本發(fā)明總體上涉及換能器，并且在特定實(shí)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(shù)：

換能器將來自一個(gè)領(lǐng)域的信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)信號(hào)并且常常被用作傳感器。例如，聲換能器在聲信號(hào)和電信號(hào)之間轉(zhuǎn)換。麥克風(fēng)是將聲波（即聲信號(hào)）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種類型的聲換能器，并且揚(yáng)聲器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波的一種類型的聲換能器。

基于微機(jī)電系統(tǒng)（mems）的換能器包括使用微加工技術(shù)產(chǎn)生的換能器家族。一些mems換能器（諸如mems麥克風(fēng)）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(hào)來從環(huán)境收集信息。其他mems換能器（諸如mems微型揚(yáng)聲器）將電信號(hào)轉(zhuǎn)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(shù)制造的。

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

例如，電容性mems麥克風(fēng)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(jié)構(gòu)來支撐該背板電極和膜。

電容性mems麥克風(fēng)能夠?qū)εc背板電極平行布置的膜處的聲壓波（例如語音）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該背板電極被穿孔以使得聲壓波通過背板，同時(shí)促使膜因?yàn)榭邕^該膜的前面和背面形成的壓力差而振動(dòng)。因此，膜和背板電極之間的氣隙隨著膜的振動(dòng)而變化。膜相對(duì)于背板電極的振動(dòng)促使膜和背板電極之間的電容變化。響應(yīng)于膜的運(yùn)動(dòng)該電容變化被轉(zhuǎn)變成輸出信號(hào)并且形成經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號(hào)。

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種微機(jī)電系統(tǒng)mems換能器包括：附接到支撐結(jié)構(gòu)的可偏轉(zhuǎn)膜，被配置成促使該可偏轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，以及耦合到該可偏轉(zhuǎn)膜的致動(dòng)機(jī)構(gòu)。其他實(shí)施例包括對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)和裝置，每個(gè)都被配置成執(zhí)行各種實(shí)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(diǎn)，現(xiàn)在結(jié)合附圖來參考下面的描述，在附圖中：

圖1圖示實(shí)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(hào)的波形圖；

圖3a、3b和3c圖示實(shí)施例可變流量換能器的側(cè)視圖橫截面；

圖4a、4b和4c圖示實(shí)施例模型可變流量換能器以及對(duì)應(yīng)的波形圖；

圖5a和5b圖示附加實(shí)施例可變流量換能器的側(cè)視圖橫截面；

圖6a、6b和6c圖示實(shí)施例聲閥的側(cè)視圖橫截面；

圖7a、7b、7c和7d圖示另一實(shí)施例可變流量換能器的頂視圖；

圖8a和8b圖示更多實(shí)施例可變流量換能器的側(cè)視圖橫截面；

圖9a、9b和9c圖示另一實(shí)施例可變流量換能器的側(cè)視圖橫截面和頂視圖；

圖10a、10b和10c圖示實(shí)施例可變流量換能器操作的波形圖；

圖11圖示實(shí)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(shí)施例方法的流程圖。

不同圖中的對(duì)應(yīng)數(shù)字和符號(hào)通常指代對(duì)應(yīng)的部件，除非以其他方式指出。該圖被繪制成清楚地圖示實(shí)施例的相關(guān)方面并且不一定按照比例來繪制。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)地討論各種實(shí)施例的產(chǎn)生和使用。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可在各種各樣的具體上下文中應(yīng)用這里描述的各種實(shí)施例。所討論的具體實(shí)施例僅僅是產(chǎn)生和使用各種實(shí)施例的具體方式的舉例說明，并且不應(yīng)該以受限的范圍來解釋。

關(guān)于具體上下文（即聲換能器，并且更特別地mems微型揚(yáng)聲器）中的各種實(shí)施例來進(jìn)行描述。這里描述的各種實(shí)施例中的某些包括mems微型揚(yáng)聲器、聲換能器系統(tǒng)、可變?nèi)莘e流量換能器以及可變?nèi)莘e流量mems微型揚(yáng)聲器。在其他實(shí)施例中，根據(jù)如本領(lǐng)域中已知的任何方式，各方面還可以被應(yīng)用于涉及任何類型的換能器領(lǐng)域的其他應(yīng)用。

揚(yáng)聲器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)的換能器。通過揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)生成某一頻率的壓力振蕩來產(chǎn)生聲信號(hào)。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(chǎn)生可聽聲信號(hào)而進(jìn)行操作的揚(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率在20hz和20khz之間的聲壓振蕩。恒定頻率信號(hào)被傳達(dá)為單音，類似于鋼琴上的一個(gè)音符。語音和其他典型聲音（諸如例如音樂）都是由在同一時(shí)間具有許多頻率的多個(gè)聲信號(hào)構(gòu)成的。

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

根據(jù)各種實(shí)施例，揚(yáng)聲器或微型揚(yáng)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(hào)。在這樣的實(shí)施例中，揚(yáng)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(jù)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(shí)施例中，人類聽覺系統(tǒng)將識(shí)別壓力振蕩的包絡(luò)并表現(xiàn)得像低通濾波器。在附加實(shí)施例中，揚(yáng)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(jù)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(shí)施例中，揚(yáng)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(shí)容積流量根據(jù)在可聽頻率范圍之內(nèi)的其他頻率來改變振蕩的正聲壓和負(fù)聲壓。在這樣的實(shí)施例中，可變流量換能器可以包括具有多個(gè)閥結(jié)構(gòu)的可偏轉(zhuǎn)膜，該多個(gè)閥結(jié)構(gòu)被配置成當(dāng)可偏轉(zhuǎn)膜在可聽頻率范圍以上振蕩時(shí)改變?nèi)莘e流量并且調(diào)整聲阻抗。下面在這里進(jìn)一步描述各種實(shí)施例。

圖1圖示包括微型揚(yáng)聲器102、專用集成電路（asic）104和音頻處理器106的實(shí)施例可變流量換能器100的系統(tǒng)框圖。根據(jù)各種實(shí)施例，微型揚(yáng)聲器102生成聲信號(hào)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(fù)聲壓的調(diào)整?？梢酝ㄟ^使用實(shí)施例閥調(diào)整微型揚(yáng)聲器102中的膜的聲阻抗來調(diào)整該正聲壓和負(fù)聲壓。通過經(jīng)由對(duì)正聲壓和負(fù)聲壓的控制調(diào)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(hào)。因此，微型揚(yáng)聲器102生成包括從不可聽聲信號(hào)形成的可聽聲信號(hào)的聲信號(hào)108。在各種實(shí)施例中，聲信號(hào)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(nóng)采樣定理。

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

在一些實(shí)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(shù)字控制信號(hào)。該數(shù)字控制信號(hào)是微型揚(yáng)聲器102產(chǎn)生的聲信號(hào)的數(shù)字表示。在各種實(shí)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(shí)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(shí)施例中，音頻處理器106生成聲信號(hào)108的數(shù)字表示并且提供聲信號(hào)108的數(shù)字表示。在其他實(shí)施例中，音頻處理器106提供聲信號(hào)108的僅可聽部分的數(shù)字表示，并且asic104基于容積流量的變化生成針對(duì)具有較高不可聽頻率振蕩和可聽頻率振蕩的聲信號(hào)108的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

根據(jù)各種附加實(shí)施例，微型揚(yáng)聲器102還可以生成聲信號(hào)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(diào)整的聲壓振蕩的容積流量調(diào)整。例如，微型揚(yáng)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(shí)施例中，微型揚(yáng)聲器102以比載波信號(hào)更高的頻率操作，該載波信號(hào)具有根據(jù)所生成的目標(biāo)信號(hào)（諸如例如超聲信號(hào)）的較低頻率而調(diào)整的正聲壓和負(fù)聲壓。

圖2a和2b圖示說明性聲信號(hào)的波形圖。圖2a示出例如可以由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲信號(hào)asig。聲信號(hào)asig具有振幅aamp和頻率afreq，即周期at=1÷afreq。聲信號(hào)asig可以說明由揚(yáng)聲器產(chǎn)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(nèi)的頻率afreq。圖2a圖示處于未指定等級(jí)的聲信號(hào)asig的振幅aamp。對(duì)于mems微型揚(yáng)聲器來說，生成大的聲壓級(jí)（spl）可能因?yàn)樾〉哪こ叽纾ㄓ绕湓诘皖l處）而面臨挑戰(zhàn)。例如，mems微型揚(yáng)聲器可以包括隨著頻率在可聽頻率范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shí)施例可變流量換能器（諸如mems微型揚(yáng)聲器）產(chǎn)生的經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig。根據(jù)各種實(shí)施例，經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig具有振幅maamp和頻率mafreq）即周期mat=1÷mafreq）并且由載波信號(hào)csig來形成，該載波信號(hào)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(nèi)（即在大約20hz和20khz之間）。在這樣的實(shí)施例中，調(diào)整振幅camp以便形成泵浦聲信號(hào)pasig的上升和下降波形。此外，移除或降低載波信號(hào)csig的負(fù)或正聲壓以便形成經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig的上升和下降波形。可偏轉(zhuǎn)膜的振蕩通常包括對(duì)稱容積流量，其包括相等的正壓力和負(fù)壓力。在各種實(shí)施例中，載波信號(hào)csig包括對(duì)于經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)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(duì)于經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig的第二半波(mat/2)的僅第二類型的聲壓（例如負(fù)聲壓）。在這樣的實(shí)施例中，載波信號(hào)csig通過移除（或降低）負(fù)聲壓分量來使經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)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(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig的負(fù)聲壓第二半波成形。通過正或負(fù)聲壓的降低或移除，在特定頻率執(zhí)行載波信號(hào)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(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig。根據(jù)各種實(shí)施例，可變流量換能器調(diào)整可偏轉(zhuǎn)膜的聲阻抗以便降低或移除負(fù)或正聲壓。

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

在各種實(shí)施例中，當(dāng)載波信號(hào)csig的振幅camp和方向改變時(shí)頻率cfreq可以保持恒定。在具體實(shí)施例中，頻率cfreq可以與揚(yáng)聲器或微型揚(yáng)聲器的諧振頻率匹配，以便產(chǎn)生可偏轉(zhuǎn)膜的更大振蕩。在其他實(shí)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(shí)施例中，頻率cfreq在100khz和300khz之間。在這樣的各種實(shí)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(duì)于某些人該范圍可能被擴(kuò)大并且對(duì)于其他人該范圍可能變窄。在可替代實(shí)施例中，頻率mafreq可能高于20khz。在這樣的實(shí)施例中，經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig可以是（代替聲信號(hào)）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(hào)。

根據(jù)各種實(shí)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(hào)在可聽頻率范圍內(nèi)形成經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)來操作可變流量換能器（諸如mems微型揚(yáng)聲器）。下面在這里描述各種實(shí)施例可變流量換能器，以便說明包括電容板結(jié)構(gòu)和其他泵浦結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用中的一些。這樣的實(shí)施例可變?nèi)莘e流量換能器調(diào)整可偏轉(zhuǎn)膜的聲阻抗，以便降低或移除負(fù)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(shí)施例中可變流量換能器100中的asic104被配置成確定微型揚(yáng)聲器102的諧振頻率。在這樣的實(shí)施例中，asic104可以在多個(gè)頻率處激發(fā)微型揚(yáng)聲器102并且測量對(duì)于每個(gè)頻率的響應(yīng)。基于所測得的響應(yīng)，asic104確定微型揚(yáng)聲器102的諧振頻率。在這樣的實(shí)施例中，asic104可以將載波信號(hào)csig的頻率cfreq設(shè)置成所確定的諧振頻率。在其他可替代實(shí)施例中，asic104可以控制微型揚(yáng)聲器102的元件以便調(diào)整諧振頻率來與載波信號(hào)csig的頻率cfreq相匹配。在一個(gè)實(shí)施例中，控制元件包括調(diào)整微型揚(yáng)聲器102的機(jī)械部件。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，控制元件包括調(diào)整微型揚(yáng)聲器102的有源或無源電氣部件。

圖3a、3b和3c圖示實(shí)施例可變流量換能器110的側(cè)視圖橫截面。根據(jù)各種實(shí)施例，可變流量換能器110在振蕩期間調(diào)整聲阻抗以便調(diào)節(jié)正聲壓和負(fù)聲壓的生成。在各種實(shí)施例中，可變流量換能器110包括膜112、聲閥114和致動(dòng)結(jié)構(gòu)116。在這樣的實(shí)施例中，致動(dòng)結(jié)構(gòu)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(gè)或多個(gè)壓電層。致動(dòng)結(jié)構(gòu)116被形成在致動(dòng)區(qū)122a中的膜112的表面上。在一些實(shí)施例中，如所圖示的，致動(dòng)結(jié)構(gòu)116可以被形成在膜112的頂面上，或者在其他實(shí)施例中，致動(dòng)結(jié)構(gòu)116可以被形成在膜112的底面上。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，致動(dòng)結(jié)構(gòu)116可以被形成在膜112的頂面和底面上。在這樣的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)力在頂和底致動(dòng)結(jié)構(gòu)116之間是反過來的。

在各種實(shí)施例中，將電驅(qū)動(dòng)信號(hào)（諸如控制電壓）提供給致動(dòng)結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)施例中，如在上文中參考圖2b所描述的，第一頻率可以對(duì)應(yīng)于載波信號(hào)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(yùn)動(dòng)振蕩。在各種實(shí)施例中，對(duì)于在第一方向的運(yùn)動(dòng)（諸如在正加速期間在圖3b中所顯示的）聲閥114是關(guān)閉的，并且在膜的制動(dòng)期間發(fā)生的負(fù)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(fù)加速。

在各種實(shí)施例中，當(dāng)聲閥114被關(guān)閉時(shí)膜112具有第一聲阻抗并且當(dāng)聲閥114被開啟時(shí)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(shí)施例中，當(dāng)聲阻抗越高時(shí)（即當(dāng)聲閥114被關(guān)閉時(shí)），通過膜112的振蕩生成的聲壓處于正常或大的等級(jí)。相反，當(dāng)聲阻抗越低時(shí)（即當(dāng)聲閥114被開啟時(shí)），通過膜112的振蕩生成的聲壓處于較低或降低的等級(jí)。因此，在各種實(shí)施例中，可變流量換能器110被配置成通過開啟和關(guān)閉聲閥114來調(diào)整膜112的聲阻抗并且在正加速中生成正常或大的聲壓級(jí)或者在負(fù)加速中生成較低或降低的聲壓級(jí)。

在各種實(shí)施例中，當(dāng)聲閥114開啟時(shí)膜112的聲阻抗可以被調(diào)整成對(duì)于一定比例的膜面積是透聲的。例如，在一些實(shí)施例中，聲閥114的質(zhì)量和面積促使在特定實(shí)施例中膜112是90%透聲的。在另一特定實(shí)施例中，聲閥114的質(zhì)量和面積促使膜112是50%透聲的。在其他實(shí)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(yùn)動(dòng)中的正加速期間將膜112的聲阻抗調(diào)整成大的以及在向上運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)或負(fù)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(fù)或正聲壓并且形成具有在可聽范圍內(nèi)的第二頻率的聲信號(hào)的第一半波。在這樣的實(shí)施例中，該第二頻率可以對(duì)應(yīng)于經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig的頻率mafreq，如在上文中參考圖2b所述。類似地，通過在對(duì)于正加速的向下運(yùn)動(dòng)期間將膜112的聲阻抗調(diào)整成大的并且在對(duì)于負(fù)加速的向下運(yùn)動(dòng)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(fù)聲壓并形成聲信號(hào)的第二半波。因此，通過調(diào)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(nèi)的第二頻率處生成聲信號(hào)。在這樣的各種實(shí)施例中，可以實(shí)施被稱為數(shù)字聲音重建的類似努力或技術(shù)。

在各種實(shí)施例中，聲閥114包括基于電控制信號(hào)來開啟和關(guān)閉聲閥114的壓電材料。遍及膜112的通風(fēng)區(qū)域122b形成各聲閥114。在各種實(shí)施例中，膜112由結(jié)構(gòu)層118和隔離層120形成。在一些實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層118是導(dǎo)電層，諸如半導(dǎo)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(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層118和隔離層120可以被組合到單個(gè)導(dǎo)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(jié)構(gòu)。在下文中參考其他圖描述各種實(shí)施例的其他結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。在其他實(shí)施例中，作為對(duì)如所示出的壓電致動(dòng)的替代，聲閥114或膜112可以被靜電致動(dòng)。

圖4a、4b和4c圖示實(shí)施例模型可變流量換能器以及對(duì)應(yīng)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(jù)各種實(shí)施例，當(dāng)聲閥114被關(guān)閉時(shí)，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(guān)閉閥部分138和活塞模型132所圖示的。相反，當(dāng)聲閥114被開啟時(shí)，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(shí)施例中，根據(jù)活塞模型132利用整個(gè)膜的相等位移來對(duì)膜112的振蕩建模。當(dāng)膜112具有低聲阻抗時(shí)，聲媒質(zhì)（諸如空氣）能夠從膜112的一側(cè)容易地傳到另一側(cè)。當(dāng)膜112具有高聲阻抗時(shí)，聲媒質(zhì)（諸如空氣）不能從膜112的一側(cè)容易地傳到另一側(cè)。

根據(jù)各種實(shí)施例，從關(guān)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(dāng)膜112的加速度具有正值時(shí)，聲閥114是關(guān)閉的，并且當(dāng)膜112的加速度具有負(fù)值時(shí)，聲閥114是開啟的。在這樣的實(shí)施例中，加速度的正符號(hào)和負(fù)符號(hào)可以基于被生成的聲信號(hào)的半波（正或負(fù)半波（見圖2b））被切換。在各種實(shí)施例中，可以基于膜112的位移或加速度來調(diào)整聲阻抗，以便選擇性地生成用于形成可聽聲信號(hào)的正或負(fù)聲壓波。

在下文中描述作為說明性實(shí)施例的其他實(shí)施例可變流量換能器。

圖5a和5b圖示附加的實(shí)施例可變流量換能器150和實(shí)施例可變流量換能器151的側(cè)視圖橫截面。根據(jù)各種實(shí)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(jié)構(gòu)并且可以被實(shí)施為壓電或靜電可控閥。在下文中進(jìn)一步參考圖6a、6b和6c來描述示例實(shí)施例聲閥。

在各種實(shí)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(dòng)的可偏轉(zhuǎn)膜。在一些實(shí)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(yáng)聲器。在其他實(shí)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(yáng)聲器。在各種實(shí)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(cè)流體輸送到另一側(cè)的穿孔157。在這樣的實(shí)施例中，流體輸送允許聲信號(hào)經(jīng)過提供低聲阻抗的頂背板156和底背板158。

在各種實(shí)施例中，膜154被靜電驅(qū)動(dòng)成以高于可聽范圍的頻率振蕩。在具體實(shí)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(jù)膜154的振蕩來調(diào)節(jié)正或負(fù)聲壓的生成并形成具有在可聽范圍內(nèi)的頻率的經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)，如在上文中參考圖2a、2b、3a、3b、3c、4a、4b和4c描述的。

在一些實(shí)施例中，旁路通道166、旁路結(jié)構(gòu)162和旁路結(jié)構(gòu)162中的聲閥160被包括在周圍的膜154中。在其他實(shí)施例中，旁路通道166、旁路結(jié)構(gòu)162和旁路結(jié)構(gòu)162中的聲閥160被省略。在包括旁路通道166的一些實(shí)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(shí)施例中，包括膜154上的聲閥160。

在各種實(shí)施例中，襯底152由半導(dǎo)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(shí)施例中襯底152可以是碳。在其他實(shí)施例中，襯底152由介質(zhì)材料（諸如玻璃）形成。在更進(jìn)一步的實(shí)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(shí)施例中，襯底152由陶瓷材料形成。在各種實(shí)施例中，膜154由半導(dǎo)體或金屬（諸如多晶硅、金、鋁、銅或鉑）形成。在其他實(shí)施例中，膜154由非導(dǎo)電層和導(dǎo)電層形成。在各種實(shí)施例中，頂背板156和底背板158由半導(dǎo)體或金屬（諸如多晶硅、金、鋁、銅或鉑）形成。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，頂背板156和底背板158由多個(gè)層形成，該多個(gè)層包括導(dǎo)電層和非導(dǎo)電層或電絕緣層。例如，在特定實(shí)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(gè)襯底152，諸如通過包括襯底152的晶片。

根據(jù)各種實(shí)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(shí)施例中，膜168是通過將電壓信號(hào)施加到壓電層170來壓電致動(dòng)的可偏轉(zhuǎn)膜。通過將電壓信號(hào)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(nèi)的頻率的經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)，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(shí)施例中，膜168包括結(jié)構(gòu)層172、隔離層174和壓電層170。在一些實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層172是導(dǎo)電層，諸如半導(dǎo)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(shí)施例中，壓電層170包括壓電陶瓷或壓電晶體。在特定實(shí)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(shí)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(jù)各種實(shí)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(dāng)從上面看時(shí)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(shí)施例中可以是矩形。在一些實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例可變流量換能器。

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

根據(jù)各種實(shí)施例，聲閥180包括結(jié)構(gòu)層184、隔離層186、聲瓣188和壓電層190。在各種實(shí)施例中，壓電層190可以包括在上文中參考?jí)弘妼?70描述的材料的任一種。壓電層190被設(shè)置在聲瓣188上。在各種實(shí)施例中，聲瓣188具有機(jī)械彈性。在特定實(shí)施例中，聲瓣188是單晶硅或多晶硅。在各種其他實(shí)施例中，聲瓣188可以是具有用于致動(dòng)的適當(dāng)機(jī)械性質(zhì)的任何類型的電絕緣材料。在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，聲瓣188可以包括具有絕緣層的任何類型的導(dǎo)電材料。在具體實(shí)施例中，聲瓣188是具有絕緣層的石墨烯。在各種實(shí)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(shí)施例中，壓電層190遍布聲瓣188的整個(gè)頂面（未示出）。在可替代實(shí)施例中，可以以各種方式來使壓電層190成形，以實(shí)現(xiàn)歸因于結(jié)構(gòu)或機(jī)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(diào)整過渡閥特性。

在各種實(shí)施例中，聲瓣188密封結(jié)構(gòu)層184和隔離層186中的開口185。當(dāng)將電驅(qū)動(dòng)信號(hào)（諸如控制電壓）施加到壓電層190時(shí)，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(dòng)成開啟并且允許流體輸送通過開口185。在一些實(shí)施例中，將第一控制電壓施加于壓電層190以關(guān)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(shí)施例中，隔離層186是電絕緣材料。在一些實(shí)施例中，隔離層186是氧化物、氮化物或氮氧化物。在特定實(shí)施例中，隔離層186是氮化硅（sin）或二氧化硅（sio2）。根據(jù)各種實(shí)施例，結(jié)構(gòu)層184是導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料。在一些實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層184是晶體或無定形半導(dǎo)體元件或化合物。在特定實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層184是多晶硅。在其他實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層184是金屬。在特定實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層184是鋁、鉑、金或銅。在各種實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)層184可以是可偏轉(zhuǎn)膜的一部分，諸如在這里參考其他圖描述的。

根據(jù)各種實(shí)施例，聲閥181包括結(jié)構(gòu)層184、隔離層186、聲瓣192和壓電層194。在這樣的實(shí)施例中，聲瓣192是結(jié)構(gòu)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(gè)。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(shí)施例中，壓電層190遍布聲瓣192的整個(gè)頂面（未示出）。

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

在各種實(shí)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(jié)構(gòu)層184之間施加電壓差。當(dāng)施加電壓差時(shí)，靜電密封層198密封開口185，并且當(dāng)不施加電壓差時(shí)，靜電密封層198遠(yuǎn)離開口185移動(dòng)并且允許流體輸送通過開口185。

圖7a、7b、7c和7d圖示另一實(shí)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(jié)構(gòu)202、膜204和聲閥206。根據(jù)各種實(shí)施例，將膜204驅(qū)動(dòng)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(guān)閉以便使形成具有低于較低第二頻率的頻率的聲信號(hào)的正聲壓和負(fù)聲壓成形。在一些實(shí)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(guān)閉以形成頻率范圍從20hz到20khz的聲信號(hào)。

在這樣的實(shí)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(shí)施聲閥206。在特定實(shí)施例中，聲閥206對(duì)應(yīng)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(shí)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(dòng)層210。

在各種實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)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(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)202可以是氧化物（諸如teos氧化物）或聚合物。在這樣的實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和材料中的任一個(gè)。在各種實(shí)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(jié)構(gòu)202、膜204和聲閥212的可變流量換能器200b。根據(jù)各種實(shí)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(dòng)的聲閥212替換壓電致動(dòng)的聲閥206之外。在這樣的實(shí)施例中，聲閥212對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)202、膜204和聲閥216的可變流量換能器200c。根據(jù)各種實(shí)施例，聲閥216被形成在膜204周圍的支撐結(jié)構(gòu)202中。在這樣的實(shí)施例中，聲閥216對(duì)應(yīng)于如在上文中參考圖5a和5b描述的旁路通道166、旁路結(jié)構(gòu)162和旁路結(jié)構(gòu)162中的聲閥160。

在特定實(shí)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(shí)施聲閥216。在這樣的實(shí)施例中，聲閥216可以包括多個(gè)單獨(dú)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(shí)施例中聲閥216可以是靜電或壓電致動(dòng)的。在其他實(shí)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(jié)構(gòu)202、膜204和聲瓣220的可變流量換能器200d。根據(jù)各種實(shí)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(zhuǎn)。在這樣的實(shí)施例中，壓電致動(dòng)層224被形成在膜204的頂面上并且當(dāng)控制信號(hào)（諸如致動(dòng)電壓）被施加于壓電致動(dòng)層224時(shí)促使聲瓣220偏轉(zhuǎn)。在各種實(shí)施例中，聲閥218對(duì)應(yīng)于如在上文中參考圖6b所述的聲閥181。在其他實(shí)施例中，可變流量換能器200d和聲閥218可以被修改成對(duì)應(yīng)于如在上文中參考圖6a描述的聲閥180。

在各種實(shí)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(shí)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(jìn)一步的其他實(shí)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(shí)施例可變流量換能器111a和111b的側(cè)視圖橫截面?？勺兞髁繐Q能器111a和111b中的每個(gè)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(dòng)結(jié)構(gòu)116。根據(jù)各種實(shí)施例，以各種不同數(shù)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(shí)施例中，外圍區(qū)123b是固體。在各種實(shí)施例中，膜112的偏斜在中心附近最大并且在錨點(diǎn)附近最小。

在其他實(shí)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(shí)施例中，中心區(qū)123a是固體。在這樣的實(shí)施例中，致動(dòng)結(jié)構(gòu)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(jù)各種實(shí)施例，可以在膜的任一部分中布置任何數(shù)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(shí)施例可以包括在膜上以同心圓布置的兩個(gè)、三個(gè)或更多聲閥，諸如分別在圖8a和8b中針對(duì)可變流量換能器111a和可變流量換能器111b所圖示的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到用于實(shí)施例可變流量換能器的實(shí)施例聲閥的數(shù)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(shí)施例的范圍內(nèi)。

圖9a、9b和9c圖示包括底膜252和頂膜254的另一實(shí)施例可變流量換能器250的側(cè)視圖橫截面和頂視圖。根據(jù)各種實(shí)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(huì)重疊。在這樣的實(shí)施例中，當(dāng)在底膜252和頂膜254之間施加電壓差時(shí)，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(dāng)在底膜252和頂膜254之間不施加電壓差或施加小電壓差時(shí)，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(jù)各種實(shí)施例，當(dāng)聲通口256和聲通口258被密封時(shí)，底膜252和頂膜254是聲固的（acousticallysolid），即聲可見或不透聲的（acousticallyopaque）。當(dāng)聲通口256和聲通口258開啟時(shí)，底膜252和頂膜254是透聲的。

在各種實(shí)施例中，底膜252和頂膜254被驅(qū)動(dòng)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(duì)形成具有低于較低第二頻率的頻率的聲信號(hào)的正聲壓和負(fù)聲壓成形。在一些實(shí)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(hào)。

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

根據(jù)各種實(shí)施例，底膜252和頂膜254被驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)施例中，底膜252和頂膜254被一起驅(qū)動(dòng)以便以高于可聽頻率范圍的較高頻率振蕩。

根據(jù)可替代實(shí)施例，底膜252和頂膜254可以被致動(dòng)成壓電開啟和密封聲通口256和聲通口258。在這樣的實(shí)施例中，可選的壓電致動(dòng)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(shí)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(shí)間的關(guān)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(jù)各種實(shí)施例，膜被壓電或靜電驅(qū)動(dòng)以便以高于可聽范圍的一個(gè)或多個(gè)頻率振蕩。例如，膜可以被驅(qū)動(dòng)成以膜的諧振頻率（諸如例如100khz）振蕩。

在各種實(shí)施例中，在振蕩期間調(diào)整膜的聲阻抗以便生成經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)。在一些實(shí)施例中，當(dāng)膜正減速（這可以被稱為制動(dòng)）時(shí)聲閥被開啟。圖10b圖示制動(dòng)波形276和容積流量波形272，它們對(duì)應(yīng)于圖10a中的膜加速度波形272的加速和減速。

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

當(dāng)膜正加速時(shí)（即當(dāng)制動(dòng)波形276具有為0的值時(shí)），聲閥是關(guān)閉的。在這樣的實(shí)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(zhì)（例如空氣）的容積流量被增大。在一些實(shí)施例中，在加速時(shí)段278期間，當(dāng)制動(dòng)波形276具有為0的值時(shí)，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(dòng)波形276和容積流量波形274相對(duì)應(yīng)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(duì)于正位移（1,0）和負(fù)位移（0，-1）來說，如這里描述的針對(duì)沒有實(shí)施例聲閥的膜的容積流量可以是相等的。根據(jù)各種實(shí)施例，如由50%容積流量波形284所示的，對(duì)于正位移（1,0）和負(fù)位移（0，-1）來說，如這里描述的針對(duì)具有實(shí)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(shí)施例中，當(dāng)聲閥開啟時(shí)（諸如在制動(dòng)期間），膜是50%透聲的，這產(chǎn)生50%的容積流量（對(duì)于50%容積流量波形284的負(fù)值）。當(dāng)聲閥是關(guān)閉的時(shí)（諸如在加速期間），膜是不透聲的，這產(chǎn)生100%的容積流量（對(duì)于50%容積流量波形284的正值）。

根據(jù)各種實(shí)施例，聲閥控制的極性可以被切換以便對(duì)可聽聲信號(hào)的正半波和負(fù)半波成形。通過策略性地開啟和關(guān)閉聲閥，可以從較高的頻率振蕩來對(duì)正聲壓級(jí)和負(fù)聲壓級(jí)成形。在各種實(shí)施例中，聲透過性的質(zhì)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(shù)目、尺寸、形狀、分布和操作有關(guān)。

圖11圖示實(shí)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(jīng)過調(diào)制的聲波形294。根據(jù)各種實(shí)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(hào)，諸如在上文中參考圖2b中的載波信號(hào)csig所述的。經(jīng)過調(diào)制的聲波形294是從高頻波形290或高頻波形292形成的經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，諸如在上文中參考圖2b中的經(jīng)過調(diào)制的聲信號(hào)masig所述的。

根據(jù)各種實(shí)施例，聲閥的質(zhì)量以及膜中對(duì)應(yīng)的聲通路或穿孔影響膜的聲透過性。在特定實(shí)施例中，高頻波形290對(duì)應(yīng)于當(dāng)聲通路或閥開啟時(shí)50%聲可見（50%透聲）的膜，并且高頻波形292對(duì)應(yīng)于當(dāng)聲通路或閥開啟時(shí)10%聲可見（90%透聲）的膜。在這樣的實(shí)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(chǎn)生處于正加速度狀態(tài)的全容積流量和處于負(fù)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(chǎn)生處于負(fù)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(duì)于50%聲可見膜來說，當(dāng)聲閥開啟時(shí)的容積流量是不可忽略的，但是當(dāng)聲閥關(guān)閉時(shí)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(dāng)聲閥開啟時(shí)的容積流量對(duì)于50%聲可見的膜比對(duì)于10%聲可見的膜要大很多。

根據(jù)各種實(shí)施例，經(jīng)過調(diào)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(shí)施例中，經(jīng)過調(diào)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(dāng)聲閥開啟時(shí)膜的聲透過性的擴(kuò)展。

圖12圖示針對(duì)可變流量換能器的操作300的實(shí)施例方法的流程圖。根據(jù)各種實(shí)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(shí)施例中，步驟305包括致動(dòng)可偏轉(zhuǎn)膜來振蕩。該可偏轉(zhuǎn)膜可以以高于可聽范圍的一個(gè)或多個(gè)頻率振蕩。例如，在特定實(shí)施例中，該可偏轉(zhuǎn)膜以范圍從40khz到300khz的一個(gè)或多個(gè)頻率振蕩。

在各種實(shí)施例中，步驟310包括控制可偏轉(zhuǎn)膜中的多個(gè)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(shí)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(zhuǎn)膜中的多個(gè)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(shí)施例中提供高阻抗路徑可以包括關(guān)閉聲閥。在這樣的實(shí)施例中，高阻抗路徑可以包括非常大的聲阻抗。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種微機(jī)電系統(tǒng)mems換能器包括：附接到支撐結(jié)構(gòu)的可偏轉(zhuǎn)膜，被配置成促使可偏轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，以及耦合到可偏轉(zhuǎn)膜的致動(dòng)機(jī)構(gòu)。其他實(shí)施例包括對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)和裝置，每一個(gè)都被配置成執(zhí)行各種實(shí)施例方法。

在各種實(shí)施例中，該致動(dòng)機(jī)構(gòu)被配置成激發(fā)可偏轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)被設(shè)置在襯底上。在一些實(shí)施例中，聲閥結(jié)構(gòu)包括多個(gè)壓電閥。在這樣的實(shí)施例中，多個(gè)壓電閥可以被形成在可偏轉(zhuǎn)膜上。

在各種實(shí)施例中，聲閥結(jié)構(gòu)包括多個(gè)靜電閥。在這樣的實(shí)施例中，多個(gè)靜電閥可以被形成在可偏轉(zhuǎn)膜上。在一些實(shí)施例中，致動(dòng)機(jī)構(gòu)包括與可偏轉(zhuǎn)膜分開間隔距離的穿孔背板。在其他實(shí)施例中，致動(dòng)機(jī)構(gòu)包括形成在可偏轉(zhuǎn)膜上的壓電層。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種mems換能器包括設(shè)置在襯底上的支撐結(jié)構(gòu)，通過支撐結(jié)構(gòu)支撐并且將第一容積和第二容積分開的可偏轉(zhuǎn)膜，以及耦合到可偏轉(zhuǎn)膜的致動(dòng)結(jié)構(gòu)。該可偏轉(zhuǎn)膜包括在可偏轉(zhuǎn)膜中的多個(gè)可控聲路徑，在這種情況下多個(gè)可控聲路徑中的每個(gè)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(shí)施例包括對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)和裝置，每一個(gè)都被配置成執(zhí)行各種實(shí)施例方法。

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

在各種實(shí)施例中，多個(gè)可控聲路徑包括在可偏轉(zhuǎn)膜中形成的多個(gè)壓電閥。在一些實(shí)施例中，該多個(gè)可控聲路徑包括在可偏轉(zhuǎn)膜中形成的多個(gè)靜電閥。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種操作mems換能器的方法包括：致動(dòng)可偏轉(zhuǎn)膜來振蕩，控制可偏轉(zhuǎn)膜中的多個(gè)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(zhuǎn)膜中的多個(gè)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(shí)施例包括對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)和裝置，每一個(gè)都被配置成執(zhí)行各種實(shí)施例方法。

在各種實(shí)施例中，可偏轉(zhuǎn)膜被致動(dòng)成以高于40khz的頻率振蕩。在一些實(shí)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(gè)可控聲路徑來選擇性地生成正聲壓和負(fù)聲壓，在可偏轉(zhuǎn)膜以高于40khz的頻率振蕩時(shí)該正聲壓和負(fù)聲壓形成具有低于20khz的頻率的可聽聲信號(hào)。

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

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種mems換能器包括：附接到支撐結(jié)構(gòu)且包括第一多個(gè)穿孔的第一可偏轉(zhuǎn)膜，附接到支撐結(jié)構(gòu)且包括第二多個(gè)穿孔的第二可偏轉(zhuǎn)膜，耦合到第一可偏轉(zhuǎn)膜和第二可偏轉(zhuǎn)膜的關(guān)閉機(jī)構(gòu)，以及被配置成激發(fā)第一可偏轉(zhuǎn)膜和第二可偏轉(zhuǎn)膜的振蕩的致動(dòng)機(jī)構(gòu)。該第二多個(gè)穿孔從第一多個(gè)穿孔偏移。該關(guān)閉機(jī)構(gòu)被配置成通過在第一模式期間將第一可偏轉(zhuǎn)膜和第二可偏轉(zhuǎn)膜移動(dòng)成接觸來關(guān)閉通過第一可偏轉(zhuǎn)膜和第二可偏轉(zhuǎn)膜的聲路徑，并且通過在第二模式期間將第一可偏轉(zhuǎn)膜和第二可偏轉(zhuǎn)膜移動(dòng)成不接觸來開啟該聲路徑。在這樣的實(shí)施例中，當(dāng)聲路徑被關(guān)閉時(shí)，第一多個(gè)穿孔被密封到第二可偏轉(zhuǎn)膜并且第二多個(gè)穿孔被密封到第一可偏轉(zhuǎn)膜。其他實(shí)施例包括對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)和裝置，每一個(gè)都被配置成執(zhí)行各種實(shí)施例方法。

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

在各種實(shí)施例中，該致動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括穿孔背板，其被附接到支撐結(jié)構(gòu)并且被配置成在穿孔背板與第一可偏轉(zhuǎn)膜和第二可偏轉(zhuǎn)膜之間生成靜電力。在其他實(shí)施例中，該致動(dòng)機(jī)構(gòu)包括被配置成在第一可偏轉(zhuǎn)膜上生成第一力以及在第二可偏轉(zhuǎn)膜上生成第二力的壓電結(jié)構(gòu)。

這里描述的各種實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)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(jí)信號(hào)。這里描述的各種實(shí)施例的其他優(yōu)點(diǎn)可以包括具有可控聲阻抗的可偏轉(zhuǎn)膜。各種實(shí)施例的一些優(yōu)點(diǎn)可以包括形成不具有或具有降低的負(fù)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(fù)聲壓的能力。

盡管已經(jīng)參考說明性實(shí)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(dāng)參考該描述時(shí)，該說明性實(shí)施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。因此，意圖使所附權(quán)利要求涵蓋任何這樣的修改或?qū)嵤├?/p>