微机电声音换能器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种实施为片上系统或系统级封装的微机电扬声器。微机电扬声器包括实现为微机电系统(MEMS)的微机电声音产生装置和安装在盖上或集成在盖中的麦克风，其中，麦克风定位成与盖的声音出口开口中的一个相邻。MEMS包括形成在平面盖、平面基座和设置在盖和基座之间的周向侧壁之间的空腔。MEMS还包括用于产生声音的多个可移动致动器。致动器设置在盖和基座之间的空腔中，并且其中，盖和基座具有多个声音出口开口，以分别在横向于盖和基座的方向上发出声音。向上发出声音。向上发出声音。

【技术实现步骤摘要】
微机电声音换能器系统


[0001]本专利技术的实施方式涉及微机电声音换能器系统和装置。在本专利技术的一些实施方式中，微机电声音换能器系统在芯片/管芯中实施，例如以片上系统(SoC)或系统级封装(SiP)的形式。一些实施方式提供了一种实施主动噪声消除(ANC)的微机电声音换能器系统。

技术介绍

[0002]声音是弹性载体介质(诸如，空气或液体)中压力随时间的变化。作为致动器，扬声器产生压力变化。麦克风用作传感器并且可以记录压力的变化并且将它们转换为电信号。扬声器和麦克风属于声音换能器组，其中，电信号到机械功或反之亦然的转换通常通过振荡单元(例如膜片)来实施。根据应用领域，声音换能器可以在设计和尺寸方面彼此相差很大，并且可以在例如音箱、近场扬声器(例如集成在移动装置中，例如智能电话)、耳机、耳塞或助听器中找到。通过经由声音换能器的声音输出或记录，声音换能器可以实施各种功能并且便于不同的使用，例如，在娱乐、测量技术或助听器领域中。
[0003]由于类型和设计，先前的声音换能器经常受到功能限制，从而经常不能发生适当的声音转换。声音换能器设计的缺点涉及例如声学质量、能量效率、电磁兼容性(EMC)或所需的安装空间。此外，例如，形成声音换能器或声音换能器系统的各个部件的组装随着装置的尺寸减小而复杂。最近，已经提出了基于微机电系统(MEMS)的声音换能器设计，其解决了上面指出的至少一些缺点。基于MEMS的声音换能器装置可以使用不同的机制来产生声音。例如，压电声音换能器、静电驱动声音换能器等可以用作基于MEMS的装置，其允许能量有效的操作和更大规模的集成以促进整个声音换能器系统的小型化。对于助听器，通常采用磁性或平衡电枢(BA)驱动器。
[0004]使用静电驱动致动器来产生声音的基于MEMS的声音换能器设计的示例从WO 2012/095185 A1和WO 2016/202790 A2中获知。
[0005]基于MEMS的声音换能器系统的另一个示例是WO 2018/167272 A1，其提出了用于产生声音的压电元件。基于MEMS的声音换能器系统可以用作麦克风和扬声器。
[0006]现代耳机、耳塞或助听器实施主动噪声消除(ANC)功能，以便通过施加消除信号来补偿环境噪声来改善声音换能器系统的声音质量。ANC使用麦克风和扬声器来减少背景和周围噪声(周围噪声)。一种更复杂类型的ANC，其中噪声消除水平数字地适应周围环境，是使用麦克风和扬声器自动地适应收听者周围环境的自适应ANC。此外，还存在允许收听者通过手动调整噪声消除水平来选择收听者听到多少背景噪声的可调整ANC。
[0007]不考虑ANC的类型，现代主动噪声消除系统通常被实施为混合系统，即，一个麦克风拾取环境噪声(前馈麦克风)，并且一个麦克风直接位于扬声器(反馈麦克风)的前面，并且在耳道中直接拾取声音。ANC算法的目的是最小化由环境噪声引起的耳道中的声音。Stefan Liebich等人的文章，“Signal Processing Challenges for Active Noise Cancellation Headphones(主动噪声消除耳机的信号处理挑战)”，13.ITG Fachtagung Sprachkommunikation/Speech Communication(语言通信)，Oldenburg,Germany(德国奥尔
登堡)，2018年10月(可在http://ikspub.iks.rwth
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aachen.de/pdfs/liebich18c.pdf获得)提供了建立ANC耳机的挑战的概述，以入耳式耳机为例，包括声学前端、电子后端和算法实施。
[0008]图1示出用于解释ANC的基本原理的示例性混合ANC系统的简化信号流。外部麦克风拾取环境噪声x(t)，并且滤波器W(z)产生消除信号y(n)。该前馈系统可以被扩展为包括通过添加内部麦克风的反馈回路，该内部麦克风拾取误差信号e(t)，并且通过滤波器K(z)产生通过滤波器的消除信号u(n)。这两种方法的组合被称为混合ANC系统。期望的音频信号或有用信号是a(n)。
[0009]从外部麦克风到内部麦克风的传输路径被称为主要路径P(z)。从扬声器到内部麦克风的路径被称为辅助路径(secondary path)G(z)。在数字系统的情况下，辅助路径包括从组合的消除信号的数字输出到数字输入信号e(n)的所有步骤，即，特别是数模转换、扬声器特性、声路扬声器
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麦克风、麦克风特性和模数转换。
[0010]信号处理中涉及的所有组件需要时间来处理信号并且产生输出信号。为了优化ANC系统的性能，外部麦克风和扬声器之间的声路应该尽可能大，以便“获得”产生消除信号y(n)的时间。对于辅助路径G(z)，情况正好相反：辅助路径的延迟应该尽可能小。
[0011]除了幅度裕度之外，相位裕度对于反馈系统的稳定性是重要的，即，在系统中发生正反馈(即，噪声的不希望的放大)之前允许的附加相移。相位裕度越大，ANC系统抵抗外部影响(例如，传递函数的变化)越健壮，并且可以使用更长的滤波器(例如，用于扬声器的噪声补偿)。对于给定的几何布置，可以容易地确定声路扬声器
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麦克风的相位偏移。
[0012]在本文中，需要改进声音换能器系统的设计。

技术实现思路

[0013]提供本简要概述以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
[0014]本专利技术的一个方面是改进包括多个声音换能器的声音换能器系统的小型化。根据该方面，声音换能器系统可以包括声音产生装置(作为第一声音换能器)和声音接收装置(作为第二声音换能器)，例如麦克风，其中，声音接收装置安装在壳体的表面上或集成在声音产生装置的壳体中。声音产生装置可以是芯片/管芯，例如片上系统或系统级封装。传统上，由于两个换能器之间的结构声(structure
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borne sound)耦合，这种声音换能器彼此堆叠可能是不希望的，并且根据实施方式甚至可能是不可能的。
[0015]在本专利技术的实施方式中，声音产生装置是基于MEMS的声音产生装置，其允许避免或基本上减少结构声耦合。特别地，基于MEMS的声音产生装置具有在平面的盖、平面的基座和设置在所述盖和所述基座之间的周向侧壁之间的空腔(从而提供空腔的外壳和/或芯片壳体)。基于MEMS的声音产生装置还包括用于产生声音的多个可移动的致动器。这些致动器设置在盖和基座之间的空腔中。在一些示例性实施方式中，致动器可以在盖和基座之间的平面内移动和/或横向于基于MEMS的声音产生装置的声音发出方向移动。致动器可以被静电驱动，但是这仅仅是致动器如何被驱动的一个示例。
[0016]盖和可选的基座具有多个声音出口开口，以在横向于盖(以及可选的基座)的方向
上发出声音。在其它实施方式中，声音出口开口也可以布置在侧壁中。在这种情况下，盖、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微机电扬声器系统，实施为片上系统或系统级封装，包括：微机电声音产生装置，实现为微机电系统，其中，所述微机电系统包括在平面的盖、平面的基座和设置在所述盖和所述基座之间的周向侧壁之间的空腔，其中，所述微机电系统还包括用于产生声音的多个可移动的致动器，其中，所述致动器设置在所述盖和所述基座之间的所述空腔中，并且其中，所述盖包括多个声音出口开口以在横向于所述盖的方向上发出声音；麦克风，安装在所述盖上或集成在所述盖中，其中，所述麦克风定位成与所述盖的至少一个声音出口开口相邻。2.根据权利要求1所述的微机电扬声器系统，其中，在所述麦克风和相邻的至少一个声音出口开口之间的声路小于或等于2mm。3.根据权利要求1所述的微机电扬声器系统，其中，所述微机电扬声器系统实施主动噪声消除功能，其中，所述麦克风配置成检测干扰噪声和通过所述盖的所述声音出口开口发出的声音；以及所述微机电扬声器系统还包括控制系统，所述控制系统配置成基于由所述麦克风检测到的声音和干扰噪声来控制所述微机电声音产生装置的声音产生，从而抑制所检测到的干扰噪声。4.根据权利要求3所述的微机电扬声器系统，其中，所述控制系统配置成使用驱动所述致动器的激励信号来控制所述微机电声音产生装置的声音产生，并且从所述麦克风接收反馈信号，其中，所述反馈信号表示所述干扰噪声和通过所述盖的所述声音出口开口发出的声音。5.根据权利要求1所述的微机电扬声器系统，其中，在所述麦克风和相邻的至少一个声音出口开口之间的声路小于或等于2mm；其中，所述微机电扬声器系统实施主动噪声消除功能，其中，所述麦克风配置成检测干扰噪声和通过所述盖的所述声音出口开口发出的声音；以及所述微机电扬声器系统还包括控制系统，所述控制系统配置成基于由所述麦克风检测到的声音和干扰噪声来控制所述微机电声音产生装置的声音产生，从而抑制所检测到的干扰噪声。6.根据权利要求4所述的微机电扬声器系统，其中，所述麦克风在所述盖上的位置被选择使得所述激励信号和所述反馈信号之间的相位差小于或等于2
°
，以实现至少1kHz的截止频率。7.根据权利要求1至5中任一项所述的微机电扬声器系统，其中，所述微机电声音产生装置是多层硅器件。8.根据权利要求7所述的微机电扬声器系统，其中，所述麦克风形成在半导体器件的一个或多个半导体层中，所述麦克风在所述盖的背对着所述致动器的一侧上。9.根据权利要求1至4中任一项所述的微机电扬声器系统，其中，所述微机电声音产生装置是多层硅器件，并且其中，所述盖、所述基座和所述致动器形成在所述多层硅器件的不同层中。
10.根据权利要求1所述的微机电扬声器系统，其中，所述麦克风是安装在所述微机电声音产生装置的所述盖上的基于离散微机电系统的组件。11.根据权利要求3所述的微机电扬声器系统，其中，所述麦克风以导电方式连接到所述微机电声音产生装置的所述盖，以经由所述微机电声音产生装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃里格，
申请(专利权)人：阿里索系统有限公司，
类型：发明
国别省市：