本發(fā)明總體上涉及換能器，并且在特定實施例中涉及用于可變流量換能器的系統(tǒng)和方法。

背景技術：

換能器將來自一個領域的信號轉換成另一個信號并且常常被用作傳感器。例如，聲換能器在聲信號和電信號之間轉換。麥克風是將聲波（即聲信號）轉換成電信號的一種類型的聲換能器，并且揚聲器是將電信號轉換成聲波的一種類型的聲換能器。

基于微機電系統(tǒng)（mems）的換能器包括使用微加工技術產生的換能器家族。一些mems換能器（諸如mems麥克風）通過測量換能器中物理狀態(tài)的變化并傳遞要被連接到該mems傳感器的電子器件處理的信號來從環(huán)境收集信息。其他mems換能器（諸如mems微型揚聲器）將電信號轉換成換能器中物理狀態(tài)的變化。mems器件可以是使用類似于用于集成電路的那些的微加工制作技術制造的。

mems器件可以被設計成起到振蕩器、諧振器、加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、麥克風、微鏡、微型揚聲器等等的作用。許多mems器件使用電容性感測或致動技術來將物理現(xiàn)象轉換成電信號，反之亦然。在這樣的應用中，使用接口電路將換能器中的電容變化轉換成電壓信號，或者將電壓信號施加到換能器中的電容性結構以便生成在電容性結構的各元件之間的力。

例如，電容性mems麥克風包括背板電極和與該背板電極平行布置的膜。該背板電極和膜形成平行板電容器。通過布置在襯底上的支撐結構來支撐該背板電極和膜。

電容性mems麥克風能夠對與背板電極平行布置的膜處的聲壓波（例如語音）進行轉換。該背板電極被穿孔以使得聲壓波通過背板，同時促使膜因為跨過該膜的前面和背面形成的壓力差而振動。因此，膜和背板電極之間的氣隙隨著膜的振動而變化。膜相對于背板電極的振動促使膜和背板電極之間的電容變化。響應于膜的運動該電容變化被轉變成輸出信號并且形成經過轉換的信號。

使用類似的結構，可以將電壓信號施加于膜和背板之間以便促使膜振動并生成壓力脈沖（諸如聲壓波）。因此，電容板mems結構可以操作為微型揚聲器。

技術實現(xiàn)要素：

根據一個實施例，一種微機電系統(tǒng)mems換能器包括：附接到支撐結構的可偏轉膜，被配置成促使該可偏轉膜在第一模式中是透聲的（acousticallytransparent）并且在第二模式中是聲可見的聲閥結構，以及耦合到該可偏轉膜的致動機構。其他實施例包括對應的系統(tǒng)和裝置，每個都被配置成執(zhí)行各種實施例方法。

附圖說明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結合附圖來參考下面的描述，在附圖中：

圖1圖示實施例可變流量換能器的系統(tǒng)框圖；

圖2a和2b圖示說明性聲信號的波形圖；

圖3a、3b和3c圖示實施例可變流量換能器的側視圖橫截面；

圖4a、4b和4c圖示實施例模型可變流量換能器以及對應的波形圖；

圖5a和5b圖示附加實施例可變流量換能器的側視圖橫截面；

圖6a、6b和6c圖示實施例聲閥的側視圖橫截面；

圖7a、7b、7c和7d圖示另一實施例可變流量換能器的頂視圖；

圖8a和8b圖示更多實施例可變流量換能器的側視圖橫截面；

圖9a、9b和9c圖示另一實施例可變流量換能器的側視圖橫截面和頂視圖；

圖10a、10b和10c圖示實施例可變流量換能器操作的波形圖；

圖11圖示實施例可變流量換能器操作的附加波形圖；以及

圖12圖示可變流量換能器的操作的實施例方法的流程圖。

不同圖中的對應數字和符號通常指代對應的部件，除非以其他方式指出。該圖被繪制成清楚地圖示實施例的相關方面并且不一定按照比例來繪制。

具體實施方式

下面詳細地討論各種實施例的產生和使用。然而，應該認識到，可在各種各樣的具體上下文中應用這里描述的各種實施例。所討論的具體實施例僅僅是產生和使用各種實施例的具體方式的舉例說明，并且不應該以受限的范圍來解釋。

關于具體上下文（即聲換能器，并且更特別地mems微型揚聲器）中的各種實施例來進行描述。這里描述的各種實施例中的某些包括mems微型揚聲器、聲換能器系統(tǒng)、可變容積流量換能器以及可變容積流量mems微型揚聲器。在其他實施例中，根據如本領域中已知的任何方式，各方面還可以被應用于涉及任何類型的換能器領域的其他應用。

揚聲器是將電信號轉換成聲信號的換能器。通過揚聲器結構生成某一頻率的壓力振蕩來產生聲信號。例如，人類的可聽范圍是大約20hz到20khz，其中某些人能夠聽到的小于該范圍并且某些人能夠聽到的超過該范圍。因此，為了產生可聽聲信號而進行操作的揚聲器將電信號轉換成頻率在20hz和20khz之間的聲壓振蕩。恒定頻率信號被傳達為單音，類似于鋼琴上的一個音符。語音和其他典型聲音（諸如例如音樂）都是由在同一時間具有許多頻率的多個聲信號構成的。

微型揚聲器根據與揚聲器相同的原理而操作，但是使用微加工或微制作技術產生的。因此，可聽微型揚聲器包括通過電信號激發(fā)以便在可聽頻率范圍中生成壓力振蕩的小結構。

根據各種實施例，揚聲器或微型揚聲器被配置成通過以高于可聽頻率范圍的頻率振蕩來生成可聽聲信號。在這樣的實施例中，揚聲器被配置成生成在高于可聽范圍的頻率處的壓力振蕩并且根據可聽頻率范圍中的較低頻率來修改壓力振蕩的容積流量。在這樣的實施例中，人類聽覺系統(tǒng)將識別壓力振蕩的包絡并表現(xiàn)得像低通濾波器。在附加實施例中，揚聲器可以被配置成生成在高于可聽范圍的頻率處的壓力振蕩并且根據仍在可聽頻率范圍之外的較低頻率來修改壓力振蕩的容積流量以便操作為超聲換能器。

在各種實施例中，揚聲器被稱為可變流量換能器。該可變流量換能器的頻率可以保持在可聽頻率范圍之外的操作，同時容積流量根據在可聽頻率范圍之內的其他頻率來改變振蕩的正聲壓和負聲壓。在這樣的實施例中，可變流量換能器可以包括具有多個閥結構的可偏轉膜，該多個閥結構被配置成當可偏轉膜在可聽頻率范圍以上振蕩時改變容積流量并且調整聲阻抗。下面在這里進一步描述各種實施例。

圖1圖示包括微型揚聲器102、專用集成電路（asic）104和音頻處理器106的實施例可變流量換能器100的系統(tǒng)框圖。根據各種實施例，微型揚聲器102生成聲信號108，其包括在高于可聽極限的頻率（例如20khz）處的壓力振蕩，具有在振蕩期間正聲壓和負聲壓的調整?？梢酝ㄟ^使用實施例閥調整微型揚聲器102中的膜的聲阻抗來調整該正聲壓和負聲壓。通過經由對正聲壓和負聲壓的控制調整容積流量，可以從以高于可聽極限的頻率處振蕩的膜生成可聽范圍中的低頻聲壓信號。因此，微型揚聲器102生成包括從不可聽聲信號形成的可聽聲信號的聲信號108。在各種實施例中，聲信號108的壓力振蕩具有人類聽覺范圍的極限的至少兩倍的頻率（例如40khz），以便滿足奈奎斯特-香農采樣定理。

在各種實施例中，微型揚聲器102包括具有閥的可偏轉膜。下面在這里進一步描述各種示例實施例結構。通過從asic104提供的驅動信號來驅動微型揚聲器102。asic104可以基于數字輸入控制信號來生成模擬驅動信號。在一些實施例中，asic104和微型揚聲器102被附接到同一電路板。在其他實施例中，asic104和微型揚聲器102被形成在同一半導體管芯上。asic104可以包括偏置和供電電路、模擬驅動電路和數字到模擬轉換器（dac）。在其他實施例中，例如，微型揚聲器102可以包括麥克風，并且asic104還可以包括讀出電子器件，諸如放大器或模擬到數字轉換器（adc）。

在一些實施例中，asic104中的dac在輸入端處接收由音頻處理器106供給的數字控制信號。該數字控制信號是微型揚聲器102產生的聲信號的數字表示。在各種實施例中，音頻處理器106可以是專用音頻處理器、通用系統(tǒng)處理器（諸如中央處理單元（cpu）、微處理器或現(xiàn)場可編程門陣列（fpga））。在可替代實施例中，音頻處理器106可以由分立邏輯塊或其他部件形成。在各種實施例中，音頻處理器106生成聲信號108的數字表示并且提供聲信號108的數字表示。在其他實施例中，音頻處理器106提供聲信號108的僅可聽部分的數字表示，并且asic104基于容積流量的變化生成針對具有較高不可聽頻率振蕩和可聽頻率振蕩的聲信號108的驅動信號。

根據各種附加實施例，微型揚聲器102還可以生成聲信號108，其包括在高于可聽極限的頻率（例如20khz）處的壓力振蕩，具有在也高于可聽范圍的頻率處調整的聲壓振蕩的容積流量調整。例如，微型揚聲器102可以操作為用于超聲成像或用于超聲近場檢測的超聲換能器。在這樣的實施例中，微型揚聲器102以比載波信號更高的頻率操作，該載波信號具有根據所生成的目標信號（諸如例如超聲信號）的較低頻率而調整的正聲壓和負聲壓。

圖2a和2b圖示說明性聲信號的波形圖。圖2a示出例如可以由揚聲器產生的聲信號asig。聲信號asig具有振幅aamp和頻率afreq，即周期at=1÷afreq。聲信號asig可以說明由揚聲器產生的聲波。在操作期間，聲波具有在人類的可聽頻率范圍（例如在大約20hz和20khz之間）內的頻率afreq。圖2a圖示處于未指定等級的聲信號asig的振幅aamp。對于mems微型揚聲器來說，生成大的聲壓級（spl）可能因為小的膜尺寸（尤其在低頻處）而面臨挑戰(zhàn)。例如，mems微型揚聲器可以包括隨著頻率在可聽頻率范圍內每減小到十分之一的spl的40db的減小。因此，例如在不增大泵浦結構的尺寸的情況下生成低于例如1-10khz的頻率的較高spl可能是具有挑戰(zhàn)的。

圖2b示出可由實施例可變流量換能器（諸如mems微型揚聲器）產生的經過調制的聲信號masig。根據各種實施例，經過調制的聲信號masig具有振幅maamp和頻率mafreq）即周期mat=1÷mafreq）并且由載波信號csig來形成，該載波信號csig具有可變的振幅camp和頻率cfreq，即周期ct=1÷cfreq。如所示，頻率cfreq比頻率mafreq高很多。具體來說，頻率cfreq高于人類的可聽頻率范圍（即高于20khz），并且頻率mafreq在人類的可聽頻率范圍內（即在大約20hz和20khz之間）。在這樣的實施例中，調整振幅camp以便形成泵浦聲信號pasig的上升和下降波形。此外，移除或降低載波信號csig的負或正聲壓以便形成經過調制的聲信號masig的上升和下降波形?？善D膜的振蕩通常包括對稱容積流量，其包括相等的正壓力和負壓力。在各種實施例中，載波信號csig包括對于經過調制的聲信號masig的第一半波(mat/2)的僅一種類型的聲壓（例如正聲壓）以及對于經過調制的聲信號masig的第二半波(mat/2)的僅第二類型的聲壓（例如負聲壓）。在這樣的實施例中，載波信號csig通過移除（或降低）負聲壓分量來使經過調制的聲信號masig的正聲壓第一半波成形，并且通過移除（或降低）正聲壓分量來使經過調制的聲信號masig的負聲壓第二半波成形。通過正或負聲壓的降低或移除，在特定頻率執(zhí)行載波信號csig的振幅camp和方向的變化，以便形成在可聽范圍（例如20hz到20khz）中具有頻率mafreq的經過調制的聲信號masig。根據各種實施例，可變流量換能器調整可偏轉膜的聲阻抗以便降低或移除負或正聲壓。

在特定實施例中，經過調制的聲信號masig的振幅maamp可能比以可聽頻率振蕩的傳統(tǒng)微型揚聲器更大。在具體實施例中，泵浦揚聲器的振蕩保持在較高頻率處，以使得例如當頻率mafreq低于大約1-10khz并且高于大約10hz時經過調制的聲信號masig的spl不會減小太多或者根本不減小。根據各種實施例，經過調制的聲信號masig的所產生的聲音或壓力脈沖等于或近似等于可偏轉膜位置的二階倒數（其是可偏轉膜的加速度）。因此，在各種實施例中，泵浦動作的控制（諸如正聲壓和負聲壓的控制）可以基于可偏轉膜的加速度。

在各種實施例中，當載波信號csig的振幅camp和方向改變時頻率cfreq可以保持恒定。在具體實施例中，頻率cfreq可以與揚聲器或微型揚聲器的諧振頻率匹配，以便產生可偏轉膜的更大振蕩。在其他實施例中，頻率cfreq可以是可變的。在特定示例中，頻率cfreq在40khz和10mhz之間。在更具體的實施例中，頻率cfreq在100khz和300khz之間。在這樣的各種實施例中，頻率mafreq低于20khz。具體來說，頻率mafreq在人類的可聽頻率范圍中（即在20hz和20khz之間），在這種情況下對于某些人該范圍可能被擴大并且對于其他人該范圍可能變窄。在可替代實施例中，頻率mafreq可能高于20khz。在這樣的實施例中，經過調制的聲信號masig可以是（代替聲信號）在用于超聲成像或近場檢測的超聲換能器中使用的超聲信號。

根據各種實施例，如參考圖2b所描述的通過使用高于可聽頻率范圍的載波信號在可聽頻率范圍內形成經過調制的聲信號來操作可變流量換能器（諸如mems微型揚聲器）。下面在這里描述各種實施例可變流量換能器，以便說明包括電容板結構和其他泵浦結構的具體應用中的一些。這樣的實施例可變容積流量換能器調整可偏轉膜的聲阻抗，以便降低或移除負或正聲壓。

在查看圖2a和2b的過程中返回參考圖1，在一些實施例中可變流量換能器100中的asic104被配置成確定微型揚聲器102的諧振頻率。在這樣的實施例中，asic104可以在多個頻率處激發(fā)微型揚聲器102并且測量對于每個頻率的響應。基于所測得的響應，asic104確定微型揚聲器102的諧振頻率。在這樣的實施例中，asic104可以將載波信號csig的頻率cfreq設置成所確定的諧振頻率。在其他可替代實施例中，asic104可以控制微型揚聲器102的元件以便調整諧振頻率來與載波信號csig的頻率cfreq相匹配。在一個實施例中，控制元件包括調整微型揚聲器102的機械部件。在一個可替代實施例中，控制元件包括調整微型揚聲器102的有源或無源電氣部件。

圖3a、3b和3c圖示實施例可變流量換能器110的側視圖橫截面。根據各種實施例，可變流量換能器110在振蕩期間調整聲阻抗以便調節(jié)正聲壓和負聲壓的生成。在各種實施例中，可變流量換能器110包括膜112、聲閥114和致動結構116。在這樣的實施例中，致動結構116可以包括被配置成基于所施加的電壓在膜112上生成力的一個或多個壓電層。致動結構116被形成在致動區(qū)122a中的膜112的表面上。在一些實施例中，如所圖示的，致動結構116可以被形成在膜112的頂面上，或者在其他實施例中，致動結構116可以被形成在膜112的底面上。在進一步的實施例中，致動結構116可以被形成在膜112的頂面和底面上。在這樣的實施例中，驅動力在頂和底致動結構116之間是反過來的。

在各種實施例中，將電驅動信號（諸如控制電壓）提供給致動結構116以便激發(fā)膜112以高于可聽范圍（即高于20khz）的第一頻率振蕩。例如，在一些實施例中，膜112被激發(fā)成以諧振頻率振蕩，該諧振頻率的范圍可以是從75khz到200khz。在這樣的實施例中，如在上文中參考圖2b所描述的，第一頻率可以對應于載波信號csig的頻率cfreq。因此，如在圖3b和3c中示出的，膜112以向上和向下運動振蕩。在各種實施例中，對于在第一方向的運動（諸如在正加速期間在圖3b中所顯示的）聲閥114是關閉的，并且在膜的制動期間發(fā)生的負加速期間聲閥114是開啟的。圖3c示出第二方向，在這種情況下在該方向上發(fā)生正加速并且在反方向上發(fā)生負加速。

在各種實施例中，當聲閥114被關閉時膜112具有第一聲阻抗并且當聲閥114被開啟時膜112具有第二聲阻抗。第一阻抗比第二阻抗大很多。在這樣的實施例中，當聲阻抗越高時（即當聲閥114被關閉時），通過膜112的振蕩生成的聲壓處于正?；虼蟮牡燃?。相反，當聲阻抗越低時（即當聲閥114被開啟時），通過膜112的振蕩生成的聲壓處于較低或降低的等級。因此，在各種實施例中，可變流量換能器110被配置成通過開啟和關閉聲閥114來調整膜112的聲阻抗并且在正加速中生成正常或大的聲壓級或者在負加速中生成較低或降低的聲壓級。

在各種實施例中，當聲閥114開啟時膜112的聲阻抗可以被調整成對于一定比例的膜面積是透聲的。例如，在一些實施例中，聲閥114的質量和面積促使在特定實施例中膜112是90%透聲的。在另一特定實施例中，聲閥114的質量和面積促使膜112是50%透聲的。在其他實施例中，膜112的聲透過性的范圍可以從30%到95%。

如在上文中參考圖2b所述，通過在向上運動中的正加速期間將膜112的聲阻抗調整成大的以及在向上運動的制動或負加速期間降低聲阻抗（如圖3b中所示），可變流量換能器110可以移除或降低負或正聲壓并且形成具有在可聽范圍內的第二頻率的聲信號的第一半波。在這樣的實施例中，該第二頻率可以對應于經過調制的聲信號masig的頻率mafreq，如在上文中參考圖2b所述。類似地，通過在對于正加速的向下運動期間將膜112的聲阻抗調整成大的并且在對于負加速的向下運動期間降低聲阻抗（如圖3c中所示），可變流量換能器110可以移除或降低負聲壓并形成聲信號的第二半波。因此，通過調制聲阻抗以控制生成的聲壓，膜112可以以在可聽范圍之外的第一頻率振蕩，并且在可聽范圍之內的第二頻率處生成聲信號。在這樣的各種實施例中，可以實施被稱為數字聲音重建的類似努力或技術。

在各種實施例中，聲閥114包括基于電控制信號來開啟和關閉聲閥114的壓電材料。遍及膜112的通風區(qū)域122b形成各聲閥114。在各種實施例中，膜112由結構層118和隔離層120形成。在一些實施例中，結構層118是導電層，諸如半導體或金屬，并且隔離層120是電絕緣層，諸如氧化物層、氮化物層或氮氧化物層。在其他實施例中，結構層118和隔離層120可以被組合到單個導電或電絕緣層中。如所示的，膜112可以被錨定到處于外圍的支撐結構。在下文中參考其他圖描述各種實施例的其他結構細節(jié)。在其他實施例中，作為對如所示出的壓電致動的替代，聲閥114或膜112可以被靜電致動。

圖4a、4b和4c圖示實施例模型可變流量換能器以及對應的波形圖。具體來說，圖4a描繪帶注釋的可變流量換能器130，圖4b描繪活塞模型132，并且圖4c描繪膜位移波形134和膜加速度波形136。根據各種實施例，當聲閥114被關閉時，膜112具有高聲阻抗，如通過帶注釋的可變流量換能器130的關閉閥部分138和活塞模型132所圖示的。相反，當聲閥114被開啟時，膜112具有低聲阻抗，如通過帶注釋的可變流量換能器130和活塞模型132的開啟閥部分142所圖示的。通過過渡部分140來描繪聲高阻抗和聲低阻抗之間的過渡。在這樣的實施例中，根據活塞模型132利用整個膜的相等位移來對膜112的振蕩建模。當膜112具有低聲阻抗時，聲媒質（諸如空氣）能夠從膜112的一側容易地傳到另一側。當膜112具有高聲阻抗時，聲媒質（諸如空氣）不能從膜112的一側容易地傳到另一側。

根據各種實施例，從關閉的閥部分138過渡到開啟的閥部分142可以基于膜112的加速度。如通過膜位移波形134和膜加速度波形136所圖示的，當膜112的加速度具有正值時，聲閥114是關閉的，并且當膜112的加速度具有負值時，聲閥114是開啟的。在這樣的實施例中，加速度的正符號和負符號可以基于被生成的聲信號的半波（正或負半波（見圖2b））被切換。在各種實施例中，可以基于膜112的位移或加速度來調整聲阻抗，以便選擇性地生成用于形成可聽聲信號的正或負聲壓波。

在下文中描述作為說明性實施例的其他實施例可變流量換能器。

圖5a和5b圖示附加的實施例可變流量換能器150和實施例可變流量換能器151的側視圖橫截面。根據各種實施例，可變流量換能器150包括襯底152、膜154、頂背板156或底背板158、以及聲閥160。聲閥160通常被示為虛線結構并且可以被實施為壓電或靜電可控閥。在下文中進一步參考圖6a、6b和6c來描述示例實施例聲閥。

在各種實施例中，膜154是通過在膜154和頂背板156之間或者在膜154和底背板158之間施加電壓差來靜電致動的可偏轉膜。在一些實施例中，可變流量換能器150是包括頂背板156和底背板158二者的雙背板微型揚聲器。在其他實施例中，可變流量換能器150是包括頂背板156或底背板158的單一背板微型揚聲器。在各種實施例中，頂背板156和底背板158包括允許從頂背板156或底背板158的一側流體輸送到另一側的穿孔157。在這樣的實施例中，流體輸送允許聲信號經過提供低聲阻抗的頂背板156和底背板158。

在各種實施例中，膜154被靜電驅動成以高于可聽范圍的頻率振蕩。在具體實施例中，膜154以范圍從40khz到300khz的頻率振蕩。在振蕩期間，聲閥160被控制成根據膜154的振蕩來調節(jié)正或負聲壓的生成并形成具有在可聽范圍內的頻率的經過調制的聲信號，如在上文中參考圖2a、2b、3a、3b、3c、4a、4b和4c描述的。

在一些實施例中，旁路通道166、旁路結構162和旁路結構162中的聲閥160被包括在周圍的膜154中。在其他實施例中，旁路通道166、旁路結構162和旁路結構162中的聲閥160被省略。在包括旁路通道166的一些實施例中，膜154上的聲閥160可以被省略。在包括旁路通道166的其他實施例中，包括膜154上的聲閥160。

在各種實施例中，襯底152由半導體材料形成。例如，襯底152可以是硅，諸如多晶硅、砷化鎵（gaas）、磷化銦（inp），或者在特定實施例中襯底152可以是碳。在其他實施例中，襯底152由介質材料（諸如玻璃）形成。在更進一步的實施例中，襯底由聚合物形成，該聚合物諸如例如六甲基二硅胺烷(hmds)。在其他可替代實施例中，襯底152由陶瓷材料形成。在各種實施例中，膜154由半導體或金屬（諸如多晶硅、金、鋁、銅或鉑）形成。在其他實施例中，膜154由非導電層和導電層形成。在各種實施例中，頂背板156和底背板158由半導體或金屬（諸如多晶硅、金、鋁、銅或鉑）形成。在進一步的實施例中，頂背板156和底背板158由多個層形成，該多個層包括導電層和非導電層或電絕緣層。例如，在特定實施例中，頂背板156和底背板158由多晶硅和氮化硅形成。襯底152包括腔164，其可以穿過整個襯底152，諸如通過包括襯底152的晶片。

根據各種實施例，可變流量換能器151包括襯底152、膜168和聲閥160。在這樣的實施例中，膜168是通過將電壓信號施加到壓電層170來壓電致動的可偏轉膜。通過將電壓信號施加到壓電層170，在將力生成于膜168上的壓電層170中生成形變。以高于可聽范圍的更高頻率執(zhí)行膜168的激發(fā)，并且控制聲閥160以形成具有可聽范圍內的頻率的經過調制的聲信號，如在上文中參考圖5a中的可變流量換能器150所描述的那樣。

在各種實施例中，膜168包括結構層172、隔離層174和壓電層170。在一些實施例中，結構層172是導電層，諸如半導體層或金屬層。隔離層174可以是電絕緣層，諸如氧化物層、氮化物層或氮氧化物層。在各種實施例中，壓電層170包括壓電陶瓷或壓電晶體。在特定實施例中，壓電層170包括鋯鈦酸鉛（pzt）或鈦酸鋇（batio3）。在其他特定實施例中，壓電層170包括氧化鋅（zno）、氮化鋁（aln）或聚偏氟乙烯（pvdf）。

根據各種實施例，在圖5a和5b中以橫截面圖示可變流量換能器150和可變流量換能器151并且當從上面看時該可變流量換能器150和可變流量換能器151可以包括任何膜形狀。具體來說，膜154和膜168可以是圓的，包括圓形或橢圓形形狀，或者在特定實施例中可以是矩形。在一些實施例中，省略旁路通道166并且襯底152延伸到并包圍膜154或膜168。在其他實施例中，包括旁路通道166并且襯底152包括連接到襯底152的主要部分的包圍且支撐膜154或膜168的一部分。在這樣的實施例中，膜154或膜168的圓周的各部分包括旁路通道166，并且膜154或膜168的圓周的其他部分包括襯底152的固體部分。在下文中參考圖7a、7b、7c和7d中圖示的頂視圖來描述各種實施例可變流量換能器。

圖6a、6b和6c圖示實施例聲閥180、181和182的側視圖橫截面。根據各種實施例，聲閥180、聲閥181或聲閥182可以被用于實施這里描述的聲閥中的任一個，諸如上文中描述的聲閥114或聲閥160。

根據各種實施例，聲閥180包括結構層184、隔離層186、聲瓣188和壓電層190。在各種實施例中，壓電層190可以包括在上文中參考壓電層170描述的材料的任一種。壓電層190被設置在聲瓣188上。在各種實施例中，聲瓣188具有機械彈性。在特定實施例中，聲瓣188是單晶硅或多晶硅。在各種其他實施例中，聲瓣188可以是具有用于致動的適當機械性質的任何類型的電絕緣材料。在更進一步的實施例中，聲瓣188可以包括具有絕緣層的任何類型的導電材料。在具體實施例中，聲瓣188是具有絕緣層的石墨烯。在各種實施例中，如所示的那樣，壓電層190僅遍布聲瓣188的頂面的一部分。在可替代實施例中，壓電層190遍布聲瓣188的整個頂面（未示出）。在可替代實施例中，可以以各種方式來使壓電層190成形，以實現(xiàn)歸因于結構或機械交互的不同過渡閥特性。例如，可以使壓電層190成形有固體區(qū)、梳狀區(qū)、圓形區(qū)或另一形狀，以便調整過渡閥特性。

在各種實施例中，聲瓣188密封結構層184和隔離層186中的開口185。當將電驅動信號（諸如控制電壓）施加到壓電層190時，壓電層190開始變形，以引起聲瓣188上的力。聲瓣188上的力使聲瓣188移動成開啟并且允許流體輸送通過開口185。在一些實施例中，將第一控制電壓施加于壓電層190以關閉聲瓣188并密封開口185，并且將第二控制電壓施加于壓電層190以開啟聲瓣188并開啟開口185。

在各種實施例中，隔離層186是電絕緣材料。在一些實施例中，隔離層186是氧化物、氮化物或氮氧化物。在特定實施例中，隔離層186是氮化硅（sin）或二氧化硅（sio2）。根據各種實施例，結構層184是導電或半導體材料。在一些實施例中，結構層184是晶體或無定形半導體元件或化合物。在特定實施例中，結構層184是多晶硅。在其他實施例中，結構層184是金屬。在特定實施例中，結構層184是鋁、鉑、金或銅。在各種實施例中，結構層184可以是可偏轉膜的一部分，諸如在這里參考其他圖描述的。

根據各種實施例，聲閥181包括結構層184、隔離層186、聲瓣192和壓電層194。在這樣的實施例中，聲瓣192是結構層184的一部分。壓電層194可以包括在上文中參考圖6a中的壓電層190描述的材料中的任一個。此外，如所示的那樣，壓電層190可以僅遍布聲瓣192的頂面的一部分。在可替代實施例中，壓電層190遍布聲瓣192的整個頂面（未示出）。

根據各種實施例，聲閥182包括結構層184、隔離層186、結構支撐196和靜電密封層198。在這樣的實施例中，向靜電密封層198施加控制電壓以便生成關閉靜電密封層198并密封開口185的靜電力。在各種實施例中，靜電密封層198是導電或半導體材料。在各種特定實施例中，靜電密封層198是多晶硅、金、鋁、銅或鉑。結構支撐196由電絕緣結構材料形成。在一些實施例中，結構支撐196由氧化物（諸如正硅酸乙酯（teos）氧化物）形成。

在各種實施例中，為了在靜電密封層198上生成靜電力，在靜電密封層198和結構層184之間施加電壓差。當施加電壓差時，靜電密封層198密封開口185，并且當不施加電壓差時，靜電密封層198遠離開口185移動并且允許流體輸送通過開口185。

圖7a、7b、7c和7d圖示另一實施例可變流量換能器200a、200b、200c和200d的頂視圖。圖7a圖示可變流量換能器200a，其包括支撐結構202、膜204和聲閥206。根據各種實施例，將膜204驅動成以高于較高的第一頻率振蕩并且聲閥206被控制成開啟和關閉以便使形成具有低于較低第二頻率的頻率的聲信號的正聲壓和負聲壓成形。在一些實施例中，膜204可以以范圍從40khz到300khz的頻率振蕩，并且聲閥206可以被開啟和關閉以形成頻率范圍從20hz到20khz的聲信號。

在這樣的實施例中，可以如在上文中在參考其他圖的過程中參考聲閥114、160、180、181或182描述的那樣來實施聲閥206。在特定實施例中，聲閥206對應于如在上文中分別參考圖6a和6b描述的聲閥180或聲閥181。在具體實施例中，聲閥206包括聲瓣208和形成在聲瓣208的頂面上的壓電致動層210。

在各種實施例中，支撐結構202可以是襯底，諸如在上文中參考圖5a和5b中的襯底152所述的。在其他實施例中，支撐結構202可以是氧化物（諸如teos氧化物）或聚合物。在這樣的實施例中，支撐結構202可以被形成在襯底上。膜204可以包括在上文中分別參考圖5a和5b中的膜154或膜168描述的結構和材料中的任一個。在各種實施例中，腔被形成在膜204下面的襯底中。

圖7b圖示包括支撐結構202、膜204和聲閥212的可變流量換能器200b。根據各種實施例，可變流量換能器200b類似于可變流量換能器200a，除了用靜電致動的聲閥212替換壓電致動的聲閥206之外。在這樣的實施例中，聲閥212對應于如在上文中參考圖6c描述的聲閥182。聲閥212包括靜電密封層214。

圖7c圖示包括支撐結構202、膜204和聲閥216的可變流量換能器200c。根據各種實施例，聲閥216被形成在膜204周圍的支撐結構202中。在這樣的實施例中，聲閥216對應于如在上文中參考圖5a和5b描述的旁路通道166、旁路結構162和旁路結構162中的聲閥160。

在特定實施例中，可以如在上文中在參考其他圖的過程中參考聲閥114、160、180、181或182描述的那樣來實施聲閥216。在這樣的實施例中，聲閥216可以包括多個單獨的聲閥，諸如具有方形聲瓣或包圍膜204的周邊的連續(xù)彎曲的聲閥。在不同實施例中聲閥216可以是靜電或壓電致動的。在其他實施例中，膜204還可以包括聲閥（未示出），諸如在上文中分別參考圖7a和7b中的可變流量換能器200a和可變流量換能器200b描述的。

圖7d圖示包括支撐結構202、膜204和聲瓣220的可變流量換能器200d。根據各種實施例，聲閥218被形成在膜204中。膜204中的膜狹縫222允許聲瓣220與膜204分開地偏轉。在這樣的實施例中，壓電致動層224被形成在膜204的頂面上并且當控制信號（諸如致動電壓）被施加于壓電致動層224時促使聲瓣220偏轉。在各種實施例中，聲閥218對應于如在上文中參考圖6b所述的聲閥181。在其他實施例中，可變流量換能器200d和聲閥218可以被修改成對應于如在上文中參考圖6a描述的聲閥180。

在各種實施例中，如所示的，可變流量換能器200a、200b、200c和200d包括圓形膜。在其他實施例中，可變流量換能器200a、200b、200c和200d可以包括橢圓形或矩形膜（未示出）。在更進一步的其他實施例中，例如可變流量換能器200a、200b、200c和200d可以包括任何形狀的膜，諸如六邊形或八邊形。

圖8a和8b圖示更多實施例可變流量換能器111a和111b的側視圖橫截面?？勺兞髁繐Q能器111a和111b中的每個都包括如上文中參考圖3a、3b和3c中的可變流量換能器110描述的膜112、聲閥114和致動結構116。根據各種實施例，以各種不同數目和配置來包括聲閥114。具體來說，可變流量換能器111a包括布置在中心區(qū)域123a中的聲閥114，如圖8a中所示。在這樣的實施例中，外圍區(qū)123b是固體。在各種實施例中，膜112的偏斜在中心附近最大并且在錨點附近最小。

在其他實施例中，可變流量換能器111b包括布置在外圍區(qū)123b中的聲閥114，如圖8b中所示。在這樣的實施例中，中心區(qū)123a是固體。在這樣的實施例中，致動結構116可以被形成在中心區(qū)123a的邊緣處的膜112的頂面上。根據各種實施例，可以在膜的任一部分中布置任何數目和布置的聲閥。此外，圖7a和7b僅圖示在膜204上以圓形布置的單行聲閥，但是各種其他實施例可以包括在膜上以同心圓布置的兩個、三個或更多聲閥，諸如分別在圖8a和8b中針對可變流量換能器111a和可變流量換能器111b所圖示的。本領域技術人員將容易認識到用于實施例可變流量換能器的實施例聲閥的數目和配置的各種修改。這樣的修改充分地處于這里描述的實施例的范圍內。

圖9a、9b和9c圖示包括底膜252和頂膜254的另一實施例可變流量換能器250的側視圖橫截面和頂視圖。根據各種實施例，底膜252包括聲通口256，并且頂膜254包括聲通口258。聲通口256和聲通口258被偏移以使得該通口不會重疊。在這樣的實施例中，當在底膜252和頂膜254之間施加電壓差時，靜電力將底膜252和頂膜254吸引在一起并且密封聲通口256和聲通口258，如圖9b中所示。當在底膜252和頂膜254之間不施加電壓差或施加小電壓差時，膜保持分開并且聲通口256和聲通口258是開啟的，如圖9a中所示。

根據各種實施例，當聲通口256和聲通口258被密封時，底膜252和頂膜254是聲固的（acousticallysolid），即聲可見或不透聲的（acousticallyopaque）。當聲通口256和聲通口258開啟時，底膜252和頂膜254是透聲的。

在各種實施例中，底膜252和頂膜254被驅動成在較高第一頻率以上振蕩，并且聲通口256和聲通口258被控制成開啟和密封的以便對形成具有低于較低第二頻率的頻率的聲信號的正聲壓和負聲壓成形。在一些實施例中，底膜252和頂膜254可以以范圍從40khz到300khz的頻率振蕩，并且聲通口256和聲通口258可以被開啟和密封以形成具有范圍從20hz到20khz的頻率的聲信號。

在圖9c中示出聲通口256和聲通口258的實施例布置。在各種實施例中，可以以任何類型的隨機布置或非隨機圖案來布置聲通口256和聲通口258。

根據各種實施例，底膜252和頂膜254被驅動成壓電或靜電振蕩。具體來說，底膜252和頂膜254可以被布置有頂穿孔或底穿孔的背板或壓電致動層，諸如在上文中分別參考圖5a和5b中的可變流量換能器150和可變流量換能器151所描述的。在這樣的實施例中，底膜252和頂膜254被一起驅動以便以高于可聽頻率范圍的較高頻率振蕩。

根據可替代實施例，底膜252和頂膜254可以被致動成壓電開啟和密封聲通口256和聲通口258。在這樣的實施例中，可選的壓電致動層255被形成在底膜252和頂膜254上以便提供力來開啟和密封聲通口256和聲通口258。

圖10a、10b和10c圖示實施例可變流量換能器操作的波形圖。圖10a、10b和10c包括在歸一化垂直軸上示出的波形圖與時間的關系。圖10a圖示膜位移波形270和膜加速度波形272，類似于在上文中參考圖4c中的膜位移波形134和膜加速度波形136所描述的。根據各種實施例，膜被壓電或靜電驅動以便以高于可聽范圍的一個或多個頻率振蕩。例如，膜可以被驅動成以膜的諧振頻率（諸如例如100khz）振蕩。

在各種實施例中，在振蕩期間調整膜的聲阻抗以便生成經過調制的聲信號。在一些實施例中，當膜正減速（這可以被稱為制動）時聲閥被開啟。圖10b圖示制動波形276和容積流量波形272，它們對應于圖10a中的膜加速度波形272的加速和減速。

當膜正減速時（即當制動波形276具有為1的值時），聲閥是開啟的。在這樣的實施例中，膜是透聲的（例如聲阻抗被減?。?，并且如由容積流量波形274所示的聲媒質（例如空氣）的容積流量被減小。在一些實施例中，在制動時段280期間，當制動波形276具有為1的值時，容積流量是一半，如由容積流量波形274所示的。在這樣的實施例中，當聲閥開啟時在制動時段280期間膜是50%透聲的。在其他實施例中，膜可以具有針對聲透過性的其他值。在各種實施例中，當聲閥開啟時，膜處于30%和95%的透聲之間。在具體實施例中，當聲閥開啟時，膜處于50%和80%的透聲之間。在這樣的各種實施例中，容積流量對應于聲透過性。在一些實施例中，聲透過性還可以被稱為聲短路。

當膜正加速時（即當制動波形276具有為0的值時），聲閥是關閉的。在這樣的實施例中，膜是不透聲的，例如聲阻抗是增大的或處于最大值，并且如由容積流量波形274所示聲媒質（例如空氣）的容積流量被增大。在一些實施例中，在加速時段278期間，當制動波形276具有為0的值時，容積流量是滿的，如由容積流量波形274所示。

圖10c圖示與圖10b中的制動波形276和容積流量波形274相對應的100%容積流量波形282和50%容積流量波形284。如由100%容積流量波形282所示的，對于正位移（1,0）和負位移（0，-1）來說，如這里描述的針對沒有實施例聲閥的膜的容積流量可以是相等的。根據各種實施例，如由50%容積流量波形284所示的，對于正位移（1,0）和負位移（0，-1）來說，如這里描述的針對具有實施例聲閥的膜的容積流量可以被控制成具有不同的值。在特定實施例中，當聲閥開啟時（諸如在制動期間），膜是50%透聲的，這產生50%的容積流量（對于50%容積流量波形284的負值）。當聲閥是關閉的時（諸如在加速期間），膜是不透聲的，這產生100%的容積流量（對于50%容積流量波形284的正值）。

根據各種實施例，聲閥控制的極性可以被切換以便對可聽聲信號的正半波和負半波成形。通過策略性地開啟和關閉聲閥，可以從較高的頻率振蕩來對正聲壓級和負聲壓級成形。在各種實施例中，聲透過性的質量（其可以被稱為聲阻抗或聲短路）與如上文中參考其他圖描述的聲閥的數目、尺寸、形狀、分布和操作有關。

圖11圖示實施例可變流量換能器操作的附加波形圖，包括高頻波形290、高頻波形292和經過調制的聲波形294。根據各種實施例，高頻波形290和高頻波形292是具有高于可聽頻率范圍的頻率的載波信號，諸如在上文中參考圖2b中的載波信號csig所述的。經過調制的聲波形294是從高頻波形290或高頻波形292形成的經過調制的信號，諸如在上文中參考圖2b中的經過調制的聲信號masig所述的。

根據各種實施例，聲閥的質量以及膜中對應的聲通路或穿孔影響膜的聲透過性。在特定實施例中，高頻波形290對應于當聲通路或閥開啟時50%聲可見（50%透聲）的膜，并且高頻波形292對應于當聲通路或閥開啟時10%聲可見（90%透聲）的膜。在這樣的實施例中，歸因于在從0ms到0.1ms的第一半波期間的聲透過性，膜產生處于正加速度狀態(tài)的全容積流量和處于負加速度狀態(tài)的降低的容積流量。此外，歸因于在從0.1ms到0.2ms的第二半波期間的聲透過性，膜產生處于負加速度狀態(tài)的全容積流量和處于正加速度狀態(tài)的降低的容積流量。對于50%聲可見膜來說，當聲閥開啟時的容積流量是不可忽略的，但是當聲閥關閉時受到較大量的容積流量的支配。如由高頻波形290和高頻波形292示出的，當聲閥開啟時的容積流量對于50%聲可見的膜比對于10%聲可見的膜要大很多。

根據各種實施例，經過調制的聲波形294是可以通過高頻波形290或高頻波形292形成或成形的。在各種實施例中，經過調制的聲波形294的振幅可以依賴于高頻波形290或高頻波形292的振幅以及當聲閥開啟時膜的聲透過性的擴展。

圖12圖示針對可變流量換能器的操作300的實施例方法的流程圖。根據各種實施例，操作300的方法是一種操作mems換能器的方法，在這種情況下該方法包括步驟305、310和315。在這樣的實施例中，步驟305包括致動可偏轉膜來振蕩。該可偏轉膜可以以高于可聽范圍的一個或多個頻率振蕩。例如，在特定實施例中，該可偏轉膜以范圍從40khz到300khz的一個或多個頻率振蕩。

在各種實施例中，步驟310包括控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以便在第一模式期間提供在第一容積和第二容積之間的聲低阻抗路徑。該聲路徑可以包括如上文中參考其他圖描述的可控聲閥。在一些實施例中提供低阻抗路徑可以包括開啟聲閥。步驟315包括控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以便在第二模式期間提供在第一容積和第二容積之間的聲高阻抗路徑。在一些實施例中提供高阻抗路徑可以包括關閉聲閥。在這樣的實施例中，高阻抗路徑可以包括非常大的聲阻抗。

根據一個實施例，一種微機電系統(tǒng)mems換能器包括：附接到支撐結構的可偏轉膜，被配置成促使可偏轉膜在第一模式中是透聲的并且在第二模式中是聲可見的聲閥結構，以及耦合到可偏轉膜的致動機構。其他實施例包括對應的系統(tǒng)和裝置，每一個都被配置成執(zhí)行各種實施例方法。

在各種實施例中，該致動機構被配置成激發(fā)可偏轉膜的振蕩，該振蕩具有高于40khz的頻率。mems換能器還可以包括襯底，在這種情況下支撐結構被設置在襯底上。在一些實施例中，聲閥結構包括多個壓電閥。在這樣的實施例中，多個壓電閥可以被形成在可偏轉膜上。

在各種實施例中，聲閥結構包括多個靜電閥。在這樣的實施例中，多個靜電閥可以被形成在可偏轉膜上。在一些實施例中，致動機構包括與可偏轉膜分開間隔距離的穿孔背板。在其他實施例中，致動機構包括形成在可偏轉膜上的壓電層。

根據一個實施例，一種mems換能器包括設置在襯底上的支撐結構，通過支撐結構支撐并且將第一容積和第二容積分開的可偏轉膜，以及耦合到可偏轉膜的致動結構。該可偏轉膜包括在可偏轉膜中的多個可控聲路徑，在這種情況下多個可控聲路徑中的每個可控聲路徑被配置成在第一模式期間提供在第一容積和第二容積之間的聲低阻抗路徑，并且在第二模式期間提供在第一容積和第二容積之間的聲高阻抗路徑。其他實施例包括對應的系統(tǒng)和裝置，每一個都被配置成執(zhí)行各種實施例方法。

在各種實施例中，該致動結構被配置成激發(fā)可偏轉膜以高于40khz的頻率振蕩。在一些實施例中，mems換能器還包括耦合到致動結構并且被配置成將第一控制信號提供給致動結構的控制電路。在這樣的實施例中，該控制電路還可以被配置成將第二控制信號提供給多個可控聲路徑，并且該第二控制信號可操作用來在第一模式和第二模式之間切換多個可控聲路徑以便在可偏轉膜以高于40khz的頻率振蕩時選擇性地生成形成具有低于20khz的頻率的可聽聲信號的正聲壓和負聲壓。

在各種實施例中，多個可控聲路徑包括在可偏轉膜中形成的多個壓電閥。在一些實施例中，該多個可控聲路徑包括在可偏轉膜中形成的多個靜電閥。

根據一個實施例，一種操作mems換能器的方法包括：致動可偏轉膜來振蕩，控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以在第一模式期間提供在第一容積和第二容積之間的聲低阻抗路徑，以及控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以在第二模式期間提供在第一容積和第二容積之間的聲高阻抗路徑。其他實施例包括對應的系統(tǒng)和裝置，每一個都被配置成執(zhí)行各種實施例方法。

在各種實施例中，可偏轉膜被致動成以高于40khz的頻率振蕩。在一些實施例中，該方法還包括通過在第一模式和第二模式之間切換多個可控聲路徑來選擇性地生成正聲壓和負聲壓，在可偏轉膜以高于40khz的頻率振蕩時該正聲壓和負聲壓形成具有低于20khz的頻率的可聽聲信號。

在各種實施例中，控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以提供聲低阻抗路徑可以包括壓電開啟多個壓電聲閥，并且控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以提供聲高阻抗路徑可以包括壓電關閉多個壓電聲閥。在一些實施例中，控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以提供聲低阻抗路徑包括靜電開啟多個靜電聲閥，并且控制可偏轉膜中的多個可控聲路徑以提供聲高阻抗路徑包括靜電關閉多個靜電聲閥。

根據一個實施例，一種mems換能器包括：附接到支撐結構且包括第一多個穿孔的第一可偏轉膜，附接到支撐結構且包括第二多個穿孔的第二可偏轉膜，耦合到第一可偏轉膜和第二可偏轉膜的關閉機構，以及被配置成激發(fā)第一可偏轉膜和第二可偏轉膜的振蕩的致動機構。該第二多個穿孔從第一多個穿孔偏移。該關閉機構被配置成通過在第一模式期間將第一可偏轉膜和第二可偏轉膜移動成接觸來關閉通過第一可偏轉膜和第二可偏轉膜的聲路徑，并且通過在第二模式期間將第一可偏轉膜和第二可偏轉膜移動成不接觸來開啟該聲路徑。在這樣的實施例中，當聲路徑被關閉時，第一多個穿孔被密封到第二可偏轉膜并且第二多個穿孔被密封到第一可偏轉膜。其他實施例包括對應的系統(tǒng)和裝置，每一個都被配置成執(zhí)行各種實施例方法。

在各種實施例中，第一可偏轉膜和第二可偏轉膜的振蕩具有高于40khz的頻率。在一些實施例中，該關閉機構包括被配置成在第一模式期間在第一可偏轉膜和第二可偏轉膜之間生成靜電力的靜電結構。在其他實施例中，該關閉機構包括被配置成在第一模式期間在第一可偏轉膜上生成第一力和在第二可偏轉膜上生成第二力的壓電結構，該第一力和第二力被配置成將第一可偏轉膜和第二可偏轉膜移動成接觸。

在各種實施例中，該致動機構可以包括穿孔背板，其被附接到支撐結構并且被配置成在穿孔背板與第一可偏轉膜和第二可偏轉膜之間生成靜電力。在其他實施例中，該致動機構包括被配置成在第一可偏轉膜上生成第一力以及在第二可偏轉膜上生成第二力的壓電結構。

這里描述的各種實施例的優(yōu)點可以包括使用膜的較高頻率振蕩形成的具有低頻率的高聲壓級信號。這里描述的各種實施例的其他優(yōu)點可以包括具有可控聲阻抗的可偏轉膜。各種實施例的一些優(yōu)點可以包括形成不具有或具有降低的負聲壓的正聲壓的能力或者形成不具有或具有降低的正聲壓的負聲壓的能力。

盡管已經參考說明性實施例描述了本發(fā)明，但是不意圖以限制的意義來解釋該描述。當參考該描述時，該說明性實施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其他實施例對本領域技術人員來說將是顯而易見的。因此，意圖使所附權利要求涵蓋任何這樣的修改或實施例。