音頻感測器件及用于獲取關于音頻信號的頻域信息的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了具有共振器陣列的音頻感測器件以及利用該音頻感測器件獲得關于音頻信號的頻域信息的方法。音頻感測器件包括：基板，具有形成在其中的空腔；膜，提供在基板上并覆蓋空腔；以及多個共振器，提供在膜上并分別感測不同頻帶的聲音頻率。
【專利說明】
音頻感測器件及用于獲取關于音頻信號的頻域信息的裝置
技術領域
[0001]按照示范性實施例的裝置和方法涉及音頻感測(aud1 sensing)，更具體地，涉及具有共振器陣列的音頻感測器件(aud1 sensing device)以及利用該音頻感測器件獲取頻率信息的方法?！颈尘凹夹g】
[0002]聲音的頻域信息可以在諸如移動電話、計算機、家用電器、汽車等的環(huán)境中被分析。通常，音頻信號(aud1 signal)的頻域信息在音頻信號輸入到話筒(microphone)時獲得。音頻信號可以具有寬頻帶特性，并可以經(jīng)過模擬數(shù)字轉換器(ADC)且進行傅里葉變換。然而，因為傅里葉變換是復雜且繁重的，所以該頻率信息獲取方法需要大量的計算。
[0003]在移動電話、計算機、家用電器、汽車、智能家居等中，音頻接收器應當總是處于用于執(zhí)行聲音命令的就緒狀態(tài)。此外，為了分辨高級信息，聲音頻域信息應當被連續(xù)地分析。 此外，為了將說話者的音頻信號與周圍噪聲分離，可以利用關于該噪聲的頻率特性。當周圍噪聲被連續(xù)地分析并被存儲在數(shù)據(jù)庫中時，可以被有效地消除噪聲。周圍噪聲的分析可以用于幫助識別動作的位置和類型。為此，可以一直監(jiān)測關于周圍噪聲的頻域信息。
[0004]為此，會需要具有低功率和快響應速度并能夠以始終就緒狀態(tài)來監(jiān)測頻域信息的方案。通常，具有寬頻帶特性的音頻信號的頻域信息在該音頻信號被輸入到話筒、經(jīng)過模擬-數(shù)字轉換器(ADC)并進行傅里葉變換時獲得。然而，頻率信息獲取方法由于傅里葉變換而需要大量的計算，這是繁重的。鑒于功率管理，在上述方法中一直監(jiān)測頻域信息不是優(yōu)選的。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]示范性實施例克服上述缺點以及其它沒有在上面描述的缺點。此外，示范性實施例不要求克服上面描述的缺點，示范性實施例可以不克服上面描述的任何問題。
[0006]—個或多個示范性實施例提供一種具有共振器陣列的音頻感測器件以及利用該音頻感測器件獲取頻率信息的方法。
[0007]額外的方面將在以下的描述中被部分地闡述，并將部分地從該描述而顯然，或者可以通過實踐給出的示范性實施例而掌握。
[0008]根據(jù)示范性實施例的方法，提供一種音頻感測器件，其包括:基板，具有形成在其中的空腔；膜，提供在基板上并覆蓋空腔；以及多個共振器，提供在膜上并分別配置為感測不同頻帶的聲音頻率。
[0009]多個共振器可以設置在空腔內(nèi)部并且空腔的內(nèi)部保持在真空狀態(tài)?？涨粌?nèi)部中的真空度小于或等于lOOTorr。多個共振器一維或二維地布置在膜上。多個共振器的數(shù)量可以在幾十至幾千的范圍內(nèi)。
[0010]多個共振器的每個可以包括提供在膜上的第一電極以及固定地提供在膜上并與第一電極間隔開的第二電極。第一電極可以是公共電極。第一絕緣層可以提供在膜和第一電極之間。第二絕緣層可以插設在第一電極和第二電極之間并可以提供在第一電極和第二電極中的一個上。第二電極的一端或相反的兩端可以固定在膜上。第一和第二電極可以包括導電材料。
[0011]多個共振器的每個可以包括固定地提供在膜上的第一電極、與第一電極間隔開的第二電極以及提供在第一和第二電極之間的壓電層。第一電極的一端或相反的兩端可以固定在膜上。絕緣層可以提供在膜和第一電極之間。壓電層可以包括Zn0、Sn0、鋯鈦酸鉛 (PZT)、ZnSn03、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P (VDF-TrFE))、A1N和鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)中的至少一個。
[0012]第一和第二電極可以包括導電材料。多個共振器中的至少兩個可以感測相同的頻帶的頻率?；蹇梢园ü?。膜可以包括硅、硅氧化物、硅氮化物、金屬和聚合物中的至少一個。
[0013]要被感測的聲音頻帶可以通過改變多個共振器的尺寸來調(diào)整。膜可以配置為接收可聽頻率范圍或超聲波范圍的輸入音頻信號。
[0014]根據(jù)另一個示范性實施例的方面，提供一種音頻感測器件，包括:膜，配置為響應于聲音而振動；以及多個共振器，提供在膜上并分別配置為感測聲音的不同的頻帶。
[0015]多個共振器可以設置在真空狀態(tài)。
[0016]多個共振器的每個可以包括提供在膜上的第一電極以及固定地提供在膜上并與第一電極間隔開的第二電極。第一電極可以是公共電極。第一絕緣層可以提供在膜和第一電極之間。用于在第一電極與第二電極之間絕緣的第二絕緣層可以提供在第一電極和第二電極中的至少一個上。第二電極的一端或相反的兩端可以固定在膜上。第一和第二電極可以包括導電材料。
[0017]多個共振器的每個可以包括固定地提供在膜上的第一電極、與第一電極間隔開的第二電極以及提供在第一和第二電極之間的壓電層。第一電極的一端或相反的兩端可以固定在膜上。絕緣層可以提供在膜和第一電極之間。壓電層可以包括Zn0、Sn0、PZT、ZnSn03、 聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P (VDF-TrFE))、A1N和PMN-PT中的至少一個。
[0018]多個共振器中的至少兩個可以感測相同的頻帶的頻率?；蹇梢园ü琛Ｄた梢园ü?、硅氧化物、硅氮化物、金屬和聚合物中的至少一個。要被感測的聲音頻帶可以能夠通過改變多個共振器的尺寸來調(diào)整?！靖綀D說明】
[0019]從以下結合附圖對示范性實施例的描述，以上和/或其它方面將變得明顯并更易于理解，附圖中:
[0020]圖1是根據(jù)示范性實施例的音頻感測器件的透視圖；
[0021]圖2是根據(jù)示范性實施例的圖1的音頻感測器件的基板的透視圖；
[0022]圖3是根據(jù)示范性實施例的膜(membrane)的透視圖，在該膜上提供圖1的音頻感測器件的共振器；
[0023]圖4是根據(jù)示范性實施例的圖3的示例的放大圖；
[0024]圖5是示出根據(jù)示范性實施例的提供在圖1的音頻感測器件中的膜上的共振器的陣列的平面圖；
[0025]圖6是根據(jù)示范性實施例的圖1的音頻感測器件的截面圖；
[0026]圖7是示出根據(jù)示范性實施例的圖1的音頻感測器件的操作的視圖；
[0027]圖8A至8E是示出根據(jù)示范性實施例的布置在膜上的共振器陣列的各種變形示例的平面圖；
[0028]圖9是根據(jù)另一個示范性實施例的共振器的截面圖；
[0029]圖10是根據(jù)另一個示范性實施例的共振器的截面圖；
[0030]圖11是根據(jù)另一個示范性實施例的共振器的截面圖；
[0031]圖12是根據(jù)另一個示范性實施例的共振器的截面圖；
[0032]圖13是根據(jù)另一個示范性實施例的共振器的截面圖；
[0033]圖14A和14B是示出根據(jù)示范性實施例，在圖1的音頻感測器件中當共振器的環(huán)境壓力分別被設為約760Torr和約lOOmTorr時共振器的表現(xiàn)的圖形；
[0034]圖15A至lf5D是示出根據(jù)示范性實施例，在圖1的音頻感測器件中根據(jù)每個共振器的長度變化的共振器的表現(xiàn)(behav1r)的圖形；
[0035]圖16A和16B是分別示出根據(jù)示范性實施例，在圖1的音頻感測器件中在增益調(diào)節(jié)(gain adjustment)之前和之后共振器的表現(xiàn)的圖形；
[0036]圖17A至17C是示出根據(jù)示范性實施例，在圖1的音頻感測器件中具有相等間隔的共振頻率的共振器的表現(xiàn)的圖形；
[0037]圖18A至18E是示出根據(jù)示范性實施例，在圖1的音頻感測器件中具有不等間隔的共振頻率的共振器的表現(xiàn)的圖形；
[0038]圖19A至19C是示出根據(jù)示范性實施例，在圖1的音頻感測器件中根據(jù)共振器的環(huán)境壓力的共振器的表現(xiàn)的圖形；
[0039]圖19D是示出根據(jù)示范性實施例的圖19A至19C的共振器當中的帶寬比較的結果的圖形；以及
[0040]圖20是示出利用根據(jù)示范性實施例的音頻感測器件獲得頻率的方法的示意圖。 【具體實施方式】[0041 ]現(xiàn)在將參照示范性實施例，其示例在附圖中示出，其中同樣的附圖標記始終指代同樣的元件，并且為了說明的方便和清晰，附圖中示出的每個層的厚度或尺寸可以被夸大或縮小。在這點上，一個或多個示范性實施例可以具有不同的形式，而不應被解釋為限于這里闡述的描述。
[0042]因此，以下通過參照附圖描述了示范性實施例以說明本說明書的各方面。在下面的描述中，當一層被描述為存在于另一層上時，該層可以直接存在于該另一層上或其它層可以插設在兩者之間。此外，因為在下面的實施例中形成每個層的材料是示范性的，所以可以使用其它的材料。當在這里使用時，術語“和/或”包括一個或多個所列相關項目的任意和所有組合。諸如中的至少一個”的表述，當在一列元件之后時，修飾整列元件，而不修飾該列中的個別元件。
[0043]根據(jù)這里提供的示范性實施例，多個共振器被提供在音頻感測器件中并選擇性地感測預定頻帶的聲音頻率。因此，可以容易地獲得關于在外部輸入的音頻信號的頻域信息。根據(jù)一個或多個示范性實施例，因為除去了耗費大量電力的傅里葉變換過程并且這樣的傅里葉變換功能通過具有機械結構的共振器陣列來體現(xiàn)，所以可以極大地降低功率消耗。
[0044]此外，因為信號直接響應外部音頻信號被輸出，所以頻域信息可以被快速獲得。因此，音頻信號的頻域信息可以在始終就緒狀態(tài)下利用低功率被快速地實時監(jiān)測。此外，可以有效地除去附近產(chǎn)生的噪聲。
[0045]圖1是根據(jù)示范性實施例的圖1的音頻感測器件100的透視圖。圖2是根據(jù)示范性實施例的圖1的音頻感測器件1〇〇的基板的透視圖。圖3是根據(jù)示范性實施例的膜 (membrane)的透視圖，其中該膜上設置圖1的音頻感測器件的共振器(resonator)。圖4 是根據(jù)示范性實施例的圖3的一部分的放大圖。
[0046]參照圖1至4,音頻感測器件100包括基板110、膜120以及多個共振器130。例如硅基板可以被用作基板110。然而，示范性實施例不限于此，應當理解，基板110可以包括各種其它材料?？涨?10a(圖2中示出)以預定深度形成在基板110的表面中。
[0047]膜120(圖1所示)設置在基板110的一個表面處以覆蓋空腔110a。例如，空腔 ll〇a的內(nèi)部可以保持在真空狀態(tài)?？涨?10a的內(nèi)部的真空狀態(tài)可以保持在低于大氣壓力的壓力，例如在等于或小于約lOOTorr的真空度，尤其在等于或小于約lOOOmTorr的真空度，但是示范性實施例不限于此。膜120可以包括例如硅、硅氧化物、硅氮化物、金屬、聚合物或類似物中的一種或多種。然而，這些材料是示范性的，應當理解，膜120可以包括各種其它材料。
[0048]膜120可以接收寬頻帶的音頻信號。例如，膜120可以接收在從約20Hz?約20kHz 的可聽頻率范圍內(nèi)的音頻信號。作為另一示例，膜120可以接收在約20kHz或更高的超音頻范圍內(nèi)的音頻信號或在約20Hz或更低的亞音頻范圍內(nèi)的音頻信號。
[0049]共振器130布置在膜120的表面上并可以具有預定形狀。在圖1的示例中，共振器130設置在膜120的接觸形成在基板110中的空腔110a的內(nèi)表面上，并設置在保持真空狀態(tài)的空腔ll〇a的內(nèi)部。根據(jù)各種實施例，如果共振器130的周圍環(huán)境保持在真空狀態(tài)， 則可以改善共振器130的品質(zhì)因子(Q因子)。
[0050]共振器130可以感測具有不同帶寬的聲音頻率。例如，共振器130可以在膜120 上具有不同的尺寸。也就是，共振器130可以被提供在膜120上使得它們具有不同的長度、 寬度和/或厚度。盡管提供在膜120上的共振器130的數(shù)目可以例如為幾十至幾千，但是示范性實施例不限于此，共振器130的數(shù)目可以根據(jù)設計條件而被不同地改變。絕緣層可以進一步形成在膜120的其上設置共振器130的內(nèi)表面上。當膜120包括導電材料時，絕緣層可以用于使膜120和共振器130絕緣。
[0051]每個共振器130可以是靜電共振器。參照圖3和4的示例，第一電極131設置在膜120的內(nèi)表面上，而具有不同長度的多個第二電極132被提供并與第一電極131間隔開。 每個第二電極132的相反兩端被固定在膜120的內(nèi)表面上。每個共振器130包括彼此間隔開的第一電極131和第二電極132。第一電極131和第二電極132可以包括導電材料，例如具有優(yōu)良的電導率的金屬。然而，示范性實施例不限于此。例如，第一電極131和第二電極 132可以包括透明導電材料諸如銦錫氧化物(IT0)。
[0052]第一電極131可以設置在膜120的面對空腔110a的內(nèi)表面上。第一電極131可以是如圖3和圖4所示的公共電極。作為另一個示例，第一電極131可以是被設置為對應于每個第二電極132的單獨的電極。第二電極132與第一電極131間隔開，并且具有固定在膜120的內(nèi)表面上的相反兩端。第二電極132可以每個具有約幾微米或更小的寬度、幾微米或更小的厚度以及幾毫米或更小的長度。作為示例，具有以上精細尺寸的共振器130 可以通過微機電系統(tǒng)(MEMS)制造。
[0053]在具有以上結構的靜電預定共振器(electro-static predetermined resonator) 130中，第二電極132隨著膜120的移動而振動。在此示例中，第一電極131和第二電極132之間的間隔改變，第一電極131和第二電極132之間的電容可以相應地變化。 電信號可以根據(jù)電容的變化被從第一電極131和第二電極132感測到。結果，預定共振器 130可以感測特定范圍的聲音頻率。例如，能夠被預定共振器130感測的頻率范圍可以由對應于預定共振器130的長度的第二電極132的長度來確定。
[0054]圖1的音頻感測器件100可以通過在真空狀態(tài)下將其中形成有空腔110a的基板 110和其上形成有共振器130的膜120接合而制造。真空狀態(tài)可以在等于或小于約lOOTorr 的真空度，例如如上所述的約lOOOmTorr。膜120的其中布置共振器130的表面可以被接合到基板110的其中形成空腔ll〇a的表面。因此，共振器130可以設置在空腔110a內(nèi)部。例如，當基板110和膜120二者均由硅形成時，基板110和膜120可以通過硅直接鍵合 (silicon direct bonding，SDB)而接合到彼此。作為另一示例，當基板110和膜120由不同的材料形成時，基板110和膜120的接合可以通過例如粘合劑接合來進行。然而，示范性實施例不限于此，基板110和膜120可以通過各種其它的接合方法而接合到彼此。
[0055]圖5是示出根據(jù)示范性實施例在圖1的音頻感測器件100中設置在膜120上的共振器130的陣列的平面圖。
[0056]參照圖5,共振器130被二維地布置在膜120上。在此示例中，共振器130沿著彼此平行并彼此相反的第一方向L1和第二方向L2布置在膜120上。此外，共振器130具有彼此不同的長度并布置為使得共振器130的長度在第一方向L1和第二方向L2上減小。具體地，第一多個共振器130沿著第一方向L1布置在膜120上且其中的共振器130的長度沿著第一方向L1減小，第二多個共振器130沿著第二方向L2布置在膜120上且共振器130 的長度沿著第二方向L2上減小，第一多個共振器130和第二多個共振器130可以對應地設置，且第一多個共振器130中最長的共振器和最短的共振器的長度可以分別與第二多個共振器130中最長的共振器的長度和最短的共振器的長度相同。然而，這僅是一個示例， 共振器130可以以不同方式一維、二維或三維地布置在膜120上。
[0057]圖6是根據(jù)示范性實施例的圖1的音頻感測器件100的截面圖。在圖6中，附圖標記130i和132i分別表示布置在膜120上的共振器130中的第i個共振器和第i個第二電極，附圖標記130j和132j分別表示第j個共振器和第j個第二電極。第i個共振器130i 具有比第j個共振器130j的長度長的長度。
[0058]在圖6的音頻感測器件100中，當外部音頻信號被輸入到膜120時，膜120響應于所輸入的音頻信號而振動。膜120可以接收寬頻帶的音頻信號。例如，膜120可以接收在約20Hz?約20kHz之間的可聽頻率范圍的音頻信號。作為另一示例，膜120可以接收具有約20kHz或更高的超音頻范圍的音頻信號或具有在約20Hz或更低的亞音頻范圍內(nèi)的音頻信號。
[0059]當膜120響應于所輸入的音頻信號而振動時，布置在膜120上的共振器130振動。例如，每個第二電極132以對應于膜120的移動的預定頻率振動。因此，具有彼此不同長度的共振器130可以感測不同頻帶的聲音頻率。如圖6所示，因為第i個共振器130i具有比第j個共振器130j長的長度，所以第i個共振器130i在比第j個共振器130j低的頻率振動。因此，第i個共振器130i可以感測音頻信號當中的第一范圍的聲音頻率，第j個共振器130j可以感測音頻信號當中的比第一范圍高的第二范圍的聲音頻率。因此，當具有不同長度的共振器130布置在膜120上時，每個共振器130可以選擇性地感測與每個共振器130 相應的范圍的聲音頻率。
[0060]圖7是示出根據(jù)示范性實施例的音頻感測器件100的操作的視圖。
[0061]參照圖7,膜120在預定音頻信號被輸入時振動，布置在膜120上的共振器130隨著膜120的振動而振動。膜120可以在與輸入的音頻信號相應的相對寬頻帶的頻率振動， 每個共振器130可以在關于該寬頻帶的相對窄的頻帶的共振頻率振動。因此，每個共振器 130可以選擇性地感測彼此不同的頻帶的聲音頻率。輸入到膜120的音頻信號的頻域信息可以通過分析被選擇性地感測的不同頻帶的聲音頻率而獲得。
[0062]例如，音頻感測器件100可以僅感測膜120的振動，寬頻帶的音頻信號信息可以另外地或獨立地獲得。在此示例中，壓電方法可以用作僅感測膜120的振動的方法。如圖6 所示，膜120可以提供有壓電器件140,壓電器件140包括兩個電極141和143以及插設在兩個電極141和143之間的壓電元件142。當膜120振動時，壓電元件142變形，因此，僅膜 120的振動可以被感測。作為另一示例，膜120的振動可以利用電容方法來感測。通過感測膜120的振動獲得的信號僅是將被輸入到膜120的聲音恢復為原樣的音頻信號，如圖6所示。通過僅感測膜120的振動而獲得的信號可以提供關于原音頻信號的基本信息，像一般的音頻傳感器諸如話筒的輸出一樣。因此，音頻感測器件100可以不僅利用共振器130獲得關于不同頻帶的聲音頻率的信息，而且僅利用膜120的振動獲得關于原音頻信號的信息。
[0063]根據(jù)示范性實施例的音頻感測器件100,因為除去了耗費大量電力的傅里葉變換過程，所以可以極大地降低功率消耗。替代地，這樣的傅里葉變換功能通過允許功耗被極大地減少的機械結構的共振器陣列來實現(xiàn)。因此，音頻信號的頻域信息可以通過始終處于就緒狀態(tài)下的利用低功率且具有快響應速度的音頻感測器件1〇〇來監(jiān)測。此外，因為能夠感測各種頻帶的頻率的共振器通過微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝被制造為非常小，所以共振器可以被集成在小的區(qū)域中。
[0064]在以上描述的示范性實施例中，共振器130布置在膜120上并具有彼此不同的長度。然而，音頻感測器件不限于此，共振器130中的一些可以具有相同的長度。例如，每對共振器可以具有相同的長度，因此，發(fā)送預定頻帶的聲音頻率的靈敏度可以被改善或以別的方式增大。
[0065]此外，一個或多個示范性實施例，共振器130的尺寸當中的長度可以改變從而實現(xiàn)不同頻帶的聲音頻率的感測。作為另一示例，可以改變共振器的寬度和/或厚度以實現(xiàn)不同頻帶的聲音頻率的感測。換句話說，能夠感測不同頻帶的聲音頻率的共振器可以通過改變布置在膜120上的每個共振器130的長度、寬度和厚度中的至少一個而實現(xiàn)。盡管共振器130接收的頻帶由根據(jù)共振器130的尺寸確定的共振頻率和Q值來確定，但是該頻率的信號幅度可以根據(jù)共振器在膜120上的位置而改變。
[0066]圖8A至8E是示出根據(jù)示范性實施例的布置在膜120上的共振器130的陣列的各種示例的平面圖。
[0067]參照圖8A，共振器130被二維地布置在膜120上。例如，共振器130布置為使得共振器130的長度在彼此垂直的第一方向L1和第二方向L2上減小。具體地，第一多個共振器130沿著第一方向L1布置在膜120上且其中的共振器130的長度沿著第一方向L1減小，第二多個共振器130沿著第二方向L2布置在膜120上且共振器130的長度沿著第二方向L2上減小，第一多個共振器130和第二多個共振器130可以對應地設置，且第一多個共振器130中最長的共振器和最短的共振器的長度可以分別與第二多個共振器130中最長的共振器的長度和最短的共振器的長度相同。
[0068]參照圖8B，共振器130 —維地布置在膜120上，使得共振器130的長度在第一方向 L1上減小。例如，共振器130可以在第一方向L1上成指數(shù)地(exponentially)減小。
[0069]參照圖8C，共振器130關于膜120在第二方向L2上的中心線對稱地布置在膜120 上，使得共振器130的長度在第一方向L1上減小。在此示例中，共振器130的長度可以從其頂部和底部成指數(shù)地減小。
[0070]參照圖8D，共振器130 —維地布置在膜120上，使得共振器130的長度在第一方向 L1上增大然后減小。換句話說，共振器130以集中的形式布置在膜120上。在此示例中，共振器130的長度可以從最左邊的共振器130向中央的共振器130成指數(shù)地增大，然后從中央的共振器130向最右邊的共振器130成指數(shù)地減小。
[0071]參照圖8E，共振器130 —維地布置在膜120上，使得共振器130的長度在第一方向L1上減小然后增大。換句話說，共振器130以被分配到左邊和右邊的形式布置在膜120 上。在此示例中，共振器130的長度可以從最左邊的共振器130向中央的共振器130成指數(shù)地減小，然后從中央的共振器130向最右邊的共振器130成指數(shù)地增大。
[0072]應當理解，圖8A-8E中共振器130的布置僅是示范的。還應該理解，在一個或多個示范性實施例中，共振器130可以以一維、二維或三維的各種形式布置在膜120上。共振器 130可以全部具有不同的長度或共振器130中的一些可以具有相同的長度。此外，每個共振器130的寬度和/或厚度可以被不同地改變。也就是說，共振器130的長度、寬度和厚度中的一種或多種可以改變。此外，共振器130的位置可以改變。
[0073]圖9是根據(jù)示范性實施例的共振器230的截面圖。
[0074]參照圖9,共振器230可以是設置在膜120上的靜電共振器。在此示例中，第一絕緣層121進一步形成在膜120的設置共振器230的內(nèi)表面上。當膜120包括導電材料時， 第一絕緣層121可以使膜120與共振器230絕緣。因此，當膜120由絕緣材料形成時，可以不包括第一絕緣層121。
[0075]共振器230可以包括彼此間隔開的第一和第二電極231和232以及設置在第二電極232的面對第一電極231的表面上的第二絕緣層233。第二絕緣層233防止第一電極 231和第二電極232彼此電接觸。雖然圖9示范地示出其中第二絕緣層233僅形成在第二電極232上的示例，但是第二絕緣層可以形成在第一電極231上或形成在第一和第二電極 231和232兩者上。此外，共振器230可以通過MEMS工藝被制造為精細的尺寸。
[0076]圖10是根據(jù)另一示范性實施例的共振器330的截面圖。
[0077]參照圖10,共振器330可以是設置在膜120上的靜電共振器。在此示例中，絕緣層121’形成在膜120的設置共振器330的內(nèi)表面上。第二電極332的與第一電極331間隔開的一端被固定在膜120上，第二電極332的另一端與第一電極331間隔開而沒有被固定到膜120上。
[0078]圖11是根據(jù)另一示范性實施例的共振器430的截面圖。在圖11的共振器430中， 與圖9的共振器230不同，第二電極432的一端和第二絕緣層433的一端被固定到膜120， 它們各自的另一端與第一電極431間隔開而沒有被固定在膜120上。
[0079]圖12是根據(jù)另一示范性實施例的共振器530的截面圖。參照圖12,共振器530可以是設置在膜120上的壓電共振器。
[0080]在此示例中，共振器530包括彼此間隔開的第一和第二電極531和532以及設置在第一和第二電極531和532之間的壓電層533。第一電極531的相反兩端被固定到膜120 的內(nèi)表面上，第一電極531的中央部分與膜120間隔開。壓電層533包括可通過變形產(chǎn)生電能的壓電材料。例如，壓電層533可以包括211〇、311〇、？21\211311〇3、聚偏二氟乙烯(?￥0卩)、 聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(？(￥0?-!'沖￡))、4^或？1^-?1'。然而，示范性實施例不限于此，壓電層533可以包括各種其它壓電材料。
[0081]在壓電共振器型的共振器530中，當共振器530隨著膜120的移動而振動時，設置在第一電極531和第二電極532之間的壓電層533可以變形。響應于壓電層533被變形， 可以從第一電極531和第二電極532感測到電信號。因此，共振器530可以選擇性地感測特定頻帶的聲音頻率。此外，共振器530可感測的頻帶可以通過調(diào)整共振器530的長度、寬度和厚度中的至少之一來調(diào)整。
[0082]圖13是根據(jù)另一示范性實施例的共振器630的截面圖。在圖13的共振器630中， 與圖12的共振器530不同，第一電極631、第二電極632和壓電層633的一端被固定到膜 120,它們各自的另一端與膜120間隔開而沒有被固定在膜120上。
[0083]圖14A和14B是示出根據(jù)示范性實施例，在圖1的音頻感測器件100中共振器130 根據(jù)環(huán)境壓力的表現(xiàn)的圖形。例如，圖14A示出在圖1的音頻感測器件100中當共振器130 的環(huán)境壓力被設定為約760T〇rr(l大氣壓)時共振器130的表現(xiàn)。圖14B示出當共振器 130的環(huán)境壓力被設定為約lOOmTorr時共振器130的表現(xiàn)。
[0084]參照圖14A，當共振器130的環(huán)境壓力被設定為約760T〇rr (1大氣壓)時，共振器 130由于大的阻尼幾乎不具有對于輸入到膜120的音頻信號的頻率分辨率。參照圖14B，當共振器130的環(huán)境壓力被設定為約lOOmTorr時，共振器130的Q因子被改善并且輸入到膜 120的音頻信號可以分離成多個具有特定帶寬的頻率。因而，在根據(jù)本示范性實施例的音頻感測器件100中，為了選擇性地感測不同頻帶的頻率，空腔ll〇a的其中設置共振器130的內(nèi)部可以保持在低于大氣壓力的真空狀態(tài)。例如，形成在基板110中的空腔ll〇a的內(nèi)部可以保持在約lOOTorr或更低的壓力。作為非限制性的示例，空腔110a的內(nèi)部可以保持在約 lOOOmTorr或更低的壓力。然而，本示范性實施例不限于此。
[0085]圖15A至lf5D是示出在圖1的音頻感測器件100中共振器130根據(jù)共振器130的長度變化的表現(xiàn)的圖形。
[0086]圖15A和15B示出圖1的音頻感測器件100的共振器130的長度的變化。Y軸上的梁長度(beam length)表示每個共振器130的長度。當共振器130具有如圖15A所示的線性形狀的恒定長度變化時，共振器130的表現(xiàn)可以為如圖15C所示。作為另一示例，當共振器130具有如圖15B所示的彎曲形狀的不一致的長度變化時，共振器130的表現(xiàn)如圖15D所示。圖15C和I?示出在其中環(huán)境壓力被設定為約lOOmTorr的示例中共振器的表現(xiàn)。
[0087]參照圖15C，具有如圖15A所示的形狀的長度變化的共振器130不具有以恒定間隔彼此間隔開的共振頻率。相反，參照圖15D，具有如圖15B所示的形狀的長度變化的共振器 130具有以恒定間隔彼此間隔開的共振頻率。因此，共振頻率之間的間隔可以通過改變共振器130的長度而以各種方式諸如等間隔、成幾何級數(shù)增減的間隔(geometric interval)、 諧波間隔(harmonic interval)等來調(diào)整。
[0088]圖16A和16B是分別示出在圖1的音頻感測器件100中在增益調(diào)節(jié)之前和之后共振器130的表現(xiàn)的圖形。例如，圖16A示出在增益調(diào)節(jié)之前共振器130的表現(xiàn)，圖16B示出在增益調(diào)節(jié)之后共振器130的表現(xiàn)。
[0089]如圖16A所示，在增益調(diào)節(jié)之前，共振器130可以具有在相應的共振頻率具有不同幅度的信號，但是在增益調(diào)節(jié)之后，共振器130可以輸出在相應的共振頻率具有相同幅度的信號，如圖16B所示。因此，在共振器130的共振頻率的輸出信號的幅度可以通過增益調(diào)節(jié)而被調(diào)整為相同。
[0090]圖17A示出在圖1的音頻感測器件100中具有相等間隔的共振頻率的共振器130 的表現(xiàn)。例如，圖17A示出其中六十四￠4)個共振器130布置為使得共振頻率在約500Hz? 約20kHz之間具有相等間隔的示例。共振器130的環(huán)境壓力為約lOOmTorr，每個共振器130 的寬度和厚度，例如每個第二電極132的寬度和厚度，分別為約5 ym和約0.5 ym。共振器 130的長度，例如第二電極132的長度，可以為約0? 2mm?約0? 8mm。在共振器130中，第一電極131和第二電極132之間的間隙被設定為約0.5 ym。
[0091]圖17B示出圖17A的共振器130的長度的變化，圖17C示出圖17A的共振器130 的Q因子的變化。在圖17B中，梁長度表示每個共振器130的長度，例如每個第二電極132 的長度。當共振器130具有如圖17B所示的長度變化和如圖17C所示的Q因子變化時，共振頻率可以以如圖17A所示的恒定間隔布置并且?guī)捒梢员３譃楹愣ā?br>[0092]圖18A示出根據(jù)示范性實施例在圖1的音頻感測器件100中具有不等間隔的共振頻率的共振器130的表現(xiàn)。例如，圖18A示出其中四十五(45)個共振器130被布置為使得共振頻率在約300Hz?約20kHz之間具有不相等的間隔例如伽瑪調(diào)(gamma-tone)形狀的示例。在此示例中，共振器130的環(huán)境壓力被設定為約lOOmTorr，共振器130的厚度被設定為0.5 y m。每個共振器130的長度被設定為約0.2mm?約0.8mm，每個共振器130的寬度被設定為約2.5 ym?約25 ym。此外，在共振器130中，第一電極131和第二電極132之間的間隙被設定為約〇.5 ym。
[0093]圖18B和18C分別示出圖18A的共振器130的長度變化和寬度變化。在這些示例中，梁長度和梁寬度(beam width)表示每個共振器130的長度和寬度，例如每個第二電極 132的長度和寬度。圖18D示出圖18A的共振器130的Q因子的變化的示例。圖18E示出圖18A的每個共振器130的帶寬的示例。
[0094]在圖18D中，共振器130具有恒定Q因子并且共振頻率以不相等的間隔布置，例如布置為伽瑪風格形狀，當共振器130具有如圖18B和18C所示的長度變化和寬度變化時。此夕卜，共振頻率的帶寬隨著共振頻率之間的間隔增大而逐漸地增大，如圖18E所示。
[0095]圖19A至19C是示出根據(jù)示范性實施例在圖1的音頻感測器件100中根據(jù)共振器 130的環(huán)境壓力的共振器130的表現(xiàn)的圖形。
[0096]圖19A至19C示出在增益調(diào)節(jié)之后共振器130的表現(xiàn)。例如，圖19A示出在音頻感測器件100中當共振器130的環(huán)境壓力為約lOmTorr時共振器130的表現(xiàn)。圖19B示出當共振器130的環(huán)境壓力為約lOOmTorr時共振器130的表現(xiàn)。圖19C示出當共振器130 的環(huán)境壓力為約l〇〇〇mTorr時共振器130的表現(xiàn)。圖19D是示出圖19A至19C的共振器之間的帶寬比較的結果的圖形。
[0097]參照圖19D，共振器130的頻帶寬度在環(huán)境壓力為約lOOOmTorr時最大，如圖19C 所示，并且共振器130的頻帶寬度在環(huán)境壓力為約lOmTorr時最小，如圖19A所示。因此， 共振器130的頻帶寬度隨著環(huán)境壓力減小而減小。換句話說，共振器130的Q因子隨著環(huán)境壓力減小而增大。因此，共振器130的頻率選擇性可以隨著環(huán)境壓力減小而增強。
[0098]圖14A至19D中示出的上述頻率表現(xiàn)是作為模擬音頻感測器件100的結果的非限制性示例，并且將獲得關于音頻信號的信息的方法描述為當預定頻帶的音頻信號被輸入到膜120時共振器130選擇性地感測彼此不同的頻帶的頻率。
[0099]如上所述，在一個或多個示范性實施例中，關于寬頻帶的音頻信號的信息可以通過僅感測膜120的振動而另外或獨立地獲得。通過僅感測膜120的振動獲得的信號可以是將輸入到膜120的聲音恢復為原樣的音頻信號，如圖6所示。通過僅感測膜120的振動獲得的信號可以提供關于原音頻信號的基本信息，像一般的音頻感測器件諸如話筒的輸出一樣。
[0100]現(xiàn)在將參照圖20描述利用以上描述的音頻感測器件獲得關于音頻信號的頻域信息的方法。
[0101]參照圖20,當預定的音頻信號被輸入到音頻感測器件100時，圖1的每個共振器 130選擇性地感測預定頻帶的頻率。接下來，被共振器130選擇性地感測的不同頻帶的頻率通過例如模擬數(shù)字轉換器(ADC) 800歸一化。然而，在此示例中，ADC 800不需要通過傅里葉變換將音頻信號分離成多個不同的頻帶，因為多個共振器已經(jīng)感測了多個不同頻帶的頻率。相反，在信號從模擬信號轉變成數(shù)字信號之前，不同的頻帶被音頻感測器件100感測。
[0102]譜圖(speCtr〇gram)900利用歸一化的頻率信息獲得，因此，可以獲得關于輸入到音頻感測器件100的音頻信號的頻域信息。盡管在以上描述中描述了僅設置在膜120上的共振器130選擇性地感測預定頻帶的頻率的情形，但是可以增加通過僅感測由輸入的音頻信號產(chǎn)生的膜120的振動而采集關于寬頻帶的音頻信號的信息的過程。例如，壓電型感測可以用作用于僅感測膜120的振動的方法。然而，示范性實施例不限于此，電容型感測可以用作另一示例。此外，關于輸入到音頻感測器件1〇〇的音頻信號的信息可以通過僅感測膜 120的振動而被獨立地采集。
[0103]根據(jù)以上示范性實施例，設置在音頻感測器件中的多個共振器可以選擇性地感測預定頻帶的聲音頻率，可以容易地獲得關于在外部輸入的音頻信號的頻域信息。在以上音頻感測器件中，因為除去了耗費大量電力的傅里葉變換過程并且這樣的傅里葉變換功能通過機械結構的共振器陣列來體現(xiàn)，所以可以極大地降低功率消耗。此外，因為信號直接響應外部音頻信號而輸出，所以頻域信息可以被快速地獲得。因此，音頻信號的頻域信息可以在始終就緒的狀態(tài)下以低功率被快速地實時監(jiān)測。此外，可以有效地除去附近產(chǎn)生的噪聲。此夕卜，因為共振器可以通過微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝在膜上制造為非常小，所以用于選擇性地感測許多不同頻帶的頻率的許多共振器可以被集成在小的區(qū)域中。
[0104]根據(jù)一個或多個示范性實施例的如上所述配置的音頻感測器件可以被應用于各種領域。例如，音頻感測器件可以被應用于語音識別和控制的領域。在此示例中，當音頻感測器件識別說話者的聲音時，家庭或車輛中的裝置或移動設備可以工作或開啟。
[0105]此外，音頻感測器件可以應用于上下文知曉的領域。在此示例中，音頻感測器件可以分析附近產(chǎn)生的聲音并確定關于圍繞使用者的環(huán)境的信息。因此，使用者可以被提供適合于可幫助使用者有效地執(zhí)行工作的環(huán)境的信息。
[0106]作為另一示例，音頻感測器件可以被應用于降低噪聲或改善呼叫品質(zhì)的領域。在此示例中，通過經(jīng)由音頻感測器件一直監(jiān)控附近產(chǎn)生的噪聲的狀態(tài)并在呼叫期間或根據(jù)聲音命令預先除去該噪聲，可以改善呼叫品質(zhì)或可以提高語音識別速度。此外，音頻感測器件可以被應用于各種領域，諸如需要高性能和長的電池壽命的助聽器以及感測前提 (premises)危險諸如跌落、傷害、物體下落、侵擾、尖叫聲等的領域。
[0107]本申請要求于2014年8月13日在韓國知識產(chǎn)權局提交的韓國專利申請 N0.10-2014-0105431的優(yōu)先權，其公開內(nèi)容通過引用整體結合于此。
【主權項】
1.一種音頻感測器件，包括:基板，其中形成有空腔；膜，設置在所述基板上并覆蓋所述空腔；以及多個共振器，設置在所述膜上并分別配置為感測不同頻帶的聲音頻率。2.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器設置在所述空腔的內(nèi)部并 且所述空腔的內(nèi)部保持在真空狀態(tài)。3.如權利要求2所述的音頻感測器件，其中所述空腔內(nèi)部中的真空度小于或等于 100Torr〇4.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器一維或二維地布置在所述膜上。5.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器的數(shù)量在幾十至幾千的范 圍內(nèi)。6.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器的每個包括:第一電極，設置在所述膜上；以及第二電極，固定地設置在所述膜上并與所述第一電極間隔開。7.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述第一電極是公共電極。8.如權利要求6所述的音頻感測器件，還包括插設在所述膜和所述第一電極之間的絕緣層。9.如權利要求6所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器的每個還包括插設在所述 第一電極和所述第二電極之間并設置在所述第一電極和所述第二電極中的其中一個上的絕緣層。10.如權利要求6所述的音頻感測器件，其中所述第二電極的一端或相反兩端被固定 在所述膜上。11.如權利要求6所述的音頻感測器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括導電 材料。12.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器的每個包括:固定地設置在所述膜上的第一電極；與所述第一電極間隔開的第二電極；以及 插置在所述第一電極和所述第二電極之間的壓電層。13.如權利要求12所述的音頻感測器件，其中所述第一電極的一端或相反兩端被固定 在所述膜上。14.如權利要求12所述的音頻感測器件，還包括插設在所述膜和所述第一電極之間的絕緣層。15.如權利要求12所述的音頻感測器件，其中所述壓電層包括ZnO、SnO、PZT、ZnSnO 3、 聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)、A1N和PMN-PT中的至少一種。16.如權利要求12所述的音頻感測器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括導電 材料。17.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器中的至少兩個配置為感 測相同頻帶的聲音頻率。18.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述基板包括硅。19.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述膜包括硅、硅氧化物、硅氮化物、金屬 和聚合物中的至少一種。20.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中被所述多個共振器感測的聲音頻帶對應 于所述多個共振器的尺寸。21.如權利要求1所述的音頻感測器件，其中所述膜配置為接收可聽頻率范圍或超音 頻范圍的輸入音頻信號。22.—種音頻感測器件，包括:膜，配置為響應于聲音而振動；以及多個共振器，設置在所述膜上并分別配置為感測聲音的不同頻帶。23.如權利要求22所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器設置在真空狀態(tài)下。24.如權利要求22所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器的每個包括:設置在所述膜上的第一電極；以及固定地設置在所述膜上并與所述第一電極間隔開的第二電極。25.如權利要求24所述的音頻感測器件，其中所述第一電極是公共電極。26.如權利要求24所述的音頻感測器件，還包括插設在所述膜和所述第一電極之間的絕緣層。27.如權利要求24所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器的每個還包括插設在所 述第一電極和所述第二電極之間并提供在所述第一電極和所述第二電極中的其中一個上的絕緣層。28.如權利要求24所述的音頻感測器件，其中所述第二電極的一端或相反兩端被固定 在所述膜上。29.如權利要求24所述的音頻感測器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括導電 材料。30.如權利要求22所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器的每個包括:固定地設置在所述膜上的第一電極；與所述第一電極間隔開的第二電極；以及 插設在所述第一電極和所述第二電極之間的壓電層。31.如權利要求30所述的音頻感測器件，其中所述第一電極的一端或相反兩端被固定 在所述膜上。32.如權利要求30所述的音頻感測器件，還包括插設在所述膜和所述第一電極之間的絕緣層。33.如權利要求30所述的音頻感測器件，其中所述壓電層包括ZnO、SnO、PZT、ZnSnO 3、 聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)、A1N和PMN-PT中的至少一種。34.如權利要求30所述的音頻感測器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括導電 材料。35.如權利要求22所述的音頻感測器件，其中所述多個共振器中的至少兩個配置為感 測相同頻帶的頻率。36.如權利要求30所述的音頻感測器件，其中所述基板包括硅。37.如權利要求22所述的音頻感測器件，其中所述膜包括硅、硅氧化物、硅氮化物、金 屬和聚合物中的至少一種。38.如權利要求22所述的音頻感測器件，其中被所述多個共振器感測的聲音頻帶對應 于所述多個共振器的尺寸。39.—種用于獲取關于音頻信號的頻域信息的裝置，所述裝置包括:音頻感測器件，包括基板、設置在所述基板的表面上的膜以及配置為分別感測多個不 同頻帶的多個共振器；和模擬數(shù)字轉換器，配置為將由所述多個共振器感測的音頻信號的所述多個不同頻帶轉 換成數(shù)字信號。40.如權利要求39所述的裝置，其中所述多個共振器布置為使得所述多個共振器在尺 寸上從所述膜的第一側到所述膜的第二側增大。41.如權利要求39所述的裝置，其中所述多個共振器包括沿第一軸布置的第一多個共 振器以及沿垂直于所述第一軸的第二軸布置的第二多個共振器。42.如權利要求39所述的裝置，其中所述多個共振器布置為使得所述多個共振器在尺 寸上從所述膜的第一側到所述膜的第二側成指數(shù)地增大或減小。
【文檔編號】H04R29/00GK106034276SQ201510124568
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月20日
【發(fā)明人】金載興
【申請人】三星電子株式會社