专利名称：用微电子机械系统技术感测声音信号的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用微电子机械系统技术感测声音信号的系统和方法。
背景技术：
麦克风是将气压取样(即声信号)转换成电信号的转换器。在典型的动力麦克风中，麦克风的振动膜相对磁场移动线圈，使电流流入线圈。在典型的电容式麦克风中，麦克风的振动膜(如带电荷的金属电极板，驻极体等)相对于刚性背板移动，使电流从电源流出，在麦克风振动膜与刚性背板之间产生恒定的电位差。
风噪声会干扰麦克风感测声音信号的能力。比如，当一个人冲着麦克风讲话时，风噪声会掩盖这个人的声音，致使与麦克风相连的装置(如扩音器、录音器、送话器、扬声器等)传出的声音含混不清。风噪声还可以掩盖重要的声音信息，使比如自动目标/对象识别装置，方位辨别等系统等自动系统的性能下降。
有些麦克风配置了风挡，覆盖在麦克风上，意在减少由麦克风感测到的风噪声。常规的风挡，常见于覆盖在电视记者手持的麦克风上面，它是由海绵制成，并呈球形(如覆盖在麦克风上，直径约为10厘米的海绵球)。这种风挡已经被使用多年，并且可以有效的去除会使关键的声音(如电视记者的声音)含混不清的风噪声(如令人讨厌的隆隆声)。
一些科学实验试图以电去除的方式，从目标位置的声音与风噪声中去除风噪声(比如要从过往的卡车中获得声信号)。通常，这些试验利用麦克风传感声音和风压，在麦克风周围(比如距离麦克风几毫米处)设置一套热线式风速计，用以感测风速，并用计算机设备存储和处理由麦克风感测到的声音和风压，同时，由热线式风速计所测得的风速。典型的热线式风速计是一种脆性的装置，它通过加热一小段线路(比如一段1.5mm长的钨或铂)，测量由于风吹过线路所造成的热损失(热量或能量的损失与风速直接相关)。
下面将说明一种实现上述试验的方法。第一模-数(A/D)转换器将来自麦克风的信号转换成数字化的声音和风压信号，这些信号被保存在计算机的存储器中。同时，第二A/D转换器将来自热线式风速计的信号转换成数字化的热损失信号，这些信号也被保存在存储器中。接下来，数字信号处理器处理声音和风压信号以及热损失信号。特别是，采用一种算法，可以利用热损失信号产生风压数据，并从声音和风信号中减去风压数据。尽管实验结果仍是混合信号， 但理论结果应该是能够从目标位置获得一个已经除去了风噪声的声音信号。
上述实验参考以下两篇文章的全部内容，一篇是在1998年10月的Acoustical Society of America 136thMeeting Lay Language Paper中，由Shust等人著的名为“Electronic Removal of Outdoor Microphone Windownoise”的文章。另一篇是在1997年1月的AIAA期刊第35卷第1期中，由McGuinn等人著的题为“Low Flow-noise Microphone for Active NoiseControl Applications”的文章。这些实验提供了令人振奋的试验结果，但前提是传送到麦克风振动膜上的气流充分正常。本文参考的另一个相关的实验和风信号算法(如流体动力学方程)，在密歇根工学院1998年3月6日的电器工程博士论文(Ph.D.Dissertation in Electrical Engineering)中由Shust著的题为“Active Removal of wind Noise from Outdoor Microphoneusing Local Velocity Measurements”的论文中有所描述。
发明内容
遗憾的是，传统的减少麦克风感测到风噪声的方法有一些不足之处。例如，上述传统的风挡体积庞大，因此影响了一些特定的麦克风的应用(如在助听器、免提电话设备、隐藏监视设备等方面的应用)。另外，这种风挡的体积庞大，有碍于当前麦克风和声音系统小型化的趋势(如掌上摄像机、手机等)。此外，要想保持风挡去除风噪声的效果，风挡就无法实现小型化。
至于上文提到的另外一种传统方法，是在麦克风周围设置一套热线式风速计，以电的方式去除麦克风所感测的声音和风压信号中的风噪声，这种方法产生混合的效果，而且还不能像风挡那样有效地去除风噪声。这种混合的效果归因于多种因素。比如，热线式风速计不能感测来自麦克风所处位置的风噪声，而是感测麦克风临近位置的风噪声(即距离麦克风几毫米处)，而这种风噪声与麦克风所处位置的风噪声相比具有显著差别。而且，当吹向风速计的风经过麦克风时，麦克风周围的气流使风速计处的风速发生变化，从而使系统引入误差。另外，这种方法只有在吹到麦克风振动膜上的风充分正常时才是有效的。
此外，上述传统的以电的方式去除风噪声的方法还有一些实施上的缺陷。比如，有些方法需要大量的计算机设备(比如多个A/D转换器、存储信号信息的存储器、应用对声音和风压信号及风速信号进行数字信号处理的技术等)。此外，这些方法是在信号信息被数字化并被保存到存储器以后，从声音和风信号中减去风压数据，这就需要用到存储器，并且需要等待的时间。这样的置后处理方法不适用于某些特殊应用，比如需要使用中(即实时地)去除风噪声的声音系统，例如，现场广播、手机、军用/国防战场传感器、助听器等。
与上述传统的减少风噪声的方法相比，本发明的几种具体实施例都提供一种使用微电子机械系统(MEMS)技术直得声音信号的方法。譬如，可以将像麦克风和热线式风速计这样的感测部件布置在一个MEMS器件中(如在一个位置上以极小的间隔设置或者相互接触)。因此，基本上可以在同一位置感测风速、声音和风压。于是，根据风速生成一个精确的风压信号，然后，再从声音和风压信号中减去所生成的风压信号，这样就给出一个去除风噪声的精确声音信号。
按照本发明的一种方案，提供一个声音系统，所述声音系统包含声音传感器和处理电路。所述声音传感器包括(i)基座，(ii)被支撑于所述基座上的麦克风，该麦克风有一个麦克风振动膜，和(iii)置于所述基座上的热线式风速计，该热线式风速计有一组热线延展部件。这组热线延展部件的一个平面与麦克风振动膜完全平行。
所述处理电路从麦克风接收声音和风压信号，从热线式风速计接收风速信号，并根据从麦克风接收的声音和风压信号与从热线式风速计接收的风速信号给出一个输出信号(比如去除风噪声的精确声音信号)。因为热线延展部件的一个平面与麦克风振动膜完全平行，所以热线延展部件与麦克风振动膜可以彼此靠得非常近(比如分开微小的、有限的距离)，或者甚至彼此接触，这样就可以感测到同一位置的精确的风速、声音和风压。
按照一种方案，第一层导电材料是麦克风振动膜(比如多晶硅、硅化物等)，第二层导电材料是这组热线延展部件(比如钨)。按照这种方案，所述基座包括衬底(比如硅)，用来支撑所述第一层和第二层导电材料。因此，可以作为MEMS器件实现所述声音传感器。由于这种MEMS声音传感器能够给出去除风噪声的声音，所以可以将这种MEMS声音传感器称作MEMS电子风挡麦克风(MEWM)。
按照一种方案，所述声学传感器麦克风还包括一个刚性部件(如一块背板)，它与麦克风振动膜完全平行，形成电容式麦克风的空腔。按照这种方案，第三层导电材料是麦克风的刚性部件。所述衬底支撑所述第三层导电材料。最好使所述麦克风振动膜一直延伸到所述基座，在热线延展部件与电容式麦克风空腔之间形成密封。有此，则麦克风振动膜可阻止沾染物(如灰尘、湿气、颗粒、碎片等)沿着所述热线延展部件进入电容式麦克风的空腔。沾染物进入电容式麦克风的空腔将导致麦克风操作失效。
按照一种方案，所述这组热线延展部件包括多个钨丝电桥，这些电桥在热线延展部件限定的平面内完全平行。因此，为了获得能转换成风速的热量损失值，可以加热钨丝电桥，并测量风吹过电桥所造成的热量损失。
按照一种方案，所述声音传感器还包括一层由衬底支撑的保护材料(如氮化硅)。最好将这层保护材料做成网格状，从而，使声波能从外面通过保护材料到达这组热线延展部件和麦克风振动膜。相应地，这种网格可以使声音和风从外面进入风速计和麦克风，也还降低了污物进入风速计和麦克风的可能性。
按照一种方案，所述第一层导电材料确定多个麦克风振动膜。最好使多个麦克风振动膜排列成二维N×M的麦克风振动膜阵列(N和M是正整数)。另外，所述第二层导电材料确定多组热线延展部件。最好使多组热线延展部件排列成二维N×M的热线延展部件组的阵列，并与所述二维N×M的麦克风振动膜阵列对应。由此，所述声音传感器有多个感测部件(一对麦克风和风速计)，用以增加稳定性，譬如，增强容错能力，提高信噪比(即在一些特殊的感测部件中减少随机噪声)等。
按照一种方案，所述二维N×M的麦克风振动膜阵列包括第一行麦克风振动膜，用以响应第一频率范围(如0-10KHz)内的声波；还包括第二行麦克风振动膜，用以响应第二频率范围内的声波；所述第二频率范围与第一频率范围不同(比如是10-20KHz)。其他各行可以响应其他的频率范围。于是，这种声音传感器能专门适用于感测特殊类型的声音(比如语音、汽车信号等)。
按照一种方案，所述处理电路包括一个转换级，用于将热线式风速计测得的风速信号转换成含有风压分量的模拟风压信号，还包括一个输出级，用于从麦克风的声音和风压信号中减去模拟风压信号的风压分量，从而生成输出信号。为了实时输出去除了风噪声的声音信号，所述方案可以实时地进行操作。因此，这种方案适用于需要当场去除风噪声的场合，如现场广播、手机、军用/国防的战场传感器、助听器等。
按照一种方案，所述转换级和输出级是设在专用集成电路(ASIC)内的模拟电路。这样就可以在很小的空间内封装整个系统(如声音传感器的MEMS器件和处理电路的ASIC器件)。
按照一种方案，所述处理电路包括一个相关级，用于使风速信号数字化，并使数字化的风速信号与检查表中的一系列风压值联系起来，以相关信号的形式提供一系列的风压值。这里的处理电路还包括一个输出级，用于(i)从相关级接收相关信号，(ii)从麦克风接收声音和风信号，(iii)从声音和风压信号中减去这串风压值，然后生成输出信号。这种方案对风速信号使用一种算法。按照这种方案，所述系统不需要转换级，或者可以绕过转换级。
如上所述，可将本发明的特点用于声音系统、声音装置和声音方法以及其他电子设备，例如，麻萨诸塞州Wilmington的Textron Systems公司的一些设备。
在下面的本发明优选实施例中，将参考附图详细说明本发明的上述以及其他目的、特点和优点；所有附图中描述的相同部分都采用相同的附图标记。
图1是适用于本发明的声音系统的方框图；图2是图1的声音系统中声音传感器各部分的透视图；图3是当图1中声音传感器用作微电子机械系统(MEMS)器件时的侧视剖面图；图4是附图3中声音传感器的俯视图；图5是图3和4中声音传感器的热线式风速计所用的热线部件的俯视图；图6是使用图1之声音系统的程序流程图；图7是具有声音感测部件阵列的声音传感器的俯视图；图8是可供选的声音系统的方框图，该声音系统有多个级，用以根据风速的测量值生成风压信号；图9是一个MEMS结构的剖面图，所述结构包括衬底、外延层、一层导电材料和光刻胶区域(比如使用光刻及光掩膜技术后布图后)；图10是图9中的MEMS结构去掉部分导电材料层和光刻胶区域后的剖面图；图11是图10中的MEMS结构被附加了低温氧化层和光刻胶区域后的剖面图；图12是图11中的MEMS结构已经去掉低温氧化层部分和光刻胶区域后的剖面图；图13是图12中的MEMS结构被附加了聚酰亚胺并使结构表面被抛光之后的剖面图；图14是图13中的MEMS结构被附加了一层导电材料(如钨)后的剖面图；图15是图14中的MEMS结构被附加了光刻胶区域后的剖面图；图16是图15中的MEMS结构已经去掉导电材料层和光刻胶区域后的剖面图；图17是图16中的MEMS结构被附加了聚酰亚胺后的剖面图；图18是图17中的MEMS结构被附了光刻胶区域后的剖面图；图19是图18中的MEMS结构已经去掉部分聚酰亚胺和光刻胶区域后的剖面图；图20是图19中的MEMS结构被附加了一层基座材料(如等离子增强化学气相淀积的氮化物)和光刻胶区域后的剖面图；图21是图20中的MEMS结构已经去掉基座材料部分和光刻胶后的剖面图；图22是图21中的MEMS结构被附加了一层保护层材料后的剖面图；图23是图22中的MEMS结构在衬底(即MEMS器件的底部)上被附加了光刻胶区域后的剖面图；图24是图23中的MEMS结构已经去掉衬底部分(如各向异性的湿法蚀刻)后的剖面图；图25是图24中的MEMS结构已从衬底上去除光刻胶部分后的剖面图；图26是另一种MEMS结构的侧向剖面图，该MEMS结构包括衬底、硼硅玻璃层、外延层、导电材料层和光刻胶区域；图27是图26中的MEMS结构已经去掉导电材料层部分和光刻胶区域后的剖面图；图28是图27中的MEMS结构被附加了光刻胶区域后的剖面图；图29是图28中的MEMS结构已经去掉外延层和光刻胶区域部分后的剖面图；图30是图29中的MEMS结构的剖面图，在将所述MEMS结构反转后该结构剩余的外延层和导电材料层上被附加了一层保护材料层，并且在硼硅玻璃层部分和衬底部分覆盖了光刻胶区域后，经各向异性蚀刻，以形成电容式麦克风的空腔部分；图31是一种MEMS器件的剖面图，这种MEMS器件是把图25的MEMS结构与图30的MEMS结构压焊在一起(如经过阳极焊)，并去除保护层后形成的，用以形成具有多个声音传感器的MEMS器件；图32是适用于图1中声音系统的MEMS器件形成过程的流程图；图33是另一种MEMS结构的侧面剖面图，该结构包括衬底和光刻胶区域；图34是图33中的MEMS结构的侧视剖面图，该结构已经去除了部分衬底和光刻胶区域，形成多个孔，或者作为选择，是在固体衬底上已经钻通多个孔；图35是图34中的MEMS结构的侧视剖面图，该结构已经在衬底上覆盖了一层导电材料，使所述衬底内的孔是敞开的(比如在衬底上电子束蒸发一层导电材料)；图36是图35中的MEMS结构被附加了光刻胶区域后的侧视剖面图；图37是图36中的MEMS结构已经去除导电材料部分和光刻胶区域后的侧视剖面图；图38是一种MEMS器件的剖面图，该MEMS是将图25中的MEMS结构与图37中的MEMS结构压焊在一起(如经阳极焊)，并去除保护层后形成的，以形成具有多个声音传感器的MEMS器件；图39是图23中的MEMS结构已经去除部分衬底(如各向异性等离子蚀刻)后的剖面图。
具体实施例方式
本发明的各实施例均涉及利用微电子机械系统(MEMS)技术获得声音信号的方法。譬如，可将诸如麦克风和热线式风速计之类的感测部件设置在MEMS器件内(比如，可按有限的精密分开被布置在一个位置处)。因此，可在几乎同一位置处测量风速、声音和风压。结果，根据该位置的风速生成风压信号，然后从该位置的声音及风压信号中减去所生成的风压信号，从而提供去除了风噪声的精确声音信号。
图1是适用于本发明的一个声音传系统40的方框图。所述声音传系统40包括声音传感器42和处理电路44。所述声音传系统40还包括附加电路46(例记录器、放大器、送话器等)。所述声音传感器42包括用于感测风速的热线式风速计48和用于感测声音及风压的麦克风50。所述处理电路44包括转换级52，用于将风速信息转换成风压信息，还包括输出级54，用于输出去除了风噪声的声音信息。所述声音系统40可有效的去除进入麦克风50的非固定和非线性的风噪声，而不需要有传统的泡沫状的风挡。仅作为示例，所述附加电路46包括模-数(A/D)转换器56和数字信号处理器58，用于处理从输出级54输出的声音信息。
最好将所述声音传感器42做成一个MEMS器件(即微机械器件)。这样，所述声音传感器42就适用于小型化的情况，如掌上摄像机、手机、隐蔽的监视设备等。也可以用于非小型化的情况(如手持麦克风)。因为声音传感器42能够提供去除了风噪声的声音信息，所以可以将声音传感器42的MEMS器件方便地称作MEMS电子风挡麦克风(MEWM)。
此外，可将所述处理电路44封装在单个集成电路(IC)内，例如专用集成电路(ASIC)。按照一种方案，所述处理电路44是ASIC内的一个专有的模拟电路，这样就减少了对多个A/D转换器的需求，也就是所述附加电路46只有一个A/D转换器来使声音系统40的信息数字化，而不是像上述的以往科学实验中那样，需要多个转换器来分别转换风速信号、声音和风压信号。可将多个声音传感器42作为一个MEMS器件来实现，并且模拟电路能去除输出级54输出的声响/声音中的风噪声。按照另一种方案，可将所述处理单元44可以作为混合电路来实现，也就是将多个IC封装块装配到一个小型电路板上。
在声音系统40的工作过程中，为了获得清晰的没有风噪声的声音信号，所述声音系统40将原始的物理风速信号(即风/紊动气流/速度信号)转化成声音的等效电信号，并从包括声音和风压部分的全部麦克风信号中减去该电信号。特别是，热线式风速计48为转换级52提供一个风速信号60(即热损失信号)。转换级52将风速信号60转换成风压信号62，并将该风压信号62输送到所述输出级54。该输出级54从转换级52接收所述风压信号62，同时，还从麦克风50接收声音及风压信号64，并向所述附加处理电路46输出一个输出信号66。所述输出信号66是根据来自转换级52的风压信号62和来自麦克风50的声音及风压信号64生成的。特别地，所述输出信号66包括由麦克风50感测的已经去除了风噪声的声音。按照一种方案，所述输出信号66是模拟信号，可以通过A/D转换器56将其转换成数字信号68，为的是利用数字信号处理器58对其进行信号处理。
应该理解，由于风速信号60和风压信号62之间的转换，造成了声音及风压信号64与风压信号62之间的延迟，可以通过在声音及风压信号64中引入一个小的延迟补偿这种延迟。可以通过使用较长的导体(如较长的导电材料通路、较长的蚀刻线等)、延迟缓冲器等来实现这种小的延迟。以下将参考图2对进一步说明本发明。
图2表示图1中声音传感器42的组件70的透视图。组件70包括构成麦克风50(即电容式麦克风)的麦克风振动膜72和刚性部件74(即刚性背板)。所述刚性部件74上确定孔76。组件70还包括热线式风速计48的一组热线延展部件78-A、78-B…(共同组成所述延展部件78)。这组热线延展部件78与麦克风振动膜72严格地平行。组件70还包括一层网格状的保护材料层80(如纵横交错的栅格)。声音和风86可以通过热线延展部件78和保护材料80的网格内的孔84之间的间隙82激活麦克风50。下文将参考图3和4进一步说明本发明。
图3和4分别给出图1中声音传感器42的侧视剖面图90和图3中平面106的俯视图110(即麦克风振动膜72的平面106)。如图3和4所示，声音传感器42包括基座94，它用以支撑麦克风振动膜72和刚性部件74(也可见图2)。按照一种方案，所述声音传感器42为MEMS器件，而且基座94是由多层材料形成的(如硅、外延硅、低温二氧化硅、等离子氮化物等)。基座94还支撑热线延展部件78(图4中的虚线所示)以及保护材料80的网格(图4中未示出)。
基座94在麦克风振动膜72和刚性部件74之间形成电容式麦克风的空腔96，以及通向外部位置100的声音传感器开口98。通过热线延展部件78和保护材料80网格内的孔84之间的间隙82，声音102和风104可以从外部位置100传到麦克风振动膜72。刚性部件74中的孔76使空气能够进出所述电容式麦克风的空腔，这就使麦克风振动膜74在响应声音102和风104时，易于相对刚性部件74振动。
应予理解的是，由于麦克风振动膜72很好的密封了电容式麦克风的空腔96，所以能防止沾污物(如灰尘、湿气、粉末等)从位置100进入电容式麦克风的空腔96中。此外，声音传感器42的器件封装也能阻止沾污物通过孔76(即通气孔)进入电容式麦克风的空腔96。
麦克风50是电容式麦克风。即随着麦克风振动膜72的振动，它和刚性部件74之间的距离发生变化。当电源在麦克风振动膜72与刚性部件74之间提供恒定电位差时，通过电源流向麦克风振动膜72和刚性部件74的电流变化，可以检测麦克风振动膜的振动。只是作为示例，图4示出通向麦克风振动膜72的蚀刻线112和焊盘114(即电源线)。类似的结构可以用来连接刚性部件74。
应予理解，所述一组热线延展部件78的平面106与麦克风振动膜72严格平行。此外，还应理解，可以优选微机械器件实现所述声音传感器42，从而使这组热线部件78基本上与麦克风振动膜72配置于一起，也就是说，热线延展部件78与麦克风振动膜72之间有极小的间隔(比如几个微米)，或者作为选择也可以彼此接触。因此，热线式风速计48和麦克风50可在同一位置分别感测风速、声音和风压。另外，由于这种配置，声音传感器42对各个方向的声音和气流都是有效的，而不需要像有些科学实验中那样要求流向麦克风振动膜的声音和气流充分正常。以下将参考图5进一步说明本发明。
图5是热线式风速计48内热线部件120的俯视图。所述热线部件120包括一组热线延展部件78(也可参见图2和4)，一组连接部件122和一组焊盘124。连接部件122-A将各热线延展部件78的尾部连接到焊盘124-A，另一连接部件122-B将各热线延展部件78的另一尾部连接到另一焊盘124-B。如上所述，这组热线延展部件78由基座94支撑，因此各延展部件78就形成一个与麦克风振动膜72严格平行的平面106(参见图3)。
工作期间，由于电流的流过，使这组热线延展部件78(如钨)温度升高。风经过各热线延展部件78而带走热量，因而导致流过各热线延展部件78的电流或电压发生变化，这种变化可被处理电路44检测到。因此，热线延展部件78能精确的指示风速，这个风速可以转换成风压信号。以下将参考图6进一步说明本发明。
图6表示使用图1的声音系统40时的程序130。在步骤132，为了在一个特定的位置检测声音、风压以及风速，使用了音传感器42(可参见图3和4)。回顾所述声音传感器42包含一组热线延展部件78，这组热线延展部件78有一个与麦克风振动膜72严格平行的平面106，这样就将热线式风速计48与麦克风50配置在一起(比如在一个MEMS器件内)。
在步骤134，声音传感器42中的麦克风50响应麦克风振动膜72上的声音和风压，生成一个声音及风压信号64(可参见图1)。按照一种方案，所述麦克风50生成一个电流信号，作为所述声音及风压信号64。而按另一方案，所述麦克风50生成一个电压信号，作为所述声音及风压信号64。
在步骤136，声音传感器42中的热线式风速计48响应所述一组热线延展部件78上的风速，生成风速信号60。按照一种方案，这组热线延展部件78包括一组钨丝电桥，用以提供一个电流信号，作为所述风速信号60(即热损失信号)。而按另一方案，所述风速计48提供一个电压信号，作为所述风速信号60。同时进行步骤134和136是更为可取的，所以声音及风压信号64和/或风速信号62不会发生延时，或者只需有最小的延时(例如使用一个或多个延使缓冲器)。
在步骤138，处理电路44根据所述声音及风压信号64和风速信号60生成输出信号66。特别是所述处理电路44中的转换级52，它将风速信号60转换成一个含有风压分量的模拟风压信号62(即风压电流信号)。然后，所述输出级54根据来自麦克风50的声音及风压信号64和来自所述转换级52的模拟风压信号62，生成输出信号66。比如，输出级54从声音及风压信号64中减去模拟风压信号62中的风压分量。所述输出信号66是麦克风感测到的去除了风噪声后的声音信号。所述输出信号66还可受到附加电路46的处理(如滤波、放大、数字化、存储、复制、传输等)。以下将参考图7进一步说明本发明。
应予理解，上述包含一个热线式风速计48和一个麦克风50的声音传感器42仅只是一个示例。在其他的方案中，所述声音传感器42包含多对风速计和麦克风。图7表示具有多个声音感测部件142的声音传感器140的俯视图。每个声音感测部件142包含图3和4所示的被配置于一起的一个热线式风速计48和一个麦克风50(即一对风速计/麦克风)。也就是说，各感测组件的热线式风速计48和麦克风50被集成在一起。按照一种方案，将所述各热线延展部件78设置在麦克风振动膜72的正上方(比如只有几微米的微小间隔)。按另一方案，将所述各热线延展部件78设置在麦克风振动器72的顶部(即相互接触)。这两种方案都能精确地测量风速，都优于传统的用一个或几个热线式风速计的试验，传统试验中热线式风速计距离麦克风有几毫米(甚至更远的距离)。
在声音传感器140内，所述各声音感测部件142被排列成N×M的阵列(仅为示例，图7中N和M等于3)。因此，声音传感器140基本上是一个微型声音传感器阵列。
如果将声音传感器140做成一个微机械器件，这种声音传感器140最好包括导体通路144-1、144-2...(共同构成导体144)，这些导体通路有条理地将过声音感测部件142的各热线式风速计48和麦克风50连接到处理电路44(可参见图1)。回顾图4，它示出一个连接麦克风振动膜72和焊盘114的短的导体通路112。最好是类似的、但较长的导体通路144，从每个声音感测部件142延伸到外部阵列140的焊盘位置，所以外部导线(未示出)可以实现声音传感器阵列140与处理电路44之间的电连接。仅为示例，图7以列的形式示出各连接声音感测部件142的导体144。
按照一种方案，将每个声音感测部件142调整到不同的特定频率范围。例如，将声音传感器140的第一声音感测部件142调整到0-10KHz的第一频率范围，将第二声音感测部件142调整到10-20KHz的第二频率范围等。这就使得所述声音传感器140能适用于特殊的频率范围，实现特定的目标(比如感测特殊的声音信号、整体覆盖较宽的频率范围等)。
按照另一种方案，将声音感测部件142排列成组，比如，部件142的列，部件142的行，部件142的I×J阵列(I和J是正整数)等。将每组调整成接收不同频率范围内的声音和风压(例如第一频率范围0-10KHz、第二频率范围10-20KHz等)。通过逐组的改变声音感测部件142的一个或多个物理特征(如数目、形状、大小、厚度等)能完成这样的调整。就是说，可以调整第一组声音感测部件142中的麦克风振动膜72的特征，使它响应第一频率范围，调整第二组声音感测部件142中的麦克风振动膜72的特征，使它响应第二频率范围等。仅为示例，图7中声音传感器140内的第一列声音感测部件142被调整到0-10KHz的第一频率范围，第二列声音感测部件142被调整到10-20KHz的第二频率范围，第三列声音感测部件142被调整到20-30KHz的第三频率范围。
应予理解，声音传感器140具有很高的稳定度。例如，由于声音感测部件142的尺寸微�。宜堑氖恐诙啵阅芙虾玫娜コ肷�(即有较好的信噪比)、增强信号、提高容错能力等。以下将参考图8进一步说明本发明。
图8示出了一种适用于本发明的声音系统150。所述声音系统150与图1的声音系统40类似，它包括声音传感器42，所述声音传感器42具有感测风速用的热线式风速器48和感测声音和风压用的麦克风50。并且所述声音系统150与声音系统40有类似的工作方式(参见图2-6)。作为选择，所述声音系统150包含图7的声音传感器140。
图8中的声音系统150还包括处理电路152。所述处理电路152具有转换级52、输出级154、相关级156和一个或多个检查表158。所述处理电路152与图1的处理电路44有类似的工作方式，即转换级52能将风速信息转换成风压信息，输出级154能输出去除了风噪声的声音信息。特别是，所述转换级52能将风速信号60转换成风压信号62，并将风压信号62输送到输出级154。输出级154能从转换级52接收风压信号62，同时从麦克风50接收一个声音及风压信号64，并根据来自转换级52的风压信号62和来自麦克风50的所述声音及风压信号64生成输出信号164。这个输出信号164是由麦克风50感测的并去除了风噪声的声音信号。
处理电路152还能以绕过转换级52的方式工作。在此情况下，相关级156使风速信号60关于风压信号162具有高保真。特别是，相关级156根据风速信号60生成数字化的风速信息，并对数字化的风速信息实行一种算法(如一种或多种流体动力学算法、实时DSP算法等)，以生成风压信号162。按照一种方案，所述检查表158包含一列含有风压值的项，并且相关级156的处理器(比如在嵌入程序中运行)从已被数字化的风速信息(如风速信号60的电流值)中生成一系列的关键字(指针)。这种关键字用于识别检查表158中的项。处理器根据这些关键字从检查表158中查找风压值(即查找一系列与风速信号60相关的风压值)，并将风压信号162中的这些数值提供给输出级154(例如使用数模转换器转换后的的模拟信号)。输出级154执行减法操作，生成去除了风噪声的声音信号，作为所述输出信号164。因此，用户可按多种操作模式做出选择(即使用转换级52或绕过转换级52)，以及使用相关级156，这都取决于该种模式能更好的去除特定位置的风噪声。
应予理解，所述相关级156可以包含D/A转换器，用来为输出级154提供风压信号162的模拟信号。另外，所述风压信号162可以是一个数字信号，输出级154可以包含一个A/D转换器，在生成输出信号164之前使声音和风压信号64数字化，并根据数字的风压信号1 62和(数字化的)声音及风压信号64生成输出信号164。
还应当理解，对风速信号60实行的所述一个或多个算法可以是传统的算法(如成熟的宏观流体力学方程、最近发展的微观流体力学方程、基于声音系统140特殊应用的动态输入方程，或者他们的组合)。例如，用户最初可以使用宏观流体力学方程来操作声音系统140。然后，用户可以引入一个特殊的微观流体力学方程(即适用于微机械器件水平的流体力学方程)或用其替换一个宏观流体力学方程，并且运行声音系统140，以确定这样的引用或替换是否改善了输出信号164。之后，用户用动态输入流体力学方程(或者根据新的试验数据)来调整声音系统140，确定是否还能改善输出信号164，等等。
应该理解，上述的声音传感器40和140可以是MEMS器件。这样配置时，声音传感器40和140适用于小型化的使用，例如掌上摄像机、手机、隐蔽式监视设备等(以及非小型化的应用)。因此，声音传感器40和140适用于很多场合，在这些场合中，泡沫状的风挡很笨重，或者不适用。
本发明的各实施例涉及用于构成MEMS器件的方法，这种MEMS器件包括被配置在一起的热线式风速计48和麦克风50，并如上述，他们与声音传感器40和140相连。以下将参考图9至39详细说明如何能够构成这样的器件。
图9是一种MEMS结构的剖面图200，这种MEMS结构是经过了微机械加工得到，用以形成图7所示的声音传感器140(即有多个声音感测部件142的声音传感器)。应当理解，类似的MEMS结构可以用于形成图3和4中的声音传感器40(即单个的声音感测部件)。用于声音传感器40、140的微机械加工过程包括多个步骤，应保持MEMS结构的温度在摄氏700℃以下，而不能像传统的半导体制造工艺那样使温度等于或超过700℃。因此，当制造该MEMS器件的微设计结构时，不存在使用高温生产工艺所引致的形变或者形变很小。
如图9所示，MEMS结构最初包括衬底202、外延层204、层导电材料层206和光刻胶区208-A、208-B、...(一起构成光刻胶区208)。衬底202最好是单晶硅的，为了作为阻止蚀刻而工作，外延层204是有掺杂的外延硅。也就是说，外延层204的厚度可在1-10μm之间变化，可以用作湿法各向异性蚀刻(将有简短的说明)的组止蚀刻。标号206是导电材料层，如多晶硅、适宜的硅化物等。光刻胶区208是聚合物的，在蚀刻下层材料的过程中作为蚀刻掩膜。可利用正性抗蚀剂或负性抗蚀剂工艺(即紫外线曝光、显影、浸蚀等)，由光刻胶层形成光刻胶区域208。
图10是图9中MEMS结构去掉部分导电材料层206和光刻胶区域208后(即绘制及蚀刻金属后)的剖面图210。外延层204的末端为柔性配置。因而，外延层204上所保留的导电材料层206的各部分将最终形成声音传感器140的麦克风振动膜72(也可见于图2和4的麦克风振动膜72)。也就是说，导电材料层206能够响应风和声压，即风/气流的流动和声音的传播(声音)而移动。
图11是图10的MEMS结构附加低温氧化物(LTO)层222和新光刻区域224后的剖面图220。按照一种方案，低温氧化物(LTO)层222是二氧化硅，是利用化学气相淀积(CVD)工艺生成的(如使用CVD炉)。
图12是图11的MEMS结构去除部分LTO层222和光刻胶区域224后的剖面图230。剩余的LTO层222形成了声音传感器140的基座部分(即壁)(也可见于图3的基座92)。
图13是图12的MEMS结构附加聚酰亚胺242之后以及使结构表面平整化(比如用聚酰亚胺、回流以及灰化覆盖使MEMS结构表面平整化)之后的剖面图240。作为选择，也可以抛光MEMS结构，直至使LTO部分的顶部露出来。因此，聚酰亚胺242-A、242-B、...现在填充在LTO层222被去掉的部分所在的位置。
图14是图13的MEMS结构附加一层导电材料层252(如钨)后的剖面图250。按照一种方案，所述导电材料层252包括金属材料，如钨，用CVD的方法使钨覆盖在LTO层和聚酰亚胺部分上面。也可用其他材料，比如多晶硅、适宜的硅化物、碳，或者其他高阻抗材料，这些材料也都适用于MEMS或半导体生产工艺。
图15是图14的MEMS结构把光刻胶区262附加在在导电材料层252上之后的剖面图260。
图16是图15的MEMS结构去掉(如蚀刻掉)部分导电材料层252和光刻胶区域262后的剖面图270。导电材料层252的一些剩余部分形成声音传感器140中热线式风速计48的多组热线延展部件78(还形成焊盘124-A、124-B)。这些微机械加工的部件比传统的脆性热线式风速计部件更加稳定和具有弹性。导电材料层252的其它部分形成了部分基座(见图3的基座92)。
图17是图16的MEMS结构把另外的聚酰亚胺282附加在在导电材料层252的剩余部分和较早给出的聚酰亚胺242上之后的剖面图280。聚酰亚胺242，282为导电材料层252的剩余部分提供保护和支撑，但最终将被去掉。
图18是图17的MEMS结构把光刻胶区292-A、292-B、...附加在在聚酰亚胺282上之后的剖面图290。
图19是图18的MEMS结构去掉(如蚀刻掉)部分聚酰亚胺282和光刻胶区域292之后的剖面图300。这种蚀刻可以发生在常规的反应器里，指向各向异性的蚀刻。
图20是图19的MEMS结构在把基座材料层312附加在覆盖在导电材料层252和聚酰亚胺282的剩余部分上，以及把光刻胶区域314附加在基座材料312上之后的剖面图310。按照一种方案，所述基座材料层312是利用等离子增强化学气相淀积(PECVD)工艺生成的氮化硅。作为选择，在使用玻璃旋转工艺的同时，也可以使用氧化硅。
图21是图20的MEMS结构去掉部分基座材料312和光刻胶部分314之后的剖面图320。利用氟可以进行等离子蚀刻。基座材料层312的剩余部分形成基座92的一部分(见图3中标号92-A部分)。基座材料层312的其他剩余部分322形成保护材料网格80，例以栅格图样的方式(见图2和3)。
图22是图21的MEMS结构附加保护材料层332之后的剖面图330。这种保护层包括较多的聚酰亚胺，而且最终被去掉。
图23是图22的MEMS结构在衬底202(即MEMS结构的底部)上附加光刻胶区域342之后的剖面图340。在附加保护层332之后(图22)，为了形成光刻胶区342，可使MEMS结构被翻转(上下倒转)并受到处理。
图24是图23的MEMS结构去掉部分衬底202，形成空腔部分352-A、352-B、352-C之后的剖面图350。按照一种方案，所述MEMS结构受到各向异性湿法蚀刻，比如使用氢氧化钾/异丙醇。另外，也可用氢氧化四甲铵。
图25是图24的MEMS结构从衬底202上去掉光刻胶部分342之后的剖面图360。为了形成声音传感器140，现在准备将这种MEMS结构与其他MEMS结构结合。以下将参考图26-30详细说明如何形成所述的其他MEMS结构。
图26是另一种MEMS结构的侧向剖面图400，这种MEMS结构适于微机械加，为的是形成图7中声音传感器140部分。用于制造声音传感器140部分的微机械加工工艺包括半导体/微机械加工的制造步骤，应保持MEMS结构的温度低于摄氏700℃。因此，没有或者很少有各种生产特征的形变。
如图26所示，所述MEMS结构最初包括衬底402、在衬底402上的外延层404、在外延层404上的导电材料层406、在衬底402相对侧的硼硅玻璃层408，还包括在导电材料层406上的光刻胶区410-A、410-B、...(一起构成光刻胶区410)。
正如图9中的衬底202一样，图26中的衬底402也是单晶硅，而且为了用以阻止蚀刻，所述外延层404是有掺杂的外延硅。导电材料层406可以是比如多晶硅、适宜的硅化物等导电材料。光刻胶区410是聚合物的，在蚀刻下层材料时作为蚀刻掩膜。
图27是图26的MEMS结构去掉部分导电材料层406和光刻胶区410之后的剖面图420。外延层404上剩余的导电材料层406部分中，最终形成声音传感器140的麦克风50的刚性部件74(也可见于图2-4)。
图28是图27的MEMS结构附加光刻胶区域432之后的侧视剖面图430。
图29是图28的MEMS结构去掉部分外延层404和光刻胶区432之后的剖面图440。相应地，现在由外延层404和导电层406的剩余部分上限定多个孔442-A、442-B、...每个孔442将成为电容式麦克风空腔上的孔76(见图3)。
图30是图29的MEMS结构经过多道工序后的侧视剖面图450。特别地，图30表示，所述MEMS结构经过如下工序，将MEMS结构上下颠倒之后；把保护材料层452附加在剩余的外延层404和剩余的导电层406上之后；以及给部分硼硅玻璃层408和部分衬底402覆盖以光刻胶区454，并经过各向异性的蚀刻形成电容式麦克风空腔96的部分456之后。随后，将光刻胶区454去调。
图30是一种MEMS器件的侧视剖面图406，这种MEMS器件是将图25中的MEMS结构和图30(去除光刻胶区454后)中的MEMS结构压焊在一起形成的。按照一种方案，通过阳极焊的方法，将图25和附图30中的MEMS结构焊在一起。保护层(即聚酰亚胺部分242、282和332)也经被去掉。最终的结果是有多个声音感测部件142(见图7)的声音传感器140(即声音感测MEMS器件)。
图32是形成诸如图31中MEMS器件的声音传感器生产过程470的流程图。
在步骤472，在基座结构的衬底上形成麦克风振动膜。有如上面参考图9和10所述的，通过在衬底202上形成金属部分206，可以实现这种工序。
在步骤474，在基座结构上淀积第一层材料。有如上面参考图11-13所述的，通过在衬底202上形成LTO区域222和聚酰亚胺区域242(例如由LTO区域222限定的圆柱形空腔内的聚酰亚胺区域)，可以实现这种工序。
在步骤476，在第一层材料上淀积第二层材料。有如上面参考图14所述的，用CVD(或RTP)方法，可由LTO区域222和聚酰亚胺区域242形成的第一层上淀积一层钨(或者选择多晶硅、适宜的硅化物等)，实现所述工序。
在骤478，至少去掉第一层的一部分和第二层的一部分，以使第二层的剩余部分形成多个延展部件，该延展部件由基座结构支撑，并且彼此之间严格平行。尤其是，去掉聚酰亚胺区242形成第一层的一部分，去掉部分钨形成第二层的一部分。可以有如上述参考图15和16那样实现去掉部分钨。最好是，在整个工艺接近尾声的时候去掉聚酰亚胺，这样在最后的步骤中聚酰亚胺能够支撑和保护延展部件。最后，多个延展部件形成了热线式风速计48的一组热线延展部件。
在步骤480，去掉一部分衬底(例如通过各向异性的蚀刻)，形成电容式麦克风空腔的第一部分。可以如上述参考图23-25那样实现所述工序。
在步骤482，在其它的衬底上形成一个刚性部件，去掉一部分衬底(例如通过各向异性的蚀刻)，以形成电容式麦克风空腔的第二部分，并将两块衬底压焊在一起(例如通过阳极焊)，以使电容式麦克风的空腔排成一列，并使麦克风振动膜被设置在延展部件和电容式麦克风的空腔之间。最后形成具有声音感测部件的MEMS器件(例如见图3和4中的声音传感器42)。这种部件包括热线式风速计48和麦克风50(见图1)。
应能理解，还有可选的方法用于形成上述MEMS器件的各部分。例如，用其它的方法来生成MEMS的底部。
图33是另一种MEMS结构的侧面剖面图500。这种MEMS结构适于微机械加工，为的是形成图7中声音传感器140的下部。同上述其他工艺一样，用于制造声音传感器140部分的微机械工艺包括半导体/微机械制造步骤，应保持MEMS结构的温度低于摄氏700℃。相应地，没有或者很少有各种微机械加工特点的形变。
如图33所示，所述MEMS结构最初包括衬底502，在衬底402上的光刻胶层504。
图34是图33的MEMS结构去掉了部分衬底502和光刻胶层504形成多个孔512之后的侧视剖面图510。也可以通过较长时间的各向异性蚀刻来形成各孔512。作为选择，也可以简单地预先钻通衬底502(如硼硅玻璃晶片)来形成各孔512。使用硼硅玻璃晶片(即使带有预先钻的孔)可以明显降低MEMS结构的成本，因为减少了掩膜步骤，而且不需要在衬底502上淀积硼硅玻璃层(见图26的硼硅玻璃层408)。
图35是图34的MEMS结构在衬底502上加给导电材料层522，使衬底502内留下开孔512(比如为了避免孔512被填充，使导电材料经电子束蒸发)之后的侧视剖面图520。
图36是图35的MEMS在导电材料层522上附加光刻胶层532之后的侧视剖面图530。
图37是图36的MEMS结构去掉部分导电材料层522和光刻胶层532之后的侧视剖面图540。
图38是一种MEMS器件的剖面图550，通过将图25中的MEMS结构和图37中的MEMS结构压焊在一起(如在两种MEMS结构间使用阳极焊)，并去除保护层(如聚酰亚胺)形成该MEMS器件，以形成具有多个声音感测部件的MEMS器件。
应当理解的是，导电材料522的剩余部分形成麦克风50的刚性部件74。与图31的MEMS器件相反，刚性部件74设在电容式麦克风的空腔352内，该空腔352是由衬底202和衬底502限定的(回顾图31MEMS器件的刚性部件放在电容式麦克风空腔352之外)。
还应理解的是，由于各向异性湿法蚀刻，所述电容式麦克风空腔352的侧面逐渐变细。在其它方案中，电容式麦克风空腔的侧面完全是平直的(如基本上垂直于由金属部件206形成的麦克风振动膜)。图39是图23的MEMS结构去掉部分衬底后(如各向异性等离子蚀刻)的剖面图560，这样剩下的电容式麦克风的空腔562的侧面基本上就是平直的。
应能理解，上述各个制造步骤可以采用标准的硅工艺。另外，这些制造步骤不需要昂贵的照相平版印刷技术，因为能够以相当大的尺寸来实现这些特征(例如可以是微米级的而不是亚微米级)。此外，至于形成电容式麦克风空腔的衬底的蚀刻部分，可采用各向异性等离子蚀刻来取代各向异性湿法蚀刻，为的是省去V型槽，从而可减小整个芯片的尺寸。
此外，正如早先所阐释的，最好是在低于700℃的温度下制造本发明用于声音系统的MEMS器件。这样会使温度形变很�。佣筂EMS器件具有高的精密度，也就是说，以较高的微机械加工精度进行制造。
再有，本发明所实现的MEMS器件比先前所述传统的采用具有精细的1-5mm细丝的热线式风速计的试验方案更加耐用也更加可靠。因此，本发明的声音系统40，150适于商业应用(如摄像机、户外记录设备、广播、助听器、手机等)。还可以用于军事/国防方面(如无人军用战场传感系统、声音感测阵列等)。
如上所述，本发明的一些实施例是针对利用MEMS技术获得声学信号的方法。例如，实质上可将诸如麦克风和热线式风速计等感测部件配置于一个MEMS器件中。因此，可以测得几乎为同一位置的风速、以及声音及风压信号。风压信号是基于所在位置的风速信号所产生的，这样，从声音及风压信号中减掉风压信号，就可以得到去除风噪声的、而且是精确的声音信号。
上述声音传感器40，150适于商业应用，如摄像机、助听器、电话、手机等。也适用于军事/国防方面，如无人军用战场传感器(比如用来识别坦克，汽车和卡车的信号)、战场声音监控系统、飞机、导弹，定位传感器，战术隐蔽监视设备等。如上所述，本发明的这些特征可用于电子系统设备和方法中，例如麻萨诸塞州，Wilmington的Textron Systems公司的一些产品中。
虽然已经参考各优选实施例对本发明进行了特定的揭示和阐述，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明精神实质和由权利要求所限定的保护范围情况下，本发明在形式和细节上可进行改变。
例如，应该理解，上述包括一个N×M阵列的声音感测部件142的声音传感器140(见图7)只是一种示例的方式，其他结构也同样适用于声音传感器140。例如，可将声音感测部件142排列成同心圆式的、半圆形式的、三角形结构式的、六边形结构式的等环形结构。另外，N×M阵列不需要包括垂直的行和列，而且在某种程度上，N×M阵列可以是不规则形状(如梯形的)，或不规则图样。
另外，还应理解，可将上述声音感测部件142可以组合成多个组，每组的单元142可以具有不同的属性(例如不同数目、形状、厚度或大小)。按照一种方案，单元142的不同的列(或行)具有不同的属性，因此可以将每组中的部件142调整到不同的频率。按照另一种方案(例如一种不规则图样的排列、一个N×M阵列排布等)，将第一麦克风振动膜设置成用于响应第一频率范围的声波，而将第二麦克风振动膜设置成用于响应与第一频率范围不同的第二频率范围声波。再一种方案，使所有单元142具有相同的几何形状排列，但是不同组的信号被以电的方式加权。例如，沿着声音传感器140边缘部分的声音感测部件142的风速以及声音和风压信号的权重要小于中央附近部件142的权重。
再有，还应该理解，有如所述3×3阵列的声音传感器140的声音感测部件142仅是作为一种示例，其他数目的行和列同样是适用的。行和列数目的大小、数量，在很大程度上可根据特定的应用而指定。由于微机械加工技术的进步，可以以极其精确的公差和极高的可靠性生产出大型的阵列。
此外，应该理解的是，所述网格状保护层80也是优选的。如果由其它部件(如MEMS器件封装)为声音传感器40、140提供保护，则无需采用网格状保护层80。还应该理解，适用于网格状的保护层80除了栅格图样外，还可以是其他图样，如圆形、六边形等。
另外，可以理解，上述相对的呈杆形并彼此平行的热线延展部件78仅作为一种示例。其他形状和排列同样适用于热线延展部件78，例如手指形部件、交叉的指状排列、环形部件等。
另外，可以理解，所述热线式风速计48和所述电容式麦克风仅是示例而已，其它类型的风速计和麦克风也同样适用。例如所述麦克风可以采用比如电动式麦克风(即通过在磁场中移动线圈来感测电流)，比如惠斯登电桥(即响应因麦克风振动膜的物理运动所致电阻改变，而检测电压的变化)等。
此外，可以理解，上述处理电路44、152是用ASIC实现的，这仅是作为示例。其他的实现方式，如采用混合电路(即电路板材料一小部分上的多个IC)、一个标准尺寸的电路板或者远程电子设备(通过发送器和接收器进行通信)上多个IC等也都是适用的。
权利要求
1.一种声音传感器，包括基座；由所述基座支撑的麦克风，所述麦克风包括麦克风振动膜；和由所述基座支撑的热线式风速计，所述热线式风速计包括一组热线延展部件，这组热线延展部件限定一个实际上与所述麦克风振动膜平行的平面。
2.如权利要求1所述的声音传感器，其中，第一导电材料层确定所述麦克风振动膜，第二导电材料层确定所述一组热线延展部件，并且所述基座包括一个衬底，该衬底支撑所述第一层导电材料和第二层导电材料。
3.如权利要求2所述的声音传感器，其中，所述麦克风还包括刚性部件，它被所述基座支撑，并且实际上与所述麦克风振动膜平行，它限定一个电容式麦克风的空腔；第三层导电材料确定所述麦克风的刚性部件；所述衬底支撑所述第三导电材料层；并且所述麦克风振动膜延伸到接近所述基座，在所述一组热线延展部件与电容式麦克风的空腔之间形成密封。
4.如权利要求2所述的声音传感器，其中，所述一组热线延展部件包括在该组热线延展部件限定的平面内实际上彼此平行的多个钨丝电桥。
5.如权利要求2所述的声音传感器，其中，还包括由衬底支撑的保护材料层，所述保护材料层确定一个网格，使外部位置的声波能够通过保护材料层，到达所述热线延展部件和麦克风振动膜。
6.如权利要求2所述的声音传感器，其中，所述第一导电材料层确定多个麦克风振动膜，其中包含上述麦克风振动膜；所述多个麦克风振动膜被排列成二维N×M麦克风振动膜阵列；所述第二导电材料层确定多组热线延展部件，其中包含上述一组热线延展部件；所述多组热线延展部件排列成二维N×M热线延展部件组阵列，它们对应于所述二维N×M麦克风振动膜阵列。
7.如权利要求6所述的声音传感器，其中，所述二维N×M的麦克风振动膜阵列包括第一麦克风振动膜，用以响应第一频率范围内的声波；和第二麦克风振动膜，用以响应与第一频率范围是不同的第二频率范围内的声波。
8.如权利要求6所述的声音传感器，其中，所述二维N×M的麦克风振动膜阵列包括用以响应第一频率范围内声波的第一行麦克风振动膜，和用以响应与第一频率范围是不同的第二频率范围内声波的第二行麦克风振动膜。
9.一种声音系统，包括声音传感器，它具有(i)基座，(ii)具有麦克风振动膜的麦克风，它被所述基座支撑，以及(iii)具有一组热线延展部件的热线式风速计，它被所述基座支撑，这组热线延展部件限定一个实际上与所述麦克风振动膜平行的平面；和处理电路，它从麦克风接收声音及风压信号，从热线式风速计接收风速信号，并且根据来自麦克风的所述声音及风压信号和来自热线式风速计的所述风速信号给出一个输出信号。
10.如权利要求9所述的声音系统，其中，所述声音传感器是微电子机械系统器件；第一层导电材料确定所述麦克风振动膜，第二层导电材料确定所述一组热线延展部件；所述基座包括衬底，用于支撑所述第一导电材料层和第二导电材料层。
11.如权利要求10所述的声音系统，其中，所述声音传感器的麦克风还包括刚性部件，它实际上与所述麦克风振动膜平行，用以形成电容式麦克风的空腔；第三层导电材料确定所述麦克风的刚性部件；衬底支撑所述第三导电材料层；所述麦克风振动膜延伸到接近基座，在所述一组热线延展部件与电容式麦克风的空腔之间形成密封。
12.如权利要求10所述的声音系统，其中，所述声音传感器的热线式风速计中的所述一组热线延展部件包括在该组热线延展部件限定的平面内实际上彼此平行的多个钨丝电桥。
13.如权利要求10所述的声音系统，其中，所述声音传感器还包括由衬底支撑的保护材料层，所述保护材料层确定一个网格，使外部位置的声波能够通过保护材料层，到达所述一组热线延展部件和麦克风振动膜。
14.如权利要求10所述的声音系统，其中，所述第一导电材料层确定多个麦克风振动膜，其中包含上述麦克风振动膜；多个麦克风振动膜排列成二维N×M麦克风振动膜阵列；第二导电材料层确定多组热线延展部件，其中包含上述一组热线延展部件；多组热线延展部件排列成二维N×M热线延展部件组阵列，它们对应于所述二维N×M麦克风振动膜阵列。
15.如权利要求14所述的声音系统，其中，所述二维N×M麦克风振动膜阵列包括第一麦克风振动膜，用以响应第一频率范围内的声波；和第二麦克风振动膜，用以响应与第一频率范围是不同的第二频率范围内的声波。
16.如权利要求14所述的声音系统。其中，所述二维N×M麦克风振动膜阵列包括用以响应第一频率范围内声波的第一行麦克风振动膜，以及用以响应与第一频率范围是不同的第二频率范围内声波的第二行麦克风振动膜。
17.如权利要求9所述的声音系统，其中，所述处理电路包括转换级，它将来自所述热线式风速计的风速信号转换成含有风压分量的模拟风压信号；和输出级，它从来自麦克风的所述声音及风压信号减去所述模拟风压信号的风压分量，生成一个输出信号。
18.如权利要求17所述的声音系统，其中，所述转换级和输出级都是模拟电路，这些模拟电路被设置在一块专用集成电路内。
19.如权利要求9所述的声音系统，其中，所述处理电路包括相关级，它使风速信号数字化，并使被数字化的风速信号与检查表中的一系列风压值相关联，再以相关信号的形式提供一系列风压值；输出级，用于(i)从相关级接收所述相关信号，(ii)从麦克风接收所述声音及风压信号，以及(iii)从所述声音及风压信号减去所述一系列风压值，提供一个输出信号。
20.一种提供声音信号的方法，其中，所述方法包括以下步骤响应所述麦克风振动膜上的声音和风压，生成声音及风压信号；响应所述具有一组热线延展部件的热线式风速计上的风速，生成风速信号，所述一组热线延展部件确定一个实际上与所述麦克风振动膜平行的平面；和根据已生成的声音及风压信号和已生成的风速信号给出一个输出信号，作为所述声音信号。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述方法还包括下述步骤提供微电子机械系统器件，作为所述麦克风和热线式风速计。
22.如权利要求20所述的方法，其中，所述给出输出信号的步骤包括以下各步把风速信号转换成具有风压分量的模拟风压信号；和从所述声音将风压信号中减去所述模拟风压信号的风压分量，给出输出信号。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述给出输出信号的步骤包括以下各步使风速信号数字化；使被数字化的风速信号与检查表中的一系列风压值相关联；和从所述声音及风压信号中减去上述一系列风压值，给出输出信号。
24.一种制造微电子机械系统器件的方法，其中，所述方法包括以下步骤在基座结构上淀积第一材料层；在第一材料层上淀积第二材料层；和至少去除部分第一材料层和部分第二材料层，使第二材料层的剩余部分形成多个由基座结构支撑的延展部件，所述各延展部件彼此平行；所述淀积第一材料层、淀积第二材料层以及去除步骤都在低于700℃的温度范围内发生。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述淀积第二材料层的步骤包括利用等离子增强化学气相淀积工艺淀积导电材料，作为所述第二材料层。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述淀积步骤包括在所述第一材料层上设置钨，作为导电材料，使所述微电子机械系统器件能够作为热线式风速计而工作。
27.如权利要求24所述的方法，其中，所述基座结构包括衬底，并且所述反复还包括以下步骤在所述基座结构上预先淀积第一材料层，同时在所述基座结构的衬底上形成麦克风振动膜，在所述去除步骤之后，所述麦克风振动膜处于所述多个延展部件与衬底之间。
28.如权利要求27所述的方法，其中，还包括以下步骤去除部分衬底，形成电容式麦克风空腔的第一部分；在另一衬底上形成刚性部件，并去除部分另一衬底，形成电容式麦克风空腔的第二部分；和将所述衬底与另一衬底压焊在一起，以使所述电容式麦克风空腔的第一和第二部分对准，并使麦克风振动膜被设置在所述多个延展部件与电容式麦克风的空腔之间，形成具有热线式风速计和电容式麦克风的声音部件，作为微电子机械系统器件。
全文摘要
一种具有声音传感器和处理电路的声音系统。所述声音传感器包括基座，还包括具有由基座支撑的一组热线延展部件的热线式风速计。这组热线延展部件限定一个实际上与麦克风振动膜平行的平面。所述处理电路接收来自麦克风的声音及风压信号和来自热线式风速计的风速信号，并根据来自麦克风的所述声音及风压信号和来自热线式风速计的所述风速信号提供一个输出信号(例如，去除风噪声的准确的声音信号)。各热线延展部件限定实际上与麦克风振动膜平行的平面，可以以MEMS器件容易地实现这种结构，使这种结构适合于小型化的应用。
文档编号G01S7/521GK1498514SQ02806787
公开日2004年5月19日 申请日期2002年6月14日 优先权日2001年6月15日
发明者霍华德·C·雀, 埃姆尔·S·比拉, S 比拉, 霍华德 C 雀 申请人:特克斯特罗恩系统公司
专业数控铣床产品供应商
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