CN105210383A - 多马达mems器件中的差分输出 - Google Patents

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Abstract

一种声学装置，该声学装置包括第一MEMS马达和第二MEMS马达，所述第一MEMS马达包括第一隔膜和第一背板，所述第二MEMS马达包括第二隔膜和第二背板。使用第一电极性使第一马达偏压，并且使用第二电极性使第二马达偏压，使得所述第一电极性和所述第二电极性相反。在所述第一马达处，生成表示接收到的声能的第一信号。在所述第二马达处，生成表示接收到的声能的第二信号。获得表示所述第一信号和所述第二信号之间的差分输出信号。在获得所述差分输出信号时，除去了所述第一马达和所述第二马达之间的共模噪声。

Description

多马达MEMS器件中的差分输出
相关申请的交叉引用
本专利根据35U.S.C§119(e)要求2013年4月10日提交的、名称为“DifferentialOutputsinMultipleMotorMEMSDevices”的美国临时申请No.61810387的优先权，其全文通过引用的方式并入本文。
技术领域
本申请涉及MEMS器件，更具体地，涉及利用差分放大器的MEMS器件。
背景技术
微机电系统(MEMS)麦克风已经使用很多年。这些器件包括背板(或者充电板(chargeplate))、隔膜和其它部件。在操作中，声能使隔膜移动，这导致在器件的输出处生成电信号，并且该信号代表接收到的声能。
这些麦克风通常使用进一步处理从MEMS部件获得的信号的放大器或者其它电路。在一些示例中，使用从MEMS器件获得差分信号的差分放大器。
在这些应用中，期望信噪比(SNR)很高，因为高的SNR表示系统中出现的噪声较少。但是，很难获得高的SNR。例如，经常出现不同的噪声源(例如，举两个例子，电源噪声、RF噪声)。在使用差分放大器的系统中，通过从差分对中减去信号，可以减少相关(共模)噪声并且提高信噪比。
在现有系统中，消除噪声的各种尝试通常都是不成功的。因此，导致用户对这些现有系统的不满。
附图说明
为了更完整地理解本公开，将参考以下详细描述和附图，在附图中：
图1包括根据本发明各实施方式的具有到外部差分级的两个芯片上的两个单端输入的系统的框图；
图2包括根据本发明各实施方式的具有到外部差分翻转(flipped)马达的两个芯片上的单端输入的系统的框图；
图3包括根据本发明各实施方式的具有到内部差分级的单个芯片中的单端输入的系统的框图；并且
图4包括根据本发明各实施方式的具有到内部差分级翻转马达的一个ASIC上的单端输入的系统的框图。
本领域技术人员将理解的是，为了简单和清楚而示出了附图中的元件。将进一步理解的是，某些动作和/或步骤可以被说明或描绘为以特定的顺序发生，然而本领域技术人员将理解，在实际中并不需要维持这种顺序的专一性。还应当理解的是，本文所用的术语和表达具有在关于他们相应各自的查询和研究领域的这种术语和表达一致的通常含义，如果有特定的含义，本文将进行另外说明。
具体实施方式
本方法提供消除或者大幅度减少共模噪声和/或其它类型噪声的MEMS麦克风装置。“共模噪声”的意思是对供给差分级的输入的两个器件是公共的噪声。共模噪声与器件生成的目标信号不同，因为它在器件之间是同相的。本方法可以提供在单个或多个基板(例如，集成电路)上以适应特定用户要求或特定系统要求。
当在单个基板或者集成电路上提供这些方法时，通常较少消除共模噪声，但是这能够提供比没在单个基板或者集成电路上提供方法的情况更经济和更用户友好的集成放大器和麦克风组件。
在一些方面，一起使用两个MEMS器件以提供差分信号。一个MEMS器件的充电板可以设置于或者位于顶部，隔膜位于底部，并且给充电板提供正偏压。另选地，相同MEMS器件的充电板可以设置在底部，隔膜设置在顶部，并且给隔膜提供负偏压。这两种布置将提供与第二MEMS器件异相180度的相同信号，所述第二MEMS器件的隔膜在顶部，充电板在底部，并且给隔膜提供正偏压。
如上所述，MEMS马达可以设置在一个基板(例如，集成电路或芯片)上或者多个基板上。本文使用的“偏压”被定义为隔膜相对于背板的电偏压(正或负)。“MEMS马达”的意思是在固定的DC偏压/充电下工作的柔性隔膜/背板组件。
现在参照图1，系统100包括第一MEMS器件102(包含第一隔膜106和第一背板或充电板108)和第二MEMS器件104(包含第二隔膜110和第二背板或充电板112)。本文提到的隔膜和充电板是那些本领域技术人员已知的在常规MEMS器件中的隔膜和充电板，本文将不进行进一步详细说明。
MEMS器件102和104的输出被提供给第一集成电路114和第二集成电路116。在一个示例中，集成电路可以是专用集成电路(ASIC)。这些电路执行各种处理功能，例如放大所接收的信号。
集成电路114和116包括第一前置放大器电路118和第二前置放大器电路120。前置放大器电路114和116的用途是为电容传感器提供极高的阻抗接口(impedanceinterface)，其通常是感兴趣的带宽中的高阻抗源。
电路114和116的输出被传输至外部差分级122(该外部差分级122包括取得来自电路114和116的两个信号的差的差分加法器124)。在一个示例中，外部差分级122是麦克风基底PCB上的集成电路，或由用户提供的外部硬件。
给第一隔膜106施加正电位，给第二隔膜110施加负电位。这在导线126和128处生成差分信号，如曲线150和152所示。在这些曲线中的以及本文在别处描述的差分信号彼此异相约180度。级122的输出130是信号127和129之间的差，如曲线154所示。
整个系统的共模噪声被级122除去(reject)。在图1的示例中，共模噪声在两个MEMS马达和两个ASIC之间发生。如从曲线中可见，在输出130处获得增大的SNR，并且如上所述，显著减少或消除共模噪声。这两方面都提供了改进的系统性能。在图1的示例中显著减少或消除了共模噪声，因为从彼此中减去了公共噪声分量。由于它们具有0度的相位差，所以差分放大器将除去共模噪声中的一些或者全部。
现在参照图2，系统200包括第一MEMS器件202(包含第一隔膜206和第一背板或充电板208)和第二MEMS器件204(包含第二隔膜210和第二背板或充电板212)。MEMS器件202的输出和MEMS器件204的输出被提供给第一集成电路214和第二集成电路216。在一个示例中，集成电路可以是专用集成电路(ASIC)。这些电路执行各种处理功能，例如放大所接收的信号。
集成电路214和216包括第一前置放大器电路218和第二前置放大器电路220。前置放大器电路214和216的用途是为电容传感器提供极高的阻抗接口，其通常是感兴趣的带宽中的高阻抗。电路214和216之间的差与隔膜/背板定向有关(即，一个电路214或216是“倒置(upsidedown)”的，因此导致180度的相移而没有负偏压)。
电路214和216的输出被传输至外部差分级222(该外部差分级222包括获得来自电路214和216的两个信号的差的差分加法器224)。
给第一隔膜206施加正电位。给第二背板212施加正电位。这在导线226和228处生成差分信号，如曲线250和252所示。这里，与图1中示出的示例相比，第二隔膜和第二背板被机械翻转。这生成彼此异相180度的信号。级222的输出230是信号227和229之间的差，如在曲线254中所示。
整个系统的共模噪声被级222除去。在图2的示例中，共模噪声在两个MEMS马达和两个ASIC之间发生。如从曲线中可见，在输出230处获得增大的SNR，并且如上所述，显著减少或消除了共模噪声。这两方面都提供了改进的系统性能。在图1的示例中显著减少或消除了共模噪声，因为从彼此中减去了公共噪声分量。由于它们具有0度的相位差，所以差分放大器将除去共模信号中的一些或者全部。
现在参照图3，系统300包括第一MEMS器件302(包含第一隔膜306和第一背板或充电板308)和第二MEMS器件304(包含第二隔膜310和第二背板或充电板312)。MEMS器件302和304的输出被提供给集成电路314。在一个示例中，集成电路可以是专用集成电路(ASIC)。这些电路执行各种处理功能，例如放大所接收的信号。
集成电路314包括第一前置放大器电路318和第二前置放大器电路320。前置放大器电路318和320的用途是为电容传感器提供极高的阻抗接口，其通常是感兴趣的带宽中的高阻抗。
电路318和320的输出被传输至从前置放大器获得两个信号的差的差分加法器324。
给第一隔膜306施加正电位。给第二隔膜310施加负电位。这在导线326和328处生成差分信号，如曲线350和352所示。ASIC314的输出330是信号327和329之间的差，并且在曲线354中示出。
图3中系统的共模噪声被加法器354除去。在图3的示例中，共模噪声在两个MEMS马达之间发生。如从曲线中可见，在输出330处获得增大的SNR，并且如上所述，显著减少或消除了共模噪声。这两方面都提供了改进的系统性能。在图1的示例中显著减少或消除了共模噪声，因为从彼此中减去了公共噪声分量。由于它们具有0度的相位差，所以差分放大器将除去共模信号中的一些或者全部。
现在参照图4，系统400包括第一MEMS器件402(包含第一隔膜406和第一背板或充电板408)和第二MEMS器件404(包含第二隔膜410和第二背板或充电板412)。MEMS器件402和404的输出被提供给集成电路414。在一个示例中，集成电路可以是专用集成电路(ASIC)。集成电路能执行诸如信号放大的各种处理功能。
集成电路414包括第一前置放大器电路418和第二前置放大器电路420。前置放大器电路的目的是为电容传感器提供极高的阻抗接口，其通常是感兴趣的带宽中的高阻抗。获得来自前置放大器414和418的两个信号的差的电路414的输出。
给第一隔膜406施加正电位。给第二背板412施加正电位。这在导线426和428处生成差分信号，如曲线450和452所示。ASIC414的输出430是信号427和429之间的差，并且在曲线454中示出。
图4的系统的共模噪声被ASIC414除去。在图4的示例中，共模噪声在两个MEMS马达之间发生。如从曲线中可见，在输出430处获得增大的SNR，并且如上所述，显著减少或消除了共模噪声。这两方面都提供了改进的系统性能。在图1的示例中显著减少或消除了共模噪声，因为从彼此中减去了公共噪声分量。由于它们具有0度的相位差，所以差分放大器将除去共模信号中的一些或者全部。
本文描述了本发明的优选实施方式，包括发明人已知的实施本发明的最佳模式。应理解的是，示出的实施方式仅是示例性的，而不应视为对本发明范围的限制。

Claims (12)

1.一种声学装置，该声学装置包括：
第一MEMS马达，其包括第一隔膜和第一背板，该第一马达生成表示声能的第一差分信号；
第二MEMS马达，其包括第二隔膜和第二背板，该第二马达生成表示声能的第二差分信号；
第一前置放大器电路，其耦接至所述第一马达，所述第一前置放大器电路从所述第一差分信号产生第一前置放大信号；
第二前置放大器电路，其耦接至所述第二马达，所述第二前置放大器电路从所述第二差分信号产生第二前置放大信号；
差分级，其耦接至所述第一前置放大器电路和所述第二前置放大器电路，所述差分级被配置为获得所述第一前置放大信号和所述第二前置放大信号之间的差；
使得在所述第一隔膜和所述第一背板之间生成第一差分偏置电压以生成所述第一差分信号，并且在所述第二隔膜和所述第二背板之间生成第二差分电压以生成所述第二差分信号；
其中，通过所述差分级除去所述第一马达和所述第二马达之间的共模噪声。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一隔膜被施加正电位，并且所述第二隔膜被施加负电位。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一隔膜被施加正电位，并且所述第二背板被施加正电位。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一前置放大器和所述第二前置放大器被设置在分开的集成芯片上。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一前置放大器和所述第二前置放大器被设置在同一个集成芯片上。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一马达和所述第二马达之间的共模噪声约0度异相。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一差分信号和所述第二差分信号约180度异相。
8.一种操作声学装置的方法，所述声学装置包括第一MEMS马达和第二MEMS马达，所述第一MEMS马达包括第一隔膜和第一背板，所述第二MEMS马达包括第二隔膜和第二背板，所述方法包括：
使用第一电极性使所述第一马达偏压，并且使用第二电极性使所述第二马达偏压，使得所述第一电极性和所述第二电极性相反；
在所述第一马达处，生成表示接收到的声能的第一信号；
在所述第二马达处，生成表示接收到的声能的第二信号；
获得表示所述第一信号和所述第二信号之间的差的差分输出信号；
其中，在获得所述差分输出信号时，除去了所述第一马达和所述第二马达之间的共模噪声。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一隔膜被施加正电位，并且所述第二隔膜被施加负电位。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一隔膜被施加正电位，并且所述第二背板被施加正电位。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一马达和所述第二马达之间的共模噪声约0度异相。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号约180度异相。
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