專利名稱：用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)感測聲音信號(hào)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)感測聲音信號(hào)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
麥克風(fēng)是將氣壓取樣(即聲信號(hào))轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。在典型的動(dòng)力麥克風(fēng)中，麥克風(fēng)的振動(dòng)膜相對(duì)磁場移動(dòng)線圈，使電流流入線圈。在典型的電容式麥克風(fēng)中，麥克風(fēng)的振動(dòng)膜(如帶電荷的金屬電極板，駐極體等)相對(duì)于剛性背板移動(dòng)，使電流從電源流出，在麥克風(fēng)振動(dòng)膜與剛性背板之間產(chǎn)生恒定的電位差。
風(fēng)噪聲會(huì)干擾麥克風(fēng)感測聲音信號(hào)的能力。比如，當(dāng)一個(gè)人沖著麥克風(fēng)講話時(shí)，風(fēng)噪聲會(huì)掩蓋這個(gè)人的聲音，致使與麥克風(fēng)相連的裝置(如擴(kuò)音器、錄音器、送話器、揚(yáng)聲器等)傳出的聲音含混不清。風(fēng)噪聲還可以掩蓋重要的聲音信息，使比如自動(dòng)目標(biāo)/對(duì)象識(shí)別裝置，方位辨別等系統(tǒng)等自動(dòng)系統(tǒng)的性能下降。
有些麥克風(fēng)配置了風(fēng)擋，覆蓋在麥克風(fēng)上，意在減少由麥克風(fēng)感測到的風(fēng)噪聲。常規(guī)的風(fēng)擋，常見于覆蓋在電視記者手持的麥克風(fēng)上面，它是由海綿制成，并呈球形(如覆蓋在麥克風(fēng)上，直徑約為10厘米的海綿球)。這種風(fēng)擋已經(jīng)被使用多年，并且可以有效的去除會(huì)使關(guān)鍵的聲音(如電視記者的聲音)含混不清的風(fēng)噪聲(如令人討厭的隆隆聲)。
一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)試圖以電去除的方式，從目標(biāo)位置的聲音與風(fēng)噪聲中去除風(fēng)噪聲(比如要從過往的卡車中獲得聲信號(hào))。通常，這些試驗(yàn)利用麥克風(fēng)傳感聲音和風(fēng)壓，在麥克風(fēng)周圍(比如距離麥克風(fēng)幾毫米處)設(shè)置一套熱線式風(fēng)速計(jì)，用以感測風(fēng)速，并用計(jì)算機(jī)設(shè)備存儲(chǔ)和處理由麥克風(fēng)感測到的聲音和風(fēng)壓，同時(shí)，由熱線式風(fēng)速計(jì)所測得的風(fēng)速。典型的熱線式風(fēng)速計(jì)是一種脆性的裝置，它通過加熱一小段線路(比如一段1.5mm長的鎢或鉑)，測量由于風(fēng)吹過線路所造成的熱損失(熱量或能量的損失與風(fēng)速直接相關(guān))。
下面將說明一種實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)的方法。第一模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將來自麥克風(fēng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的聲音和風(fēng)壓信號(hào)，這些信號(hào)被保存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。同時(shí)，第二A/D轉(zhuǎn)換器將來自熱線式風(fēng)速計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的熱損失信號(hào)，這些信號(hào)也被保存在存儲(chǔ)器中。接下來，數(shù)字信號(hào)處理器處理聲音和風(fēng)壓信號(hào)以及熱損失信號(hào)。特別是，采用一種算法，可以利用熱損失信號(hào)產(chǎn)生風(fēng)壓數(shù)據(jù)，并從聲音和風(fēng)信號(hào)中減去風(fēng)壓數(shù)據(jù)。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍是混合信號(hào)， 但理論結(jié)果應(yīng)該是能夠從目標(biāo)位置獲得一個(gè)已經(jīng)除去了風(fēng)噪聲的聲音信號(hào)。
上述實(shí)驗(yàn)參考以下兩篇文章的全部內(nèi)容，一篇是在1998年10月的Acoustical Society of America 136thMeeting Lay Language Paper中，由Shust等人著的名為“Electronic Removal of Outdoor Microphone Windownoise”的文章。另一篇是在1997年1月的AIAA期刊第35卷第1期中，由McGuinn等人著的題為“Low Flow-noise Microphone for Active NoiseControl Applications”的文章。這些實(shí)驗(yàn)提供了令人振奮的試驗(yàn)結(jié)果，但前提是傳送到麥克風(fēng)振動(dòng)膜上的氣流充分正常。本文參考的另一個(gè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和風(fēng)信號(hào)算法(如流體動(dòng)力學(xué)方程)，在密歇根工學(xué)院1998年3月6日的電器工程博士論文(Ph.D.Dissertation in Electrical Engineering)中由Shust著的題為“Active Removal of wind Noise from Outdoor Microphoneusing Local Velocity Measurements”的論文中有所描述。

發(fā)明內(nèi)容
遺憾的是，傳統(tǒng)的減少麥克風(fēng)感測到風(fēng)噪聲的方法有一些不足之處。例如，上述傳統(tǒng)的風(fēng)擋體積龐大，因此影響了一些特定的麥克風(fēng)的應(yīng)用(如在助聽器、免提電話設(shè)備、隱藏監(jiān)視設(shè)備等方面的應(yīng)用)。另外，這種風(fēng)擋的體積龐大，有礙于當(dāng)前麥克風(fēng)和聲音系統(tǒng)小型化的趨勢(如掌上攝像機(jī)、手機(jī)等)。此外，要想保持風(fēng)擋去除風(fēng)噪聲的效果，風(fēng)擋就無法實(shí)現(xiàn)小型化。
至于上文提到的另外一種傳統(tǒng)方法，是在麥克風(fēng)周圍設(shè)置一套熱線式風(fēng)速計(jì)，以電的方式去除麥克風(fēng)所感測的聲音和風(fēng)壓信號(hào)中的風(fēng)噪聲，這種方法產(chǎn)生混合的效果，而且還不能像風(fēng)擋那樣有效地去除風(fēng)噪聲。這種混合的效果歸因于多種因素。比如，熱線式風(fēng)速計(jì)不能感測來自麥克風(fēng)所處位置的風(fēng)噪聲，而是感測麥克風(fēng)臨近位置的風(fēng)噪聲(即距離麥克風(fēng)幾毫米處)，而這種風(fēng)噪聲與麥克風(fēng)所處位置的風(fēng)噪聲相比具有顯著差別。而且，當(dāng)吹向風(fēng)速計(jì)的風(fēng)經(jīng)過麥克風(fēng)時(shí)，麥克風(fēng)周圍的氣流使風(fēng)速計(jì)處的風(fēng)速發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)引入誤差。另外，這種方法只有在吹到麥克風(fēng)振動(dòng)膜上的風(fēng)充分正常時(shí)才是有效的。
此外，上述傳統(tǒng)的以電的方式去除風(fēng)噪聲的方法還有一些實(shí)施上的缺陷。比如，有些方法需要大量的計(jì)算機(jī)設(shè)備(比如多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)信號(hào)信息的存儲(chǔ)器、應(yīng)用對(duì)聲音和風(fēng)壓信號(hào)及風(fēng)速信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)等)。此外，這些方法是在信號(hào)信息被數(shù)字化并被保存到存儲(chǔ)器以后，從聲音和風(fēng)信號(hào)中減去風(fēng)壓數(shù)據(jù)，這就需要用到存儲(chǔ)器，并且需要等待的時(shí)間。這樣的置后處理方法不適用于某些特殊應(yīng)用，比如需要使用中(即實(shí)時(shí)地)去除風(fēng)噪聲的聲音系統(tǒng)，例如，現(xiàn)場廣播、手機(jī)、軍用/國防戰(zhàn)場傳感器、助聽器等。
與上述傳統(tǒng)的減少風(fēng)噪聲的方法相比，本發(fā)明的幾種具體實(shí)施例都提供一種使用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)直得聲音信號(hào)的方法。譬如，可以將像麥克風(fēng)和熱線式風(fēng)速計(jì)這樣的感測部件布置在一個(gè)MEMS器件中(如在一個(gè)位置上以極小的間隔設(shè)置或者相互接觸)。因此，基本上可以在同一位置感測風(fēng)速、聲音和風(fēng)壓。于是，根據(jù)風(fēng)速生成一個(gè)精確的風(fēng)壓信號(hào)，然后，再從聲音和風(fēng)壓信號(hào)中減去所生成的風(fēng)壓信號(hào)，這樣就給出一個(gè)去除風(fēng)噪聲的精確聲音信號(hào)。
按照本發(fā)明的一種方案，提供一個(gè)聲音系統(tǒng)，所述聲音系統(tǒng)包含聲音傳感器和處理電路。所述聲音傳感器包括(i)基座，(ii)被支撐于所述基座上的麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)有一個(gè)麥克風(fēng)振動(dòng)膜，和(iii)置于所述基座上的熱線式風(fēng)速計(jì)，該熱線式風(fēng)速計(jì)有一組熱線延展部件。這組熱線延展部件的一個(gè)平面與麥克風(fēng)振動(dòng)膜完全平行。
所述處理電路從麥克風(fēng)接收聲音和風(fēng)壓信號(hào)，從熱線式風(fēng)速計(jì)接收風(fēng)速信號(hào)，并根據(jù)從麥克風(fēng)接收的聲音和風(fēng)壓信號(hào)與從熱線式風(fēng)速計(jì)接收的風(fēng)速信號(hào)給出一個(gè)輸出信號(hào)(比如去除風(fēng)噪聲的精確聲音信號(hào))。因?yàn)闊峋€延展部件的一個(gè)平面與麥克風(fēng)振動(dòng)膜完全平行，所以熱線延展部件與麥克風(fēng)振動(dòng)膜可以彼此靠得非常近(比如分開微小的、有限的距離)，或者甚至彼此接觸，這樣就可以感測到同一位置的精確的風(fēng)速、聲音和風(fēng)壓。
按照一種方案，第一層導(dǎo)電材料是麥克風(fēng)振動(dòng)膜(比如多晶硅、硅化物等)，第二層導(dǎo)電材料是這組熱線延展部件(比如鎢)。按照這種方案，所述基座包括襯底(比如硅)，用來支撐所述第一層和第二層導(dǎo)電材料。因此，可以作為MEMS器件實(shí)現(xiàn)所述聲音傳感器。由于這種MEMS聲音傳感器能夠給出去除風(fēng)噪聲的聲音，所以可以將這種MEMS聲音傳感器稱作MEMS電子風(fēng)擋麥克風(fēng)(MEWM)。
按照一種方案，所述聲學(xué)傳感器麥克風(fēng)還包括一個(gè)剛性部件(如一塊背板)，它與麥克風(fēng)振動(dòng)膜完全平行，形成電容式麥克風(fēng)的空腔。按照這種方案，第三層導(dǎo)電材料是麥克風(fēng)的剛性部件。所述襯底支撐所述第三層導(dǎo)電材料。最好使所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜一直延伸到所述基座，在熱線延展部件與電容式麥克風(fēng)空腔之間形成密封。有此，則麥克風(fēng)振動(dòng)膜可阻止沾染物(如灰塵、濕氣、顆粒、碎片等)沿著所述熱線延展部件進(jìn)入電容式麥克風(fēng)的空腔。沾染物進(jìn)入電容式麥克風(fēng)的空腔將導(dǎo)致麥克風(fēng)操作失效。
按照一種方案，所述這組熱線延展部件包括多個(gè)鎢絲電橋，這些電橋在熱線延展部件限定的平面內(nèi)完全平行。因此，為了獲得能轉(zhuǎn)換成風(fēng)速的熱量損失值，可以加熱鎢絲電橋，并測量風(fēng)吹過電橋所造成的熱量損失。
按照一種方案，所述聲音傳感器還包括一層由襯底支撐的保護(hù)材料(如氮化硅)。最好將這層保護(hù)材料做成網(wǎng)格狀，從而，使聲波能從外面通過保護(hù)材料到達(dá)這組熱線延展部件和麥克風(fēng)振動(dòng)膜。相應(yīng)地，這種網(wǎng)格可以使聲音和風(fēng)從外面進(jìn)入風(fēng)速計(jì)和麥克風(fēng)，也還降低了污物進(jìn)入風(fēng)速計(jì)和麥克風(fēng)的可能性。
按照一種方案，所述第一層導(dǎo)電材料確定多個(gè)麥克風(fēng)振動(dòng)膜。最好使多個(gè)麥克風(fēng)振動(dòng)膜排列成二維N×M的麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列(N和M是正整數(shù))。另外，所述第二層導(dǎo)電材料確定多組熱線延展部件。最好使多組熱線延展部件排列成二維N×M的熱線延展部件組的陣列，并與所述二維N×M的麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列對(duì)應(yīng)。由此，所述聲音傳感器有多個(gè)感測部件(一對(duì)麥克風(fēng)和風(fēng)速計(jì))，用以增加穩(wěn)定性，譬如，增強(qiáng)容錯(cuò)能力，提高信噪比(即在一些特殊的感測部件中減少隨機(jī)噪聲)等。
按照一種方案，所述二維N×M的麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列包括第一行麥克風(fēng)振動(dòng)膜，用以響應(yīng)第一頻率范圍(如0-10KHz)內(nèi)的聲波；還包括第二行麥克風(fēng)振動(dòng)膜，用以響應(yīng)第二頻率范圍內(nèi)的聲波；所述第二頻率范圍與第一頻率范圍不同(比如是10-20KHz)。其他各行可以響應(yīng)其他的頻率范圍。于是，這種聲音傳感器能專門適用于感測特殊類型的聲音(比如語音、汽車信號(hào)等)。
按照一種方案，所述處理電路包括一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，用于將熱線式風(fēng)速計(jì)測得的風(fēng)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成含有風(fēng)壓分量的模擬風(fēng)壓信號(hào)，還包括一個(gè)輸出級(jí)，用于從麥克風(fēng)的聲音和風(fēng)壓信號(hào)中減去模擬風(fēng)壓信號(hào)的風(fēng)壓分量，從而生成輸出信號(hào)。為了實(shí)時(shí)輸出去除了風(fēng)噪聲的聲音信號(hào)，所述方案可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行操作。因此，這種方案適用于需要當(dāng)場去除風(fēng)噪聲的場合，如現(xiàn)場廣播、手機(jī)、軍用/國防的戰(zhàn)場傳感器、助聽器等。
按照一種方案，所述轉(zhuǎn)換級(jí)和輸出級(jí)是設(shè)在專用集成電路(ASIC)內(nèi)的模擬電路。這樣就可以在很小的空間內(nèi)封裝整個(gè)系統(tǒng)(如聲音傳感器的MEMS器件和處理電路的ASIC器件)。
按照一種方案，所述處理電路包括一個(gè)相關(guān)級(jí)，用于使風(fēng)速信號(hào)數(shù)字化，并使數(shù)字化的風(fēng)速信號(hào)與檢查表中的一系列風(fēng)壓值聯(lián)系起來，以相關(guān)信號(hào)的形式提供一系列的風(fēng)壓值。這里的處理電路還包括一個(gè)輸出級(jí)，用于(i)從相關(guān)級(jí)接收相關(guān)信號(hào)，(ii)從麥克風(fēng)接收聲音和風(fēng)信號(hào)，(iii)從聲音和風(fēng)壓信號(hào)中減去這串風(fēng)壓值，然后生成輸出信號(hào)。這種方案對(duì)風(fēng)速信號(hào)使用一種算法。按照這種方案，所述系統(tǒng)不需要轉(zhuǎn)換級(jí)，或者可以繞過轉(zhuǎn)換級(jí)。
如上所述，可將本發(fā)明的特點(diǎn)用于聲音系統(tǒng)、聲音裝置和聲音方法以及其他電子設(shè)備，例如，麻薩諸塞州Wilmington的Textron Systems公司的一些設(shè)備。


在下面的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的上述以及其他目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)；所有附圖中描述的相同部分都采用相同的附圖標(biāo)記。
圖1是適用于本發(fā)明的聲音系統(tǒng)的方框圖；圖2是圖1的聲音系統(tǒng)中聲音傳感器各部分的透視圖；圖3是當(dāng)圖1中聲音傳感器用作微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件時(shí)的側(cè)視剖面圖；圖4是附圖3中聲音傳感器的俯視圖；圖5是圖3和4中聲音傳感器的熱線式風(fēng)速計(jì)所用的熱線部件的俯視圖；圖6是使用圖1之聲音系統(tǒng)的程序流程圖；圖7是具有聲音感測部件陣列的聲音傳感器的俯視圖；圖8是可供選的聲音系統(tǒng)的方框圖，該聲音系統(tǒng)有多個(gè)級(jí)，用以根據(jù)風(fēng)速的測量值生成風(fēng)壓信號(hào)；圖9是一個(gè)MEMS結(jié)構(gòu)的剖面圖，所述結(jié)構(gòu)包括襯底、外延層、一層導(dǎo)電材料和光刻膠區(qū)域(比如使用光刻及光掩膜技術(shù)后布圖后)；圖10是圖9中的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導(dǎo)電材料層和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖11是圖10中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了低溫氧化層和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖12是圖11中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉低溫氧化層部分和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖13是圖12中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了聚酰亞胺并使結(jié)構(gòu)表面被拋光之后的剖面圖；圖14是圖13中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了一層導(dǎo)電材料(如鎢)后的剖面圖；圖15是圖14中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖16是圖15中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉導(dǎo)電材料層和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖17是圖16中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了聚酰亞胺后的剖面圖；圖18是圖17中的MEMS結(jié)構(gòu)被附了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖19是圖18中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉部分聚酰亞胺和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖20是圖19中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了一層基座材料(如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的氮化物)和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖21是圖20中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉基座材料部分和光刻膠后的剖面圖；圖22是圖21中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了一層保護(hù)層材料后的剖面圖；圖23是圖22中的MEMS結(jié)構(gòu)在襯底(即MEMS器件的底部)上被附加了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖24是圖23中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉襯底部分(如各向異性的濕法蝕刻)后的剖面圖；圖25是圖24中的MEMS結(jié)構(gòu)已從襯底上去除光刻膠部分后的剖面圖；圖26是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)向剖面圖，該MEMS結(jié)構(gòu)包括襯底、硼硅玻璃層、外延層、導(dǎo)電材料層和光刻膠區(qū)域；圖27是圖26中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉導(dǎo)電材料層部分和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖28是圖27中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖29是圖28中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉外延層和光刻膠區(qū)域部分后的剖面圖；圖30是圖29中的MEMS結(jié)構(gòu)的剖面圖，在將所述MEMS結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)后該結(jié)構(gòu)剩余的外延層和導(dǎo)電材料層上被附加了一層保護(hù)材料層，并且在硼硅玻璃層部分和襯底部分覆蓋了光刻膠區(qū)域后，經(jīng)各向異性蝕刻，以形成電容式麥克風(fēng)的空腔部分；圖31是一種MEMS器件的剖面圖，這種MEMS器件是把圖25的MEMS結(jié)構(gòu)與圖30的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起(如經(jīng)過陽極焊)，并去除保護(hù)層后形成的，用以形成具有多個(gè)聲音傳感器的MEMS器件；圖32是適用于圖1中聲音系統(tǒng)的MEMS器件形成過程的流程圖；圖33是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖，該結(jié)構(gòu)包括襯底和光刻膠區(qū)域；圖34是圖33中的MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)視剖面圖，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)去除了部分襯底和光刻膠區(qū)域，形成多個(gè)孔，或者作為選擇，是在固體襯底上已經(jīng)鉆通多個(gè)孔；圖35是圖34中的MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)視剖面圖，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)在襯底上覆蓋了一層導(dǎo)電材料，使所述襯底內(nèi)的孔是敞開的(比如在襯底上電子束蒸發(fā)一層導(dǎo)電材料)；圖36是圖35中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了光刻膠區(qū)域后的側(cè)視剖面圖；圖37是圖36中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去除導(dǎo)電材料部分和光刻膠區(qū)域后的側(cè)視剖面圖；圖38是一種MEMS器件的剖面圖，該MEMS是將圖25中的MEMS結(jié)構(gòu)與圖37中的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起(如經(jīng)陽極焊)，并去除保護(hù)層后形成的，以形成具有多個(gè)聲音傳感器的MEMS器件；圖39是圖23中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去除部分襯底(如各向異性等離子蝕刻)后的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的各實(shí)施例均涉及利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)獲得聲音信號(hào)的方法。譬如，可將諸如麥克風(fēng)和熱線式風(fēng)速計(jì)之類的感測部件設(shè)置在MEMS器件內(nèi)(比如，可按有限的精密分開被布置在一個(gè)位置處)。因此，可在幾乎同一位置處測量風(fēng)速、聲音和風(fēng)壓。結(jié)果，根據(jù)該位置的風(fēng)速生成風(fēng)壓信號(hào)，然后從該位置的聲音及風(fēng)壓信號(hào)中減去所生成的風(fēng)壓信號(hào)，從而提供去除了風(fēng)噪聲的精確聲音信號(hào)。
圖1是適用于本發(fā)明的一個(gè)聲音傳系統(tǒng)40的方框圖。所述聲音傳系統(tǒng)40包括聲音傳感器42和處理電路44。所述聲音傳系統(tǒng)40還包括附加電路46(例記錄器、放大器、送話器等)。所述聲音傳感器42包括用于感測風(fēng)速的熱線式風(fēng)速計(jì)48和用于感測聲音及風(fēng)壓的麥克風(fēng)50。所述處理電路44包括轉(zhuǎn)換級(jí)52，用于將風(fēng)速信息轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓信息，還包括輸出級(jí)54，用于輸出去除了風(fēng)噪聲的聲音信息。所述聲音系統(tǒng)40可有效的去除進(jìn)入麥克風(fēng)50的非固定和非線性的風(fēng)噪聲，而不需要有傳統(tǒng)的泡沫狀的風(fēng)擋。僅作為示例，所述附加電路46包括模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器56和數(shù)字信號(hào)處理器58，用于處理從輸出級(jí)54輸出的聲音信息。
最好將所述聲音傳感器42做成一個(gè)MEMS器件(即微機(jī)械器件)。這樣，所述聲音傳感器42就適用于小型化的情況，如掌上攝像機(jī)、手機(jī)、隱蔽的監(jiān)視設(shè)備等。也可以用于非小型化的情況(如手持麥克風(fēng))。因?yàn)槁曇魝鞲衅?2能夠提供去除了風(fēng)噪聲的聲音信息，所以可以將聲音傳感器42的MEMS器件方便地稱作MEMS電子風(fēng)擋麥克風(fēng)(MEWM)。
此外，可將所述處理電路44封裝在單個(gè)集成電路(IC)內(nèi)，例如專用集成電路(ASIC)。按照一種方案，所述處理電路44是ASIC內(nèi)的一個(gè)專有的模擬電路，這樣就減少了對(duì)多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的需求，也就是所述附加電路46只有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器來使聲音系統(tǒng)40的信息數(shù)字化，而不是像上述的以往科學(xué)實(shí)驗(yàn)中那樣，需要多個(gè)轉(zhuǎn)換器來分別轉(zhuǎn)換風(fēng)速信號(hào)、聲音和風(fēng)壓信號(hào)?？蓪⒍鄠€(gè)聲音傳感器42作為一個(gè)MEMS器件來實(shí)現(xiàn)，并且模擬電路能去除輸出級(jí)54輸出的聲響/聲音中的風(fēng)噪聲。按照另一種方案，可將所述處理單元44可以作為混合電路來實(shí)現(xiàn)，也就是將多個(gè)IC封裝塊裝配到一個(gè)小型電路板上。
在聲音系統(tǒng)40的工作過程中，為了獲得清晰的沒有風(fēng)噪聲的聲音信號(hào)，所述聲音系統(tǒng)40將原始的物理風(fēng)速信號(hào)(即風(fēng)/紊動(dòng)氣流/速度信號(hào))轉(zhuǎn)化成聲音的等效電信號(hào)，并從包括聲音和風(fēng)壓部分的全部麥克風(fēng)信號(hào)中減去該電信號(hào)。特別是，熱線式風(fēng)速計(jì)48為轉(zhuǎn)換級(jí)52提供一個(gè)風(fēng)速信號(hào)60(即熱損失信號(hào))。轉(zhuǎn)換級(jí)52將風(fēng)速信號(hào)60轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓信號(hào)62，并將該風(fēng)壓信號(hào)62輸送到所述輸出級(jí)54。該輸出級(jí)54從轉(zhuǎn)換級(jí)52接收所述風(fēng)壓信號(hào)62，同時(shí)，還從麥克風(fēng)50接收聲音及風(fēng)壓信號(hào)64，并向所述附加處理電路46輸出一個(gè)輸出信號(hào)66。所述輸出信號(hào)66是根據(jù)來自轉(zhuǎn)換級(jí)52的風(fēng)壓信號(hào)62和來自麥克風(fēng)50的聲音及風(fēng)壓信號(hào)64生成的。特別地，所述輸出信號(hào)66包括由麥克風(fēng)50感測的已經(jīng)去除了風(fēng)噪聲的聲音。按照一種方案，所述輸出信號(hào)66是模擬信號(hào)，可以通過A/D轉(zhuǎn)換器56將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)68，為的是利用數(shù)字信號(hào)處理器58對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理。
應(yīng)該理解，由于風(fēng)速信號(hào)60和風(fēng)壓信號(hào)62之間的轉(zhuǎn)換，造成了聲音及風(fēng)壓信號(hào)64與風(fēng)壓信號(hào)62之間的延遲，可以通過在聲音及風(fēng)壓信號(hào)64中引入一個(gè)小的延遲補(bǔ)償這種延遲?？梢酝ㄟ^使用較長的導(dǎo)體(如較長的導(dǎo)電材料通路、較長的蝕刻線等)、延遲緩沖器等來實(shí)現(xiàn)這種小的延遲。以下將參考圖2對(duì)進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖2表示圖1中聲音傳感器42的組件70的透視圖。組件70包括構(gòu)成麥克風(fēng)50(即電容式麥克風(fēng))的麥克風(fēng)振動(dòng)膜72和剛性部件74(即剛性背板)。所述剛性部件74上確定孔76。組件70還包括熱線式風(fēng)速計(jì)48的一組熱線延展部件78-A、78-B…(共同組成所述延展部件78)。這組熱線延展部件78與麥克風(fēng)振動(dòng)膜72嚴(yán)格地平行。組件70還包括一層網(wǎng)格狀的保護(hù)材料層80(如縱橫交錯(cuò)的柵格)。聲音和風(fēng)86可以通過熱線延展部件78和保護(hù)材料80的網(wǎng)格內(nèi)的孔84之間的間隙82激活麥克風(fēng)50。下文將參考圖3和4進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖3和4分別給出圖1中聲音傳感器42的側(cè)視剖面圖90和圖3中平面106的俯視圖110(即麥克風(fēng)振動(dòng)膜72的平面106)。如圖3和4所示，聲音傳感器42包括基座94，它用以支撐麥克風(fēng)振動(dòng)膜72和剛性部件74(也可見圖2)。按照一種方案，所述聲音傳感器42為MEMS器件，而且基座94是由多層材料形成的(如硅、外延硅、低溫二氧化硅、等離子氮化物等)?；?4還支撐熱線延展部件78(圖4中的虛線所示)以及保護(hù)材料80的網(wǎng)格(圖4中未示出)。
基座94在麥克風(fēng)振動(dòng)膜72和剛性部件74之間形成電容式麥克風(fēng)的空腔96，以及通向外部位置100的聲音傳感器開口98。通過熱線延展部件78和保護(hù)材料80網(wǎng)格內(nèi)的孔84之間的間隙82，聲音102和風(fēng)104可以從外部位置100傳到麥克風(fēng)振動(dòng)膜72。剛性部件74中的孔76使空氣能夠進(jìn)出所述電容式麥克風(fēng)的空腔，這就使麥克風(fēng)振動(dòng)膜74在響應(yīng)聲音102和風(fēng)104時(shí)，易于相對(duì)剛性部件74振動(dòng)。
應(yīng)予理解的是，由于麥克風(fēng)振動(dòng)膜72很好的密封了電容式麥克風(fēng)的空腔96，所以能防止沾污物(如灰塵、濕氣、粉末等)從位置100進(jìn)入電容式麥克風(fēng)的空腔96中。此外，聲音傳感器42的器件封裝也能阻止沾污物通過孔76(即通氣孔)進(jìn)入電容式麥克風(fēng)的空腔96。
麥克風(fēng)50是電容式麥克風(fēng)。即隨著麥克風(fēng)振動(dòng)膜72的振動(dòng)，它和剛性部件74之間的距離發(fā)生變化。當(dāng)電源在麥克風(fēng)振動(dòng)膜72與剛性部件74之間提供恒定電位差時(shí)，通過電源流向麥克風(fēng)振動(dòng)膜72和剛性部件74的電流變化，可以檢測麥克風(fēng)振動(dòng)膜的振動(dòng)。只是作為示例，圖4示出通向麥克風(fēng)振動(dòng)膜72的蝕刻線112和焊盤114(即電源線)。類似的結(jié)構(gòu)可以用來連接剛性部件74。
應(yīng)予理解，所述一組熱線延展部件78的平面106與麥克風(fēng)振動(dòng)膜72嚴(yán)格平行。此外，還應(yīng)理解，可以優(yōu)選微機(jī)械器件實(shí)現(xiàn)所述聲音傳感器42，從而使這組熱線部件78基本上與麥克風(fēng)振動(dòng)膜72配置于一起，也就是說，熱線延展部件78與麥克風(fēng)振動(dòng)膜72之間有極小的間隔(比如幾個(gè)微米)，或者作為選擇也可以彼此接觸。因此，熱線式風(fēng)速計(jì)48和麥克風(fēng)50可在同一位置分別感測風(fēng)速、聲音和風(fēng)壓。另外，由于這種配置，聲音傳感器42對(duì)各個(gè)方向的聲音和氣流都是有效的，而不需要像有些科學(xué)實(shí)驗(yàn)中那樣要求流向麥克風(fēng)振動(dòng)膜的聲音和氣流充分正常。以下將參考圖5進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖5是熱線式風(fēng)速計(jì)48內(nèi)熱線部件120的俯視圖。所述熱線部件120包括一組熱線延展部件78(也可參見圖2和4)，一組連接部件122和一組焊盤124。連接部件122-A將各熱線延展部件78的尾部連接到焊盤124-A，另一連接部件122-B將各熱線延展部件78的另一尾部連接到另一焊盤124-B。如上所述，這組熱線延展部件78由基座94支撐，因此各延展部件78就形成一個(gè)與麥克風(fēng)振動(dòng)膜72嚴(yán)格平行的平面106(參見圖3)。
工作期間，由于電流的流過，使這組熱線延展部件78(如鎢)溫度升高。風(fēng)經(jīng)過各熱線延展部件78而帶走熱量，因而導(dǎo)致流過各熱線延展部件78的電流或電壓發(fā)生變化，這種變化可被處理電路44檢測到。因此，熱線延展部件78能精確的指示風(fēng)速，這個(gè)風(fēng)速可以轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓信號(hào)。以下將參考圖6進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖6表示使用圖1的聲音系統(tǒng)40時(shí)的程序130。在步驟132，為了在一個(gè)特定的位置檢測聲音、風(fēng)壓以及風(fēng)速，使用了音傳感器42(可參見圖3和4)?；仡櫵雎曇魝鞲衅?2包含一組熱線延展部件78，這組熱線延展部件78有一個(gè)與麥克風(fēng)振動(dòng)膜72嚴(yán)格平行的平面106，這樣就將熱線式風(fēng)速計(jì)48與麥克風(fēng)50配置在一起(比如在一個(gè)MEMS器件內(nèi))。
在步驟134，聲音傳感器42中的麥克風(fēng)50響應(yīng)麥克風(fēng)振動(dòng)膜72上的聲音和風(fēng)壓，生成一個(gè)聲音及風(fēng)壓信號(hào)64(可參見圖1)。按照一種方案，所述麥克風(fēng)50生成一個(gè)電流信號(hào)，作為所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)64。而按另一方案，所述麥克風(fēng)50生成一個(gè)電壓信號(hào)，作為所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)64。
在步驟136，聲音傳感器42中的熱線式風(fēng)速計(jì)48響應(yīng)所述一組熱線延展部件78上的風(fēng)速，生成風(fēng)速信號(hào)60。按照一種方案，這組熱線延展部件78包括一組鎢絲電橋，用以提供一個(gè)電流信號(hào)，作為所述風(fēng)速信號(hào)60(即熱損失信號(hào))。而按另一方案，所述風(fēng)速計(jì)48提供一個(gè)電壓信號(hào)，作為所述風(fēng)速信號(hào)60。同時(shí)進(jìn)行步驟134和136是更為可取的，所以聲音及風(fēng)壓信號(hào)64和/或風(fēng)速信號(hào)62不會(huì)發(fā)生延時(shí)，或者只需有最小的延時(shí)(例如使用一個(gè)或多個(gè)延使緩沖器)。
在步驟138，處理電路44根據(jù)所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)64和風(fēng)速信號(hào)60生成輸出信號(hào)66。特別是所述處理電路44中的轉(zhuǎn)換級(jí)52，它將風(fēng)速信號(hào)60轉(zhuǎn)換成一個(gè)含有風(fēng)壓分量的模擬風(fēng)壓信號(hào)62(即風(fēng)壓電流信號(hào))。然后，所述輸出級(jí)54根據(jù)來自麥克風(fēng)50的聲音及風(fēng)壓信號(hào)64和來自所述轉(zhuǎn)換級(jí)52的模擬風(fēng)壓信號(hào)62，生成輸出信號(hào)66。比如，輸出級(jí)54從聲音及風(fēng)壓信號(hào)64中減去模擬風(fēng)壓信號(hào)62中的風(fēng)壓分量。所述輸出信號(hào)66是麥克風(fēng)感測到的去除了風(fēng)噪聲后的聲音信號(hào)。所述輸出信號(hào)66還可受到附加電路46的處理(如濾波、放大、數(shù)字化、存儲(chǔ)、復(fù)制、傳輸?shù)?。以下將參考圖7進(jìn)一步說明本發(fā)明。
應(yīng)予理解，上述包含一個(gè)熱線式風(fēng)速計(jì)48和一個(gè)麥克風(fēng)50的聲音傳感器42僅只是一個(gè)示例。在其他的方案中，所述聲音傳感器42包含多對(duì)風(fēng)速計(jì)和麥克風(fēng)。圖7表示具有多個(gè)聲音感測部件142的聲音傳感器140的俯視圖。每個(gè)聲音感測部件142包含圖3和4所示的被配置于一起的一個(gè)熱線式風(fēng)速計(jì)48和一個(gè)麥克風(fēng)50(即一對(duì)風(fēng)速計(jì)/麥克風(fēng))。也就是說，各感測組件的熱線式風(fēng)速計(jì)48和麥克風(fēng)50被集成在一起。按照一種方案，將所述各熱線延展部件78設(shè)置在麥克風(fēng)振動(dòng)膜72的正上方(比如只有幾微米的微小間隔)。按另一方案，將所述各熱線延展部件78設(shè)置在麥克風(fēng)振動(dòng)器72的頂部(即相互接觸)。這兩種方案都能精確地測量風(fēng)速，都優(yōu)于傳統(tǒng)的用一個(gè)或幾個(gè)熱線式風(fēng)速計(jì)的試驗(yàn)，傳統(tǒng)試驗(yàn)中熱線式風(fēng)速計(jì)距離麥克風(fēng)有幾毫米(甚至更遠(yuǎn)的距離)。
在聲音傳感器140內(nèi)，所述各聲音感測部件142被排列成N×M的陣列(僅為示例，圖7中N和M等于3)。因此，聲音傳感器140基本上是一個(gè)微型聲音傳感器陣列。
如果將聲音傳感器140做成一個(gè)微機(jī)械器件，這種聲音傳感器140最好包括導(dǎo)體通路144-1、144-2...(共同構(gòu)成導(dǎo)體144)，這些導(dǎo)體通路有條理地將過聲音感測部件142的各熱線式風(fēng)速計(jì)48和麥克風(fēng)50連接到處理電路44(可參見圖1)?；仡檲D4，它示出一個(gè)連接麥克風(fēng)振動(dòng)膜72和焊盤114的短的導(dǎo)體通路112。最好是類似的、但較長的導(dǎo)體通路144，從每個(gè)聲音感測部件142延伸到外部陣列140的焊盤位置，所以外部導(dǎo)線(未示出)可以實(shí)現(xiàn)聲音傳感器陣列140與處理電路44之間的電連接。僅為示例，圖7以列的形式示出各連接聲音感測部件142的導(dǎo)體144。
按照一種方案，將每個(gè)聲音感測部件142調(diào)整到不同的特定頻率范圍。例如，將聲音傳感器140的第一聲音感測部件142調(diào)整到0-10KHz的第一頻率范圍，將第二聲音感測部件142調(diào)整到10-20KHz的第二頻率范圍等。這就使得所述聲音傳感器140能適用于特殊的頻率范圍，實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)(比如感測特殊的聲音信號(hào)、整體覆蓋較寬的頻率范圍等)。
按照另一種方案，將聲音感測部件142排列成組，比如，部件142的列，部件142的行，部件142的I×J陣列(I和J是正整數(shù))等。將每組調(diào)整成接收不同頻率范圍內(nèi)的聲音和風(fēng)壓(例如第一頻率范圍0-10KHz、第二頻率范圍10-20KHz等)。通過逐組的改變聲音感測部件142的一個(gè)或多個(gè)物理特征(如數(shù)目、形狀、大小、厚度等)能完成這樣的調(diào)整。就是說，可以調(diào)整第一組聲音感測部件142中的麥克風(fēng)振動(dòng)膜72的特征，使它響應(yīng)第一頻率范圍，調(diào)整第二組聲音感測部件142中的麥克風(fēng)振動(dòng)膜72的特征，使它響應(yīng)第二頻率范圍等。僅為示例，圖7中聲音傳感器140內(nèi)的第一列聲音感測部件142被調(diào)整到0-10KHz的第一頻率范圍，第二列聲音感測部件142被調(diào)整到10-20KHz的第二頻率范圍，第三列聲音感測部件142被調(diào)整到20-30KHz的第三頻率范圍。
應(yīng)予理解，聲音傳感器140具有很高的穩(wěn)定度。例如，由于聲音感測部件142的尺寸微小，而且他們的數(shù)目眾多，所以能較好的去除噪聲(即有較好的信噪比)、增強(qiáng)信號(hào)、提高容錯(cuò)能力等。以下將參考圖8進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖8示出了一種適用于本發(fā)明的聲音系統(tǒng)150。所述聲音系統(tǒng)150與圖1的聲音系統(tǒng)40類似，它包括聲音傳感器42，所述聲音傳感器42具有感測風(fēng)速用的熱線式風(fēng)速器48和感測聲音和風(fēng)壓用的麥克風(fēng)50。并且所述聲音系統(tǒng)150與聲音系統(tǒng)40有類似的工作方式(參見圖2-6)。作為選擇，所述聲音系統(tǒng)150包含圖7的聲音傳感器140。
圖8中的聲音系統(tǒng)150還包括處理電路152。所述處理電路152具有轉(zhuǎn)換級(jí)52、輸出級(jí)154、相關(guān)級(jí)156和一個(gè)或多個(gè)檢查表158。所述處理電路152與圖1的處理電路44有類似的工作方式，即轉(zhuǎn)換級(jí)52能將風(fēng)速信息轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓信息，輸出級(jí)154能輸出去除了風(fēng)噪聲的聲音信息。特別是，所述轉(zhuǎn)換級(jí)52能將風(fēng)速信號(hào)60轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓信號(hào)62，并將風(fēng)壓信號(hào)62輸送到輸出級(jí)154。輸出級(jí)154能從轉(zhuǎn)換級(jí)52接收風(fēng)壓信號(hào)62，同時(shí)從麥克風(fēng)50接收一個(gè)聲音及風(fēng)壓信號(hào)64，并根據(jù)來自轉(zhuǎn)換級(jí)52的風(fēng)壓信號(hào)62和來自麥克風(fēng)50的所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)64生成輸出信號(hào)164。這個(gè)輸出信號(hào)164是由麥克風(fēng)50感測的并去除了風(fēng)噪聲的聲音信號(hào)。
處理電路152還能以繞過轉(zhuǎn)換級(jí)52的方式工作。在此情況下，相關(guān)級(jí)156使風(fēng)速信號(hào)60關(guān)于風(fēng)壓信號(hào)162具有高保真。特別是，相關(guān)級(jí)156根據(jù)風(fēng)速信號(hào)60生成數(shù)字化的風(fēng)速信息，并對(duì)數(shù)字化的風(fēng)速信息實(shí)行一種算法(如一種或多種流體動(dòng)力學(xué)算法、實(shí)時(shí)DSP算法等)，以生成風(fēng)壓信號(hào)162。按照一種方案，所述檢查表158包含一列含有風(fēng)壓值的項(xiàng)，并且相關(guān)級(jí)156的處理器(比如在嵌入程序中運(yùn)行)從已被數(shù)字化的風(fēng)速信息(如風(fēng)速信號(hào)60的電流值)中生成一系列的關(guān)鍵字(指針)。這種關(guān)鍵字用于識(shí)別檢查表158中的項(xiàng)。處理器根據(jù)這些關(guān)鍵字從檢查表158中查找風(fēng)壓值(即查找一系列與風(fēng)速信號(hào)60相關(guān)的風(fēng)壓值)，并將風(fēng)壓信號(hào)162中的這些數(shù)值提供給輸出級(jí)154(例如使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的的模擬信號(hào))。輸出級(jí)154執(zhí)行減法操作，生成去除了風(fēng)噪聲的聲音信號(hào)，作為所述輸出信號(hào)164。因此，用戶可按多種操作模式做出選擇(即使用轉(zhuǎn)換級(jí)52或繞過轉(zhuǎn)換級(jí)52)，以及使用相關(guān)級(jí)156，這都取決于該種模式能更好的去除特定位置的風(fēng)噪聲。
應(yīng)予理解，所述相關(guān)級(jí)156可以包含D/A轉(zhuǎn)換器，用來為輸出級(jí)154提供風(fēng)壓信號(hào)162的模擬信號(hào)。另外，所述風(fēng)壓信號(hào)162可以是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，輸出級(jí)154可以包含一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，在生成輸出信號(hào)164之前使聲音和風(fēng)壓信號(hào)64數(shù)字化，并根據(jù)數(shù)字的風(fēng)壓信號(hào)1 62和(數(shù)字化的)聲音及風(fēng)壓信號(hào)64生成輸出信號(hào)164。
還應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)風(fēng)速信號(hào)60實(shí)行的所述一個(gè)或多個(gè)算法可以是傳統(tǒng)的算法(如成熟的宏觀流體力學(xué)方程、最近發(fā)展的微觀流體力學(xué)方程、基于聲音系統(tǒng)140特殊應(yīng)用的動(dòng)態(tài)輸入方程，或者他們的組合)。例如，用戶最初可以使用宏觀流體力學(xué)方程來操作聲音系統(tǒng)140。然后，用戶可以引入一個(gè)特殊的微觀流體力學(xué)方程(即適用于微機(jī)械器件水平的流體力學(xué)方程)或用其替換一個(gè)宏觀流體力學(xué)方程，并且運(yùn)行聲音系統(tǒng)140，以確定這樣的引用或替換是否改善了輸出信號(hào)164。之后，用戶用動(dòng)態(tài)輸入流體力學(xué)方程(或者根據(jù)新的試驗(yàn)數(shù)據(jù))來調(diào)整聲音系統(tǒng)140，確定是否還能改善輸出信號(hào)164，等等。
應(yīng)該理解，上述的聲音傳感器40和140可以是MEMS器件。這樣配置時(shí)，聲音傳感器40和140適用于小型化的使用，例如掌上攝像機(jī)、手機(jī)、隱蔽式監(jiān)視設(shè)備等(以及非小型化的應(yīng)用)。因此，聲音傳感器40和140適用于很多場合，在這些場合中，泡沫狀的風(fēng)擋很笨重，或者不適用。
本發(fā)明的各實(shí)施例涉及用于構(gòu)成MEMS器件的方法，這種MEMS器件包括被配置在一起的熱線式風(fēng)速計(jì)48和麥克風(fēng)50，并如上述，他們與聲音傳感器40和140相連。以下將參考圖9至39詳細(xì)說明如何能夠構(gòu)成這樣的器件。
圖9是一種MEMS結(jié)構(gòu)的剖面圖200，這種MEMS結(jié)構(gòu)是經(jīng)過了微機(jī)械加工得到，用以形成圖7所示的聲音傳感器140(即有多個(gè)聲音感測部件142的聲音傳感器)。應(yīng)當(dāng)理解，類似的MEMS結(jié)構(gòu)可以用于形成圖3和4中的聲音傳感器40(即單個(gè)的聲音感測部件)。用于聲音傳感器40、140的微機(jī)械加工過程包括多個(gè)步驟，應(yīng)保持MEMS結(jié)構(gòu)的溫度在攝氏700℃以下，而不能像傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝那樣使溫度等于或超過700℃。因此，當(dāng)制造該MEMS器件的微設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，不存在使用高溫生產(chǎn)工藝所引致的形變或者形變很小。
如圖9所示，MEMS結(jié)構(gòu)最初包括襯底202、外延層204、層導(dǎo)電材料層206和光刻膠區(qū)208-A、208-B、...(一起構(gòu)成光刻膠區(qū)208)。襯底202最好是單晶硅的，為了作為阻止蝕刻而工作，外延層204是有摻雜的外延硅。也就是說，外延層204的厚度可在1-10μm之間變化，可以用作濕法各向異性蝕刻(將有簡短的說明)的組止蝕刻。標(biāo)號(hào)206是導(dǎo)電材料層，如多晶硅、適宜的硅化物等。光刻膠區(qū)208是聚合物的，在蝕刻下層材料的過程中作為蝕刻掩膜?？衫谜钥刮g劑或負(fù)性抗蝕劑工藝(即紫外線曝光、顯影、浸蝕等)，由光刻膠層形成光刻膠區(qū)域208。
圖10是圖9中MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導(dǎo)電材料層206和光刻膠區(qū)域208后(即繪制及蝕刻金屬后)的剖面圖210。外延層204的末端為柔性配置。因而，外延層204上所保留的導(dǎo)電材料層206的各部分將最終形成聲音傳感器140的麥克風(fēng)振動(dòng)膜72(也可見于圖2和4的麥克風(fēng)振動(dòng)膜72)。也就是說，導(dǎo)電材料層206能夠響應(yīng)風(fēng)和聲壓，即風(fēng)/氣流的流動(dòng)和聲音的傳播(聲音)而移動(dòng)。
圖11是圖10的MEMS結(jié)構(gòu)附加低溫氧化物(LTO)層222和新光刻區(qū)域224后的剖面圖220。按照一種方案，低溫氧化物(LTO)層222是二氧化硅，是利用化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝生成的(如使用CVD爐)。
圖12是圖11的MEMS結(jié)構(gòu)去除部分LTO層222和光刻膠區(qū)域224后的剖面圖230。剩余的LTO層222形成了聲音傳感器140的基座部分(即壁)(也可見于圖3的基座92)。
圖13是圖12的MEMS結(jié)構(gòu)附加聚酰亞胺242之后以及使結(jié)構(gòu)表面平整化(比如用聚酰亞胺、回流以及灰化覆蓋使MEMS結(jié)構(gòu)表面平整化)之后的剖面圖240。作為選擇，也可以拋光MEMS結(jié)構(gòu)，直至使LTO部分的頂部露出來。因此，聚酰亞胺242-A、242-B、...現(xiàn)在填充在LTO層222被去掉的部分所在的位置。
圖14是圖13的MEMS結(jié)構(gòu)附加一層導(dǎo)電材料層252(如鎢)后的剖面圖250。按照一種方案，所述導(dǎo)電材料層252包括金屬材料，如鎢，用CVD的方法使鎢覆蓋在LTO層和聚酰亞胺部分上面。也可用其他材料，比如多晶硅、適宜的硅化物、碳，或者其他高阻抗材料，這些材料也都適用于MEMS或半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝。
圖15是圖14的MEMS結(jié)構(gòu)把光刻膠區(qū)262附加在在導(dǎo)電材料層252上之后的剖面圖260。
圖16是圖15的MEMS結(jié)構(gòu)去掉(如蝕刻掉)部分導(dǎo)電材料層252和光刻膠區(qū)域262后的剖面圖270。導(dǎo)電材料層252的一些剩余部分形成聲音傳感器140中熱線式風(fēng)速計(jì)48的多組熱線延展部件78(還形成焊盤124-A、124-B)。這些微機(jī)械加工的部件比傳統(tǒng)的脆性熱線式風(fēng)速計(jì)部件更加穩(wěn)定和具有彈性。導(dǎo)電材料層252的其它部分形成了部分基座(見圖3的基座92)。
圖17是圖16的MEMS結(jié)構(gòu)把另外的聚酰亞胺282附加在在導(dǎo)電材料層252的剩余部分和較早給出的聚酰亞胺242上之后的剖面圖280。聚酰亞胺242，282為導(dǎo)電材料層252的剩余部分提供保護(hù)和支撐，但最終將被去掉。
圖18是圖17的MEMS結(jié)構(gòu)把光刻膠區(qū)292-A、292-B、...附加在在聚酰亞胺282上之后的剖面圖290。
圖19是圖18的MEMS結(jié)構(gòu)去掉(如蝕刻掉)部分聚酰亞胺282和光刻膠區(qū)域292之后的剖面圖300。這種蝕刻可以發(fā)生在常規(guī)的反應(yīng)器里，指向各向異性的蝕刻。
圖20是圖19的MEMS結(jié)構(gòu)在把基座材料層312附加在覆蓋在導(dǎo)電材料層252和聚酰亞胺282的剩余部分上，以及把光刻膠區(qū)域314附加在基座材料312上之后的剖面圖310。按照一種方案，所述基座材料層312是利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)工藝生成的氮化硅。作為選擇，在使用玻璃旋轉(zhuǎn)工藝的同時(shí)，也可以使用氧化硅。
圖21是圖20的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分基座材料312和光刻膠部分314之后的剖面圖320。利用氟可以進(jìn)行等離子蝕刻?；牧蠈?12的剩余部分形成基座92的一部分(見圖3中標(biāo)號(hào)92-A部分)。基座材料層312的其他剩余部分322形成保護(hù)材料網(wǎng)格80，例以柵格圖樣的方式(見圖2和3)。
圖22是圖21的MEMS結(jié)構(gòu)附加保護(hù)材料層332之后的剖面圖330。這種保護(hù)層包括較多的聚酰亞胺，而且最終被去掉。
圖23是圖22的MEMS結(jié)構(gòu)在襯底202(即MEMS結(jié)構(gòu)的底部)上附加光刻膠區(qū)域342之后的剖面圖340。在附加保護(hù)層332之后(圖22)，為了形成光刻膠區(qū)342，可使MEMS結(jié)構(gòu)被翻轉(zhuǎn)(上下倒轉(zhuǎn))并受到處理。
圖24是圖23的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分襯底202，形成空腔部分352-A、352-B、352-C之后的剖面圖350。按照一種方案，所述MEMS結(jié)構(gòu)受到各向異性濕法蝕刻，比如使用氫氧化鉀/異丙醇。另外，也可用氫氧化四甲銨。
圖25是圖24的MEMS結(jié)構(gòu)從襯底202上去掉光刻膠部分342之后的剖面圖360。為了形成聲音傳感器140，現(xiàn)在準(zhǔn)備將這種MEMS結(jié)構(gòu)與其他MEMS結(jié)構(gòu)結(jié)合。以下將參考圖26-30詳細(xì)說明如何形成所述的其他MEMS結(jié)構(gòu)。
圖26是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)向剖面圖400，這種MEMS結(jié)構(gòu)適于微機(jī)械加，為的是形成圖7中聲音傳感器140部分。用于制造聲音傳感器140部分的微機(jī)械加工工藝包括半導(dǎo)體/微機(jī)械加工的制造步驟，應(yīng)保持MEMS結(jié)構(gòu)的溫度低于攝氏700℃。因此，沒有或者很少有各種生產(chǎn)特征的形變。
如圖26所示，所述MEMS結(jié)構(gòu)最初包括襯底402、在襯底402上的外延層404、在外延層404上的導(dǎo)電材料層406、在襯底402相對(duì)側(cè)的硼硅玻璃層408，還包括在導(dǎo)電材料層406上的光刻膠區(qū)410-A、410-B、...(一起構(gòu)成光刻膠區(qū)410)。
正如圖9中的襯底202一樣，圖26中的襯底402也是單晶硅，而且為了用以阻止蝕刻，所述外延層404是有摻雜的外延硅。導(dǎo)電材料層406可以是比如多晶硅、適宜的硅化物等導(dǎo)電材料。光刻膠區(qū)410是聚合物的，在蝕刻下層材料時(shí)作為蝕刻掩膜。
圖27是圖26的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導(dǎo)電材料層406和光刻膠區(qū)410之后的剖面圖420。外延層404上剩余的導(dǎo)電材料層406部分中，最終形成聲音傳感器140的麥克風(fēng)50的剛性部件74(也可見于圖2-4)。
圖28是圖27的MEMS結(jié)構(gòu)附加光刻膠區(qū)域432之后的側(cè)視剖面圖430。
圖29是圖28的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分外延層404和光刻膠區(qū)432之后的剖面圖440。相應(yīng)地，現(xiàn)在由外延層404和導(dǎo)電層406的剩余部分上限定多個(gè)孔442-A、442-B、...每個(gè)孔442將成為電容式麥克風(fēng)空腔上的孔76(見圖3)。
圖30是圖29的MEMS結(jié)構(gòu)經(jīng)過多道工序后的側(cè)視剖面圖450。特別地，圖30表示，所述MEMS結(jié)構(gòu)經(jīng)過如下工序，將MEMS結(jié)構(gòu)上下顛倒之后；把保護(hù)材料層452附加在剩余的外延層404和剩余的導(dǎo)電層406上之后；以及給部分硼硅玻璃層408和部分襯底402覆蓋以光刻膠區(qū)454，并經(jīng)過各向異性的蝕刻形成電容式麥克風(fēng)空腔96的部分456之后。隨后，將光刻膠區(qū)454去調(diào)。
圖30是一種MEMS器件的側(cè)視剖面圖406，這種MEMS器件是將圖25中的MEMS結(jié)構(gòu)和圖30(去除光刻膠區(qū)454后)中的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起形成的。按照一種方案，通過陽極焊的方法，將圖25和附圖30中的MEMS結(jié)構(gòu)焊在一起。保護(hù)層(即聚酰亞胺部分242、282和332)也經(jīng)被去掉。最終的結(jié)果是有多個(gè)聲音感測部件142(見圖7)的聲音傳感器140(即聲音感測MEMS器件)。
圖32是形成諸如圖31中MEMS器件的聲音傳感器生產(chǎn)過程470的流程圖。
在步驟472，在基座結(jié)構(gòu)的襯底上形成麥克風(fēng)振動(dòng)膜。有如上面參考圖9和10所述的，通過在襯底202上形成金屬部分206，可以實(shí)現(xiàn)這種工序。
在步驟474，在基座結(jié)構(gòu)上淀積第一層材料。有如上面參考圖11-13所述的，通過在襯底202上形成LTO區(qū)域222和聚酰亞胺區(qū)域242(例如由LTO區(qū)域222限定的圓柱形空腔內(nèi)的聚酰亞胺區(qū)域)，可以實(shí)現(xiàn)這種工序。
在步驟476，在第一層材料上淀積第二層材料。有如上面參考圖14所述的，用CVD(或RTP)方法，可由LTO區(qū)域222和聚酰亞胺區(qū)域242形成的第一層上淀積一層鎢(或者選擇多晶硅、適宜的硅化物等)，實(shí)現(xiàn)所述工序。
在驟478，至少去掉第一層的一部分和第二層的一部分，以使第二層的剩余部分形成多個(gè)延展部件，該延展部件由基座結(jié)構(gòu)支撐，并且彼此之間嚴(yán)格平行。尤其是，去掉聚酰亞胺區(qū)242形成第一層的一部分，去掉部分鎢形成第二層的一部分?？梢杂腥缟鲜鰠⒖紙D15和16那樣實(shí)現(xiàn)去掉部分鎢。最好是，在整個(gè)工藝接近尾聲的時(shí)候去掉聚酰亞胺，這樣在最后的步驟中聚酰亞胺能夠支撐和保護(hù)延展部件。最后，多個(gè)延展部件形成了熱線式風(fēng)速計(jì)48的一組熱線延展部件。
在步驟480，去掉一部分襯底(例如通過各向異性的蝕刻)，形成電容式麥克風(fēng)空腔的第一部分?？梢匀缟鲜鰠⒖紙D23-25那樣實(shí)現(xiàn)所述工序。
在步驟482，在其它的襯底上形成一個(gè)剛性部件，去掉一部分襯底(例如通過各向異性的蝕刻)，以形成電容式麥克風(fēng)空腔的第二部分，并將兩塊襯底壓焊在一起(例如通過陽極焊)，以使電容式麥克風(fēng)的空腔排成一列，并使麥克風(fēng)振動(dòng)膜被設(shè)置在延展部件和電容式麥克風(fēng)的空腔之間。最后形成具有聲音感測部件的MEMS器件(例如見圖3和4中的聲音傳感器42)。這種部件包括熱線式風(fēng)速計(jì)48和麥克風(fēng)50(見圖1)。
應(yīng)能理解，還有可選的方法用于形成上述MEMS器件的各部分。例如，用其它的方法來生成MEMS的底部。
圖33是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖500。這種MEMS結(jié)構(gòu)適于微機(jī)械加工，為的是形成圖7中聲音傳感器140的下部。同上述其他工藝一樣，用于制造聲音傳感器140部分的微機(jī)械工藝包括半導(dǎo)體/微機(jī)械制造步驟，應(yīng)保持MEMS結(jié)構(gòu)的溫度低于攝氏700℃。相應(yīng)地，沒有或者很少有各種微機(jī)械加工特點(diǎn)的形變。
如圖33所示，所述MEMS結(jié)構(gòu)最初包括襯底502，在襯底402上的光刻膠層504。
圖34是圖33的MEMS結(jié)構(gòu)去掉了部分襯底502和光刻膠層504形成多個(gè)孔512之后的側(cè)視剖面圖510。也可以通過較長時(shí)間的各向異性蝕刻來形成各孔512。作為選擇，也可以簡單地預(yù)先鉆通襯底502(如硼硅玻璃晶片)來形成各孔512。使用硼硅玻璃晶片(即使帶有預(yù)先鉆的孔)可以明顯降低MEMS結(jié)構(gòu)的成本，因?yàn)闇p少了掩膜步驟，而且不需要在襯底502上淀積硼硅玻璃層(見圖26的硼硅玻璃層408)。
圖35是圖34的MEMS結(jié)構(gòu)在襯底502上加給導(dǎo)電材料層522，使襯底502內(nèi)留下開孔512(比如為了避免孔512被填充，使導(dǎo)電材料經(jīng)電子束蒸發(fā))之后的側(cè)視剖面圖520。
圖36是圖35的MEMS在導(dǎo)電材料層522上附加光刻膠層532之后的側(cè)視剖面圖530。
圖37是圖36的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導(dǎo)電材料層522和光刻膠層532之后的側(cè)視剖面圖540。
圖38是一種MEMS器件的剖面圖550，通過將圖25中的MEMS結(jié)構(gòu)和圖37中的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起(如在兩種MEMS結(jié)構(gòu)間使用陽極焊)，并去除保護(hù)層(如聚酰亞胺)形成該MEMS器件，以形成具有多個(gè)聲音感測部件的MEMS器件。
應(yīng)當(dāng)理解的是，導(dǎo)電材料522的剩余部分形成麥克風(fēng)50的剛性部件74。與圖31的MEMS器件相反，剛性部件74設(shè)在電容式麥克風(fēng)的空腔352內(nèi)，該空腔352是由襯底202和襯底502限定的(回顧圖31MEMS器件的剛性部件放在電容式麥克風(fēng)空腔352之外)。
還應(yīng)理解的是，由于各向異性濕法蝕刻，所述電容式麥克風(fēng)空腔352的側(cè)面逐漸變細(xì)。在其它方案中，電容式麥克風(fēng)空腔的側(cè)面完全是平直的(如基本上垂直于由金屬部件206形成的麥克風(fēng)振動(dòng)膜)。圖39是圖23的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分襯底后(如各向異性等離子蝕刻)的剖面圖560，這樣剩下的電容式麥克風(fēng)的空腔562的側(cè)面基本上就是平直的。
應(yīng)能理解，上述各個(gè)制造步驟可以采用標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝。另外，這些制造步驟不需要昂貴的照相平版印刷技術(shù)，因?yàn)槟軌蛞韵喈?dāng)大的尺寸來實(shí)現(xiàn)這些特征(例如可以是微米級(jí)的而不是亞微米級(jí))。此外，至于形成電容式麥克風(fēng)空腔的襯底的蝕刻部分，可采用各向異性等離子蝕刻來取代各向異性濕法蝕刻，為的是省去V型槽，從而可減小整個(gè)芯片的尺寸。
此外，正如早先所闡釋的，最好是在低于700℃的溫度下制造本發(fā)明用于聲音系統(tǒng)的MEMS器件。這樣會(huì)使溫度形變很小，從而使MEMS器件具有高的精密度，也就是說，以較高的微機(jī)械加工精度進(jìn)行制造。
再有，本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的MEMS器件比先前所述傳統(tǒng)的采用具有精細(xì)的1-5mm細(xì)絲的熱線式風(fēng)速計(jì)的試驗(yàn)方案更加耐用也更加可靠。因此，本發(fā)明的聲音系統(tǒng)40，150適于商業(yè)應(yīng)用(如攝像機(jī)、戶外記錄設(shè)備、廣播、助聽器、手機(jī)等)。還可以用于軍事/國防方面(如無人軍用戰(zhàn)場傳感系統(tǒng)、聲音感測陣列等)。
如上所述，本發(fā)明的一些實(shí)施例是針對(duì)利用MEMS技術(shù)獲得聲學(xué)信號(hào)的方法。例如，實(shí)質(zhì)上可將諸如麥克風(fēng)和熱線式風(fēng)速計(jì)等感測部件配置于一個(gè)MEMS器件中。因此，可以測得幾乎為同一位置的風(fēng)速、以及聲音及風(fēng)壓信號(hào)。風(fēng)壓信號(hào)是基于所在位置的風(fēng)速信號(hào)所產(chǎn)生的，這樣，從聲音及風(fēng)壓信號(hào)中減掉風(fēng)壓信號(hào)，就可以得到去除風(fēng)噪聲的、而且是精確的聲音信號(hào)。
上述聲音傳感器40，150適于商業(yè)應(yīng)用，如攝像機(jī)、助聽器、電話、手機(jī)等。也適用于軍事/國防方面，如無人軍用戰(zhàn)場傳感器(比如用來識(shí)別坦克，汽車和卡車的信號(hào))、戰(zhàn)場聲音監(jiān)控系統(tǒng)、飛機(jī)、導(dǎo)彈，定位傳感器，戰(zhàn)術(shù)隱蔽監(jiān)視設(shè)備等。如上所述，本發(fā)明的這些特征可用于電子系統(tǒng)設(shè)備和方法中，例如麻薩諸塞州，Wilmington的Textron Systems公司的一些產(chǎn)品中。
雖然已經(jīng)參考各優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了特定的揭示和闡述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)和由權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍情況下，本發(fā)明在形式和細(xì)節(jié)上可進(jìn)行改變。
例如，應(yīng)該理解，上述包括一個(gè)N×M陣列的聲音感測部件142的聲音傳感器140(見圖7)只是一種示例的方式，其他結(jié)構(gòu)也同樣適用于聲音傳感器140。例如，可將聲音感測部件142排列成同心圓式的、半圓形式的、三角形結(jié)構(gòu)式的、六邊形結(jié)構(gòu)式的等環(huán)形結(jié)構(gòu)。另外，N×M陣列不需要包括垂直的行和列，而且在某種程度上，N×M陣列可以是不規(guī)則形狀(如梯形的)，或不規(guī)則圖樣。
另外，還應(yīng)理解，可將上述聲音感測部件142可以組合成多個(gè)組，每組的單元142可以具有不同的屬性(例如不同數(shù)目、形狀、厚度或大小)。按照一種方案，單元142的不同的列(或行)具有不同的屬性，因此可以將每組中的部件142調(diào)整到不同的頻率。按照另一種方案(例如一種不規(guī)則圖樣的排列、一個(gè)N×M陣列排布等)，將第一麥克風(fēng)振動(dòng)膜設(shè)置成用于響應(yīng)第一頻率范圍的聲波，而將第二麥克風(fēng)振動(dòng)膜設(shè)置成用于響應(yīng)與第一頻率范圍不同的第二頻率范圍聲波。再一種方案，使所有單元142具有相同的幾何形狀排列，但是不同組的信號(hào)被以電的方式加權(quán)。例如，沿著聲音傳感器140邊緣部分的聲音感測部件142的風(fēng)速以及聲音和風(fēng)壓信號(hào)的權(quán)重要小于中央附近部件142的權(quán)重。
再有，還應(yīng)該理解，有如所述3×3陣列的聲音傳感器140的聲音感測部件142僅是作為一種示例，其他數(shù)目的行和列同樣是適用的。行和列數(shù)目的大小、數(shù)量，在很大程度上可根據(jù)特定的應(yīng)用而指定。由于微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，可以以極其精確的公差和極高的可靠性生產(chǎn)出大型的陣列。
此外，應(yīng)該理解的是，所述網(wǎng)格狀保護(hù)層80也是優(yōu)選的。如果由其它部件(如MEMS器件封裝)為聲音傳感器40、140提供保護(hù)，則無需采用網(wǎng)格狀保護(hù)層80。還應(yīng)該理解，適用于網(wǎng)格狀的保護(hù)層80除了柵格圖樣外，還可以是其他圖樣，如圓形、六邊形等。
另外，可以理解，上述相對(duì)的呈桿形并彼此平行的熱線延展部件78僅作為一種示例。其他形狀和排列同樣適用于熱線延展部件78，例如手指形部件、交叉的指狀排列、環(huán)形部件等。
另外，可以理解，所述熱線式風(fēng)速計(jì)48和所述電容式麥克風(fēng)僅是示例而已，其它類型的風(fēng)速計(jì)和麥克風(fēng)也同樣適用。例如所述麥克風(fēng)可以采用比如電動(dòng)式麥克風(fēng)(即通過在磁場中移動(dòng)線圈來感測電流)，比如惠斯登電橋(即響應(yīng)因麥克風(fēng)振動(dòng)膜的物理運(yùn)動(dòng)所致電阻改變，而檢測電壓的變化)等。
此外，可以理解，上述處理電路44、152是用ASIC實(shí)現(xiàn)的，這僅是作為示例。其他的實(shí)現(xiàn)方式，如采用混合電路(即電路板材料一小部分上的多個(gè)IC)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的電路板或者遠(yuǎn)程電子設(shè)備(通過發(fā)送器和接收器進(jìn)行通信)上多個(gè)IC等也都是適用的。
權(quán)利要求
1.一種聲音傳感器，包括基座；由所述基座支撐的麥克風(fēng)，所述麥克風(fēng)包括麥克風(fēng)振動(dòng)膜；和由所述基座支撐的熱線式風(fēng)速計(jì)，所述熱線式風(fēng)速計(jì)包括一組熱線延展部件，這組熱線延展部件限定一個(gè)實(shí)際上與所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜平行的平面。
2.如權(quán)利要求1所述的聲音傳感器，其中，第一導(dǎo)電材料層確定所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜，第二導(dǎo)電材料層確定所述一組熱線延展部件，并且所述基座包括一個(gè)襯底，該襯底支撐所述第一層導(dǎo)電材料和第二層導(dǎo)電材料。
3.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，所述麥克風(fēng)還包括剛性部件，它被所述基座支撐，并且實(shí)際上與所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜平行，它限定一個(gè)電容式麥克風(fēng)的空腔；第三層導(dǎo)電材料確定所述麥克風(fēng)的剛性部件；所述襯底支撐所述第三導(dǎo)電材料層；并且所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜延伸到接近所述基座，在所述一組熱線延展部件與電容式麥克風(fēng)的空腔之間形成密封。
4.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，所述一組熱線延展部件包括在該組熱線延展部件限定的平面內(nèi)實(shí)際上彼此平行的多個(gè)鎢絲電橋。
5.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，還包括由襯底支撐的保護(hù)材料層，所述保護(hù)材料層確定一個(gè)網(wǎng)格，使外部位置的聲波能夠通過保護(hù)材料層，到達(dá)所述熱線延展部件和麥克風(fēng)振動(dòng)膜。
6.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，所述第一導(dǎo)電材料層確定多個(gè)麥克風(fēng)振動(dòng)膜，其中包含上述麥克風(fēng)振動(dòng)膜；所述多個(gè)麥克風(fēng)振動(dòng)膜被排列成二維N×M麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列；所述第二導(dǎo)電材料層確定多組熱線延展部件，其中包含上述一組熱線延展部件；所述多組熱線延展部件排列成二維N×M熱線延展部件組陣列，它們對(duì)應(yīng)于所述二維N×M麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列。
7.如權(quán)利要求6所述的聲音傳感器，其中，所述二維N×M的麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列包括第一麥克風(fēng)振動(dòng)膜，用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)的聲波；和第二麥克風(fēng)振動(dòng)膜，用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)的聲波。
8.如權(quán)利要求6所述的聲音傳感器，其中，所述二維N×M的麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列包括用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)聲波的第一行麥克風(fēng)振動(dòng)膜，和用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)聲波的第二行麥克風(fēng)振動(dòng)膜。
9.一種聲音系統(tǒng)，包括聲音傳感器，它具有(i)基座，(ii)具有麥克風(fēng)振動(dòng)膜的麥克風(fēng)，它被所述基座支撐，以及(iii)具有一組熱線延展部件的熱線式風(fēng)速計(jì)，它被所述基座支撐，這組熱線延展部件限定一個(gè)實(shí)際上與所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜平行的平面；和處理電路，它從麥克風(fēng)接收聲音及風(fēng)壓信號(hào)，從熱線式風(fēng)速計(jì)接收風(fēng)速信號(hào)，并且根據(jù)來自麥克風(fēng)的所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)和來自熱線式風(fēng)速計(jì)的所述風(fēng)速信號(hào)給出一個(gè)輸出信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器是微電子機(jī)械系統(tǒng)器件；第一層導(dǎo)電材料確定所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜，第二層導(dǎo)電材料確定所述一組熱線延展部件；所述基座包括襯底，用于支撐所述第一導(dǎo)電材料層和第二導(dǎo)電材料層。
11.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器的麥克風(fēng)還包括剛性部件，它實(shí)際上與所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜平行，用以形成電容式麥克風(fēng)的空腔；第三層導(dǎo)電材料確定所述麥克風(fēng)的剛性部件；襯底支撐所述第三導(dǎo)電材料層；所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜延伸到接近基座，在所述一組熱線延展部件與電容式麥克風(fēng)的空腔之間形成密封。
12.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器的熱線式風(fēng)速計(jì)中的所述一組熱線延展部件包括在該組熱線延展部件限定的平面內(nèi)實(shí)際上彼此平行的多個(gè)鎢絲電橋。
13.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器還包括由襯底支撐的保護(hù)材料層，所述保護(hù)材料層確定一個(gè)網(wǎng)格，使外部位置的聲波能夠通過保護(hù)材料層，到達(dá)所述一組熱線延展部件和麥克風(fēng)振動(dòng)膜。
14.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述第一導(dǎo)電材料層確定多個(gè)麥克風(fēng)振動(dòng)膜，其中包含上述麥克風(fēng)振動(dòng)膜；多個(gè)麥克風(fēng)振動(dòng)膜排列成二維N×M麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列；第二導(dǎo)電材料層確定多組熱線延展部件，其中包含上述一組熱線延展部件；多組熱線延展部件排列成二維N×M熱線延展部件組陣列，它們對(duì)應(yīng)于所述二維N×M麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列。
15.如權(quán)利要求14所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述二維N×M麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列包括第一麥克風(fēng)振動(dòng)膜，用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)的聲波；和第二麥克風(fēng)振動(dòng)膜，用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)的聲波。
16.如權(quán)利要求14所述的聲音系統(tǒng)。其中，所述二維N×M麥克風(fēng)振動(dòng)膜陣列包括用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)聲波的第一行麥克風(fēng)振動(dòng)膜，以及用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)聲波的第二行麥克風(fēng)振動(dòng)膜。
17.如權(quán)利要求9所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述處理電路包括轉(zhuǎn)換級(jí)，它將來自所述熱線式風(fēng)速計(jì)的風(fēng)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成含有風(fēng)壓分量的模擬風(fēng)壓信號(hào)；和輸出級(jí)，它從來自麥克風(fēng)的所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)減去所述模擬風(fēng)壓信號(hào)的風(fēng)壓分量，生成一個(gè)輸出信號(hào)。
18.如權(quán)利要求17所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換級(jí)和輸出級(jí)都是模擬電路，這些模擬電路被設(shè)置在一塊專用集成電路內(nèi)。
19.如權(quán)利要求9所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述處理電路包括相關(guān)級(jí)，它使風(fēng)速信號(hào)數(shù)字化，并使被數(shù)字化的風(fēng)速信號(hào)與檢查表中的一系列風(fēng)壓值相關(guān)聯(lián)，再以相關(guān)信號(hào)的形式提供一系列風(fēng)壓值；輸出級(jí)，用于(i)從相關(guān)級(jí)接收所述相關(guān)信號(hào)，(ii)從麥克風(fēng)接收所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)，以及(iii)從所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)減去所述一系列風(fēng)壓值，提供一個(gè)輸出信號(hào)。
20.一種提供聲音信號(hào)的方法，其中，所述方法包括以下步驟響應(yīng)所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜上的聲音和風(fēng)壓，生成聲音及風(fēng)壓信號(hào)；響應(yīng)所述具有一組熱線延展部件的熱線式風(fēng)速計(jì)上的風(fēng)速，生成風(fēng)速信號(hào)，所述一組熱線延展部件確定一個(gè)實(shí)際上與所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜平行的平面；和根據(jù)已生成的聲音及風(fēng)壓信號(hào)和已生成的風(fēng)速信號(hào)給出一個(gè)輸出信號(hào)，作為所述聲音信號(hào)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述方法還包括下述步驟提供微電子機(jī)械系統(tǒng)器件，作為所述麥克風(fēng)和熱線式風(fēng)速計(jì)。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述給出輸出信號(hào)的步驟包括以下各步把風(fēng)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有風(fēng)壓分量的模擬風(fēng)壓信號(hào)；和從所述聲音將風(fēng)壓信號(hào)中減去所述模擬風(fēng)壓信號(hào)的風(fēng)壓分量，給出輸出信號(hào)。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述給出輸出信號(hào)的步驟包括以下各步使風(fēng)速信號(hào)數(shù)字化；使被數(shù)字化的風(fēng)速信號(hào)與檢查表中的一系列風(fēng)壓值相關(guān)聯(lián)；和從所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)中減去上述一系列風(fēng)壓值，給出輸出信號(hào)。
24.一種制造微電子機(jī)械系統(tǒng)器件的方法，其中，所述方法包括以下步驟在基座結(jié)構(gòu)上淀積第一材料層；在第一材料層上淀積第二材料層；和至少去除部分第一材料層和部分第二材料層，使第二材料層的剩余部分形成多個(gè)由基座結(jié)構(gòu)支撐的延展部件，所述各延展部件彼此平行；所述淀積第一材料層、淀積第二材料層以及去除步驟都在低于700℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述淀積第二材料層的步驟包括利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝淀積導(dǎo)電材料，作為所述第二材料層。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述淀積步驟包括在所述第一材料層上設(shè)置鎢，作為導(dǎo)電材料，使所述微電子機(jī)械系統(tǒng)器件能夠作為熱線式風(fēng)速計(jì)而工作。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述基座結(jié)構(gòu)包括襯底，并且所述反復(fù)還包括以下步驟在所述基座結(jié)構(gòu)上預(yù)先淀積第一材料層，同時(shí)在所述基座結(jié)構(gòu)的襯底上形成麥克風(fēng)振動(dòng)膜，在所述去除步驟之后，所述麥克風(fēng)振動(dòng)膜處于所述多個(gè)延展部件與襯底之間。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，還包括以下步驟去除部分襯底，形成電容式麥克風(fēng)空腔的第一部分；在另一襯底上形成剛性部件，并去除部分另一襯底，形成電容式麥克風(fēng)空腔的第二部分；和將所述襯底與另一襯底壓焊在一起，以使所述電容式麥克風(fēng)空腔的第一和第二部分對(duì)準(zhǔn)，并使麥克風(fēng)振動(dòng)膜被設(shè)置在所述多個(gè)延展部件與電容式麥克風(fēng)的空腔之間，形成具有熱線式風(fēng)速計(jì)和電容式麥克風(fēng)的聲音部件，作為微電子機(jī)械系統(tǒng)器件。
全文摘要
一種具有聲音傳感器和處理電路的聲音系統(tǒng)。所述聲音傳感器包括基座，還包括具有由基座支撐的一組熱線延展部件的熱線式風(fēng)速計(jì)。這組熱線延展部件限定一個(gè)實(shí)際上與麥克風(fēng)振動(dòng)膜平行的平面。所述處理電路接收來自麥克風(fēng)的聲音及風(fēng)壓信號(hào)和來自熱線式風(fēng)速計(jì)的風(fēng)速信號(hào)，并根據(jù)來自麥克風(fēng)的所述聲音及風(fēng)壓信號(hào)和來自熱線式風(fēng)速計(jì)的所述風(fēng)速信號(hào)提供一個(gè)輸出信號(hào)(例如，去除風(fēng)噪聲的準(zhǔn)確的聲音信號(hào))。各熱線延展部件限定實(shí)際上與麥克風(fēng)振動(dòng)膜平行的平面，可以以MEMS器件容易地實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，使這種結(jié)構(gòu)適合于小型化的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01S7/521GK1498514SQ02806787
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2002年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月15日
發(fā)明者霍華德·C·雀, 埃姆爾·S·比拉, S 比拉, 霍華德 C 雀 申請(qǐng)人:特克斯特羅恩系統(tǒng)公司