CN103404172A - 麦克风和定位两个背板之间的隔膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种麦克风(MIC)，该麦克风(MIC)包括：两个背板(FBP，SBP)；位于两个背板(FBP，SBP)之间的隔膜(MEM)；电压源(VS1)，将第一偏压施加到隔膜(MEM)和第一背板(FBP)并且将第二偏压施加到隔膜(MEM)和第二背板(SBP)；以及控制单元(CU)，调整第一和第二偏压。本发明还提供一种使隔膜(MEM)在麦克风(MIC)中的两个背板之间的最终机电均衡位置中居中的方法。

Description

麦克风和定位两个背板之间的隔膜的方法
本发明涉及麦克风。具体来说，本发明涉及双背板麦克风，其中包括两个背板以及位于两个背板之间的隔膜。此外，本发明提供一种定位双背板麦克风的两个背板之间的隔膜的方法。
与包括隔膜和一个背板的常规麦克风相比，双背板麦克风在相同芯片面积上提供性能增加。在双背板麦克风中，测量隔膜与第一背板之间的第一电容，并且同时测量隔膜与第二背板之间的第二电容。与单背板麦克风相比，通过取所测量电容之间的差来增加性能。但是，麦克风的性能与两个背板之间的隔膜的位置精度极为相关。
在麦克风制造期间准确地定位两个背板之间的隔膜的方法是已知的。这些方法优化麦克风的设计和处理。但是，制造期间能够实现的准确性不够精确到满足与麦克风的规范有关的增加需求。相应地，需要增加双背板麦克风中的两个背板之间的隔膜的定位准确性。本发明的一个目的是提供一种允许更准确定位两个背板之间的隔膜的麦克风。此外，本发明的另一目的是提供一种在麦克风中的两个背板之间准确定位隔膜的方法。
如权利要求1所述的麦克风以及如权利要求10所述的用于定位两个背板之间的隔膜的方法提供用于这个目的的解决方案。从属权利要求公开本发明的有利实施例。
按照本发明的麦克风包括：两个背板；位于两个背板之间的隔膜；电压源，将第一偏压施加到隔膜和第一背板并且将第二偏压施加到隔膜和第二背板；以及控制单元，调整第一和第二偏压。
在一个备选设计中，麦克风还包括第二电压源。在这里，第一电压源仅将第一偏压施加到隔膜和第一背板，而第二电压源将第二偏压施加到隔膜和第二背板。
控制单元包括模拟和/或逻辑电路组件，并且能够位于麦克风芯片上、专用ASIC(专用集成电路)芯片上、外部装备中或者与芯片上模拟电路和外部逻辑相结合。
气隙分隔隔膜和每个背板。相应地，如果偏压施加在隔膜与背板之一之间，则对隔膜和相应背板所形成的电容器进行充电。相应地，静电力在隔膜与背板之间起作用。因此，隔膜与背板之间的气隙随隔膜朝背板移动而降低，直至在恢复隔膜力与静电力之间达到均衡。在理想麦克风中，隔膜和背板具有准确已知的形状和机械性质。因此，在这种情况下，两个背板之间的隔膜的位置能够精确计算。但是，在现实麦克风中，由于有限制造准确性，背板和隔膜的几何和机械性质能够改变并且变为不对称。因此，当施加偏压时，隔膜与两个背板之间的距离能够偏离理想麦克风的所计算理想距离。按照本发明，控制单元能够调整第一和第二偏压。调整这些电压允许校正隔膜的定位。
与现有技术麦克风相对照，本发明允许在麦克风的制造已经完成之后重新调整隔膜的位置。相应地，定位准确性能够极大地增加。
在一个实施例中，控制单元能够包括至少一个可调整电压泵。优选地，控制单元包括两个可调整电压泵，其中可调整电压泵的每个能够调整第一或第二偏压其中之一。电压泵是使用电容器作为能量存储元件来创建较高或较低电压电源的DC-DC转换器。电压泵有时也称作电荷泵。
在一个实施例中，麦克风包括测量隔膜与第一背板之间的电容以及还有隔膜与第二背板之间的电容的部件。
在一个实施例中，麦克风包括测量隔膜与第一背板之间的崩溃电压以及还有隔膜与第二背板之间的崩溃电压的部件。崩溃电压是需要施加在隔膜与相应背板之间以使得隔膜和相应背板相互接触的电压。
在一个实施例中，麦克风是MEMS麦克风，其中电压源和控制单元集成在专用集成电路(ASIC)中。
在一个实施例中，麦克风能够在单个芯片上实现，其中控制单元、电压源、两个背板和隔膜在同一芯片上实现。
在一个备选实施例中，控制单元在独立专用芯片上实现。控制单元的最有可能定位是在专用ASIC芯片上。背板和隔膜在MIC芯片上形成。MIC和ASIC芯片随后通过衬底芯片电连接。这个3芯片系统称作CSP(芯片尺寸封装)。
在另一个备选实施例中，控制单元被分开。控制单元的部分能够在仅于测试期间才连接到麦克风的外部测试单元上实现。控制单元的其它部分能够在MIC芯片上或者在专用ASIC芯片上实现。
本发明还提供一种定位两个背板之间的隔膜的方法。这种方法包括下列步骤：在麦克风制造之后确定第一与第二背板之间的隔膜的初始机电均衡位置；计算第一和第二偏压的最佳值以将隔膜移动到第一与第二背板之间的最终机电均衡位置；以及调整第一和第二偏压。
第一与第二背板之间的隔膜的初始机电均衡位置是隔膜在制造完成之后所处的位置，并且相同偏压施加在隔膜与第一背板之间以及隔膜与第二背板之间。
第一与第二背板之间的隔膜的最终机电均衡位置是隔膜在已经适配两个偏压之后所处的位置。在一个实施例中，隔膜在其最终机电均衡位置在两个背板之间的中间居中。
发明方法允许调整两个偏压，以使得隔膜从其初始机电均衡位置移动到通常在两个背板之间的中间居中的最终机电均衡位置。
能够在麦克风制造完成之后应用这种方法。具体来说，该方法能够在将麦克风交付给客户之前的最终测试阶段中应用，但是也可能在麦克风内建到客户产品时执行一次或多次。该方法允许在制造和/或客户内建之后确定两个背板之间的初始隔膜位置，并且进一步校正这个初始位置。
能够通过将可调整电压泵的输出设置成某个值，来调整第一和第二偏压。
在一个实施例中，第一和第二偏压选择成使得隔膜在第一与第二背板之间的最终机电均衡位置中居中。对应于最终机电均衡位置，能够选择两个偏压的不同值。
定位隔膜的方法包括下列步骤：在制造之后确定第一与第二背板之间的隔膜的初始机电均衡位置。这个步骤能够按照不同方式来执行。
一种可能性是将第一和第二偏压设置成开始值，然后增加第一偏压一直到隔膜和第一背板相互接触，以及确定隔膜与第一背板相互接触时的第一偏压的值。这个值又称作崩溃电压。相应地，在这个步骤确定的崩溃电压是需要施加到第一背板和隔膜以便引起这两个元件之间的物理接触的电压。
在下一个步骤，将第一偏压重置成其开始值，增加第二偏压一直到隔膜和第二背板相互接触。确定隔膜和第二背板相互接触时的第二偏压的值，并且第一与第二背板之间的隔膜的初始机电均衡位置这时能够基于所测量崩溃电压来计算。这个信息能够馈入控制单元或者在控制单元中分配，以及控制单元调整偏压以使隔膜在两个背板之间居中。
备选地，能够通过测量隔膜与两个背板的每个之间的一个或多个电压下的电容来确定制造之后的第一与第二背板之间的隔膜的初始机电均衡位置。然后将所测量电容与预定义中心值进行比较，以及调整偏压，并且将隔膜移位成更接近它在第一与第二背板之间的最终机电均衡位置。
这种方法能够重复进行若干次，直到隔膜在两个背板之间的其最终机电均衡位置准确地居中。这种反馈系统还允许偏压基于所测量电容来调整。
通过调整两个背板之间的隔膜的位置，麦克风成为在声学上对称。这优化最大声压级(MAX SPL)，并且使总谐波失真(THD)为最小。MAX SPL描述多少声压能够施加到麦克风，直到将隔膜拉向背板之一。优选地，MAX SPL应当尽可能高，因为MAX SPL描述麦克风的测量范围。THD描述信号在给定声压级失真的程度。通过本发明使THD为最小。
通过下文所给出的详细描述和所附示意图，将全面地了解本发明。附图包括：
图1示出按照本发明的双背板MEMS麦克风的示意图。
图1示出按照本发明的双背板MEMS麦克风MIC。麦克风MIC包括第一背板FBP和第二背板SBP。此外，麦克风MIC包括位于第一背板FBP与第二背板SBP之间的隔膜MEM。在隔膜MEM与背板FBP、SBP的每个之间存在气隙AG。第一和第二背板FBP、SBP各包括开口OP，以使得气隙AG和隔膜MEM与环境相接触。如果声信号将压力施加到麦克风MIC，声信号能够通过背板FBP、SBP的开口OP传播，并且通过对应压力变化来移动隔膜MEM。
此外，麦克风MIC包括控制单元CU，控制单元CU包括两个电压源VS1、VS2。控制单元CU能够连同隔膜MEM和背板FBP、SBP一起集成在单个芯片上，位于专用芯片、例如ASIC芯片上，作为外部装备的组成部分或者分布在包括隔膜MEM和背板FBP、SBP的芯片上、专用芯片上和/或外部装备上。
在图1所示的实施例中，控制单元CU在专用ASIC芯片上实现。隔膜MEM和背板FBP、SBP在另一个芯片上实现。两个芯片经由第三芯片、即衬底芯片电连接。控制单元CU包括两个电压源VS1、VS2、放大器AMP、模拟电路AC以及逻辑电路LC。
第一电压源VS1将第一偏压施加在第一背板FBP与隔膜MEM之间。由于隔膜MEM和第一背板FBP通过气隙AG来分隔，所以在隔膜MEM与第一背板FBP之间创建电容。第一背板FBP处于第一电压电平，以及隔膜MEM处于不同的电压电平。
第二电压源VS2将偏压施加在隔膜MEM与第二背板SBP之间。由于隔膜MEM和第二背板FBP通过气隙AG来分隔，所以在隔膜MEM与第二背板SBP之间创建电容。第二背板SBP处于第二电压电平，以及隔膜MEM处于不同的电压电平。
控制单元CU使得能够调整施加在隔膜MEM与背板FBP、SBP的每个之间的第一和第二偏压。为此，控制单元CU包括两个可调整电压泵。这些电压泵的输出能够调整成使得隔膜MEM与背板FBP、SBP的每个之间的电容能够改变。电压泵的输出电平选择成使得隔膜MEM在两个背板FBP、SBP之间的最终机电均衡位置中居中。
在备选设计中，控制单元CU仅包括一个电压源VS1。在这里，电压源VS1连接到隔膜MEM、第一背板FBP和第二背板SBP。第一电压电平施加到隔膜MEM，例如5 V与20 V之间的电压。此外，低得多的电压施加到第一和第二背板FBP、SBP，例如0.01与2 V之间的电压。
相应地，在隔膜MEM与第一背板FBP之间创建第一电容，以及在隔膜MEM与第二背板SBP之间创建第二电容。此外，控制单元CU能够改变施加到隔膜MEM和/或第一和第二背板FBP、SBP的电压，并且因此控制单元CU能够调整隔膜MEM与两个背板FBP、SBP之间的电容。
参考标号
MIC  -    麦克风
FBP   -    第一背板
SBP   -    第二背板
MEM -    隔膜
AG    -    气隙
OP    -    开口
CU    -    控制单元
VS1   -    第一电压源
VS2   -    第二电压源
AMP -    放大器
AC    -    模拟电路
LC     -    逻辑电路

Claims (14)

1.一种麦克风(MIC)
包括
两个背板(FBP，SBP)，
隔膜(MEM)，位于所述两个背板(FBP，SBP)之间，
电压源(VS1)，将第一偏压施加到所述隔膜(MEM)和第一背板(FBP)，并且将第二偏压施加到所述隔膜(MEM)和第二背板(SBP)，以及
控制单元(CU)，调整所述第一偏压和所述第二偏压。
2.如权利要求1所述的麦克风(MIC)，
包括将所述第二偏压施加到所述隔膜(MEM)和所述第二背板(SBP)的第二电压源(VS2)。
3.如权利要求1或2所述的麦克风(MIC)，
其中，所述控制单元(CU)包括至少一个可调整电压泵。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的麦克风(MIC)，包括测量所述隔膜(MEM)与所述第一背板(FBP)之间的崩溃电压以及所述隔膜(MEM)与所述第二背板(SBP)之间的崩溃电压的部件。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的麦克风(MIC)，
包括测量所述隔膜(MEM)与所述第一背板(FBP)之间的电容以及还有所述隔膜(MEM)与所述第二背板(SBP)之间的电容的部件。
6.如权利要求1-5中的任一项所述的麦克风(MIC)，
它是MEMS麦克风(MIC)。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的麦克风(MIC)，
其中，所述隔膜(MEM)和所述两个背板(FBP，SBP)在第一芯片上实现，
其中，所述控制单元(CU)和电压源(VS1，VS2)集成在专用集成电路芯片 – ASIC芯片 – 中，以及
其中，所述第一芯片和所述ASIC芯片通过衬底芯片电连接。
8.如权利要求1-6中的任一项所述的麦克风(MIC)，其中，所述隔膜(MEM)、所述两个背板(FBP，SBP)、所述控制单元(CU)和所述电压源(VS1，VS2)在一个芯片上实现。
9.如权利要求1-6中的任一项所述的麦克风(MIC)，其中，所述控制单元(CU)的部分在外部测试单元上实现。
10.一种定位如权利要求1-9中的任一项所述的麦克风(MIC)中的两个背板之间的隔膜(MEM)的方法，
包括下列步骤：
-   在所述麦克风(MIC)的制造之后确定第一与第二背板(FBP，SBP)之间的所述隔膜的初始机电均衡位置，
-   计算第一和第二偏压的最佳值，以便将所述隔膜(MEM)移动到所述第一与第二背板(FBP，SBP)之间的最终机电均衡位置，以及
-   调整所述第一和第二偏压。
11.如权利要求10所述的方法，
其中，所述第一和第二偏压的最佳值选择成使得将所述隔膜(MEM)在所述第一与第二背板(FBP，SBP)之间的中间的最终机电均衡位置中居中。
12.如权利要求10或11中的任一项所述的方法，
其中，通过将至少一个可调整电压泵的输出设置成某个值，来调整所述第一和第二偏压。
13.如权利要求10-12中的任一项所述的方法，
其中，所述第一与第二背板之间的所述隔膜(MEM)的所述初始机电均衡位置通过下列步骤来确定
-   将所述第一和第二偏压设置成开始值，
-   增加所述第一偏压，直到所述隔膜(MEM)和所述第一背板(FBP)相互接触，
-   确定所述隔膜(MEM)和所述第一背板(FBP)相互接触时的第一崩溃电压的值，
-   将所述第一偏压重置成所述开始值，
-   增加所述第二偏压，直到所述隔膜(MEM)和所述第二背板(SBP)相互接触，
-   确定所述隔膜(MEM)和所述第二背板(SBP)相互接触时的第二崩溃电压的值，
-   基于所测量电压来计算所述第一与第二背板(FBP，SBP)之间的所述隔膜(MEM)的所述初始机电均衡位置。
14.如权利要求10-12中的任一项所述的方法，
其中，所述第一与第二背板之间的所述隔膜(MEM)的所述初始机电均衡位置通过下列步骤来确定
-   测量所述隔膜(MEM)与所述第一背板(FBP)之间以及所述隔膜(MEM)与所述第二背板(SBP)之间的电容，
-   基于所测量电容来计算所述第一与第二背板(FBP，SBP)之间的所述隔膜(MEM)的所述初始机电均衡位置。
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