[发明专利]小型不定向传声器

说明书

资助的研究

本项工作部分地得到由来自美国国立卫生研究院的拨款号1035968 的支持。政府在本发明中可享有一定的权利。

相关申请

本发明与多个共同未决的美国专利申请有关：于2003年10月20日 提交的序列号为10/689,189，题为“ROBUST DIAPHRAGM FOR AN ACOUSTIC DEVICE”、于2005年8月5日提交的序列号为11/198,370， 题为“COMB SENSE MICROPHONE”、于2006年1月19日提交的序列 号11/335,137，题为“OPTICAL SENSING LN A DIRECTIONAL MEMS MICROPHONE”、以及于2006年1月31日提交的序列号为11/343,564， 题为“SURFACE MICROMACHINED MICROPHONE”的申请，它们全部 通过引用全文包括在此。

技术领域

本发明涉及小型不定向传声器的领域，具体涉及具有高灵敏度以及 良好的低频响应特性的小型传声器。

背景技术

能够以低成本制造的小传声器在许多便携式电子产品中是非常令人 希望的部件。然而，在目前的设计方式中，传声器的小尺寸导致对声音 的减弱的灵敏度，并且特别是对于低频的不良的灵敏度。其结果是，在 设计中必须非常小心以便使灵敏度最大化，这样通常增加了装置的复杂 性以及成本。

产生小型传声器的常规方式是制造一个薄且轻的膜片，该膜片响应 于微小的声压而振动。该膜片的运动通常是经过电容感应而转换为一个 电信号，其中在该移动膜片与一个固定背板电极之间检测电容的变化。 然而，随着在制造一个小且低成本的传声器的尝试中该膜片的尺寸被减 小，该膜片的刚度一般会被增大。这种被增加的刚度造成该膜片响应于 变动的声压而偏转的能力的明显降低。这种随着尺寸减小而增加的刚度 在小型传声器的设计中是一个根本性的挑战。在传声器设计中一个额外 的挑战来自为获得电容性感应而使用的背板电极。为了得到一个电子读 出，有必要在背板与膜片之间施加一个偏置电压。这将导致一种力，该 力与该电压的平方成比例(并且因此而独立于它的极性)，该电压所起的 作用总是对朝向固定的背板来牵引柔性的膜片。因为该电子电路的输出 会与所采用的偏置电压成比例，它吸引人们采用尽可能高的电压以增加 灵敏度。然而，必须非常小心地确保所导致的牵引力不足以使该膜片塌 陷而进入背板。为了避免这种潜在地灾难情形，人们可采用具有较高刚 度的膜片使它能抵抗该牵引力，但是这也导致降低的声学灵敏度。在通 过使用高偏置电压来增强电子灵敏度与避免膜片塌陷之间实现的一种折 衷方案是传声器设计的最具挑战性的方面之一。

因为传声器一般被设计为采用一个压敏膜片来响应于声压，重要之 处在于要确保由于声音而产生的压力仅作用在该膜片的一侧或一面上， 否则作用于两侧的这些压力会抵消。(在某些情况下，对这个抵消性能加 以有利的利用，特别是在能够将该传声器设计为使不希望的声音被抵消 而希望的声音不被抵消的情况下)。另外，因为该膜片还易受相对大的大 气压变化的影响，所以结合一个小的通气口以均衡膜片两侧的静压很重 要。取决于围绕膜片后侧的封闭区的尺寸以及均压通气口的尺寸，通过 该通气口还将降低膜片的低频响应。在多种小传声器中，在膜片之后的 空气体积一般是相对地小并且其结果是该膜片的运动能引起空气体积的 明显变化。因此随着膜片的运动空气被压缩或膨胀，这样导致其压力的 一个对应的增强或减少。这个压力在膜片上产生了一个恢复力并且能被 视作具有一个刚度的等效线性空气弹簧，该刚度随着空气的额定体积的 减小而增加。在对小的、具有良好的灵敏度、并且在多种低音频下响应 的传声器进行设计时需要非常仔细地考虑膜片的机械刚度、均压通气口 以及后部体积的等效空气弹簧的这些相结合的作用。

当一个传声器在感测在空气压力(即，音波)中的小差别时，原则 上，大的以及小的膜片将同等地能够拾取低频。一个压力传声器的下限 截止频率典型地受一个小的压力均衡通气口的控制，该通气口防止传声器 膜片对周围气压的变化产生响应。该通气口典型地起到一个声学低频切除 滤波器(即，一个高通滤波器)，该滤波器的截止频率取决于通气口的尺 寸。(例如，直径以及长度)。当一个声压波穿过该传声器时，较长的波长 (较低的频率)将趋于使膜片四周的压力均衡并且因此抵消它们的响应。

发明内容