用于泵送扬声器的系统和方法与流程

本发明总体上涉及扬声器，在具体实施例中，涉及用于泵送扬声器(pumping speaker)的系统和方法。

背景技术：

换能器将信号从一个域转换为另一域，并且通常被用作传感器。例如，声换能器在声信号和电信号之间转换。麦克风是一种类型的将声波(即，声信号)转换为电信号的声换能器，并且扬声器是一种类型的将电信号转换为声波的声换能器。

基于微机电系统(MEMS)的传感器包括使用微加工技术制造的换能器的家族。一些MEMS(诸如MEMS麦克风)通过测量换能器中的物理状态的变化从环境中收集信号并传送将通过连接至MEMS传感器的电子器件处理的信号。一些MEMS(诸如MEMS微扬声器)将电信号转换为换能器中物理状态的变化。MEMS设备可以使用类似于用于集成电路的微加工制造技术来制造。

MEMS设备可以设计为用作振荡器、谐振器、加速计、陀螺仪、压力传感器、麦克风、微反射镜、微扬声器等。许多MEMS设备使用电容感测或致动技术，用于将物理现象转换为电信号，反之亦然。在这种应用中，使用接口电路将换能器中的电容变化转换为电压信号，或者电压信号被施加至换能器中的电容结构以生成电容结构的元件之间的力。

例如，电容MEMS麦克风包括背板电极和布置为与背板电极平行的薄膜。背板电极和薄膜形成平行板电容器。背板电极和薄膜由布置在衬底上的支持结构来支持。

电容MEMS麦克风能够在布置为与背板电极平行的薄膜处转换声压波，例如演讲。背板电极被穿孔，使得声压波穿过背板，同时由于薄膜两端形成的压差而使得薄膜振动。因此，薄膜和背板电极之间的气隙随着薄膜的振荡而改变。薄膜关于背板电极的变化引起薄膜与背板电极之间的电容的变化。这种电容的变化响应于薄膜的移动转换为输出信号，并形成换能信号。

使用类似结构，可以在薄膜和背板之间施加电压信号以使得薄膜振动并生成声压波。因此，电容板MEMS结构可操作为微扬声器。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种利用声泵操作扬声器的方法包括：通过在第一频率下激励声泵来生成具有第一频率的载波信号；以及通过调整载波信号来生成具有第二频率的声信号。在这种实施例中，第一频率在可听频率范围外，而第二频率在可听频率范围内。调整载波信号包括：在第二频率下执行对载波信号的调整。其他实施例包括对应的系统和装置，每个均被配置为执行对应的示例性方法。

附图说明

为了更好地理解本发明及其优势，结合附图进行以下描述，其中：

图1示出了示例性泵送扬声器系统的系统框图；

图2a和图2b示出了示例性声信号的波形图；

图3a和图3b示出了示例性泵送扬声器的截面图；

图4a、图4b、图4c和图4d示出了另一示例性泵送扬声器的截面图；

图5a、图5b、图5c和图5d示出了又一示例性泵送扬声器的截面图；

图6a和图6b示出了又一示例性泵送扬声器的截面图；

图7a和图7b示出了又一示例性泵送扬声器的顶视图和截面图；

图8a、图8b、图8c、图8d、图8e和图8f示出了用于示例性泵送扬声器的阀系统的截面图；

图9a和图9b示出了示例性泵送扬声器系统的系统图；

图10示出了另一示例性泵送扬声器的系统图；以及

图11示出了操作泵送扬声器的示例性方法的系统框图。

不同附图中对应的数字和符号通常表示对应的部分，除非另有指定。绘制附图以清楚地示出实施例的相关方面，并且不需要按比例绘制。

具体实施方式

以下详细讨论各个实施例的制造和使用。然而，应该理解，本文描述的各个实施例可应用于各种具体条件。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用各个实施例的具体方式，而不应当限制范围。

关于具体条件(即，声换能器，更具体为MEMS微扬声器)的各个实施例进行描述。本文描述的各个实施例中的一些包括MEMS微扬声器、声换能器系统、泵送扬声器和泵送MEMS微扬声器。在其他实施例中，这些方面还可应用于涉及根据本领域已知的任何方式将物理信号转换为另一域的任何类型的换能器的其他应用。

扬声器是将电信号转换为声信号的换能器。通过在一定频率下生成压力振荡的扬声器结构来产生声信号。例如，人类的可听范围为大约20Hz至22kHz，一些人能够听到小于该范围，而一些人能够听到大于该范围。因此，扬声器进行操作以产生可听换能信号，将电信号转换为具有20Hz和22kHz之间的频率的压力振荡。恒定频率信号被传输作为单音，类似于钢琴中的音符。演讲和其他典型的声音(诸如音乐)由具有多个频率的多个声信号组成。

微扬声器根据与扬声器相同的原理来操作，但是使用微加工或微制造技术来制造。因此，可听微扬声器包括通过电信号激励的小结构以在可听频率范围内生成压力振荡。

根据各个实施例，扬声器或微扬声器被配置为通过在大于可听频率范围的频率下振荡来生成可听声信号。在这种实施例中，扬声器被配置为在大于可听范围的频率下生成压力振荡，并且根据可听频率范围中的低频修改压力振荡的方向和幅度。在附加实施例中，扬声器可被配置为在大于可听范围的频率下生成压力振荡，并且根据仍在可听频率范围外的低频来修改压力振荡的方向和幅度以操作为超声换能器。

在各个实施例中，扬声器被称为泵送扬声器。泵送扬声器的频率可以在可听频率范围外保持操作，同时泵送动作根据可听频率范围内的其他频率改变振荡的幅度和方向。在这种实施例中，泵送扬声器可包括泵结构或微泵，其被配置为在可听频率限制之上的频率处泵送，改变泵送的幅度，以及控制泵送的方向。以下在本文进一步描述各个实施例。

图1示出了示例性泵送扬声器系统100的系统框图，其包括微扬声器102、专用集成电路(ASIC)104和音频处理器106。根据各个实施例，微扬声器102生成声信号108，其包括在大于可听限制(例如，22kHz)的频率下的压力振荡，其中压力振荡的幅度和方向进行调整。在可听范围中的频率下调整压力振荡的幅度和方向。因此，微扬声器102生成由不可听声信号形成的包括可听声信号的声信号108。

在各个实施例中，微扬声器102包括声泵或微泵。下面进一步描述各个示例性微泵。微扬声器102通过由ASIC 104提供的驱动信号来驱动。ASIC 104可以基于数字输入控制信号生成模拟驱动信号。在一些实施例中，ASIC 104和微扬声器102附接至同一电路板。在其他实施例中，ASIC 104和微扬声器102形成在相同的半导体裸片上。ASIC 104可包括偏置和供应电路、模拟驱动电路和数模转换器(DAC)。在又一些实施例中，微扬声器102可例如包括麦克风，并且ASIC 104还可以包括读出电子器件，诸如放大器或模数转换器(ADC)。

在一些实施例中，ASIC 104中的DAC在输入处接收由音频处理器106提供的数字控制信号。数字控制信号是微扬声器102产生的声信号的数字表示。在各个实施例中，音频处理器106可以是专用音频处理器、通用系统处理器，诸如中央处理单元(CPU)、微处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。在可选实施例中，音频处理器106可以由分立逻辑块或其他部件形成。在各个实施例中，音频处理器106生成声信号108的数字表示，并且提供声信号108的数字表示。在其他实施例中，音频处理器106仅提供声信号108的可听部分的数字表示，并且ASIC 108基于幅度和方向调整生成具有更大不可听频率振荡和可听频率振荡的声信号108。

在其他实施例中，微扬声器102可以实施为使用本领域技术人员已知的技术制造的任何类型的扬声器。

根据各个附加实施例，微扬声器102还可以生成声信号108，其包括大于可听限制(例如，22kHz)的频率下的压力振荡，其中在也大于可听范围的频率下调整压力振荡的幅度和方向调整。例如，微扬声器102可操作为用于超声成像或用于超声近场方向的超声换能器。在这种实施例中，例如，微扬声器102利用较高频率操作为根据所生成的目的信号(诸如超声信号)的低频调整幅度和方向的承载信号(carried signal)。

图2a和图2b示出了示例性声信号的波形图。图2a示出了可例如由扬声器产生的声信号A_SIG。声信号A_SIG具有幅度A_amp和频率A_freq，即，周期A_T＝1÷A_freq。声信号A_SIG可示出由扬声器产生的声波。在操作期间，声波具有针对人类的可听频率范围内的频率A_freq，例如在大约20Hz和22kHz之间。图2a示出了在未指定的等级下的声信号A_SIG的幅度A_amp。对于MEMS扬声器，生成大声压级(SPL)可表示由于薄膜的小尺寸而引发的挑战，尤其在低频下。例如，MEMS扬声器可包括随着通过可听频率范围的频率降低而产生的SPL(每十个)中的40dB的降低。因此，在例如低于1-10kHz的频率处生成较高SPL而不增加例如泵送结构的大小存在挑战。

图2b示出了可由示例性泵送扬声器或微扬声器(诸如MEMS微扬声器)产生的泵送声信号PA_SIG。根据各个实施例，泵送声信号PA_SIG具有幅度PA_amp和频率PA_freq，即，周期PA_T＝1÷PA_freq，并且由载波信号C_SIG形成，其具有可变幅度C_amp和频率C_freq，即，周期C_T＝1÷C_freq。如图所示，频率C_freq远大于频率PA_freq。具体地，频率C_freq大于人类的可听频率范围(即，大于22kHz)，并且频率PA_freq在人类的可听频率范围内(即，在大约20Hz和22kHz之间)。在这种实施例中，调整幅度C_amp以形成泵送声信号PA_SIG的上升和下降波形。此外，还调整幅度C_amp的方向以允许具体方向上的泵送，从而形成泵送声信号PA_SIG的上升和下降波形。在特定频率下执行幅度C_amp的变化和载波信号C_SIG的方向，以形成具有频率PA_freq的泵送声信号PA_SIG。

在具体实施例中，声信号PA_SIG的幅度PA_amp可大于以可听频率下振荡的非泵送扬声器。在具体实施例中，泵送扬声器的振荡保持在较高频率下，使得例如在频率PA_freq低于约1-10kHz以及高于10Hz时泵送声信号PA_SIG的SPL不会降低很多或者根本不降低。

在各个实施例中，频率C_freq可以随着载波信号C_SIG的幅度C_amp和方向变化而保持恒定。在具体实施例中，频率C_freq可以与扬声器或微扬声器的谐振频率匹配，以产生薄膜或泵送结构的较大振荡。在其他实施例中，频率C_freq可以是变量。在具体示例中，频率C_freq在50kHz和10MHz之间。在更多具体实施例中，频率C_freq在100kHz和300kHz之间。在这些各个实施例中，频率PA_freq低于25kHz。具体地，频率PA_freq在人类的可听频率范围内，即在20Hz和22kHz之间，其中该范围可以针对一些人扩展而针对其他人缩窄。在可选实施例中，频率PA_freq可以高于25kHz。在这种实施例中，代替声信号，泵送声信号PA_SIG可以是用于超声成像或近场检测的超声换能器的超声信号。

根据各个实施例，通过使用可听频率范围之上的载波信号，如参照图2b所述操作扬声器或微扬声器(诸如MEMS微扬声器)以形成可听频率范围内的泵送声信号。以下描述各个示例性扬声器以示出一些具体应用，包括电容板结构和其他泵送结构。

返回参照图1，结合图2a和图2b，在一些实施例中，泵送扬声器系统100中的ASIC 104被配置为确定微扬声器102的谐振频率。在这种实施例中，ASIC 104可以在多个频率处激励微扬声器102，并且测量针对每个频率的响应。基于所测量的响应，ASIC 104确定微扬声器102的谐振频率。在这种实施例中，ASIC 104可以将用于载波信号C_SIG的频率C_freq设置为确定的谐振频率。在其他可选实施例中，ASIC 104可以控制微扬声器102的元件以调整谐振频率来与载波信号C_SIG的频率C_freq匹配。在一个实施例中，控制元件包括调整微扬声器102的机械部件。在可选实施例中，控制元件包括调整微扬声器102的有源或无源电部件。

图3a和图3b示出了示例性泵送扬声器110和111的截面图。图3a示出了单背板泵送扬声器110，其包括衬底112、薄膜114、下背板116和结构材料120。根据各个实施例，单背板泵送扬声器110操作为电容板换能器。通过金属化122向薄膜114施加的电压以及通过金属化124向下背板116施加的电压在薄膜114和下背板116之间产生吸引力。薄膜114和下背板116之间的吸引力引起薄膜114偏转。施加至这两个板的电压可以在一定频率下施加以引起薄膜振荡。随着薄膜的振荡，通过空气中的薄膜产生压力变化，这产生声信号(例如，声波)。向薄膜114和下背板116施加电压可以被调整以产生各种频率的振荡，从而产生声信号。在各个实施例中，可以根据如上面参照图2b描述的产生泵送声信号PA_SIG的载波信号C_SIG，向薄膜114和下背板116施加电压以使得薄膜114振荡。

根据各个实施例，衬底112是半导体晶圆。衬底112例如可以由硅形成。在其他实施例中，例如衬底112由其他半导体材料形成，诸如砷化镓、磷化铟或其他半导体。在又一些实施例中，衬底112是聚合物衬底。在可选实施例中，衬底112是金属衬底。在其他实施例中，衬底112是玻璃。例如，在具体实施例中，衬底112是二氧化硅。在各个实施例中，衬底112包括腔118，其在由下背板116和薄膜114形成的换能器板下方形成在衬底112中。可以从衬底112的背侧利用博世蚀刻来形成腔118。

在各个实施例中，在多个沉积中形成并图案化结构材料120，以产生用于支持薄膜114和下背板116的结构层。在具体实施例中，使用原硅酸四乙酯(TEOS)沉积形成结构材料120以形成氧化硅层。在其他实施例中，结构材料120由其他材料或多种材料形成。在这种实施例中，结构材料120由包括聚合物、半导体、氧化物、氮化物或氮氧化物的材料形成。

在各个实施例中，薄膜114和下背板116由导电材料形成。在具体实施例中，薄膜114和下背板116由多晶硅形成。在其他实施例中，例如，薄膜114和下背板116可以由掺杂半导体或金属形成，诸如铝、铂或金。此外，薄膜114和下背板116可以由不同材料的多层形成。在一些实施例中，薄膜114可偏转且下背板116是刚性的。在各个实施例中，对下背板116穿孔。

在各个实施例中，金属化122形成在结构材料120中并且电接触薄膜114，金属化124形成在结构材料120中并且电接触下背板116，以及金属化126形成在结构材料120中并且电接触衬底112。

在各个实施例中，薄膜114布置在下背板116上方(如图所示)。在其他实施例中，薄膜114布置在下背板116下方(未示出)。类似地，声端口可包括在单背板泵送扬声器110周围的封装(未示出)中。声端口可以形成在腔118下方并且声耦合至腔118，诸如附接至衬底112的电路板。在其他实施例中，例如，声端口可形成在单背板泵送扬声器110上方，诸如在上覆单背板泵送扬声器110的封装盖中。

图3b示出了双背板泵送扬声器111，其包括衬底112、薄膜114、下背板116、上背板117和结构材料120。根据各个实施例，双背板泵送扬声器111包括如上参照图3a所述的元件，除了上背板117和金属化128形成在结构材料120中并且电接触上背板117。在各个实施例中，上背板117可以包括与上面在图3a中参照下背板116所述类似的材料和结构。

根据各个实施例，双背板泵送扬声器111如上面参照单背板泵送扬声器110所述类似地进行操作，除了上背板117生成薄膜114上的吸引力。在这种实施例中，可以在上背板117和薄膜114之间或者在下背板116和薄膜114之间施加电压以在两方向中的任一方向上生成吸引力。如上面参照图2b所述，根据产生泵送声信号PA_SIG的载波信号C_SIG，向薄膜114、下背板116和上背板117施加电压以引起薄膜114振荡。

在各个实施例中，如上面参照图2b所述，调整载波信号C_SIG的幅度C_amp和方向以产生泵送声信号PA_SIG。单背板泵送扬声器110和双背板泵送扬声器111可以包括对称偏转、通风孔或阀以控制载波信号C_SIG的方向。以下描述各个其他实施例来作为示例性泵送机制。

图4a、图4b、图4c和图4d示出了另一示例性泵送扬声器130的顶视图和截面图，其包括分段薄膜132、上背板134和下背板136。根据各个实施例，分段薄膜132包括通过狭缝138分离的部分132a、132b、132c和132d，并且能够独立地移动。上背板134包括电部分134a、134b、134c和134d，它们能够在部分132a、132b、132c和132d上方生成不同的电场。对于上背板134来说，电极140耦合至电部分134b和134d，以及电极142耦合至电部分134a和134c。类似地，下背板136包括电部分136a、136b、136c和136d，它们能够在部分132a、132b、132c和132d下方生成不同的电场。对于下背板136来说，电极144耦合至电部分136a和136c，以及电极146耦合至电部分136b和136d。图4a示出了分段薄膜132的顶视图，以及图4b、图4c和图4d示出了分段薄膜132的不同偏转期间的泵送扬声器130的截面图以示出泵送动作。

根据各个实施例，图4b示出了具有部分132a、132b、132c和132d的分段薄膜132，其在通过电极140和142向电部分134a、134b、134c和134d施加相同电压时朝向上背板134移动。向上背板134的电部分134a、134b、134c和134d施加的相同电压在每个部分132a、132b、132c和132d上生成吸引力，引起分段薄膜132偏转。在这种实施例中，如图4b所示，空气移动穿过下背板136中的穿孔。当分段薄膜132朝向上背板134移动时，施加至下背板136的电部分136a、136b、136c和136d的电压可以为零或较小。

图4c示出了分段薄膜132的部分132b和132d朝向下背板136移动而部分132a和132c保持接近上背板134。在这种实施例中，通过电极142向电部分134a和134c施加的电压朝向上背板134在部分132a和132c上生成吸引力，以及通过电极146施加至电部分136b和136d的电压朝向下背板136在部分132b和132d上生成吸引力。在这种实施例中，如图4c所示，空气移动到部分132b和132d后面的区域中。当分段薄膜132如图4c所示移动时，施加至上背板134的电部分134b和134d以及下背板136的电部分136a和136c的电压可以为零或较小。

图4d示出了具有部分132a、132b、132c和132d的分段薄膜132，其在通过电极144和146向电部分136a、136b、136c和136d施加电压时朝向下背板136移动。如图4c所示，部分132b和132d已经接近下背板136并且可以不移动或移动非常少。施加至下背板136的电部分136a、136b、136c和136d的电压在每个部分132a、132b、132c和132d上生成吸引力，引起分段薄膜132偏转。在这种实施例中，移动通过上背板134中的穿孔的空气可以较少，因为如图4c所示空气移动到部分132b和132d后面。当分段薄膜132朝向下背板136移动时，施加至上背板134的电部分134a、134b、134c和134d的电压可以为零或较小。此外，施加至上背板134的电部分134a、134b、134c和134d的电压可以针对不同部分为相同电压或相似电压。在又一些实施例中，施加至上背板134的电部分134a、134b、134c和134d的电压可以针对不同部分而不同。

根据各个实施例，通过将分段薄膜132在一个方向上划分为段并且在另一方向上组合分段薄膜132的移动，可以执行泵送动作。因此，如图4b、图4c和图4d所示，向电极140、142、144和146施加不同电压在向上的方向上产生泵送，即通过上背板134，同时减少向下方向上的泵送。施加至电极140、142、144和146的电压可以被布置为通过在泵送方向上以及分别在其他方向上一起移动分段薄膜132的部分132a、132b、132c和132d来在两个方向的任一方向上执行泵送动作。因此，在各个实施例中，泵送扬声器130可以利用通过电极140、142、144、146施加的电压来控制以根据如上面参照图2b所述产生泵送声信号PA_SIG的载波信号C_SIG使分段薄膜132振荡。在这种实施例中，可以针对分段薄膜132调整载波信号C_SIG的幅度C_amp和方向以如上面参照图2b所述产生泵送声信号PA_SIG。具体地，控制泵送扬声器130，来根据泵送声信号PA_SIG改变泵送的方向。

根据各个实施例，如图4a所示，分段薄膜132被固定至位于两个边缘上的锚结构(诸如结构材料)。此外，在一些实施例中，分段薄膜132的另外两个边缘可以自由移动。在其他实施例中，分段薄膜132的所有边缘都可以固定至锚结构。在又一些实施例中，上背板134和下背板136可以包括附加电部分或附加电极。

图5a和图5b示出了又一示例性泵送扬声器150的截面图，其包括柔性薄膜152、上背板154和下背板156。根据各个实施例，柔性薄膜152在两个方向上显著偏转并且不是僵硬或刚性的。在操作期间，如图5a和图5b所示，柔性薄膜152可以波状偏转或蜿蜒偏转。类似于上面参照图4a、图4b、图4c和图4d所描述的上背板134，上背板154包括电部分154a、154b、154c和154d，它们能够在柔性薄膜152上方生成不同的电场。对于上背板154来说，电极160耦合至电部分154b和154d，以及电极162耦合至电部分154a和154c。类似于上面参照图4a、图4b、图4c和图4d所述的下背板136，下背板156包括电部分156a、156b、156c和156d，它们能够在柔性薄膜152下方生成不同的电场。对于下背板156来说，电极164耦合至电部分156a和156c，以及电极166耦合至电部分156b和156d。图5a和图5b示出了柔性薄膜152的不同偏转期间泵送扬声器150的截面图以示出泵送动作。

根据各个实施例，电极160、162、164和166向上背板154的电部分154a、154b、154c和154d以及下背板156的电部分156a、156b、156c和156d施加电压以如图5a和图5b所示生成柔性薄膜152的蜿蜒移动。在这种实施例中，蜿蜒运动包括在下背板156的穿孔部分157上方向上移动柔性薄膜152，以移动空气通过穿孔部分157并进入上背板154和下背板156之间的空间(如图5a所示)。然后，蜿蜒运动包括在上背板154的穿孔部分155下方向上移动柔性薄膜152，以通过穿孔部分155将空气从上背板154和下背板156之间的空间移出(如图5b所示)。在这种实施例中，柔性薄膜152可以在薄膜中包括孔或狭缝(未示出)。例如，薄膜152可以包括在柔性薄膜152的边缘周围的孔或狭缝或者位于柔性薄膜152中心的孔或狭缝。在其他具体实施例中，连接在薄膜边缘周围的支持结构包括孔或狭缝(未示出)。基于柔性薄膜152中的孔或狭缝，空气能够在柔性薄膜152的泵送期间穿过孔。

在各个实施例中，通过电极160、162、164和166施加的电压的序列可以逆序施加，从而在相反的方向上移动空气。在各个实施例中，可以利用通过电极160、162、164和166施加的电压来控制泵送扬声器150，以根据如上面参照图2b所述产生泵送声信号PA_SIG的载波信号C_SIG使柔性薄膜152振荡。在这种实施例中，可以针对柔性薄膜152调整载波信号C_SIG的幅度C_amp和方向，以如上面参照图2b所述产生泵送声信号PA_SIG。具体地，控制泵送扬声器150以根据产生泵送声信号PA_SIG改变泵送的方向。在各个实施例中，泵送扬声器150可以称为蜿蜒泵。

根据一些实施例，柔性薄膜152是非常具有柔性的或者柔软的。因此，柔性薄膜152可以由硅或多晶硅的薄层形成。在一些实施例中，柔性薄膜152的厚度小于700nm。在一个具体实施例中，柔性薄膜152的厚度为660nm。在其他实施例中，柔性薄膜152的厚度小于500nm。在各个其他实施例中，例如柔性薄膜152可以由导电材料形成，诸如半导体材料或金属。在一个具体实施例中，柔性薄膜152由具有多晶硅层的碳或氮化硅形成。

在一些实施例中，可以包括附加电极以将电部分154a、154b、154c和154d或者156a、156b、156c和156d耦合至独立电极。此外，上背板154和下背板156可以包括附加电部分或附加电极。

图5c和图5d示出了示例性泵送扬声器151(其是泵送扬声器150的一般版本)的截面图，包括柔性薄膜153、上背板154和下背板156。根据各个实施例，例如柔性薄膜153可以包括柔性薄膜152的任何特征，并且可以包括孔或狭缝。在这种实施例中，柔性薄膜153可以显示出任何类型的产生不对称泵送动作的不对称运动，导致方向性泵送。在一些实施例中，柔性薄膜153可以在柔性薄膜153的中心或边缘周围包括通风孔或狭缝。在各个实施例中，穿孔部分155和穿孔部分157可以分别根据各个示例性应用横跨上背板154和下背板156的任何部分延伸。柔性薄膜153的不对称动作在两个方向中的任一方向上都可以是不对称的，以在穿过穿孔部分155和穿孔部分157的任何方向上产生泵送。

图6a和图6b示出了另一示例性泵送扬声器170的截面图，其包括薄膜172、上背板174和下背板176。根据各个实施例，薄膜172包括阀178以控制泵送方向。在操作期间，薄膜172可在两个方向上偏转，同时阀178在一个方向上保持闭合而在另一方向上打开，从而控制泵送的方向。图6a和图6b示出了薄膜172的不同偏转期间的泵送扬声器170的截面图以示出泵送动作。

类似于上面参照图4a、图4b、图4c和图4d描述的上背板134，上背板174包括电部分174a、174b、174c和174d，它们能够在薄膜172上方生成不同的电场。对于上背板174来说，电极180耦合至电部分174b和174d，以及电极182耦合至电部分174a和174c。类似于上面参照图4a、图4b、图4c和图4d描述的下背板136，下背板176包括电部分176a、176b、176c和176d，它们能够在薄膜172下方生成不同的电场。对于下背板176来说，电极184耦合至电部分176a和176c，以及电极186耦合至电部分176b和176d。

根据各个实施例，电极180、182、184和186向上背板174的电部分174a、174b、174c和174d以及下背板176的电部分176a、176b、176c和176d施加电压以如图6a和图6b所示生成薄膜172的移动。在这种实施例中，当阀178保持闭合时，薄膜172的向上运动穿过上背板174中的穿孔在向上的方向上生成泵送。薄膜172的以下向下运动不通过下背板176中的穿孔在向下的方向上生成泵送，因为阀178打开，从而允许空气移动通过阀178。在各个不同实施例中，阀178被配置为在向上或向下的运动期间打开或闭合，以在任何方向上通过薄膜172的移动提供泵送。在一些这种实施例中，阀178被配置为仅在薄膜172的向下运动期间打开。在其他这种实施例中，阀178被配置为仅在薄膜172的向上运动期间打开。在又一些实施例中，阀178被配置为在薄膜172的向上或向下运动期间打开。

在各个实施例中，阀178可以通过施加电压来控制以打开或闭合阀178。在其他实施例中，阀178可被配置为在特定谐振频率下打开和闭合，同时薄膜172在不同的频率下振荡。在这种实施例中，薄膜172的谐振频率可以不同于阀178的谐振频率，并且这种不同可用于与薄膜172的振荡相关地控制阀178的打开和闭合。

在各个实施例中，可通过电极180、182、184和186施加电压来控制泵送扬声器170，从而如上面参照图2b所述，根据产生泵送声信号PA_SIG的载波信号C_SIG使薄膜172振荡。在这种实施例中，可以通过控制薄膜172的振荡和阀178的打开和闭合来调整载波信号C_SIG的幅度C_amp和方向，以如上参照图2b所述产生泵送声信号PA_SIG。具体地，根据产生泵送声信号PA_SIG，通过控制阀178，泵送扬声器170被控制为改变泵送的方向。

根据一些实施例，阀178可包括在上背板174或下背板176中。在这种实施例中，阀178可以从薄膜172中省略，或者可以附加地包括在薄膜172中。在一些实施例中，可以包括附加电极以将电部分174a、174b、174c和174d或者176a、176b、176c和176d耦合至独立电极。此外，上背板174和下背板176可包括附加电部分或附加电极。

图7a和图7b示出了又一示例性泵送扬声器190的顶视图和截面图，其包括转子192、顶部定子194和底部定子196。根据各个实施例，转子192包括多个室，并且基于从顶部定子194和底部定子196施加的电压旋转。随着转子192来回振荡，顶部定子194中的阀198和底部定子196中的阀199被打开和闭合以控制泵送扬声器190的泵送方向。在操作期间，转子192可以在两个方向上偏转，同时阀198和199交替打开和闭合，从而控制泵送的方向。根据各个实施例，泵送扬声器190可以称为转子泵。

类似于上面参照图4a、图4b、图4c和图4d描述的上背板134，顶部定子194包括电部分194a、194b、194c和194d，它们能够在转子192上方生成不同的电场。对于顶部定子194，电极200耦合至电部分194b和194d，以及电极202耦合至电部分194a和194c。类似于上面参照图4a、图4b、图4c和图4d描述的下背板136，底部定子196包括电部分196a、196b、196c和196d，它们能够在转子192下方生成不同的电场。对于底部定子196，电极204耦合至电部分196a和196c，以及电极206耦合至电部分196b和196d。

根据各个实施例，电极200、202、204和206向顶部定子194的电部分194a、194b、194c和194d和底部定子196的电部分196a、196b、196c和196d施加电压，以如图7a和图7b生成转子192的移动。在这种实施例中，通过打开和闭合阀198或阀199，转子192的运动在任意方向上生成泵送。例如，可以通过打开阀198生成向上的泵送，同时转子192旋转以迫使空气移动通过阀198，以及闭合阀198同时转子192在另一方向上旋转，以防止空气被拉回通过阀198。类似地，可以通过打开阀199生成向下的泵送，同时转子192旋转以迫使空气移动通过阀199，以及闭合阀199同时转子192在另一方向上旋转，以防止空气被拉回通过阀199。

在各个不同实施例中，阀198和199被配置为在向上或向下的运动期间打开或闭合，以在任何方向上通过转子192的移动提供泵送。在一些这种实施例中，阀198和199被配置为仅在转子192的顺时针运动期间打开。在其他这种实施例中，阀198和199被配置为仅在转子192的逆时针允许期间打开。在又一些实施例中，阀198和阀199被配置为在转子192的顺时针或逆时针运动期间打开，并且可以相应地进行控制。在各个实施例中，阀198和199可以通过施加电压来控制，以打开或闭合阀198和阀199。在其他实施例中，阀198和阀199可被配置为仅针对在一个方向上流动的空气打开，即，阀198和阀199可以是单向阀。

在各个实施例中，泵送扬声器190可以通过电极200、202、204和206施加电压来控制，以如上面参照图2b所述，根据产生泵送声信号PA_SIG的载波信号C_SIG使转子192振荡。在这种实施例中，可以通过控制转子192的振荡以及阀198和阀199的打开和闭合调整载波信号C_SIG的幅度C_amp和方向，以如上面参照图2b所述产生泵送声信号PA_SIG。具体地，根据产生泵送声信号PA_SIG，通过控制阀198和199，泵送扬声器190被控制为改变泵送的方向。在具体实施例中，转子192被控制为在大于50kHz的频率下振荡。

根据一些实施例，附加阀可包括在顶部定子194或底部定子196中。在一些实施例中，可包括附加电极以将电部分194a、194b、194c和194d或电部分196a、196b、196c和196d耦合至独立电极。此外，顶部定子194和底部定子196可包括附加电部分或附加电极。

图8a、图8b、图8c、图8d、图8e和图8f示出了用于示例性泵送扬声器的阀系统300、301和303的截面图。图8a和图8b示出了包括阀302的自闭合阀系统300。根据各个实施例，阀302自动地闭合，直到在压力P1和压力P2之间存在大压差。如图8a所示，阀302对于压力P1和P2保持闭合。当压力P2远大于压力P1时，如图8b所示通过压差迫使阀302打开。

图8c和图8d示出了包括阀304的自打开阀系统301。根据各个实施例，阀304自动地打开，直到在压力P1和压力P2之间存在大压差。如图8c所示，阀304针对压力P1和P2保持打开。当压力P1远大于压力P2，如图8d所示，通过压差迫使阀304闭合。

图8e和图8f示出了包括阀306以及用于控制施加至阀306的电压V1的电压源308的压控阀系统303。根据各个实施例，当如图8e所示电源308主动在阀306两端施加电压V1时，阀306闭合。当如图8f所示电源308无效或者断开且在阀306两端没有施加电压时，阀306打开。

各种自闭合阀、自打开阀和压控阀的材料和结构存在多种可能，并且对于本领域技术人员来说是公知的。这些多种材料和结构实施包括在各个实施例中。

图9a和图9b示出了示例性泵送扬声器系统320和示例性泵送扬声器系统321的系统图。泵送扬声器系统320包括后腔体积322、前腔体积324、过滤器薄膜326、单向泵328、阀330和阀332。根据各个实施例，单向泵328、阀330和阀332如上面参照其他附图所述进行操作，以如上面参照图2b所示生成产生泵送声信号PA_SIG的载波信号C_SIG。在这种实施例中，可以通过单向泵328、阀330和332调整载波信号C_SIG的幅度C_amp和方向，以如上面参照图2b所示产生泵送声信号PA_SIG。在这种实施例中，阀330和332被控制以控制后腔体积322和前腔体积324之间的泵送的方向。通过控制阀330和阀332，泵送扬声器系统320能够提供双向泵送，因此控制泵送的方向以生成泵送声信号PA_SIG，同时单向泵328。

根据各个实施例，如上所述调整泵送的方向和幅度，以产生离开前腔体积324的泵送声信号PA_SIG。在这种实施例中，过滤器薄膜326可以包括在前腔体积324的界面或输出处，以提供所生成信号的低通过滤以及提供对单向泵328、阀330和阀332的附加灰尘和微粒保护。滤波器薄膜326通过可听频率范围中的频率，并过滤可听频率范围之上的频率。在可选实施例中，滤波器薄膜326还可以通过可听频率范围之上的频率，例如在超声或近场检测应用中。此外，单向泵328、阀330和阀332可以对来自空气中的微粒或灰尘的损伤敏感，并且过滤器薄膜326可以提供来自空气中的灰尘、污垢或其他微粒的附加保护。

图9b中的泵送扬声器系统321包括后腔体积322、前腔体积324、滤波器薄膜326和双向泵334。根据各个实施例，具有双向泵334的泵送扬声器系统321如上参照泵送扬声器系统320和单向泵328所述进行操作，其中省略阀330和阀332。在这种实施例中，在不具有阀330或阀332的情况下，双向泵334能够在后腔体积322和前腔体积324之间提供双向泵送，因此能够控制泵送的方向，从而如上面参照图2b和图9a所述生成泵送声信号PA_SIG。

在各个实施例中，后腔体积322和前腔体积324可以是未密封体积，诸如器件封装件中的开放体积。在一些实施例中，后腔体积322和前腔体积324可以具有针对不同应用的设计形状。例如，后腔体积322和前腔体积324可以布置为提高声泵送效率、系统成本或系统大小。因此，在各个实施例中，后腔体积322和前腔体积324可以具有任何类型的形状。

图10示出了具有包括微扬声器352-1、352-2、352-3、352-4、352-5、352-6、352-7、352-8、352-9、352-10、352-11和352-12的微扬声器阵列的另一示例性泵送扬声器系统350的系统图。根据各个实施例，微扬声器352-1、352-2、352-3、352-4、352-5、352-6、352-7、352-8、352-9、352-10、352-11和352-12均可以包括任何本文描述的各种示例性微扬声器和微泵。在一些实施例中，泵送扬声器系统350中的每个微扬声器都包括相同的示例性微扬声器。在其他实施例中，泵送扬声器系统350可以包括多种类型的示例性微扬声器。

泵送扬声器系统350被示为具有12个微扬声器352-1、352-2、352-3、352-4、352-5、352-6、352-7、352-8、352-9、352-10、352-11和352-12，但是泵送扬声器系统350可以在其他实施例的阵列中包括任何数量的微扬声器。例如，在一些实施例中，泵送扬声器系统350可以包括2个和24个之间的微扬声器。在其他实施例中，泵送扬声器系统350可以包括多于24个微扬声器。在各个实施例中，微扬声器352-1、352-2、352-3、352-4、352-5、352-6、352-7、352-8、352-9、352-10、352-11和352-12形成在衬底354中。在一个实施例中，衬底354是单个半导体裸片。在另一实施例中，衬底354是印刷电路板(PCB)。

根据各个实施例，与单个微扬声器相比，微扬声器阵列(诸如包括在泵送扬声器系统350中)生成具有较大组合幅度的信号。在这种实施例中，形成在阵列中的微扬声器可以一起产生具有较高SPL的声信号。在具体实施例中，泵送扬声器系统350可以包括各种微扬声器，它们被调整来以更好的性能在不同的频率范围中产生声信号。例如，微扬声器352-1、352-2、352-3、352-4、352-5和352-6可被调整来以更好的性能产生20Hz和1kHz之间的频率，以及微扬声器352-7、352-8、352-9、352-10、352-11和352-11可被调整来以更好的性能产生1kHz和20kHz之间的频率。因此，微扬声器阵列可以被调整来以更好的性能和效率进行操作，在一些实施例中通过使用微扬声器的异质选择来代替微扬声器的同质选择。

图11示出了用于泵送扬声器的操作方法400的系统框图。根据各个实施例，操作方法400包括步骤402和404，并且包括操作包括声泵的扬声器的方法。步骤402包括通过在第一频率下激励声泵来生成具有第一频率的载波信号。在这些实施例中，第一频率在可听频率范围外。步骤404包括通过调整载波信号生成具有第二频率的声信号。在第二频率下执行对载波信号的调整。在这种实施例中，第二频率在可听频率范围内。

根据一些实施例，步骤404中通过调整载波信号生成声信号包括：根据第二频率调整载波信号的幅度，并且根据第二频率调整用于声泵的泵送的方向。在各个附加实施例中，可以在操作方法400中包括其他步骤。

根据一个实施例，操作具有声泵的扬声器的方法包括：通过在第一频率下激励声泵来生成具有第一频率的载波信号，以及通过调整载波信号生成具有第二频率的声信号。在这种实施例中，第一频率在可听频率范围外，而第二频率在可听频率范围内。调整载波信号包括：在第二频率下对载波信号执行调整。其他实施例包括对应的系统和装置，每一个都被配置为执行对应的示例性方法。

实施方式可以包括一个或多个以下特征。在各个实施例中，通过调整载波信号生成声信号包括：根据第二频率调整载波信号的幅度，以及根据第二频率调整用于声泵的泵送的方向。在一些实施例中，第二频率包括可听频率范围内的多个频率，以及声信号包括具有可听频率范围内的多个频率的多个声音。激励声泵可以包括激励微泵结构。

在各个实施例中，第一频率高于100kHz，第二频率低于23kHz。在一些实施例中，选择第一频率以与声泵的谐振频率匹配。在具体实施例中，第一频率保持恒定，而第二频率可变。在又一些实施例中，该方法还包括：在生成载波信号之前，在多个频率下激励声泵；测量对应于多个频率的声泵的多个响应；以及基于测量多个响应确定声泵的谐振频率。在又一些实施例中，该方法还包括：在生成载波信号之前，将第一频率设置为谐振频率。根据一些实施例，该方法还包括：在生成载波信号之前，通过调整声泵内的机械部件调节声泵的谐振频率。

根据一个实施例，微扬声器包括声微泵结构，其被配置为在高于可听频率上限的第一频率下泵送，以及根据低于可听频率上限的第二频率，通过调整泵送的幅度和方向生成声信号。其他实施例包括对应的系统和装置，它们均被配置为执行对应的示例性方法。

实施方式可包括一个或多个以下特征。在各个实施例中，微扬声器还包括耦合至声微泵结构的集成电路。集成电路被配置为在多个测试频率下操作声微泵结构；测量与多个测试频率相对应的声微泵结构的多个频率响应；基于测量多个频率响应确定声微泵结构的谐振频率；以及基于谐振频率设置第一频率。

在各个实施例中，声微泵结构包括被划分为多个部分的可偏转薄膜，具有分离该多个部分的狭缝。在一些实施例中，声微泵结构包括蜿蜒泵(serpentine pump)。在又一些实施例中，声微泵结构包括可偏转薄膜，其中在可偏转薄膜中具有阀。在这种实施例中，阀可以包括单向阀。在其他这种实施例中，阀可以包括压控阀。

在各个实施例中，声微泵结构包括转子泵。在一些实施例中，微扬声器还包括耦合至声微泵结构的后腔体积以及耦合至声微泵结构的前腔体积，并且具有被配置为输出声信号的输出。在这种实施例中，声微泵结构还被配置为在后腔体积和前腔体积之间泵送。在一些实施例中，前腔体积包括输出上的过滤器薄膜。在又一些实施例中，声微泵结构包括设置在相同衬底中的多个声微泵结构并且被配置为微泵阵列。

根据一个实施例，扬声器包括声泵，其被配置为通过在第一频率下激励声泵来生成具有第一频率的载波信号以及通过调整载波信号生成具有第二频率的声信号。第一频率在可听频率范围外，而第二频率在可听频率范围内。在这种实施例中，调整载波信号包括在第二频率下对载波信号执行调整。其他实施例包括对应的系统和装置，它们均被配置为执行对应的示例性方法。

实施方式可以包括一个或多个以下特征。在各个实施例中，通过调整载波信号生成声信号包括：根据第二频率调整载波信号的幅度；以及根据第二频率调整用于声泵的泵送的方向。在一些实施例中，第二频率包括可听频率范围外的多个频率，以及声信号包括具有可听频率范围内的多个频率的多个声音。

在各个实施例中，选择第一频率以与声泵的谐振频率匹配。在一些实施例中，第一频率保持恒定，而第二频率可变。在又一些实施例中，扬声器还包括集成电路，其耦合至声泵并被配置为在多个频率下激励声泵，测量对应于多个频率的声泵的多个响应，以及基于测量多个响应确定声泵的谐振频率。集成电路可以进一步被配置为将第一频率设置为谐振频率。在又一些实施例中，集成电路被进一步配置为通过调整声泵内的机械部件来调节声泵的谐振频率。

各个实施例的优势例如可以包括：微扬声器能够产生具有在较低频率(例如，低于100Hz)下减小很少或不减小的SPL的可听声音。各个实施例的另一优势可以包括增加用于微扬声器的操作的效率。各个实施例的又一优势可以包括微扬声器基于谐振模式激励具有较大偏转，以及微扬声器能够产生具有高SPL的可听声音。各个实施例的又一优势可包括微扬声器具有平坦的频率曲线。一些实施例的又一优势可包括微扬声器能够例如针对超声或近场检测产生可听范围之上的频率。

本文主要参照空气中的声信号进行了描述。然而，在又一些实施例中，示例性方法和结构可应用于产生信号的任何介质。

虽然参照示例性实施例描述了本发明，但这种描述不用于限制。本领域技术人员在阅读本发明的基础上可以实现所示实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此，所附权利要求是包括任何这种修改或实施例。