CN105230047A - 用于mems麦克风的数字声学低频响应控制 - Google Patents

Abstract

用于控制和调节MEMS麦克风的低频响应的系统和方法。系统包括MEMS麦克风、控制器和存储器。MEMS麦克风包括膜和多个出气口。膜配置为使得作用在膜上的声压造成膜的运动。多个出气口定位为紧邻所述膜。该多个出气口中的每个出气口配置为选择性地定位于打开位置或闭合位置。控制器确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目，以及生成使该整数数目的出气口布置在闭合位置并且使任何剩余出气口布置在打开位置的信号。

Description

用于MEMS麦克风的数字声学低频响应控制

相关申请

本申请要求于2013年3月14日提交的题为“DIGITALACOUSTICLOWFREQUENCYRESPONSECONTROLFORMEMSMICROPHONES”的临时美国专利申请No.61/782,399的优先权，其公开内容通过引用在其整体上结合在此。

背景技术

本发明涉及用于调节和控制麦克风系统的性能的系统和方法。更具体地，本发明涉及响应于低频声音而调节麦克风系统的性能的方法。

发明内容

麦克风系统的性能可能取决于作用在麦克风膜片/膜上的声音的频率而变化。例如，取决于麦克风系统的构造，麦克风系统响应于声压的能力（即，麦克风的灵敏度）可能在低频处显著下降。

以下描述的系统和方法提供用于调节和控制麦克风在各种频率下的响应的机制。更具体地，以下描述的系统和方法提供定位为紧邻麦克风膜片/膜的一系列出气口。单独出气口可以受控地打开或闭合以控制能够通往背面容积的空气量（即声压）。通过控制打开或闭合出气口的数目，可以调节麦克风响应于给定频率下的声压的能力。

在一个实施例中，本发明提供用于控制MEMS麦克风的低频响应的麦克风系统。麦克风系统包括MEMS麦克风、控制器和非暂态计算机可读存储器。MEMS麦克风包括膜和多个出气口。膜具有第一面和第二面，并且膜配置为使得作用在膜上的声压造成膜的运动。多个出气口定位为紧邻所述膜。该多个出气口中的每个出气口配置为选择性地定位于打开位置或闭合位置。空气可以运动通过膜的第一面与第二面之间的打开的出气口。控制器耦合至多个出气口。存储器存储指令，指令在由控制器执行时使控制器确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目，以及生成使该整数数目的出气口布置在闭合位置并且使任何剩余出气口布置在打开位置的信号。

在另一实施例中，本发明提供调节MEMS麦克风的低频响应的方法。MEMS麦克风包括膜和多个出气口。膜具有第一面和第二面，并且配置为使得作用在膜上的声压造成膜的运动。多个出气口定位为紧邻所述膜。该多个出气口中的每个出气口配置为选择性地定位于打开位置或闭合位置。空气可以运动通过膜的第一面与第二面之间的打开的出气口。耦合至多个出气口的控制器确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目。控制器还生成使该整数数目的出气口布置在闭合位置并且使任何剩余出气口布置在打开位置的信号。

在一些实施例中，在未施加功率时，多个出气口的缺省位置是打开。这允许最多空气流绕过膜并且使MEMS结构在制造期间对于高压吹气应力更加鲁棒。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得清楚。

附图说明

图1是诸如图2A和2B中示出的MEMS麦克风的可调节低频响应的曲线图。

图2A是MEMS麦克风的截面仰视图。

图2B是图2A的MEMS麦克风的截面侧视图。

图3A是图2A和2B的MEMS麦克风的单个出气口处于打开状况的截面侧视图。

图3B是图3A的单个出气口处于闭合状况的截面侧视图。

图4是用于图2A和2B的MEMS麦克风的控制系统的方框图。

图5是用于图2A和2B的MEMS麦克风的另一控制系统的方框图。

具体实施方式

在详细地解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用上不限于以下描述中阐述或者附图中示出的构造的细节以及组件的布置。本发明能够有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。

另外，应理解，在此使用的措辞和术语用于描述目的并且不应认为是限制性的。所使用的“包括”、“包含”或“具有”及其在此的变形意味着包括此后列出的项目和其等同物以及附加项目。术语“安装”、“连接”以及“耦合”被宽泛地使用并且包括直接和间接的安装、连接和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电连接或耦合，不管是直接的还是间接的。另外，电子通信和通知可以使用包括直接连接、无线连接等的其他已知手段来执行。在有关出气口的状况使用时对术语“打开”的使用意味着出气口处于允许出气口能够提供的最大可能量的空气泄漏的状况。另外，在有关出气口的状况使用时对术语“闭合”的使用意味着出气口处于不允许空气泄漏的状况。

还应注意，多个基于硬件和软件的器件，以及多个不同结构的组件可以用于实施本发明。此外，并且如在后续段落中描述的，在附图中示出的具体配置旨在例示本发明的实施例。替代配置是可能的。

麦克风的响应和灵敏度可能对于不同频率而变化。麦克风膜片/膜的位移幅度（以及麦克风响应于声压的能力）跨一频率范围对于类似强度的声压保持相当地恒定。然而，麦克风的灵敏度在声音频率太高或太低时受损。

麦克风的低频响应性能——以及特别是，响应性能的渐变下降的开始频率——与可运动膜后面的空气的背面容积以及通过膜的有效空气泄漏路径有关（即，空气/声压能够从膜的顶表面运动到麦克风的背面容积的量和速率）。然而，由于MEMS麦克风系统内在的制造工艺和封装容差，这些参数在统计上遭受显著变化性。在许多情况下，低频响应性能的变化性可能相对大并且超过产品要求。此外，诸如温度、环境压力以及湿度的附加因素也可能影响MEMS麦克风的低频响应性能。

图1是麦克风系统的频率响应的曲线图。麦克风系统的总体频率响应和更具体的低频拐角基于多个因素，诸如麦克风系统中使用的电子器件和膜。图1示出电子器件和膜的原生的低频拐角。麦克风系统的低频拐角高于原生的电子器件和膜的低频拐角。该差异允许麦克风系统的低频拐角被调节。

MEMS麦克风的低频响应可以通过为空气提供用于在膜的前部/顶部与背面容积之间流动的出气口（即，辅助空气泄漏路径）来调节。通过出气口的空气泄漏的量可以通过调节单个出气口的可运动构件相对于遍及出气口的总体范围的连续体上的特定位置的位移（即，有效打开维度）而以模拟方式控制。然而，这样的模拟控制将需要精确的、可调节的电压施加至出气口的可运动构件。还将需要可运动构件响应于静电力的线性力学的知识。换言之，由于制造工艺变化性，给定电压可能在不同麦克风系统中不产生相同位移。

在此描述的发明提供数字电路和MEMS系统，其允许在产品制造工艺之后由销售者或顾客/终端用户对于低频响应进行精密标度范围的调节。这一制造后测量和后续校正可以产生远比当前制造能力更加严格的低频响应的最终容差。以下描述的系统使得用户能够在终端系统（例如，移动电话麦克风）中的麦克风操作期间调节频率响应。此外，麦克风控制器可以编程为检测低频空气脉冲压力事件并且自动调节频率响应以保持主声学信号的动态范围。这允许提高终端用户产品软件算法的性能的优良线性。

此外，一旦向组件施加功率，具有低-3DB拐角频率的麦克风通常要花费较长时间段，以使得MEMS膜片/膜安置于其最终稳态位置。为了减轻这一性能折中，可控制的空气泄漏路径能够实现一上电系统就更加快速地安置并且随后切换到所期望的-3db拐角频率。

图2A是MEMS麦克风200，其中辅助空气泄漏路径的有效尺寸通过完全打开或完全闭合整数数目的出气口而以数字方式控制。MEMS麦克风200包括圆形的可运动膜205、定位于膜205的外周周围的16个出气口210-225、静止背板230以及支撑结构235。图2B从截面侧角度示出图2A的相同的MEMS麦克风。如图2B中所示，膜205具有正面206和背面208。背面容积209存在于膜205与背板230之间。作用于膜205上的声压造成膜205在箭头240和箭头245的方向上的运动。膜205相对于背板230的运动造成膜205与背板230之间的电容的变化。这一变化的电容生成指示作用在膜205上的声压的电信号。出气口210-225允许膜205的正面206与背面208之间的可控制的空气泄漏量。空气能够运动通过一个或多个打开的出气口并且空气运动受到一个或多个闭合的出气口的限制。通过膜205本身的空气泄漏与总体声压相比相对较小。因此，MEMS麦克风200的低频响应主要由该多个出气口210-225中的这些辅助空气泄漏路径决定。更具体地，MEMS麦克风200的低频响应通过控制打开和闭合的出气口的整数数目来调节。可调节的范围由每个出气口的维度来确定，而系统的分辨率由系统中可控制的出气口的数目来掌控。这些参数可以在系统的设计期间确定和定义。

图3A和3B是用于单独的出气口的控制机构300的截面侧视图。控制机构300包括聚乙烯（poly）层305、金属层310、硅层315、氧化物层320以及保护覆盖（“PO”）氧化物层325。聚乙烯层305由下方的硅层315支撑。氧化物层320定位于聚乙烯层305与金属层310之间以便电隔离这两个层。PO氧化物层325定位于金属层310上方。在该示例中，金属层310是M4。

虽然聚乙烯层305是固定和不可运动的，但是金属层310是可运动的，并且在一些构造中是可变形的。聚乙烯层305保持在地电压电位（即，0伏特）并且金属层310的电压由数字控制信号掌控。为了闭合出气口，电压V_x施加至金属层310。电压V_x限定为大于吸合电压。吸合电压是金属层310与聚乙烯层305之间的用于克服将金属层310保持到位的机械阻力的静电吸引所必需的电压。当吸合电压被超过时，金属层310猛然下降并且接触聚乙烯层305，由此密封出气口。这样，对于保持在打开状况的出气口，小于吸合电压的电压施加至金属层（例如，～0伏特）。吸合电压的准确值由金属层310的材料和尺寸以及金属层310的支撑机构的设计来限定。

图3A和3B包括一对弹簧330，其将金属层310的部分彼此耦合。这些弹簧330被包括以用于说明金属层310材料的可变形（即拉伸和弯曲）本质。并不必然要求出气口盖体通过物理弹簧附接于金属层310。相反，金属层310可以是固体层，其在吸合电压被超过时被伸展以遮盖在聚乙烯层305中打开的出气口。然而，在一些其他实施例中，单独的出气口盖体可以通过弹簧330或另一机构（例如，锚状物或夹具）耦合于金属层310。

图3A是处于打开位置（即，第一状况）的出气口的示例。如上所指出的，在该示例中施加至金属层310的电压小于吸合电压。因为金属层310与聚乙烯层305之间的静电吸引未大到足以克服金属层310的机械约束力，出气口未被密封。

图3B是处于闭合位置（即第二状况）的出气口的示例。在该示例中施加至金属层310的电压大于吸合电压。因为金属层310与聚乙烯层305之间的静电吸引大于金属层310的机械约束力，该出气口被密封。

图4是麦克风系统400的系统级视图。麦克风系统400包括MEMS麦克风200、控制器405以及非暂态计算机可读存储器410。存储器410耦合至控制器405。控制器405能够单独地控制出气口210-225中的每一个以处于打开位置或闭合位置。控制器405耦合至多个出气口210-225并且将数字控制信号发送至每个出气口。数字控制信号对于每个出气口指示比特=0条件或比特=1状况。比特=0状况造成小于吸合电压的电压施加至出气口的金属层310。例如，比特=0状况可以导致0伏特电压施加至金属层310。结果，出气口保持在打开位置。然而，比特=1状况造成大于或等于吸合电压的电压施加至相应出气口的金属层。结果，出气口被闭合。

在图3A和3B中示出的示例中，电压必须施加至出气口的金属层310以便闭合该出气口。这样，出气口的缺省位置（即，在未施加功率或功率不可用时）是打开位置。结果，当未向麦克风系统400施加功率时，每个出气口处于缺省/打开位置。这在该装置未使用时允许最大的空气流绕过膜205并且可以保护该膜免受高压吹气。

在一些构造中，控制器405配置为生成16个单独的1比特输出信号（即，每个出气口一个）。然而，在其他构造中，控制器405生成控制出气口的多比特代码。在该示例中，控制器405指示要由四比特二进制代码（XXXX）闭合的出气口的数目。施加代码0000将打开全部出气口210-225并且产生MEMS麦克风200的最高低频拐角。相反地，施加代码1111将闭合全部出气口210-225并且产生MEMS麦克风200的最低低频拐角。

在一些构造中，代码的值在制造或测试时确定并且存储在存储器410中。控制器405访问存储器410以取回代码并且确定用于16个出气口210-225中的每一个的合适的数字控制信号。在其他构造中，控制器405配置为在装置启动时执行环境状况（例如，温度）以及其他系统状况的评估。基于这一评估，控制器405确定所使用的合适代码，直到装置断电。

在另外的构造中，控制器405持续地监测环境状况（例如，温度）以及麦克风性能、基于所观测的状况确定要打开的出气口的合适数目、以及在麦克风操作期间实时生成合适代码。例如，在一些构造中，控制器405配置为检测低频空气脉冲压力事件（例如，汽车门猛力关闭、装置落下、压缩空气的吹气、风噪声等）。当检测到这样的事件时，控制器405可以改变闭合的出气口的整数数目。

图5是包括MEMS麦克风200的麦克风系统500的另一示例。类似于图4的麦克风系统400，麦克风系统500也包括控制器405和存储器410。然而，麦克风系统500还包括耦合于控制器405的用户接口505。通过用户接口，用户能够直接指示要闭合的出气口的数目（例如，通过输入如上所述的四位二进制代码）。该配置允许用户在麦克风系统500操作期间调节MEMS麦克风200的低频响应。用户可以调节MEMS麦克风2的低频响应以补偿环境状况，诸如大风。

因此，除其他以外，本发明还提供包括多个可控制的出气口的麦克风系统，其中，低频响应性能可以通过打开或闭合整数数目的可控制的出气口来调节。应注意，以上描述的系统和方法涉及CMOS-MEMS技术，这归因于MEMS元件和控制电路之间需要的大量连接。然而，该系统也可以应用于其他系统和平台，包括例如其他类型的MEMS技术。本发明的各种特征和优点在所附权利要求中阐述。

Claims (17)

1.一种麦克风系统，所述麦克风系统包括：

MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括：

　　具有第一面和第二面的膜，所述膜配置为使得作用在所述膜上的声压造成所述膜的运动，以及

　　定位为紧邻所述膜的多个出气口，所述多个出气口中的每个出气口配置为选择性地定位于打开位置和闭合位置，以使得空气能够运动通过所述膜的所述第一面与所述第二面之间的打开的出气口；

耦合至所述多个出气口的控制器；以及

存储指令的非暂态计算机可读存储器，所述指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

　　　　确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目，以及

　　　　生成使所述整数数目的出气口布置在闭合位置并且使任何剩余出气口布置在打开位置的信号。

2.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述多个出气口中的每个出气口定位为与所述膜共面。

3.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，存储在所述存储器上的指令在由处理器执行时使所述处理器通过访问存储在所述存储器中的预定义的整数数目来确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目。

4.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，由处理器生成的所述信号包括用于所述多个出气口中的每个出气口的二进制输出，所述二进制输出指示所述出气口是否要布置在闭合位置。

5.根据权利要求4所述的麦克风系统，其中，用于所述多个出气口中的每个出气口的所述二进制输出包括高值或低值，并且其中在所述二进制输出包括高值时所述出气口闭合且在所述二进制输出包括低值时所述出气口打开。

6.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，由处理器生成的所述信号包括所述整数数目的多位二进制输出表示。

7.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述麦克风系统还包括耦合至所述控制器的用户接口。

8.根据权利要求7所述的麦克风系统，其中，存储在所述存储器上的指令在由处理器执行时使所述处理器至少部分基于接收自所述用户接口的输入来确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目。

9.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述多个出气口中的每个出气口包括可运动构件和静止构件，并且其中，由所述控制器生成的所述信号通过将电压施加至所述可运动构件和所述静止构件中的至少一个以使得所述可运动构件被拉动到与所述静止构件接触，来使出气口闭合。

10.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述多个出气口配置为在未向所述麦克风系统施加功率时布置在打开位置。

11.一种调节MEMS麦克风的低频响应的方法，所述MEMS麦克风包括膜，所述膜包括第一面和第二面，所述膜配置为使得作用在所述膜上的声压造成所述膜的运动，以及定位为紧邻所述膜的多个出气口，所述多个出气口中的每个出气口配置为选择性地定位于打开位置和闭合位置，以使得空气能够运动通过所述膜的所述第一面与所述第二面之间的打开的出气口，所述方法包括：

通过控制器确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目；以及

通过所述控制器生成使所述整数数目的出气口布置在闭合位置并且使任何剩余出气口布置在打开位置的信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目包括通过所述控制器访问存储在存储器中的预定义的整数数目。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，生成所述信号包括用于所述多个出气口中的每个出气口的二进制输出，所述二进制输出指示所述出气口是否要布置在闭合位置。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，用于所述多个出气口中的每个出气口的所述二进制输出包括高值或低值，并且其中在所述二进制输出包括高值时所述出气口闭合且在所述二进制输出包括低值时所述出气口打开。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，生成所述信号包括所述整数数目的多位二进制输出表示。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，确定要布置在闭合位置的出气口的整数数目包括通过所述控制器接收来自用户接口的输入。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个出气口配置为在未向所述麦克风系统施加功率时布置在打开位置。