CN104041072B - 防止电容式装置中的静电吸合 - Google Patents
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Abstract
一种麦克风系统，包括具有第一电极和第二电极的音频传感器。电压源耦合到所述第一电极和所述第二电极。高阻抗偏置网络耦合到所述电压源和所述音频传感器的所述第一电极之间。附加电子装置基于所述机电装置的所述第一电极的状态进行操作。反馈系统被配置为将所述高阻抗偏置网络中的电势保持约为零伏。将所述高阻抗偏置网络中的电势保持约为零伏降低了发生静电吸合的倾向。
Description
背景技术
本发明涉及对诸如麦克风的机电系统中的电容式装置的监控和控制。诸如非永电体电容式麦克风的一些机电系统包括用于在正常工作情况下施加接近恒定的电荷的偏置电压源。然而，如果这种系统的电极彼此之间靠得太近，那么电荷可能流向一个或多个电极或者从一个或多个电极流出。这种电荷流能够引起一个电极在物理上吸引到另一个电极，从而导致装置的工作性能的改变。这种现象被称作静电吸合。一些现有系统通过降低系统的灵敏度来解决静电吸合问题。其他现有系统在将要发生或者已经发生静电吸合时检测到静电吸合，并且随后仅调整装置的电压或者灵敏度来防止发生崩溃事件或者从崩溃事件中恢复。
发明内容
除了其他方面，本发明通过将偏置网络两端之间的电势调整为等于零伏，实现了无论电极的相对位置如何，均防止多余的电荷流到系统中的电极上或者从系统中的电极流出。因为偏置网络两端之间的电势恒定地保持为约为零伏，所以降低了系统经历吸合的倾向。因此，不需要通过调整系统的灵敏度或者偏置电压来从检测到的或者预期的吸合事件中恢复。因此，在装置的整个工作期间，系统都能够提供更高的灵敏度。
在一个实施例中，本发明提供了一种机电系统，例如，麦克风系统，其包括机电装置，例如，具有第一电极和第二电极的音频传感器。电压源耦合到所述第一电极和所述第二电极。高阻抗偏置网络耦合到所述电压源和所述机电装置的所述第一电极之间。附加电子装置基于所述机电装置的所述第一电极的状态进行操作。反馈系统被配置为将所述高阻抗偏置网络两端之间的电势保持为约零伏。
所述机电装置包括电容式装置，例如，电容式麦克风。所述附加电子装置监控所述麦克风的电压并且传送表示所述麦克风的电压变化的电信号。所述系统还可以包括位于所述电压源和所述高阻抗偏置网络之间的电荷泵。所述电荷泵将来自所述电压源的电压调整为提供给所述高阻抗偏置网络的目标电压。
在一些实施例中，所述反馈系统向所述电压源提供输入，从而改变由所述电压源提供的电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端之间的电势约等于零。在其它实施例中，所述反馈系统向所述电荷泵提供输入，从而改变所述电荷泵的输出电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端之间的电势约等于零。在再一实施例中，所述反馈系统改变所述电荷泵的电压输出，以使得所述高阻抗偏置网络两端之间的电势约等于零。
通过考虑详细的说明以及附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1A是根据本发明一个实施例的麦克风顶表面的透视图。
图1B是图1A的麦克风的底表面的透视图。
图2是图1A的麦克风的截面图。
图3是用于图1A的麦克风的控制系统的示意图。
图4是用于图1A的麦克风的替代控制系统的示意图。
图5是用于图1A的麦克风的另一替代控制系统的示意图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明的应用并不限于下面的描述所阐述的或者下面的附图所示出的部件的结构和配置。本发明能够以其他实施例实现，或者能够以各种方式实践或者执行。
图1A示出了CMOS-MEMS麦克风1的顶表面。麦克风1包括由支撑结构3支撑的振动膜或者振动膜阵列4。支撑结构由硅或者其他材料制造。如图1B所示，麦克风结构1的背侧包括蚀刻到硅支撑结构3内部的背腔5。背腔5的顶部是背板6。
图2是图1A和1B的麦克风结构1的截面示意图。如图2所示，背板6和振动膜4二者均由硅支撑结构3支撑。然而，在一些实施例中，支撑结构可以包括多层的不同材料。例如，CMOS层可以沉积在硅支撑结构3的顶部。在一些实施例中，振动膜4由CMOS层支撑，而不是直接耦合到硅支撑结构3。
定位振动膜4和背板6以使得这两个构件之间存在间隙。在这种配置中，振动膜4和背板6用作电容器。当声压(例如，声音)施加到振动膜4时，振动膜4将会振动，而背板6相对于硅支撑结构3保持静止。随着振动膜4移动，振动膜4和背板6之间的电容也将发生变化。通过这种配置，振动膜4和背板6用作用于对声压进行检测并且定量的音频传感器。
图3是用于检测振动膜4和背板6之间的电容变化并且输出表示施加到振动膜4的声压(例如，声音)的信号的控制系统的示意图。为了检测电容电荷，相对于背板6向振动膜4施加偏置电荷。电压源10向电荷泵12提供输入电压。电荷泵12的输出向高阻抗偏置网络14的输入端提供电压。电压源10、电荷泵12和高阻抗偏置网络14以串联的方式连接。在这种串联式配置中，附加装置能够以串联或并联方式连接至电压源10、电荷泵12和高阻抗偏置网络14中的一个或者多个。
高阻抗偏置网络向麦克风1施加电偏置。这种配置在麦克风1上提供接近恒定的电荷。附加的下游电子装置16监控麦克风元件1的电极上的电压变化。下游电子装置16包括信号处理系统，其生成并传送表示基于麦克风元件1的电容变化而检测到的声压的输出信号。
在先前的偏置麦克风系统中，如果声压使得振动膜移动至太接近于背板，则麦克风元件上的电压就将会发生变化。这将使得在高阻抗偏置网络两端之间产生非零电压。因此，电荷将会通过高阻抗偏置网络流动。该电荷流将使得麦克风元件的振动膜和背板之间的电吸引的增加。这种增加的吸引将会导致静电吸合，并且将会对麦克风的工作产生不利影响。
为了防止静电吸合，图3示出的系统包括反馈系统18。反馈系统18用于使高阻抗偏置网络14两端之间的电势保持为约为零伏。反馈系统18基于麦克风元件1和电荷泵电压之间的电压差生成反馈信号。反馈信号相应地调整高阻抗偏置网络14的输入以确保电势保持或者接近于零伏。例如，在一些结构中，反馈系统18缓存增益并且将该增益施加到下游电子装置16的输出信号，并且将该缓存的输出再耦合至高阻抗偏置网络14的输入。因此，任何时候，输出的变化分量都平等地施加到高阻抗偏置网络14的输入端，从而在高振幅瞬态信号摆动期间，在高阻抗偏置网络14两端产生的电压接近于零伏，并且没有电荷由于该事件而通过偏置网络传输。通过使高阻抗偏置网络14两端之间的电势保持为零伏，高阻抗偏置网络14中不会有电荷流动。这降低了振动膜4吸合至背板6中的倾向。
在图3示出的系统中，来自反馈系统18的反馈信号作用于电荷泵12的输出。根据监控到的麦克风1的性能，反馈信号可以例如将音频带AC信号耦合到相当于麦克风元件1上的信号的电荷泵输出。因此，反馈系统以确保电势约为零伏的方式直接增大或者减小提供给高阻抗偏置网络14的电压或者电流。
图4示出了替代配置。在图4中，反馈系统18直接将输入信号提供给电荷泵12以改变电荷泵12的操作。结果，电荷泵12的输出是已经被调整过的，因而提供给高阻抗偏置网络14的电荷导致电势为零伏。
图5示出了另一替代配置。在图5的系统中，反馈系统18直接将输入信号提供给电压源10以改变电压源10的操作。结果，电压源10的输出是已经以电荷泵12的输出导致高阻抗偏置网络14两端的电势为零伏的方式被调整过的。
因此，除了其他方面之外，本发明提供了一种麦克风系统，其通过使得向麦克风提供偏置电压的高阻抗偏置网络两端之间的电势为零伏且没有电荷通过该高阻抗偏置网络流动来防止静电吸合。在下面的权利要求中阐明了本发明的各种特征和优点。
Claims (12)
1.一种麦克风系统，包括：
音频传感器，所述音频传感器包括第一电极和第二电极；
电压源，所述电压源耦合到所述音频传感器的所述第一电极和所述第二电极；
高阻抗偏置网络，所述高阻抗偏置网络耦合在所述电压源和所述第一电极之间，所述高阻抗偏置网络接收来自所述电压源的输入电压并且将偏置电压输出提供给所述第一电极；
一个或者多个附加电子装置，所述一个或者多个附加电子装置基于所述第一电极的状态进行操作；以及
反馈系统，所述反馈系统被配置为将所述高阻抗偏置网络两端的电势保持约为零伏。
2.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述音频传感器包括电容式装置，并且其中所述一个或者多个附加电子装置基于所述电容式装置的电压进行操作。
3.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述反馈系统向所述电压源提供输入，并且其中到所述电压源的所述输入改变由所述电压源提供的电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端的电势约等于零伏。
4.根据权利要求1所述的麦克风系统，还包括电荷泵，所述电荷泵以串联配置的方式被定位于所述电压源和所述高阻抗偏置网络之间。
5.根据权利要求4所述的麦克风系统，其中，所述反馈系统向所述电荷泵提供输入，并且其中到所述电荷泵的所述输入改变由所述电荷泵提供的电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端的电势约等于零。
6.根据权利要求4所述的麦克风系统，其中，所述反馈系统改变由所述电荷泵提供的电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端的电势约等于零。
7.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述第一电极包括所述麦克风的振动膜，并且其中所述第二电极包括所述麦克风的背板。
8.一种防止电容式麦克风中的静电吸合的方法，所述麦克风包括电压源和高阻抗偏置网络，所述电压源耦合到所述电容式麦克风的第一电极和第二电极，所述高阻抗偏置网络耦合在所述电压源和所述第一电极之间，所述方法包括：
将来自所述高阻抗偏置网络的偏置电压提供给所述麦克风的所述第一电极；
监控所述第一电极上的电压；以及
将所述高阻抗偏置网络两端的电势保持约为零伏。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述高阻抗偏置网络两端的电势保持约为零伏包括：向所述电压源提供输入并且基于所述输入改变由所述电压源提供的电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端的所述电势约等于零伏。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：在电荷泵处接收来自所述电压源的第一电压，并且将来自所述电荷泵的第二电压提供给所述高阻抗偏置网络。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述高阻抗偏置网络两端的电势保持约为零伏包括：向所述电荷泵提供输入并且由所述电荷泵基于所述输入来改变所述第二电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端的所述电势约等于零伏。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述高阻抗偏置网络两端的电势保持约为零伏包括：改变由所述电荷泵提供的第二电压，以使得所述高阻抗偏置网络两端的所述电势约等于零伏。
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