CN104640023B - 一种可编程声传感器 - Google Patents

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Abstract

披露了一种可编程声传感器。该可编程声传感器包括一个MEMS换能器和一个与该MEMS换能器耦合的可编程电路。该可编程电路包括一个电源引脚和一个接地引脚。该可编程声传感器还包括一个使能在该可编程电路和一个主机系统之间进行数据交换的通信信道。可以利用该电源引脚和该接地引脚之一进行数据交换。

Description

一种可编程声传感器
发明领域
本发明总体上针对声传感器，并且更具体地针对可编程声传感器的规定。
背景
可编程声传感器是一类包括麦克风的MEMS器件。常规的可编程声传感器通常可以包括例如与声压有联系的MEMS换能器。声压变化会导致MEMS换能器的一个或多个电参数变化。可以从(例如但不限于) 隔膜或悬挂板形成MEMS换能器。增大声压导致隔膜弯曲或悬挂板平移。
利用可编程声传感器来感测MEMS换能器的电参数的变化并产生电输出信号，该电输出信号是声压的量度。该可编程声传感器所感测的这些电参数可以具有许多形式，包括但不限于由隔膜的弯曲或悬挂板的移位所确定的电容改变。
MEMS换能器对声压变化的响应通常是MEMS换能器的机械参数的函数。可编程声传感器还具有其自己的变化，这些变化一般比MEMS 换能器的机械变化小得多。因此，所提供的从MEMS换能器到可编程声传感器的电压变化很大的输入信号会导致声传感器的次佳性能。因此，为了将MEMS换能器的机械参数的较大变化所导致的制造产量损失最小化，希望声传感器是可编程的。
可编程性还可以用于增强可编程声学装置的可测试性和和可观察性，这可以进一步提高测试准确度并降低测试成本。可编程性可以用于补偿关键传感器参数的变化，例如但不限于换能器灵敏度、信噪比(SNR)、换能器的机械元件的共振频率、和声传感器的相位延迟。
无论在数字传感器还是在模拟传感器中，所需要的是用于在不增大传感器上所用的引脚数的情况下增强传感器的功能的系统和方法。该系统和方法应当简单、有成本效益并适用于现有环境。本发明解决了这种需要。
概述
披露了可编程声传感器的实施例。在第一方面，披露了一种可编程声传感器。该可编程声传感器包括一个MEMS换能器和一个与该 MEMS换能器耦合的可编程电路。该可编程电路包括一个电源引脚和一个接地引脚。该可编程声传感器还包括一个使能在该可编程电路和一个主机系统之间进行数据交换的通信信道。可以利用该电源引脚和该接地引脚之一进行数据交换。
在第二方面，该可编程声传感器包括一个MEMS换能器和一个与该MEMS换能器耦合的可编程电路。在该第二方面，该可编程声传感器仅包括三个引脚。该可编程声传感器还包括一个使能在该可编程声传感器和一个主机系统之间进行数据交换的通信信道。可以利用这仅有的三个引脚中的至少一个进行数据交换。
在第三方面，该可编程声传感器包括一个MEMS换能器和一个与该MEMS换能器耦合的可编程电路。该可编程声传感器仅包括四个引脚。该可编程声传感器还包括一个使能在该可编程电路和一个主机系统之间进行数据交换的通信信道。可以利用这仅有的四个引脚中的至少一个进行数据交换。
附图简要说明
图1是可编程声传感器的框图，该可编程声传感器仅包括一个电源引脚和一个接地引脚。
图2是可编程声传感器通信信道协议的示意图。
图3是数据和时钟调节电路的第一实施例的框图，该电路具有在功率上重叠的高频载波和幅移键控信令方案。
图4是数据和时钟调节电路的第二实施例的框图，该电路具有在功率上重叠的高频载波和频移键控信令方案。
图5是数据和时钟调节电路的第三实施例的框图，该电路具有在功率上重叠的基带信令方案。
图6是仅具有电源、接地、和输出引脚的可编程声传感器的第三实施例的框图。
图7是具有电源、接地、输出、和非易失性存储器编程电源引脚的可编程声传感器的第四实施例的框图。
详细说明
本发明总体上针对声传感器，并且更具体地针对可编程声传感器接口的规定。以下描述被展示以使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明，并且提供在专利申请及其要求的背景中。对在此描述的优选实施例及通用原理和特征作出的各种修改对于本领域的技术人员而言将是非常明显的。因此，本发明并非旨在限定于所示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广范围。
在所描述的实施例中，微电子机械系统(MEMS)是指使用类似半导体的工艺制造的并且展示出机械特征(如移动或变形的能力)的结构或器件的类别。MEMS器件经常但不总是与电信号进行交互。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速计、磁力计、压力传感器、传声器、以及无线电频率组件。包含MEMS结构的硅片被称为MEMS晶圆。MEMS声传感器包括MEMS换能器和电接口。
在实施例中，MEMS换能器和电接口可以完全整合成单模，或在另一实施例中，MEMS换能器和电接口可以是两个分开的模，其中， MEMS换能器和电接口通过附加引脚和接合线互连。在任意一种情况下，可编程声传感器通过电接口引脚与主机系统耦合。在实施例中，主机系统可以是在生产和表征过程中使用的测试仪，获取声传感器输出等的最终应用。
在实施例中，模拟输出声传感器包括可编程声传感器，该可编程声传感器包括三个引脚。在这种系统中，这三个引脚是：电源(Vdd)引脚、接地(Gnd)引脚和输出(Out)引脚。Vdd和Gnd引脚与可编程声传感器耦合。Out引脚向主机系统提供模拟输出，该Out引脚是声传感器输出。
在另一实施例中，数字输出声传感器可以具有五个引脚。在这种系统中，这五个引脚是：电源(Vdd)引脚、接地(Gnd)引脚、时钟(Clk) 引脚、左/右(L/F)选择和数字输出(Out)引脚。Vdd、Gnd、Clk和L/F 引脚与可编程声传感器耦合。
在实施例中，数字输出(Out)向主机系统提供声传感器输出。例如，数字输出包括提供经脉冲密度调制(PDM)的声传感器输出等。
为了在不增大可编程声传感器中的引脚数的情况下使能可编程性，向现有引脚增加辅助功能。这些辅助功能包括但不限于：检测有效通信请求、确认该请求、从主机系统接收数据、向主机系统发送数据。为了更详细地描述本发明的特征，现在结合附图参考如下描述。
图1是可编程声传感器100的框图，该可编程声传感器仅包括两个引脚。可编程声传感器100包括引脚116和118。在实施例中，引脚116 是电源引脚(Vdd)并且引脚118是接地引脚。引脚116与存储数据的非易失性存储器(NVM)102耦合。NVM 102与数字接口(DIF)106耦合。
DIF 106接收数据输入和数据时钟信号，并提供去向和来自数据和时钟调节电路112的数据输出信号。数据和时钟调节电路112以双向的方式与电源引脚116耦合。内部调节器114也与电源引脚116耦合。DIF 106还与一个或多个寄存器108耦合。该一个或多个寄存器108与MEMS 换能器104和传感器信号调节电路110耦合。传感器信号调节电路110 进而与电源引脚116耦合。在本实施例中，可编程声传感器100仅需要电源引脚116和接地引脚118。电源引脚116还充当数字输入、数字时钟、数字输出、和主传感器输出。在这种系统中，数据和时钟调节电路112 可以例如将编码至电源引脚116上的数据转换成可以馈入数字接口的标准逻辑电平信号。因此，可编程声传感器100可以基于通信信道协议从外部接收数据和指令，该通信信道协议用于以下各项中的任意一项：标识、编程、重新配置、和补偿该可编程声传感器。可编程声传感器可以与来自以下各项中任意一项的主机系统通信：测试设备、另一传感器、数字信号处理器、应用处理器、传感器集线器、编码解码器(编解码器)等。主机系统还能够动态地编程、重新配置、和补偿可编程声传感器。
图2是可编程声传感器通信信道协议150的示意图。一起参照图 1和图2，通信信道150在图1的DIF 106中工作。DIF 106通过引脚116 从主机系统接收命令152和有效载荷154(例如但不限于写命令、寄存器地址、和调整数据)。通过引脚116接收的有效载荷154存储在一个或多个寄存器108中，如果有必要的话。该一个或多个寄存器108中的一部分可以用于控制不同功能，比如像内置于传感器信号调节电路110内的调整和测试功能，该传感器信号调节电路具有来自MEMS换能器104的输出并产生声传感器输出。在实施例中，DIF 106还可以能够通过加载NVM 104中所存储的数据在上电时初始化该一个或多个寄存器108。
如所看到的，在本实施例中，引脚116可以作为数据输入和/或数据输出和/或数据时钟以各种方式工作。作为数据输入、数据输出或数据时钟工作的引脚116的功能可以与引脚116的主要功能共同存在，该引脚的主要功能可以是例如但不限于提供电源(Vdd)。
可以同步地传输通过通信信道150而来的数据，其中，数据时钟确定数据位何时开始和结束。在实施例中，数据传输也可以异步地发生，其中，不需要数据时钟。在异步通信信道中，用其他手段标记数据的开始和结束，例如但不限于特殊的开始和结束位图案或其中每个位以上升沿开始的不归零的图案。
因此，可编程声传感器100可以基于通信信道协议从其他装置接收数据和指令，该通信信道协议用于以下各项中的任意一项：标识、编程、重新配置、和补偿该可编程声传感器。上述功能包括但不限于使能特征(如数字输出、校准、和确定对可编程声传感器的补偿程度)或使其无效。确定补偿程度包括但不限于相位匹配和增益调整。通信信道协议150可以用于测试特征，如获得和标识电自测数据。自测可以包括使能施加导致声传感器产生已知的输出信号的静电力的电路。可以确定的是，声传感器通过检查输出信号的电平而起作用。通信信道协议包括规定以避免错误通信，在正常操作过程中连续地监测通信请求以允许最终用户遵循某个协议发起和建立通信的唤醒检测器。如果通信请求不遵循该协议，唤醒检测器将通信请求视为错误通信并忽略该请求。
通信协议可以包括例如在正常操作过程中连续地监测通信请求的唤醒检测器。这将允许最终用户发起并建立与可编程声传感器的通信。相应地，唤醒检测器可以用于关闭数字接口106，或者数字接口106可以作为默认操作模式而关闭以节能。
数据输入和数据时钟两者可以例如通过具有显著更小的幅度的高频载波在引脚116正携带的主信号上重叠。在一个实施例中，将数据输入信号编码成高频载波的或幅度(幅移键控，ASK)或频率(频移键控， FSK)。
为了向DIF提供所需要的数字数据信令，必须对信号进行调节。因此，数据和时钟调节电路112用于为引脚的不同模式准备信号。为了描述此类电路及其操作的某些实施例，现在结合附图参考如下描述。下面所描述的实施例是示例性的，并且本领域技术人员认识到可以存在许多和各种修改，并且它们将在本发明的精神和范围内。
图3是数据和时钟调节电路的第一实施例的框图，该电路具有在功率上重叠的高频载波和幅移键控信令方案。在本实施例中，数据和时钟调节电路112包括接收电源(Vdd)的高通滤波器204。高通滤波器204 进而向混频器208和比较器206提供输出。比较器恢复数据时钟DCLK。将混频器208的输出适当地提供给低通滤波器212以提供数据输入信号。已解调的信号用于提供数据时钟信号DCLK。将数据输出信号提供给数据输出调制块210，以向当前电源202提供使能信号，从而提供电流(Idd) 输出信号。
在实施例中，幅移键控将二进制数据表示为两个不同的信号幅度。当幅度携带数据输入时，载波信号充当数据时钟。类似地，频移键控将二进制数据表示为两个不同的频率。在这种情况下，时钟和数据调节电路112在它们被作为常规数字信号发送至DIF 106之前恢复数据输入和数据时钟。
图4是数据和时钟调节电路112’的第二实施例的框图，该电路具有在功率上重叠的通带信令方案。在本实施例中，数据和时钟调节电路 112’包括接收电源(Vdd)的锁相环(PLL)302。PLL 302提供数据输入和数据时钟。将数据输出时钟和数据输出信号适当地提供给数据输出调制块210’，以向电流源202’提供使能信号，从而提供电流(Idd)输出信号。
图5是数据和时钟调节电路的第三实施例的框图，该电路具有在功率上重叠的基带信令方案。在本实施例中，数字输入在没有高频载波的情况下在引脚116的主信号(例如但不限于Vdd)上重叠。在此系统中，数据传输异步地发生，并且需要数据和时钟调节电路112’从而为DIF 106 将重叠的数字输入转换成常规数字信号电平。
在本实施例中，数据和时钟调节电路112”包括与比较器电路206’耦合的电平移位器402，该电平移位器接收电源(Vdd和Idd)并提供数据输入信号。将数据输出信号适当地提供给电流源202”以提供电流(Idd) 输出信号。
在本实施例中，通过使用电平移位器402和比较器202”对来自引脚116数据输入进行转换。可以用各种方式实现电平移位器电路402，包括但不限于通过电容器与Vdd耦合的高通滤波器。
通常必须从可编程声传感器100读回数据。读回对于验证NVM 102的内容以及该一个或多个寄存器的内容有用。无论何时检测到读命令，数字接口106都可以开始通过数字输出传输数据。多功能引脚116 可以用于将此数据传输至主机系统。在图1中所示的实施例中，可以通过同一引脚116以负载电流的形式传输数据输出信息。可以通过数据和时钟调节电路112来实现通过同一引脚传输此数据，该数据和时钟调节电路将数据输出转换成在同一引脚116上创造额外负载的电流脉冲，其中，将数据输入和/或数据时钟作为重叠的电压信号传输。
图6是仅具有电源、接地、和输出引脚的可编程声传感器500的第三实施例的框图。图6与图1类似，但包括附加引脚504和相关联的复用器502。复用器502从DIF 106接收数据输出使能信号和数据输出信号并从传感器信号调节电路110接收传感器输出信号。取决于条件，它致使引脚504提供传感器信号或数据输出信号。在本实施例中，其中，可接受共享声传感器输出，DIF 106可以复用引脚504，例如但不限于输出。此实施例可以是同步的，其中，由载波提供时钟频率。还可以异步地传输数据输出，(例如但不限于)其中，DIF 106遵循不归零的图案，其中，上升沿标记每个位的开始。
除了通信信道外，还必须用所接收的适当的调整数据对NVM 102 进行编程，从而使得在生产调整之后在上电过程中可以重新调用数据。通常是NVM 102在某些实施例中可以要求特殊电源以进行编程的情况。一般地，编程电压比普通的电源电压电平更高并被短时间施加至NVM。
在实施例中，现有引脚中的至少一个起高压编程电源的作用以对 NVM进行编程。提供内部电荷泵浦电路需要大量面积，以支持NVM 102 的写要求。可以通过实现适当的切换/电压调节方案，通过现有引脚之一提供编程电源。同时，在编程操作的过程中保护可编程声传感器中的电路的剩余部分免受高压电平的影响。在图1和图6中所示的实施例中，内部电压调节器114保护可编程声传感器100和500的内部电路免受NVM 102 编程所需要的高压电平的影响。
图7是具有电源引脚604、接地引脚118、输出引脚504、和非易失性存储器编程电源引脚602的可编程声传感器600的第四实施例的框图。除了它包括引脚602和604之外，图7与图6类似。引脚602耦合在数据和时钟调节电路112与NVM 102之间。引脚604耦合在数据和时钟调节电路112与内部调节器114之间。引脚604用于NVM编程，该引脚还可以充当数字输入、数字时钟、以及(如果有必要的话)数字输出。
根据本发明的实施例在不增大可编程声传感器内的引脚数的情况下使能可编程性。在不要求附加引脚提供辅助功能的情况下通过利用针对那些功能的现有引脚提供增强的可编程性。这些辅助功能包括但不限于：检测有效通信请求、确认该请求、从主机系统接收数据、向主机系统发送数据。
尽管已经根据所示实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将容易认识到，这些实施例可能存在多种变化并且这些变化将在本发明的精神和范围内。相应地，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以作出许多修改。

Claims (26)

1.一种可编程声传感器，包括：
一个MEMS换能器；
一个与该MEMS换能器耦合的可编程电路，其中该可编程电路包括一个电源引脚、一个接地引脚，以及一个数据和时钟调节电路；以及
一个使能在该可编程电路和一个主机系统之间进行数据交换的通信信道，其中，利用该电源引脚进行该数据交换，其中，该电源引脚从该主机系统接收由该主机系统产生的数据，以及其中该数据和时钟调节电路将从该电源引脚接收的该数据转换成逻辑电平信号。
2.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，通过该电源引脚从该主机系统接收的数据被基于和该数据相关的电压的幅度编码。
3.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该电源引脚和该接地引脚之一还起数据时钟的作用。
4.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该电源引脚和该接地引脚之一还起数据输出的作用。
5.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该电源引脚和该接地引脚之一还起一个传感器输出的作用。
6.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该电源引脚和该接地引脚之一还起非易失性存储器编程电源的作用。
7.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该逻辑电平信号被提供至该可编程电路的数字接口。
8.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，一个附加引脚起数据时钟的作用。
9.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，一个附加引脚起数据输出或数据输入的作用。
10.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，一个附加引脚起非易失性存储器编程电源的作用。
11.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，一个附加引脚起传感器输出的作用。
12.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该可编程声传感器基于一个通信协议通过该电源引脚从该主机系统接收该数据，该通信协议用于以下各项中的任意一项：标识、编程、重新配置、和补偿该可编程声传感器。
13.如权利要求12所述的可编程声传感器，其中，对该可编程声传感器的重新配置包括使该可编程声传感器的数字输出有效或无效。
14.如权利要求12所述的可编程声传感器，其中，对该可编程声传感器的重新配置包括使该可编程声传感器的校准、对该可编程声传感器的补偿程度、相位匹配和增益调整有效或无效。
15.如权利要求12所述的可编程声传感器，其中，对该可编程声传感器的重新配置包括使该可编程声传感器的测试特征有效或无效。
16.如权利要求15所述的可编程声传感器，其中，该测试特征包括一次电自测。
17.如权利要求12所述的可编程声传感器，其中，该通信协议包括确定通信请求是否为错误通信的唤醒检测器。
18.如权利要求12所述的可编程声传感器，其中，该通信协议使用一个高频载波进行数字输入或数字输出。
19.如权利要求12所述的可编程声传感器，其中，该通信协议直接地使用一个基带信号作为数字输入或数字输出。
20.如权利要求12所述的可编程声传感器，其中，该通信协议包括一个唤醒检测器，该唤醒检测器在正常操作过程中连续地监测通信请求。
21.如权利要求20所述的可编程声传感器，其中，该唤醒检测器关闭该可编程声传感器的一个数字接口。
22.如权利要求21所述的可编程声传感器，其中，关闭该数字接口的一种默认操作模式以节能。
23.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该主机系统包括：测试设备、另一传感器、一个数字信号处理器、一个应用处理器、一个传感器集线器、或一个编码解码器。
24.如权利要求1所述的可编程声传感器，其中，该主机系统能够动态地编程、重新配置、和补偿该可编程声传感器。
25.一种可编程声传感器，包括：
一个MEMS换能器；
一个与该MEMS换能器耦合的可编程电路，其中该可编程电路包括三个引脚以及一个数据和时钟调节电路；以及
一个使能在该可编程声传感器和一个主机系统之间进行数据交换的通信信道，其中，利用这三个引脚中的一个电源引脚进行该数据交换，其中，该电源引脚从该主机系统接收该主机系统产生的数据，以及其中该数据和时钟调节电路将从该电源引脚接收的该数据转换成逻辑电平信号。
26.一种可编程声传感器，包括：
一个MEMS换能器；
一个与该MEMS换能器耦合的可编程电路，其中该可编程电路包括四个引脚以及一个数据和时钟调节电路；以及
一个使能在该可编程电路和一个主机系统之间进行数据交换的通信信道；其中，利用这四个引脚中的一个电源引脚进行数据交换，其中，该电源引脚从该主机系统接收该主机系统产生的数据，以及其中该数据和时钟调节电路将从该电源引脚接收的该数据转换成逻辑电平信号。
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