可实现声源定向的硅微麦克风组合体制造技术

可实现声源定向的硅微麦克风组合体的特征在于：它含有六面体支架、三个心形指向硅微麦克风和一个全指向硅微麦克风。上述三个心形指向硅微麦克风沿着垂直于原点位于上述六面体支架中心的直角坐标轴的方向，固定在上述六面体支架的正面、侧面和顶面支架上；全指向硅微麦克风，上述全指向硅微麦克风固定在上述六面体支架的底面支架上，六面体支架的第五个面安装ＰＣＢ接口板用于硅微麦克风组合体的信号输出，最后一个面装有防尘膜。上述硅微麦克风组合体经过仿真试验证明具有很好的声源定向性，即计算得到的声源方向与实际方向符合得很好，声源采样频率越高则符合得越好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于硅微麦克风的

技术介绍
在视频会议系统中，摄像机对发言者的镜头捕捉一般都由摄影师操作。采用声源定向系统可以提高视频会议系统的自动化程度，极大地降低摄像师的工作强度。传统的镜头自动捕捉技术有红外跟踪、图像跟踪和声音定向等。Hong Wang和Peter Chu在1997年IEEEInternational Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing国际会议上发表的论文“Voice source localization for automatic camera pointing system in videoconferencing”中提到，红外跟踪需要发言者携带相应的红外线收发器，图像跟踪则需要人工预先设定跟踪的对象，而声音定向技术是最自然而方便的解决方案。声音定向技术从1970s’年代就已经开始研究。传统的声音定向技术一般采用麦克风阵列，对多通道数据进行相关分析、谱分析、时延分析等信号处理方法。为了追求高定向精度，需要采用高性能的麦克风和很大的麦克风阵列。这使得整个系统体积庞大、复杂而且价格昂贵。信号处理算法的精度强烈地依赖于麦克风的相对位置、环境噪声和回响、声源的频谱范围、声源的个数等等，见Michael Brandstein和Darren Ward于2001年出版的著作Microphone Arrays，Signal Processing Techniques and Applications。这些问题使得传统麦克风声源定向技术难以降低成本进入消费电子领域，从而限制了它的广泛应用。随着微机电(MEMS)技术的发展，硅微麦克风技术逐渐成熟，部分已经开始了商品化。Patrick RichardScheeper，Brge Nordstrand，Jens Ole Gullv，Bin Liu，Thomas Clausen，Lise Midjord，和TorbenStorgaard-Larsen于2003年发表在杂志Journal of Microelectromechanical Systems上的论文”ANew Measurement Microphone Based on MEMS Technology”，和任天令、张林涛、刘理天、李志坚(Tian-Ling Ren，Lin-Tao Zhang，Li-Tian Liu，Zhi-Jian Li)于2002年发表在杂志IEEETransactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control上的论文”Design Optimizationof Beam-like Ferroelectrics-silicon Microphone and Microspeaker”认为，与传统麦克风相比，硅微麦克风具有体积小、精度高、重量轻、封装方案灵活、重复性好、能批量生产、抗振性好、易与IC集成，批量生产成本低廉等优点。由于微麦克风体积小，多个微麦克风集合在一起的宽度仍然远小于音频声波的波长，可以把它们视作声场中的一个点；微麦克风的封装结构可以根据不同的应用要求专门设计，灵活性比较大，可以方便地实现器件的指向性设计和多麦克组装；较高的灵敏度保证系统有足够的信噪比，提高声源定向精度。这些优点使本文提出的利用硅微麦克风的指向性实现声源定向成为可能。1983年，Royer等人在杂志Sensors and Actuators A上发表的论文“ZnO on Si IntegratedAcoustic Sensor”中首次报道利用氧化锌(ZnO)压电薄膜和微机电(MEMS)技术，在硅衬底上制作出了微麦克风，随后荷兰、美国、德国、丹麦、瑞士、新加坡和我国的学者们纷纷对此展开研究，并取得了巨大的进展。2003年年初，美国EMKAY INNOVATIVE PRODUCTS公司推出了商业化微麦克风产品样品，标志着该技术开始商品化。从信号检测的角度，硅微麦克风主要分为压电式、电容式、压阻式、调制场效应管式和光波导式等。部分微麦克风工作在音频范围内，部分用于超声测量。麦克风的灵敏度随声波入射方向变化的特性称为灵敏度指向特性。当微麦克风封装成为压差式结构时，即微麦克风背腔设计有入射孔道，使声波可以同时作用在振膜的正面和背面，微麦克风便具有了灵敏度指向性。此时，当声波入射角变化时，作用在振膜正面和背面的声波由于传播路径不同，到达振膜后产生一定的相位差，使得作用在振膜上的合力随入射角而变化，导致微麦克风的灵敏度随入射角而变化，产生了灵敏度指向特性。图2为心形指向性微麦克风的封装结构，通过背面声阻尼材料的使用和精确设计，可以实现具有特定指向性的微麦克风。当声波以角β入射时，麦克风的灵敏度和轴向入射(β＝0°)时灵敏度的比值称为灵敏度指向性函数，可由以下公式描述D(β)=1+bcos(β)1+b---(1)]]>式中b=jωdZA0C0ZA,]]>ω为声音频率，d为麦克风背腔厚度，ZA0为麦克风背腔声阻抗，ZA为麦克风背面入声孔的声阻抗，C0为声速。当b＝0时，为圆指向性；b＝1时，为心形指向性；b＞1时，趋向8字形指向性，即双指向性。图2为心形指向性的指向性曲线。麦克风指向性数值最大的方向称为主敏感方向。对于硅微麦克风而言，它的尺寸可以做到3mm×3mm×0.5mm，甚至更小，和语言频段声波波长相比(如100~6000Hz，即空气中波长为3440~57mm)，它的尺寸比声波波长小一个数量级以上，可以将几个微麦克风的组合结构在声场中看作一个点，声波到达它们产生绕射，反射忽略不计。所以，微麦克风指向性曲线在语音频段中随频率的变化也可以忽略不计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一个可实现声源定向的硅微麦克风组合体。利用麦克风的指向性，可以实现对声源的定向。将具有心形指向性的三个微麦克风分别使其主敏感方向与垂直坐标系的三个坐标轴平行放置，如图3所示。假设某声波传来的方向与三个硅微麦克风主敏感方向的夹角分别为βx、βy和βz，则三个麦克风的输出电压分别为Vx=1+bcos(βx)1+bAP]]>Vy=1+bcos(βy)1+bAP]]>Vz=1+bcos(βz)1+bAP,---(2)]]>式中，P为声波的声强，A为硅微麦克风的灵敏度。从上式可以看出，当微麦克风特性已知时，共有四个未知数，即声强P和方向参数βx、βy和βz。因此，解上述方程必须再引入一个独立方程。为了计算方便，我们选择一个全指向的微麦克风，将其放置在三个心形指向的麦克风旁边，使其敏感声波抵达时的绝对声强。即，V0＝AP (3)由以上两式，假设三个微麦克风都是心形指向性，则b＝1，可以得到声波的方向矢量， 为了提高声源定向的精度，需要补偿各个微麦克风的空间位置不在理想的同一点上带来的误差。空间上的不一致使得探测到的声波信号有强度上的衰减和相位上的延迟。其中，空气中的声强衰减为P＝P0e-mx式中，m为衰减系数(m-1)，x为传输距离(m)本文档来自技高网...

【技术保护点】
可实现声源定向的硅微麦克风组合体，其特征在于，它含有：六面体支架；心形指向硅微麦克风（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）共三个，每一个的背面有信号输出端和接地端，在正、背两面各有一个入声孔，它们三个麦克风分别沿着垂直于原点位于上述六面体支 架中心的直角坐标轴的方向，固定在上述六面体支架的正面、侧面和顶面支架上；一个全指向硅微麦克风固定在上述六面体支架的底面支架上，背面有声信号输出端和接地端，正面有一个入声孔；印刷电路（ＰＣＢ）接口板，周边是上述四个硅微麦克风的 公共地焊盘，中间是四个分别与上述硅微麦克风背面的信号输出端相连的麦克风信号输出焊盘，上述ＰＣＢ接口板固定在与上述硅微麦克风（Ｘ）相对的一侧的上述六面体支架的一个支架上；一张防尘膜，固定在与上述硅微麦克风（Ｙ）相对一侧的上述六面体支架 开口侧的一个支架上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：伍晓明，任天令，刘理天，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]