CN104661155A - 麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种麦克风。在一种实施方式中，用于校准麦克风的方法包括基于第一AC偏置电压操作MEMS器件，测量吸合电压，计算第二AC偏置电压或DC偏置电压，以及基于第二AC偏置电压或DC偏置电压操作MEMS器件。

Description

麦克风
本申请是申请日为2012年11月27日、申请号为201210493195.9、发明名称为“麦克风及用于校准麦克风的方法”的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明总体上涉及一种麦克风以及用于校准麦克风的方法。
背景技术
通常，半导体晶片上制造有大量MEMS(微机电系统)器件。
MEMS器件生产中的重大问题是对这些器件的物理和机械参数的控制。例如，诸如机械刚度、电阻、膜片面积、气隙高度等参数可能改变约±20％以上。
有关MEMS器件的一致性和性能的这些参数的变化可能很明显。具体地，参数变化在高容量和复杂度低的低成本MEMS(麦克风)制造工艺中尤为明显。因此，补偿这些参数变化将是很有利的。
发明内容
根据本发明的实施方式，一种用于校准MEMS的方法包括基于第一AC偏置电压操作MEMS，测量该MEMS的吸合电压(pull-in voltage)，计算第二AC偏置电压或DC偏置电压，以及基于第二AC偏置电压操作MEMS。
根据本发明的实施方式，一种用于校准MEMS的方法包括增大膜上的第一AC偏置电压，检测第一吸合电压，以及基于第一吸合电压来为膜设定第二AC偏置电压或DC偏置电压。该方法还包括向膜施加第一定义的声音信号，以及测量麦克风的第一灵敏度。
根据本发明的实施方式，一种麦克风包括MEMS器件，其包括膜和背板；AC偏置电压源，其与膜连接；以及DC偏置电压源，其与背板连接。
根据本发明的实施方式，一种装置包括MEMS器件，其用于检测声音信号；偏置电压源，其用于向MEMS器件提供AC偏置电压；以及控制单元，其用于检测吸合电压以及用于设定AC偏置电压或DC偏置电压。
附图说明
为更加全面地理解本发明以及本发明的优势，现结合附图进行以下描述，其中：
图1示出了麦克风的框图；
图2a至图2c示出了功能图；以及
图3示出了校准麦克风的实施方式的流程图。
具体实施方式
以下将详细讨论优选实施方式的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供了可在宽泛的各种具体环境下实施的多种可用的发明概念。所讨论的具体实施方式仅是说明制作和使用本发明的具体方式，且并不限定本发明的范围。
将针对具体环境(即，麦克风)下的实施方式来描述本发明。然而，本发明也可被用于其他类型的系统，诸如音频系统、通信系统或传感系统。
在电容式麦克风或电容器麦克风中，膜片或膜以及背板形成了电容器的电极。膜片响应声压水平，并通过改变电容器的电容来产生电信号。
麦克风的电容是施加的偏置电压的函数。在负偏置电压下，麦克风表现出小电容，以及在正偏置电压下，麦克风表现出增大的电容。麦克风的电容作为偏置电压的函数是非线性的。尤其在接近零的距离处，电容量突然增加。
麦克风的灵敏度是对一定声压输入的电输出(声音信号的振幅)。若两个麦克风经受相同的声压水平，且一个比另一个具有更高输出电压(更强信号振幅)，则认为具有更高输出电压的麦克风具有较高灵敏度。
麦克风的灵敏度还可受到其他参数(诸如膜片大小和强度、气隙间距以及其他因素)影响。
电容式麦克风可与集成电路(诸如放大器、缓冲器或模数转换器(ADC))连接。电信号可驱动集成电路且可产生输出信号。在一种实施方式中，可通过改变耦合成放大器的反馈网络的一组电阻器、一组电容器或一组电阻器和电容器的比例来调节或校准反馈放大器的增益。反馈放大器可以是单端的或差分的。
在MEMS制造工艺中，将压敏膜片直接刻蚀成硅芯片。MEMS器件通常附带有集成前置放大器。MEMS麦克风还可具有位于同一CMOS芯片上的内置模数转换器(ADC)电路，从而将芯片制作成数字麦克风且因此更易于与现代数字产品集成。
根据本发明的实施方式，AC偏置电压调节与放大器增益调节的结合允许对麦克风的调节。根据本发明的实施方式，麦克风在工作期间利用AC偏置电压来校准。在本发明的一种实施方式中，基于膜的吸合电压来设置工作的AC偏置电压。
在一种实施方式中，有利地，利用可行的最高偏置电压来操作麦克风。偏置电压越高，麦克风越灵敏。麦克风的灵敏度越高，麦克风系统的信噪比(SNR)越好。
图1示出了麦克风100的框图。麦克风100包括MEMS器件110、放大器单元120、AC偏置电压源130以及数字控制单元140。
AC偏置电压源130经由电阻器Rcharge pump150与MEMS器件110电连接。具体地，AC偏置电压源130与MEMS器件110的膜或膜片112连接。MEMS器件110的背板114经由电阻器Rinbias170与DC偏置电压源160连接。MEMS器件110与放大器单元120的输入端电连接。放大器单元120的输出端与麦克风100的输出端180或模数转换器ADC(未示出)电连接。
数字控制线将数字控制单元140连接至放大器单元120和AC偏置电压源130。数字控制单元140可包括突变(glitch)检测电路。在共同待审查申请(代理人案号2011P50857)中公开了突变检测电路的实施方式，该申请整体结合于此供参考。数字控制单元140或突变检测电路检测放大器单元120输入端处的吸合或塌陷(collapse)电压(Vpull-in)。数字控制单元140还测量放大器单元120的输出信号的灵敏度，并控制AC偏置电压源130。诸如易失性或非易失性的存储元件可嵌入数字控制单元140内，或者可以是麦克风100中的独立元件。
在麦克风100的校准操作期间，向MEMS器件110施加第一AC偏置电压(包括由AC偏置电压源130提供的AC分量以及由偏置电压源160提供的DC分量)。增大第一AC偏置电压，直至背板114和膜112塌陷或者直至背板114与膜112之间的距离最小化(例如，零)。吸合电压(Vpull-in)由数字控制单元140测量或检测。吸合电压(Vpull-in)可通过放大器单元120输入端处的电压跳变来检测。第二AC偏置电压由吸合电压(Vpull-in)得出。可将第二AC偏置电压存储在存储元件中。
第一AC偏置电压可包括DC分量的值的约1％到约20％的AC分量的最大幅值。可替代地，AC分量可以是DC分量的值的约10％到约20％。例如，DC电压VDC可约为5V，以及AC电压VAC可约为0.5V到约1V。可替代地，AC分量可包括DC分量的其他值，例如，更高值或更低值。由于该麦克风还可利用DC偏置电压来操作，所以第二AC偏置电压可包括AC分量的最大幅值，该AC分量包括DC分量的值的约0％到约20％。
根据本发明的实施方式，DC电压与AC电压叠加。第一AC偏置电压可包括很低频率，诸如达500Hz或达200Hz的频率。可替代地，第一AC偏置电压可包括从约1Hz到约50Hz的频率。第二AC偏置电压可包括很低频率，诸如达500Hz或达200Hz的频率。可替代地，第二AC偏置电压可包括从约0Hz到约50Hz的频率。
在设置第二AC偏置电压之后，向麦克风100施加所定义的声音信号。在输出端180处测量麦克风100的灵敏度，并与麦克风100的目标灵敏度相比较。控制单元140计算增益设定，使得麦克风满足其目标灵敏度。也将增益设定存储在存储元件中。
图2a至图2c示出了不同的功能图。图2a示出了其中竖轴对应于AC偏置电压Vbias以及横轴表示时间t的曲线图。AC偏置电压Vbias包括DC分量和AC分量。图2a示出了当DC电压与AC电压叠加时的AC偏置电压Vbias。在一种实施方式中，可通过增加DC分量并通过保持AC分量恒定来增加/减小AC偏置电压Vbias。可替代地，可通过增加/减小DC分量以及增加/减小AC分量来增加AC偏置电压Vbias。AC偏置电压可以是周期性正弦电压或周期性方波电压。可针对吸合电压的可能容差来设定AC分量。
在MEMS校准过程中，可增大AC偏置电压Vbias直到吸合电压事件，并随后减小，直到至少释放电压事件。图2b示出了其中竖轴对应于MEMS电容量C0以及横轴对应于时间t的曲线图。图2b中的曲线示出了MEMS电容C0在增大/减小AC偏置电压Vbias时随时间的变化。该曲线示出了两个重要阶段。MEMS电容C0在达到吸合电压事件之前的第一区域中略微变化。在吸合电压事件附件或在该事件处，电容C0大幅增加。其后，AC偏置电压Vbias减小且电容C0不变或几乎不改变电容C0，直到拉开电压(pull out voltage)事件(或释放电压事件)。在抽取电压事件附近或在该事件处，电容大幅减小。
图2c示出了其中y轴对应于放大器单元输入端处的输入电压Vin以及横轴表示时间t的曲线图。输入电压Vin示出了很小的正负幅值或电压脉冲。在膜与背板彼此接触的情况下，该幅值明显大于常规电压脉冲。类似地，在膜与背板彼此释放的情况下，该幅值明显大于常规电压脉冲。
当AC偏置电压Vbias增大直至膜与背板彼此接触并达到吸合电压时，MEMS电容会显著变化。突变出现在放大器单元120输入端处，且在控制逻辑单元140中处理信息。在该事件之后，一种实施方式中可减小AC偏置电压Vbias，直至膜与背板分离。在该情况下，MEMS电容C0降至其原始值，且放大器单元120输入端处的电压突变再次可见。这指示拉开电压或释放电压。
图3示出了对麦克风的校准过程的流程图。该流程图包括两个全局步骤和八个细节步骤。在第一全局步骤中，设置第二AC偏置电压，以及在第二全局步骤中，基于测得的麦克风的灵敏度来计算放大器增益。为测量麦克风的灵敏度，向膜施加第一AC偏置电压，其中，第一AC偏置电压包括来自AC偏置电压源的AC分量以及从DC偏置电压源施加给背板的DC分量。
在第一细节步骤302中，数字控制单元通过增加使MEMS器件偏压的第一AC偏置电压来开启校准过程。可如图2a所示增大AC偏置电压。增大第一AC偏置电压最终致使膜与背板塌陷。在步骤304中，一旦膜与背板彼此接触，则通过输入电压Vin的明显正向跳变来检测塌陷或吸合电压。一个实例在图2c中可见。吸合电压(Vpull-in)可被定义为具有使这两个板塌陷所需的最低电压的吸合电压。该事件可由数字控制单元在放大器单元输入端处检测。在检测到吸合电压之后，数字控制单元可停止增加AC偏置电压。
在可选步骤306中，数字控制单元可减小AC偏置电压(通过AC偏置电压源)。可如图2a所示减小AC偏置电压。一旦膜与背板彼此释放或分离，则通过输入电压Vin的显著负向跳变来检测释放电压或拉开电压。一个实例在图2c中可见。该事件可由数字控制单元在放大器单元输入端处检测。在检测到释放电压之后，数字控制单元可停止减小AC偏置电压。
在步骤308中，数字控制单元基于检测到的吸合电压(Vpull-in)，以及可选地，基于释放电压Vrelease来设定第二AC偏置电压或DC偏置电压。例如，可将第二AC偏置电压或DC偏置电压(VFAC)设定为VFAC＝Vrelease-Vmargin，其中，Vmargin取决于预期声音水平。可将VFAC的值存储在存储元件中。
在步骤310中，向MEMS器件施加所定义的声音信号。MEMS器件利用第二AC偏置电压VFAC或DC偏置电压来偏压。数字控制单元可测量放大器单元在输出端处的输出灵敏度(步骤312)。随后，在步骤314中，数字控制单元可计算目标灵敏度与所测得的输出灵敏度之间的差。最终，在步骤316中，数字控制单元计算对放大器单元的增益设定，以使所测得的输出灵敏度与目标输出灵敏度相匹配。数字控制单元可将增益设定参数存储在数字控制单元的内部或外部。
尽管已详细描述了本发明及其优势，但应当理解，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，本文中可进行各种更改、替代和变更。
此外，本申请的范围不将限于说明书中描述的过程、机器、产品、组合物、手段、方法以及步骤的特定实施方式。本领域普通技术人员根据本发明的公开内容将很容易理解现存的或后续要开发的过程、机器、产品、组合物、手段、方法或步骤，其能执行与可根据本发明来使用的本文所述的相应实施方式基本相同的功能或实现基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、产品、组合物、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (5)

1.一种麦克风，包括：
MEMS器件，其包括膜和背板；
AC偏置电压源，其与所述膜连接；以及
DC偏置电压源，其与所述背板连接。
2.根据权利要求1所述的麦克风，还包括放大器单元，所述放大器单元包括输入和输出，其中，所述放大器单元的输入与所述MEMS器件连接，以及所述放大器单元的输出与所述麦克风的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的麦克风，还包括放大器单元，所述放大器单元包括输入和输出，其中，所述放大器单元的输入与所述MEMS器件连接，以及所述放大器单元的输出与模数转换器(ADC)连接。
4.根据权利要求1所述的麦克风，还包括数字控制单元，其中，所述数字控制单元被配置为测量所述MEMS器件的吸合电压和/或释放电压，以及被配置为设定AC偏置电压或DC偏置电压源。
5.根据权利要求4所述的麦克风，其中，所述AC偏置电压包括约1Hz与约50Hz之间的频率。
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