专利名称：可实现声源定向的硅微麦克风组合体的制作方法
技术领域：
本发明属于硅微麦克风的技术领域。
背景技术：
在视频会议系统中，摄像机对发言者的镜头捕捉一般都由摄影师操作。采用声源定向系统可以提高视频会议系统的自动化程度，极大地降低摄像师的工作强度。传统的镜头自动捕捉技术有红外跟踪、图像跟踪和声音定向等。Hong Wang和Peter Chu在1997年IEEEInternational Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing国际会议上发表的论文“Voice source localization for automatic camera pointing system in videoconferencing”中提到，红外跟踪需要发言者携带相应的红外线收发器，图像跟踪则需要人工预先设定跟踪的对象，而声音定向技术是最自然而方便的解决方案。声音定向技术从1970s’年代就已经开始研究。传统的声音定向技术一般采用麦克风阵列，对多通道数据进行相关分析、谱分析、时延分析等信号处理方法。为了追求高定向精度，需要采用高性能的麦克风和很大的麦克风阵列。这使得整个系统体积庞大、复杂而且价格昂贵。信号处理算法的精度强烈地依赖于麦克风的相对位置、环境噪声和回响、声源的频谱范围、声源的个数等等，见Michael Brandstein和Darren Ward于2001年出版的著作Microphone Arrays，Signal Processing Techniques and Applications。这些问题使得传统麦克风声源定向技术难以降低成本进入消费电子领域，从而限制了它的广泛应用。随着微机电(MEMS)技术的发展，硅微麦克风技术逐渐成熟，部分已经开始了商品化。Patrick RichardScheeper，Brge Nordstrand，Jens Ole Gullv，Bin Liu，Thomas Clausen，Lise Midjord，和TorbenStorgaard-Larsen于2003年发表在杂志Journal of Microelectromechanical Systems上的论文”ANew Measurement Microphone Based on MEMS Technology”，和任天令、张林涛、刘理天、李志坚(Tian-Ling Ren，Lin-Tao Zhang，Li-Tian Liu，Zhi-Jian Li)于2002年发表在杂志IEEETransactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control上的论文”Design Optimizationof Beam-like Ferroelectrics-silicon Microphone and Microspeaker”认为，与传统麦克风相比，硅微麦克风具有体积小、精度高、重量轻、封装方案灵活、重复性好、能批量生产、抗振性好、易与IC集成，批量生产成本低廉等优点。由于微麦克风体积小，多个微麦克风集合在一起的宽度仍然远小于音频声波的波长，可以把它们视作声场中的一个点；微麦克风的封装结构可以根据不同的应用要求专门设计，灵活性比较大，可以方便地实现器件的指向性设计和多麦克组装；较高的灵敏度保证系统有足够的信噪比，提高声源定向精度。这些优点使本文提出的利用硅微麦克风的指向性实现声源定向成为可能。
1983年，Royer等人在杂志Sensors and Actuators A上发表的论文“ZnO on Si IntegratedAcoustic Sensor”中首次报道利用氧化锌(ZnO)压电薄膜和微机电(MEMS)技术，在硅衬底上制作出了微麦克风，随后荷兰、美国、德国、丹麦、瑞士、新加坡和我国的学者们纷纷对此展开研究，并取得了巨大的进展。2003年年初，美国EMKAY INNOVATIVE PRODUCTS公司推出了商业化微麦克风产品样品，标志着该技术开始商品化。从信号检测的角度，硅微麦克风主要分为压电式、电容式、压阻式、调制场效应管式和光波导式等。部分微麦克风工作在音频范围内，部分用于超声测量。
麦克风的灵敏度随声波入射方向变化的特性称为灵敏度指向特性。当微麦克风封装成为压差式结构时，即微麦克风背腔设计有入射孔道，使声波可以同时作用在振膜的正面和背面，微麦克风便具有了灵敏度指向性。此时，当声波入射角变化时，作用在振膜正面和背面的声波由于传播路径不同，到达振膜后产生一定的相位差，使得作用在振膜上的合力随入射角而变化，导致微麦克风的灵敏度随入射角而变化，产生了灵敏度指向特性。图2为心形指向性微麦克风的封装结构，通过背面声阻尼材料的使用和精确设计，可以实现具有特定指向性的微麦克风。
当声波以角β入射时，麦克风的灵敏度和轴向入射(β＝0°)时灵敏度的比值称为灵敏度指向性函数，可由以下公式描述D(β)=1+bcos(β)1+b---(1)]]>式中b=jωdZA0C0ZA,]]>ω为声音频率，d为麦克风背腔厚度，ZA0为麦克风背腔声阻抗，ZA为麦克风背面入声孔的声阻抗，C0为声速。当b＝0时，为圆指向性；b＝1时，为心形指向性；b＞1时，趋向8字形指向性，即双指向性。图2为心形指向性的指向性曲线。麦克风指向性数值最大的方向称为主敏感方向。
对于硅微麦克风而言，它的尺寸可以做到3mm×3mm×0.5mm，甚至更小，和语言频段声波波长相比(如100~6000Hz，即空气中波长为3440~57mm)，它的尺寸比声波波长小一个数量级以上，可以将几个微麦克风的组合结构在声场中看作一个点，声波到达它们产生绕射，反射忽略不计。所以，微麦克风指向性曲线在语音频段中随频率的变化也可以忽略不计。
发明内容
本发明的目的在于提供一个可实现声源定向的硅微麦克风组合体。
利用麦克风的指向性，可以实现对声源的定向。将具有心形指向性的三个微麦克风分别使其主敏感方向与垂直坐标系的三个坐标轴平行放置，如图3所示。
假设某声波传来的方向与三个硅微麦克风主敏感方向的夹角分别为βx、βy和βz，则三个麦克风的输出电压分别为Vx=1+bcos(βx)1+bAP]]>Vy=1+bcos(βy)1+bAP]]>Vz=1+bcos(βz)1+bAP,---(2)]]>式中，P为声波的声强，A为硅微麦克风的灵敏度。
从上式可以看出，当微麦克风特性已知时，共有四个未知数，即声强P和方向参数βx、βy和βz。因此，解上述方程必须再引入一个独立方程。为了计算方便，我们选择一个全指向的微麦克风，将其放置在三个心形指向的麦克风旁边，使其敏感声波抵达时的绝对声强。即，V0＝AP (3)由以上两式，假设三个微麦克风都是心形指向性，则b＝1，可以得到声波的方向矢量，
为了提高声源定向的精度，需要补偿各个微麦克风的空间位置不在理想的同一点上带来的误差。空间上的不一致使得探测到的声波信号有强度上的衰减和相位上的延迟。其中，空气中的声强衰减为P＝P0e-mx式中，m为衰减系数(m-1)，x为传输距离(m)。
声波在空气中的衰减系数一般小于0.09。当两只麦克风的直线距离为5mm时，由上式得声强的衰减为P≈0.99955P0因此，声强的衰减可以忽略不计。相对而言，由于相位延迟导致的同一时刻麦克风上的信号误差要大很多。因此，我们采用以下方式减小这一误差。
假设采样信号的频率为声波信号频率的N倍(工程上，一般选择N大于10)。在每个采样时间段内，声源定向系统从每个麦克风选取一个信号。我们选择一个声波周期内N个采样信号的最大值作为这个麦克风的输出信号。图4为声波采样方案图示。因为到达不同麦克风上的声强大小可以视作相等的，则两个麦克风的输出信号误差只决定于采样频率。
设声波的传播方程为P＝P0sin(2πft)(5)式中P为声压的空间分布，P0为声波的声压幅值，f为声波频率，t为时间。采样频率为Nf时，麦克风输出信号的误差最大为dVi=Visin(2πft)-Visin(2πf(t+1Nf))]]>在t=2kπ+π2]]>时的值，即max(dVi)=(1-sin(π2+2πN))Vi---(6)]]>式中，Vi为麦克风的理论输出值，i＝x，y，z。
则实际计算得到的声波方向矢量为 为计算方便计，采用极坐标描述声波定向的误差。设声波方向的方位角为，俯仰角为θ，则声波的方向矢量为
由式(2)，麦克风的理论输出值应为Vx=1+bcosφcosθ1+bAP]]>Vy=1+bsinφcosθ1+bAP]]>Vz=1+bsinθ1+bAP---(9)]]>由式(9)代入式(6)和(7)，可以计算得到声波方向矢量测试值的极坐标表达式。根据三角函数关系，可以得到声波方向矢量真实值和测试值之间的夹角γ=arccos(B2+C2-A22BC)---(10)]]>式中 图5为采样频率为声波频率的30倍时，由式(10)计算得到的声波方向矢量计算的系统误差随声波方向的关系。图5所示，采样频率为声波频率的30倍，最大定向误差为2.1°。
显然，定向误差与采样频率有着直接的关系，高采样频率可以减小系统定向误差。图6为在系统定向误差与采样频率的关系。可以看到，随着信号采样频率的进一步提高，系统最大定向误差呈指数减小。因此，本方案的定向精度除了和微麦克风本身的精度有关外，更大程度上和信号采样频率有关，有利于适应不同定向精度的应用。
微机电(MEMS)技术的发展使现有的许多器件、系统实现小型化和微型化，有力地推动了使用相关微型器件的新产品、新技术的发展。本文提出一种采用微麦克风组合的声源定向新技术方案，该方案避免了传统麦克风阵列巨大的体积、复杂的算法和高昂的价格等阻碍其大众化应用的因素。理论分析表明，当信号采样频率为声音频率的30倍时，系统最大定向误差为2.1°。而且，随着信号采样频率的进一步提高，系统最大定向误差呈指数减小，适用于不同定向精度要求的应用。
本发明的特征在于1、它含有六面体支架；心形指向硅微麦克风(X)、(Y)、(Z)共三个，每一个的背面有信号输出端和接地端，在正、背两面各有一个入声孔，它们三个麦克风分别沿着原点位于上述六面体支架中心的直角坐标轴，固定在上述六面体支架的正面、侧面和顶面支架上；一个全指向硅微麦克风固定在上述六面体支架的底面支架上，背面有声信号输出端和接地端，正面有一个入声孔；印刷电路(PCB)接口板，周边是上述四个硅微麦克风的公共地焊盘，中间是四个分别与上述硅微麦克风背面的信号输出端相连的麦克风信号输出焊盘，上述PCB接口板固定在与上述硅微麦克风(X)相对的一侧的上述六面体支架的一个支架上；一张防尘膜，固定在与上述硅微麦克风(Y)相对一侧的上述六面体支架开口侧的一个支架上。
本发明的特征还在于2、它含有六面体支架；心形指向硅微麦克风(X)、(Y)、(Z)共三个，每一个的背面有信号输出端和接地端，在正、背两面各有一个入声孔；一个全指向硅微麦克风固定在上述六面体支架的底面支架上，背面有声信号输出端和接地端，正面有一个入声孔；“十字架”形柔性PCB板，其周围四条臂折回形成一个开一面口的立方体，用胶粘在上述六面体支架上，上述“十字架”形柔性PCB板的臂从右到上、左、下，分别为第一、第二、第三和第四条臂，第一条臂上有四个信号端，第二、第三条臂和中间部分各开有一个入声孔和一个硅微麦克风信号输入端和接地端，即焊盘，第四条臂只有硅微麦克风信号输入端和接地端，上述“十字架”形柔性PCB板的周边为公共地，与上述第二、三、四条臂和中间部分的硅微麦克风接地端相连，上述第二、三、四条臂和中间部分是分别沿着原点位于上述六面体支架中心的直角坐标系的X、Y、Z轴三个方向固定在相应的六面体支架上，上述心形指向硅微麦克风(X)、(Y)、(Z)分别用回流焊法从外侧焊在“十字架”形柔性PCB板的第二、第三条臂和中间部分上；全指向硅微麦克风也用同样的方法从外侧焊在第四条臂上，上述四个硅微麦克风背面的声信号输出端分别与“十字架”形柔性PCB板的第二、第三条臂、中间部分和第四条臂上的信号输入端相连，再通过“十字架”形柔性PCB板上的引线与第一条臂上的四个信号端相连，上述四个硅微麦克风背面的接地端分别与“十字架”形柔性PCB板的第二、第三条臂、中间部分和第四条臂上的接地端相连，再连接到柔性PCB板周边的公共地上；一张防尘膜，固定在与上述硅微麦克风(Y)相对一侧的上述六面体支架开口侧的一个支架上。
实验证明，计算机得到的声源方位与实际声源方位符合得很好，见相应的图示。
图1是心形指向硅微麦克风的封装结构。
1、硅微麦克风芯片；2、正面入射孔；3、声阻尼材料；4、背面入射孔；5、麦克风管壳；6金属引线图2是心形指向性示意图。
图3是硅微麦克风组合体的立体图。
图4是声波信号采集方法。
图5是声源定向误差与声源方向的关系图。
图6是采样频率与声源定向误差的关系曲线。
图7是直角坐标与极坐标的关系图，为方位角，θ为俯仰角。
图8为硅微麦克风组合体的结构实施例之一图中7.六面体支架，8.三个心形指向硅微麦克风X、Y、Z，9.印刷电路(PCB)接口板，10.全指向硅微麦克风，14.防尘膜。
图9为图8中的PCB接口板示意图图中11.公共地焊盘，12.四个麦克风信号焊盘。
图10为心形指向硅微麦克风的背面图
图中13.信号输出端，16.接地端，41.背面入声孔，2.正面入声孔图11为心形指向硅微麦克风的正面12为全指向硅微麦克风的背面13为全指向硅微麦克风的正面14为硅微麦克风组合体的结构实施例之二图中15.柔性PCB接口板，14.防尘膜。
图15为柔性PCB接口板示意图，图中42.入声孔。
图16为仿真测试曲线(一)实验条件为固定俯仰角，改变方位角，信号频率为1k，采样频率为30ka.俯仰角为0°；b.俯仰角为45°；c.俯仰角为60°。
图17为仿真测试曲线(二)实验条件为固定方位角，改变俯仰角，信号频率为1k，采样频率为30ka.方位角为0°；b.方位角为45°；c.方位角为60°；d.方位角为90°；e.方位角为180°。
具体实施例方式
见图8~15。
根据算法的要求，四个硅微麦克风分别固定在一个六面体支架的四个面上，其中三个心形指向硅微麦克风分别垂直于直角坐标系的三个坐标轴。
在图8所示的第一个实施例中，为了确定硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)的相互空间位置，将硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)用胶固定在一个六面体支架(7)的四个面上，硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)的正面朝外。第五个面上用胶固定一块PCB接口板(9)。PCB接口板四周为硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)的公共地，中间的四个信号焊盘分别用导线连接四个硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)的信号输出端，使得整个组合体的信号输出都通过该PCB接口板(9)。心形指向硅微麦克风(8X、8Y、8Z)和全指向硅微麦克风(10)的正面和背面结构见图示。它们的背面都有两个焊盘，分别为接地端和信号端。心形指向硅微麦克风(8X、8Y、8Z)背面还有一个入声孔，而全指向硅微麦克风(10)没有。六面体支架(7)的第六个面覆盖一个防尘膜(14)。
在图14所示的第二个实施例中，主要采用柔性PCB接口板(15)代替前一方案中的普通PCB接口板(9)，同时预先设计的布线将四个硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)的信号都连到柔性PCB电路板(15)的输出部分，即柔性PCB接口板(15)的第一条臂上。柔性PCB接口板(15)中，电路焊盘的设计与硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)的背面焊盘相对应，与心形指向硅微麦克风(8X、8Y、8Z)对应的三个部分中间开有入声孔。装配时，先将四个硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)按照相应位置，用回流焊法焊接在柔性PCB接口板(15)上，再将柔性PCB接口板(15)的周围四部分折回形成一个开一面口的六面体，将这个六面体用胶粘在六面体支架(7)上，使各个硅微麦克风(8X、8Y、8Z、10)保持一定的相对空间位置。同样，在六面体支架(7)和柔性PCB接口板(15)立方体开口的一面粘防尘膜(14)。硅微麦克风组合体的信号由柔性PCB接口板(15)的输出部分输出。
权利要求
1.可实现声源定向的硅微麦克风组合体，其特征在于，它含有六面体支架；心形指向硅微麦克风(X)、(Y)、(Z)共三个，每一个的背面有信号输出端和接地端，在正、背两面各有一个入声孔，它们三个麦克风分别沿着垂直于原点位于上述六面体支架中心的直角坐标轴的方向，固定在上述六面体支架的正面、侧面和顶面支架上；一个全指向硅微麦克风固定在上述六面体支架的底面支架上，背面有声信号输出端和接地端，正面有一个入声孔；印刷电路(PCB)接口板，周边是上述四个硅微麦克风的公共地焊盘，中间是四个分别与上述硅微麦克风背面的信号输出端相连的麦克风信号输出焊盘，上述PCB接口板固定在与上述硅微麦克风(X)相对的一侧的上述六面体支架的一个支架上；一张防尘膜，固定在与上述硅微麦克风(Y)相对一侧的上述六面体支架开口侧的一个支架上。
2.可实现声源定向的硅微麦克风组合体，其特征在于，它含有六面体支架；心形指向硅微麦克风(X)、(Y)、(Z)共三个，每一个的背面有信号输出端和接地端，在正、背两面各有一个入声孔；一个全指向硅微麦克风固定在上述六面体支架的底面支架上，背面有声信号输出端和接地端，正面有一个入声孔；“十字架”形柔性PCB接口板，其周围四条臂折回形成一个开一面口的立方体，用胶粘在上述六面体支架上，上述“十字架”形柔性PCB接口板的臂从右到上、左、下，分别为第一、第二、第三和第四条臂，第一条臂上有四个信号端，第二、第三条臂和中间部分各开有一个入声孔和一个硅微麦克风信号输入端和接地端，即焊盘，第四条臂只有硅微麦克风信号输入端和接地端，上述“十字架”形柔性PCB接口板的周边为公共地，与上述第二、三、四条臂和中间部分的硅微麦克风接地端相连，上述各条臂和中间部分沿着垂直于原点位于上述六面体支架中心的直角坐标系的X、Y、Z轴的方向，固定在相应的六面体支架上，上述心形指向硅微麦克风(X)、(Y)、(Z)分别用回流焊法从外侧焊在“十字架”形柔性PCB接口板的第二、第三条臂和中间部分上；全指向硅微麦克风也用同样的方法从外侧焊在第四条臂上，上述四个硅微麦克风背面的声信号输出端分别与“十字架”形柔性PCB板的第二、第三条臂、中间部分和第四条臂上的信号输入端相连，再通过“十字架”形柔性PCB接口板上的引线与第一条臂上的四个信号端相连，上述四个硅微麦克风背面的接地端分别与“十字架”形柔性PCB接口板的第二、第三条臂、中间部分和第四条臂上的接地端相连，再连接到柔性PCB板周边的公共地上；一张防尘膜，固定在与上述硅微麦克风(Y)相对一侧的上述六面体支架开口侧的一个支架上。
全文摘要
可实现声源定向的硅微麦克风组合体的特征在于它含有六面体支架、三个心形指向硅微麦克风和一个全指向硅微麦克风。上述三个心形指向硅微麦克风沿着垂直于原点位于上述六面体支架中心的直角坐标轴的方向，固定在上述六面体支架的正面、侧面和顶面支架上；全指向硅微麦克风，上述全指向硅微麦克风固定在上述六面体支架的底面支架上，六面体支架的第五个面安装PCB接口板用于硅微麦克风组合体的信号输出，最后一个面装有防尘膜。上述硅微麦克风组合体经过仿真试验证明具有很好的声源定向性，即计算得到的声源方向与实际方向符合得很好，声源采样频率越高则符合得越好。
文档编号H04R1/40GK1630428SQ20041009880
公开日2005年6月22日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年10月18日
发明者伍晓明, 任天令, 刘理天 申请人:清华大学