20和孔34与音孔14在声学上间接耦合。与图1A类似，音孔14、孔34、第一换能器20和内部体积16限定到第二换能器22的传播路径23。其结果是，第一换能器20被布置为从外部空间18，例如从声源，直接接收声音信号，并将第二换能器22布置为以预先衰减的方式从外部体积接收声音信号，即用第一换能器20预先衰减，如上所述。

作为以上实施方式的替代方式，基板32可以是壳体12的一部分，代替底板12a。

下面，将用图3A和图3B描述麦克风设备50。图3A和图3B示出了麦克风设备50，其与图2A和图2B的麦克风设备30一致，但是进一步包括布置于壳体12中的电子电路52，例如特定用途集成电路（ASIC）。

麦克风设备50包括构造在基板32上的第一换能器20和第二换能器22，如图2A和图2B的实施方式中所示。这里，将具有两个换能器的基板32实现为传感器芯片33，并将其形成在壳体12的底板12a上，与图2A和图2B的实施方式类似。因此，通过麦克风设备50的传感器芯片33的截面图（A-A）与图2B所示的麦克风设备30的传感器芯片33的截面图（A-A）等价。

形成于底板12a上的电子电路52具有触点54，以经由触点42将电子电路52与传感器芯片33连接。电子电路52设置有额外的触点56，以将其与输出焊盘44连接。在此实施方式中，示例性地用触点42和触点54之间的丝焊58实现传感器芯片33和电子电路52之间的连接。用触点56和触点44之间的丝焊60实现电子电路52和触点44之间的连接。为了能够将电子音频信号从麦克风设备50输出至可内置麦克风设备50的移动装置，电镀触点44穿过在壳体12的底板12a。

传感器芯片33的功能适应麦克风设备30的功能。将在图4中描述电子电路52的结构和功能。可将电子电路52以特定用途集成电路（ASIC）的形式内置。

作为以上讨论的替代方式，可在两个换能器20和22构造于其上的同一基板32上形成电子电路52。一个替代方式是使用基板32代替作为壳体12的一部分的底板12a，其中，麦克风设备50由固定至基板32的顶盖12b封闭。

另一替代方式是将传感器芯片33和/或电子电路52分为布置于壳体12内的单独子单元。

或者，可通过另一连接类型，例如以倒装方式，将传感器芯片33和电子电路52电连接。

图4示出了根据一个实施方式的电子电路52和传感器芯片33。传感器芯片33包括第一换能器20和第二换能器22。电子电路52包括与第一换能器20连接的第一偏压电源62和与第二换能器22连接的第二偏压电源64。电子电路52包括开关70，其经由放大级66与第一换能器20连接并经由放大级68与第二换能器22连接。将第二放大级76放在开关70和输出焊盘44之间。电子电路52包含信号检测器72，其与放大级66和放大级68连接。将信号检测器72被配置为经由控制信号74控制开关70，由此与开关70连接。

第一和第二偏压电源62和64例如通过分别在膜20a和对电极20b以及膜22a和对电极22b上施加直流电压，来限定两个换能器20和22的偏压点。两个换能器20和22被配置为接收声音信号并将这些信号转换成分别通过放大级66和68的电音频信号。信号检测器72分析关于声压级、信噪比和总谐波失真的电音频信号的特性。在此分析的基础上，用由控制信号74控制的开关70在来自两个换能器的电音频信号之间执行切换，以输出更适合于当前应用场合的电音频信号。两个换能器中的一个的电音频信号通过第二放大级76，并经由输出焊盘44输出。

或者，移动装置可经由控制信号74控制开关70。此外，可将此电子电路52或此电子电路52的一部分集成在移动装置中，或者，可用能够由电子电路52执行的计算机软件实现，或用计算机软件和电子电路52的组合实现。

下面，图5A至图5C示出了该制造过程的早期步骤。图5A至图5C示出了已在基板32上构造第一和第二换能器20和22之后的电子电路52（ASIC）和传感器芯片33。在形成两个换能器20和22之前，基板32设置有两个孔、与第一换能器20对准的34、以及与第二换能器22对准并与导电路径（未示出）对准的36，导电路径将两个换能器20和22与触点42连接。在制造过程的此阶段，已在电子电路52上设置用于连接传感器芯片33的触点54，并且已在其上设置用于连接输出焊盘44的触点56。

在制造过程的此步骤中，并排地布置电子电路52和传感器芯片33以用于制造过程的下一步骤。

在图5D至图5F中示出了图5A至图5C所示的步骤之后的制造过程的步骤，图5D至图5F示出了电子电路52、传感器芯片33和底板12a。

在制造过程的此步骤中，将传感器芯片33和电子电路52安装在底板12a上。将传感器芯片33布置在底板上，使得底板12a的音孔14与孔34对准并由此与第一换能器20对准。因此，传感器芯片33设置在底板12a上，第一侧面向基板32的第二侧，在基板32的上构造有两个换能器20和22并且设置有触点42。此外，在底板12a上设置传感器芯片33，使得基板32的孔36由底板12a封闭以限定后部体积38，如图2A和图2B所示。电子电路52设置在底板12a上，在传感器芯片33的旁边，第一侧面向电子电路52的第二侧，在电子电路52设置有触点54和56。例如，可用焊料、胶水或紧密配合将传感器芯片33和电子电路52固定在底板12a上。

下面，用图5G至图5I示出了制造过程的丝焊步骤，这些图示出了电子电路52、传感器芯片33、底板12a和丝焊58与60。

在制造过程的此步骤中，在图5D至图5F所示的步骤之后，使传感器芯片33和电子电路52电接触。此时，用丝焊58将传感器芯片33与电子电路52连接，并用丝焊60将电子电路52与输出焊盘44连接。例如，可通过焊接或导电粘合来实现触点42和54之间的丝焊58以及触点56和44之间的丝焊60。在此步骤中，还完成触点44穿过底板12a的连续接合。

在图5J至图5L中示出了从该制造过程产生的麦克风设备50。该设备50与图3A和图3B所示的设备一致。

在制造过程的此步骤中，可将减音元件13（未示出）放在壳体12中，用于设置第一和第二换能器20和22的灵敏度，使得第一换能器20的第一灵敏度与第二换能器22的第二灵敏度不同或比其高。如果例如已在基板32上构造两个具有相同灵敏度的换能器20和22，并且，由此用减音元件13设置两个换能器20和22之间的灵敏度差，那么这是封闭麦克风设备50的壳体12之前的制造过程的可选步骤。

在制造过程的最后一个步骤中，麦克风设备50由固定在底板12a上的顶盖12b封闭。可用胶水或焊料将顶盖12b固定在底板12a上，使得内部体积16和后部体积38被分别构造。

或者，生产过程的步骤中的单个步骤的时间顺序可以改变，还可改变单个步骤。

Claims

1.一种麦克风设备，包括：

壳体，具有音孔；以及

具有第一灵敏度的第一输入音频换能器和具有第二灵敏度的第二输入音频换能器；

其中，所述第一输入音频换能器和所述第二输入音频换能器被布置在所述壳体中，使得所述第一输入音频换能器与所述音孔在声学上直接耦合，并且所述第二输入音频换能器经由所述第一输入音频换能器与所述音孔在声学上间接耦合，

所述第一输入音频换能器和所述第二输入音频换能器形成在基板上，所述基板具有与所述第一输入音频换能器对准的孔，使得所述第一输入音频换能器经由所述基板的所述孔与所述音孔在声学上直接耦合，

所述第一输入音频换能器具有第一后部体积，而所述第二输入音频换能器具有第二后部体积，

所述第二输入音频换能器的膜的直径小于所述第一输入音频换能器的膜的直径，并且

所述第一后部体积和所述第二后部体积为封闭空间。

2.根据权利要求1所述的麦克风设备，其中，所述第一灵敏度与所述第二灵敏度不同。

3.根据权利要求2所述的麦克风设备，其中，所述第一灵敏度比所述第二灵敏度高。

4.根据权利要求1所述的麦克风设备，其中，所述壳体包括底板和固定至所述底板的顶盖，其中，所述底板由所述基板形成。

5.根据权利要求1所述的麦克风设备，其中，所述第一后部体积与所述第二后部体积不同。

6.根据权利要求5所述的麦克风设备，其中，所述第一后部体积比所述第二后部体积大。

7.根据权利要求1所述的麦克风设备，其中，所述第一后部体积由所述壳体的内部空间限定。

8.根据权利要求1所述的麦克风设备，其中，所述第二后部体积由穿过所述基板的第二孔限定，所述第二孔与所述第二输入音频换能器对准。

9.根据权利要求1所述的麦克风设备，进一步包括布置于所述壳体中的减音元件，该减音元件用于衰减传播至所述第二输入音频换能器的声音信号。

10.根据权利要求1所述的麦克风设备，进一步包括布置于所述壳体中的电子电路，其中，所述电子电路被配置为接收来自所述第一输入音频换能器的第一电音频信号并接收来自所述第二输入音频换能器的第二电音频信号，并且被配置为根据所述第一电音频信号和所述第二电音频信号的特性在所述第一电音频信号和所述第二电音频信号之间切换。

11.根据权利要求10所述的麦克风设备，其中，所述电子电路、所述第一输入音频换能器和所述第二输入音频换能器形成在公共基板上。

12.一种制造麦克风设备的方法，所述方法包括：

提供具有音孔的壳体；

将具有第一灵敏度的第一输入音频换能器布置在所述壳体中，使得所述第一输入音频换能器与所述音孔在声学上直接耦合；以及

将具有第二灵敏度的第二输入音频换能器布置在所述壳体中，使得所述第二输入音频换能器经由所述第一输入音频换能器与所述音孔在声学上间接耦合，

其中，所述第一输入音频换能器和所述第二输入音频换能器形成在基板上，所述基板具有与所述第一输入音频换能器对准的孔，使得所述第一输入音频换能器经由所述基板的所述孔与所述音孔在声学上直接耦合，

所述第一后部体积和所述第二后部体积为封闭空间。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

通过将减音元件放在至所述第二输入音频换能器的声音传播路径中来设置所述第二灵敏度，使得所述第一灵敏度比所述第二灵敏度高。