可實現聲源定向的矽微麥克風組合體的製作方法
2023-05-03 18:47:56
專利名稱：可實現聲源定向的矽微麥克風組合體的製作方法
技術領域：
本發明屬於矽微麥克風的技術領域。
背景技術：
在視頻會議系統中，攝像機對發言者的鏡頭捕捉一般都由攝影師操作。採用聲源定向系統可以提高視頻會議系統的自動化程度，極大地降低攝像師的工作強度。傳統的鏡頭自動捕捉技術有紅外跟蹤、圖像跟蹤和聲音定向等。Hong Wang和Peter Chu在1997年IEEEInternational Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing國際會議上發表的論文「Voice source localization for automatic camera pointing system in videoconferencing」中提到，紅外跟蹤需要發言者攜帶相應的紅外線收發器，圖像跟蹤則需要人工預先設定跟蹤的對象，而聲音定向技術是最自然而方便的解決方案。聲音定向技術從1970s』年代就已經開始研究。傳統的聲音定向技術一般採用麥克風陣列，對多通道數據進行相關分析、譜分析、時延分析等信號處理方法。為了追求高定向精度，需要採用高性能的麥克風和很大的麥克風陣列。這使得整個系統體積龐大、複雜而且價格昂貴。信號處理算法的精度強烈地依賴於麥克風的相對位置、環境噪聲和迴響、聲源的頻譜範圍、聲源的個數等等，見Michael Brandstein和Darren Ward於2001年出版的著作Microphone Arrays，Signal Processing Techniques and Applications。這些問題使得傳統麥克風聲源定向技術難以降低成本進入消費電子領域，從而限制了它的廣泛應用。隨著微機電(MEMS)技術的發展，矽微麥克風技術逐漸成熟，部分已經開始了商品化。Patrick RichardScheeper，Brge Nordstrand，Jens Ole Gullv，Bin Liu，Thomas Clausen，Lise Midjord，和TorbenStorgaard-Larsen於2003年發表在雜誌Journal of Microelectromechanical Systems上的論文」ANew Measurement Microphone Based on MEMS Technology」，和任天令、張林濤、劉理天、李志堅(Tian-Ling Ren，Lin-Tao Zhang，Li-Tian Liu，Zhi-Jian Li)於2002年發表在雜誌IEEETransactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control上的論文」Design Optimizationof Beam-like Ferroelectrics-silicon Microphone and Microspeaker」認為，與傳統麥克風相比，矽微麥克風具有體積小、精度高、重量輕、封裝方案靈活、重複性好、能批量生產、抗振性好、易與IC集成，批量生產成本低廉等優點。由於微麥克風體積小，多個微麥克風集合在一起的寬度仍然遠小於音頻聲波的波長，可以把它們視作聲場中的一個點；微麥克風的封裝結構可以根據不同的應用要求專門設計，靈活性比較大，可以方便地實現器件的指向性設計和多麥克組裝；較高的靈敏度保證系統有足夠的信噪比，提高聲源定向精度。這些優點使本文提出的利用矽微麥克風的指向性實現聲源定向成為可能。
1983年，Royer等人在雜誌Sensors and Actuators A上發表的論文「ZnO on Si IntegratedAcoustic Sensor」中首次報導利用氧化鋅(ZnO)壓電薄膜和微機電(MEMS)技術，在矽襯底上製作出了微麥克風，隨後荷蘭、美國、德國、丹麥、瑞士、新加坡和我國的學者們紛紛對此展開研究，並取得了巨大的進展。2003年年初，美國EMKAY INNOVATIVE PRODUCTS公司推出了商業化微麥克風產品樣品，標誌著該技術開始商品化。從信號檢測的角度，矽微麥克風主要分為壓電式、電容式、壓阻式、調製場效應管式和光波導式等。部分微麥克風工作在音頻範圍內，部分用於超聲測量。
麥克風的靈敏度隨聲波入射方向變化的特性稱為靈敏度指向特性。當微麥克風封裝成為壓差式結構時，即微麥克風背腔設計有入射孔道，使聲波可以同時作用在振膜的正面和背面，微麥克風便具有了靈敏度指向性。此時，當聲波入射角變化時，作用在振膜正面和背面的聲波由於傳播路徑不同，到達振膜後產生一定的相位差，使得作用在振膜上的合力隨入射角而變化，導致微麥克風的靈敏度隨入射角而變化，產生了靈敏度指向特性。圖2為心形指向性微麥克風的封裝結構，通過背面聲阻尼材料的使用和精確設計，可以實現具有特定指向性的微麥克風。
當聲波以角β入射時，麥克風的靈敏度和軸向入射(β＝0°)時靈敏度的比值稱為靈敏度指向性函數，可由以下公式描述D=1+bcos1+b---(1)]]>式中b=jdZA0C0ZA,]]>ω為聲音頻率，d為麥克風背腔厚度，ZA0為麥克風背腔聲阻抗，ZA為麥克風背面入聲孔的聲阻抗，C0為聲速。當b＝0時，為圓指向性；b＝1時，為心形指向性；b＞1時，趨向8字形指向性，即雙指向性。圖2為心形指向性的指向性曲線。麥克風指向性數值最大的方向稱為主敏感方向。
對於矽微麥克風而言，它的尺寸可以做到3mm×3mm×0.5mm，甚至更小，和語言頻段聲波波長相比(如100~6000Hz，即空氣中波長為3440~57mm)，它的尺寸比聲波波長小一個數量級以上，可以將幾個微麥克風的組合結構在聲場中看作一個點，聲波到達它們產生繞射，反射忽略不計。所以，微麥克風指向性曲線在語音頻段中隨頻率的變化也可以忽略不計。
發明內容
本發明的目的在於提供一個可實現聲源定向的矽微麥克風組合體。
利用麥克風的指向性，可以實現對聲源的定向。將具有心形指向性的三個微麥克風分別使其主敏感方向與垂直坐標系的三個坐標軸平行放置，如圖3所示。
假設某聲波傳來的方向與三個矽微麥克風主敏感方向的夾角分別為βx、βy和βz，則三個麥克風的輸出電壓分別為Vx=1+bcos(x)1+bAP]]>Vy=1+bcos(y)1+bAP]]>Vz=1+bcos(z)1+bAP,---(2)]]>式中，P為聲波的聲強，A為矽微麥克風的靈敏度。
從上式可以看出，當微麥克風特性已知時，共有四個未知數，即聲強P和方向參數βx、βy和βz。因此，解上述方程必須再引入一個獨立方程。為了計算方便，我們選擇一個全指向的微麥克風，將其放置在三個心形指向的麥克風旁邊，使其敏感聲波抵達時的絕對聲強。即，V0＝AP (3)由以上兩式，假設三個微麥克風都是心形指向性，則b＝1，可以得到聲波的方向矢量，
為了提高聲源定向的精度，需要補償各個微麥克風的空間位置不在理想的同一點上帶來的誤差。空間上的不一致使得探測到的聲波信號有強度上的衰減和相位上的延遲。其中，空氣中的聲強衰減為P＝P0e-mx式中，m為衰減係數(m-1)，x為傳輸距離(m)。
聲波在空氣中的衰減係數一般小於0.09。當兩隻麥克風的直線距離為5mm時，由上式得聲強的衰減為P≈0.99955P0因此，聲強的衰減可以忽略不計。相對而言，由於相位延遲導致的同一時刻麥克風上的信號誤差要大很多。因此，我們採用以下方式減小這一誤差。
假設採樣信號的頻率為聲波信號頻率的N倍(工程上，一般選擇N大於10)。在每個採樣時間段內，聲源定向系統從每個麥克風選取一個信號。我們選擇一個聲波周期內N個採樣信號的最大值作為這個麥克風的輸出信號。圖4為聲波採樣方案圖示。因為到達不同麥克風上的聲強大小可以視作相等的，則兩個麥克風的輸出信號誤差只決定於採樣頻率。
設聲波的傳播方程為P＝P0sin(2πft)(5)式中P為聲壓的空間分布，P0為聲波的聲壓幅值，f為聲波頻率，t為時間。採樣頻率為Nf時，麥克風輸出信號的誤差最大為dVi=Visin(2ft)-Visin(2f(t+1Nf))]]>在t=2k+2]]>時的值，即max(dVi)=(1-sin(2+2N))Vi---(6)]]>式中，Vi為麥克風的理論輸出值，i＝x，y，z。
則實際計算得到的聲波方向矢量為 為計算方便計，採用極坐標描述聲波定向的誤差。設聲波方向的方位角為，俯仰角為θ，則聲波的方向矢量為
由式(2)，麥克風的理論輸出值應為Vx=1+bcoscos1+bAP]]>Vy=1+bsincos1+bAP]]>Vz=1+bsin1+bAP---(9)]]>由式(9)代入式(6)和(7)，可以計算得到聲波方向矢量測試值的極坐標表達式。根據三角函數關係，可以得到聲波方向矢量真實值和測試值之間的夾角=arccos(B2+C2-A22BC)---(10)]]>式中 圖5為採樣頻率為聲波頻率的30倍時，由式(10)計算得到的聲波方向矢量計算的系統誤差隨聲波方向的關係。圖5所示，採樣頻率為聲波頻率的30倍，最大定向誤差為2.1°。
顯然，定向誤差與採樣頻率有著直接的關係，高採樣頻率可以減小系統定向誤差。圖6為在系統定向誤差與採樣頻率的關係。可以看到，隨著信號採樣頻率的進一步提高，系統最大定向誤差呈指數減小。因此，本方案的定向精度除了和微麥克風本身的精度有關外，更大程度上和信號採樣頻率有關，有利於適應不同定向精度的應用。
微機電(MEMS)技術的發展使現有的許多器件、系統實現小型化和微型化，有力地推動了使用相關微型器件的新產品、新技術的發展。本文提出一種採用微麥克風組合的聲源定向新技術方案，該方案避免了傳統麥克風陣列巨大的體積、複雜的算法和高昂的價格等阻礙其大眾化應用的因素。理論分析表明，當信號採樣頻率為聲音頻率的30倍時，系統最大定向誤差為2.1°。而且，隨著信號採樣頻率的進一步提高，系統最大定向誤差呈指數減小，適用於不同定向精度要求的應用。
本發明的特徵在於1、它含有六面體支架；心形指向矽微麥克風(X)、(Y)、(Z)共三個，每一個的背面有信號輸出端和接地端，在正、背兩面各有一個入聲孔，它們三個麥克風分別沿著原點位於上述六面體支架中心的直角坐標軸，固定在上述六面體支架的正面、側面和頂面支架上；一個全指向矽微麥克風固定在上述六面體支架的底面支架上，背面有聲信號輸出端和接地端，正面有一個入聲孔；印刷電路(PCB)接口板，周邊是上述四個矽微麥克風的公共地焊盤，中間是四個分別與上述矽微麥克風背面的信號輸出端相連的麥克風信號輸出焊盤，上述PCB接口板固定在與上述矽微麥克風(X)相對的一側的上述六面體支架的一個支架上；一張防塵膜，固定在與上述矽微麥克風(Y)相對一側的上述六面體支架開口側的一個支架上。
本發明的特徵還在於2、它含有六面體支架；心形指向矽微麥克風(X)、(Y)、(Z)共三個，每一個的背面有信號輸出端和接地端，在正、背兩面各有一個入聲孔；一個全指向矽微麥克風固定在上述六面體支架的底面支架上，背面有聲信號輸出端和接地端，正面有一個入聲孔；「十字架」形柔性PCB板，其周圍四條臂折回形成一個開一面口的立方體，用膠粘在上述六面體支架上，上述「十字架」形柔性PCB板的臂從右到上、左、下，分別為第一、第二、第三和第四條臂，第一條臂上有四個信號端，第二、第三條臂和中間部分各開有一個入聲孔和一個矽微麥克風信號輸入端和接地端，即焊盤，第四條臂只有矽微麥克風信號輸入端和接地端，上述「十字架」形柔性PCB板的周邊為公共地，與上述第二、三、四條臂和中間部分的矽微麥克風接地端相連，上述第二、三、四條臂和中間部分是分別沿著原點位於上述六面體支架中心的直角坐標系的X、Y、Z軸三個方向固定在相應的六面體支架上，上述心形指向矽微麥克風(X)、(Y)、(Z)分別用回流焊法從外側焊在「十字架」形柔性PCB板的第二、第三條臂和中間部分上；全指向矽微麥克風也用同樣的方法從外側焊在第四條臂上，上述四個矽微麥克風背面的聲信號輸出端分別與「十字架」形柔性PCB板的第二、第三條臂、中間部分和第四條臂上的信號輸入端相連，再通過「十字架」形柔性PCB板上的引線與第一條臂上的四個信號端相連，上述四個矽微麥克風背面的接地端分別與「十字架」形柔性PCB板的第二、第三條臂、中間部分和第四條臂上的接地端相連，再連接到柔性PCB板周邊的公共地上；一張防塵膜，固定在與上述矽微麥克風(Y)相對一側的上述六面體支架開口側的一個支架上。
實驗證明，計算機得到的聲源方位與實際聲源方位符合得很好，見相應的圖示。
圖1是心形指向矽微麥克風的封裝結構。
1、矽微麥克風晶片；2、正面入射孔；3、聲阻尼材料；4、背面入射孔；5、麥克風管殼；6金屬引線圖2是心形指向性示意圖。
圖3是矽微麥克風組合體的立體圖。
圖4是聲波信號採集方法。
圖5是聲源定向誤差與聲源方向的關係圖。
圖6是採樣頻率與聲源定向誤差的關係曲線。
圖7是直角坐標與極坐標的關係圖，為方位角，θ為俯仰角。
圖8為矽微麥克風組合體的結構實施例之一圖中7.六面體支架，8.三個心形指向矽微麥克風X、Y、Z，9.印刷電路(PCB)接口板，10.全指向矽微麥克風，14.防塵膜。
圖9為圖8中的PCB接口板示意圖圖中11.公共地焊盤，12.四個麥克風信號焊盤。
圖10為心形指向矽微麥克風的背面圖
圖中13.信號輸出端，16.接地端，41.背面入聲孔，2.正面入聲孔圖11為心形指向矽微麥克風的正面12為全指向矽微麥克風的背面13為全指向矽微麥克風的正面14為矽微麥克風組合體的結構實施例之二圖中15.柔性PCB接口板，14.防塵膜。
圖15為柔性PCB接口板示意圖，圖中42.入聲孔。
圖16為仿真測試曲線(一)實驗條件為固定俯仰角，改變方位角，信號頻率為1k，採樣頻率為30ka.俯仰角為0°；b.俯仰角為45°；c.俯仰角為60°。
圖17為仿真測試曲線(二)實驗條件為固定方位角，改變俯仰角，信號頻率為1k，採樣頻率為30ka.方位角為0°；b.方位角為45°；c.方位角為60°；d.方位角為90°；e.方位角為180°。
具體實施例方式
見圖8~15。
根據算法的要求，四個矽微麥克風分別固定在一個六面體支架的四個面上，其中三個心形指向矽微麥克風分別垂直於直角坐標系的三個坐標軸。
在圖8所示的第一個實施例中，為了確定矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)的相互空間位置，將矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)用膠固定在一個六面體支架(7)的四個面上，矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)的正面朝外。第五個面上用膠固定一塊PCB接口板(9)。PCB接口板四周為矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)的公共地，中間的四個信號焊盤分別用導線連接四個矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)的信號輸出端，使得整個組合體的信號輸出都通過該PCB接口板(9)。心形指向矽微麥克風(8X、8Y、8Z)和全指向矽微麥克風(10)的正面和背面結構見圖示。它們的背面都有兩個焊盤，分別為接地端和信號端。心形指向矽微麥克風(8X、8Y、8Z)背面還有一個入聲孔，而全指向矽微麥克風(10)沒有。六面體支架(7)的第六個面覆蓋一個防塵膜(14)。
在圖14所示的第二個實施例中，主要採用柔性PCB接口板(15)代替前一方案中的普通PCB接口板(9)，同時預先設計的布線將四個矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)的信號都連到柔性PCB電路板(15)的輸出部分，即柔性PCB接口板(15)的第一條臂上。柔性PCB接口板(15)中，電路焊盤的設計與矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)的背面焊盤相對應，與心形指向矽微麥克風(8X、8Y、8Z)對應的三個部分中間開有入聲孔。裝配時，先將四個矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)按照相應位置，用回流焊法焊接在柔性PCB接口板(15)上，再將柔性PCB接口板(15)的周圍四部分折回形成一個開一面口的六面體，將這個六面體用膠粘在六面體支架(7)上，使各個矽微麥克風(8X、8Y、8Z、10)保持一定的相對空間位置。同樣，在六面體支架(7)和柔性PCB接口板(15)立方體開口的一面粘防塵膜(14)。矽微麥克風組合體的信號由柔性PCB接口板(15)的輸出部分輸出。
權利要求
1.可實現聲源定向的矽微麥克風組合體，其特徵在於，它含有六面體支架；心形指向矽微麥克風(X)、(Y)、(Z)共三個，每一個的背面有信號輸出端和接地端，在正、背兩面各有一個入聲孔，它們三個麥克風分別沿著垂直於原點位於上述六面體支架中心的直角坐標軸的方向，固定在上述六面體支架的正面、側面和頂面支架上；一個全指向矽微麥克風固定在上述六面體支架的底面支架上，背面有聲信號輸出端和接地端，正面有一個入聲孔；印刷電路(PCB)接口板，周邊是上述四個矽微麥克風的公共地焊盤，中間是四個分別與上述矽微麥克風背面的信號輸出端相連的麥克風信號輸出焊盤，上述PCB接口板固定在與上述矽微麥克風(X)相對的一側的上述六面體支架的一個支架上；一張防塵膜，固定在與上述矽微麥克風(Y)相對一側的上述六面體支架開口側的一個支架上。
2.可實現聲源定向的矽微麥克風組合體，其特徵在於，它含有六面體支架；心形指向矽微麥克風(X)、(Y)、(Z)共三個，每一個的背面有信號輸出端和接地端，在正、背兩面各有一個入聲孔；一個全指向矽微麥克風固定在上述六面體支架的底面支架上，背面有聲信號輸出端和接地端，正面有一個入聲孔；「十字架」形柔性PCB接口板，其周圍四條臂折回形成一個開一面口的立方體，用膠粘在上述六面體支架上，上述「十字架」形柔性PCB接口板的臂從右到上、左、下，分別為第一、第二、第三和第四條臂，第一條臂上有四個信號端，第二、第三條臂和中間部分各開有一個入聲孔和一個矽微麥克風信號輸入端和接地端，即焊盤，第四條臂只有矽微麥克風信號輸入端和接地端，上述「十字架」形柔性PCB接口板的周邊為公共地，與上述第二、三、四條臂和中間部分的矽微麥克風接地端相連，上述各條臂和中間部分沿著垂直於原點位於上述六面體支架中心的直角坐標系的X、Y、Z軸的方向，固定在相應的六面體支架上，上述心形指向矽微麥克風(X)、(Y)、(Z)分別用回流焊法從外側焊在「十字架」形柔性PCB接口板的第二、第三條臂和中間部分上；全指向矽微麥克風也用同樣的方法從外側焊在第四條臂上，上述四個矽微麥克風背面的聲信號輸出端分別與「十字架」形柔性PCB板的第二、第三條臂、中間部分和第四條臂上的信號輸入端相連，再通過「十字架」形柔性PCB接口板上的引線與第一條臂上的四個信號端相連，上述四個矽微麥克風背面的接地端分別與「十字架」形柔性PCB接口板的第二、第三條臂、中間部分和第四條臂上的接地端相連，再連接到柔性PCB板周邊的公共地上；一張防塵膜，固定在與上述矽微麥克風(Y)相對一側的上述六面體支架開口側的一個支架上。
全文摘要
可實現聲源定向的矽微麥克風組合體的特徵在於它含有六面體支架、三個心形指向矽微麥克風和一個全指向矽微麥克風。上述三個心形指向矽微麥克風沿著垂直於原點位於上述六面體支架中心的直角坐標軸的方向，固定在上述六面體支架的正面、側面和頂面支架上；全指向矽微麥克風，上述全指向矽微麥克風固定在上述六面體支架的底面支架上，六面體支架的第五個面安裝PCB接口板用於矽微麥克風組合體的信號輸出，最後一個面裝有防塵膜。上述矽微麥克風組合體經過仿真試驗證明具有很好的聲源定向性，即計算得到的聲源方向與實際方向符合得很好，聲源採樣頻率越高則符合得越好。
文檔編號H04R1/40GK1630428SQ20041009880
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月17日 優先權日2004年10月18日
發明者伍曉明, 任天令, 劉理天 申請人:清華大學