CN105264912B - 具有双极性偏置的差分麦克风 - Google Patents
具有双极性偏置的差分麦克风 Download PDFInfo
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Abstract
描述了用于消除麦克风系统中的干扰的方法和系统。正向偏置电压施加至第一麦克风膜片并且负向偏置电压施加至第二麦克风膜片。膜片配置为响应于由麦克风系统接收的声压而展现出基本上相同的机械挠曲。通过组合来自第一麦克风膜片的正向偏置输出信号与来自第二麦克风膜片的负向偏置输出信号来产生差分输出信号。这一组合消除展现在正向偏置输出信号和负向偏置输出信号两者中的共模干扰。
Description
相关申请
本申请要求于2013年3月14日提交的题为“DIFFERENTIAL MEMS MICROPHONEUSING DUAL POLARITY BIAS”的美国临时申请No.61/782,307的权益，其全部内容通过引用结合在此。
背景技术
本发明涉及差分麦克风系统。差分麦克风通常包括两个膜。由这两个膜检测的信号随后被处理以提供所期望的输出。例如，这两个膜片可以布置为面对不同方向并且差分信号用于消除环境噪声（即，噪声消除差分麦克风）。在一些系统中，差分信号也可以用于确定声音的方向性（即，该声音源自哪个方向）。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供包括第一麦克风膜片和第二麦克风膜片的差分麦克风系统。第一和第二麦克风膜片定位为接收来自相同方向的基本上相同振幅的声压。由此，由施加至麦克风的声压造成的第一和第二膜片的挠曲基本上相同。正向偏置电压施加至第一膜片，而负向偏置电压施加至第二膜片。差分放大器配置为接收来自第一麦克风膜片的正向偏置输出信号以及来自第二麦克风膜片的负向偏置输出信号并且产生差分输出信号。
在一些实施例中，施加至第一和第二膜片的相反的偏置电压造成相同的膜片挠曲以产生具有相同幅度但相反极性的输出信号。在一些实施例中，麦克风系统配置为使得非声干扰（例如光干扰）以相同方式影响正向偏置输出信号和负向偏置输出信号——正向偏置和负向偏置信号二者被偏移相同幅度和相同极性。由此，当正向偏置信号和负向偏置信号组合以产生差分信号时，共模干扰被消除并且差分信号更加精确地表示施加至麦克风系统的第一和第二膜片的声压。
在另一实施例中，本发明提供消除麦克风系统中的干扰的方法。将正向偏置电压施加至第一麦克风膜片并且将负向偏置电压施加至第二麦克风膜片。膜片配置为响应于由麦克风系统接收的声压而展现出基本上相同的机械挠曲。通过组合来自第一麦克风膜片的正向偏置输出信号与来自第二麦克风膜片的负向偏置输出信号来产生差分输出信号。这一组合消除展现在正向偏置输出信号和负向偏置输出信号两者中的共模干扰。
在又一实施例中，本发明提供包括第一麦克风膜片、第二麦克风膜片和差分放大器的麦克风系统。这两个麦克风膜片布置为接收来自相同方向的相同振幅的声压。然而，正向偏置电压施加至第一膜片，而负向偏置电压施加至第二膜片。差分放大器接收来自第一麦克风膜片的正向偏置输出信号以及来自第二麦克风膜片的负向偏置输出信号并且通过组合正向偏置输出信号和负向偏置输出信号来产生差分输出信号。麦克风系统配置为使得接收自第一方向的声压造成第一膜片的机械挠曲以及第二膜片的基本上相同的机械挠曲。第一膜片的机械挠曲产生正向偏置输出信号，而第二膜片的机械挠曲产生负向偏置输出信号。由第一和第二膜片的机械挠曲造成的正向偏置输出信号和负向偏置输出信号具有基本上相同的幅度但相反的极性。当非声干扰改变正向偏置输出信号和负向偏置输出信号时，正向偏置输出信号和负向偏置输出信号两者被改变基本上相同的幅度和极性。因此，对正向偏置输出信号和负向偏置输出信号进行组合从差分输出信号消除了非声干扰。
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1A为根据一个实施例的差分麦克风系统的俯视局部剖面图。
图1B为图1A的差分麦克风系统的截面侧视图。
图2为供图1A的麦克风系统使用的差分偏置电路的示意图。
图3A、3B和3C为图1A的麦克风系统响应于膜片上的声压产生的正向偏置输出信号、负向偏置输出信号以及差分输出信号的曲线图。
图4A、4B和4C为图1B的麦克风系统响应于非声干扰产生的正向偏置输出信号、负向偏置输出信号和差分输出信号的曲线图。
图5为供图1A的麦克风系统使用的另一差分偏置电路的示意图。
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，本发明在其应用方面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。
图1A示出包括CMOS-MEMS器件层101的差分麦克风系统100。CMOS-MEMS器件层101主要由硅或其他材料构造并且包括直接形成在CMOS-MEMS器件层101内的CMOS电路元件和一个或多个微电机结构（MEMS器件）二者。图1A的CMOS-MEMS器件层101包括第一MEMS麦克风膜片103和第二MEMS麦克风膜片105。两个膜片103、105根据相同工艺形成在相同封装上。因此，朝向CMOS-MEMS器件层101的顶表面引导的声压（即，声音）造成第一膜片103和第二膜片105的基本上相同的运动和挠曲。
图1B从截面角度示出相同的差分麦克风系统100。盖体107定位于CMOS-MEMS层101上方以形成声道109。盖体107中的开口（或声学端口）111允许声压（声音）进入声道109并且造成两个膜片103、105的机械挠曲。如图1B所示，膜片103、105布置为与声学端口111等距离。因此，由通过声学端口111进入的声压造成的膜片103、105的挠曲在两个膜片中基本上相同。在CMOS-MEMS层101下方是背面容积组件，其允许膜片103、105响应于声压而往复（或上下）运动。
虽然在此描述的示例涉及CMOS-MEMS芯片101，但是其他构造可以包括MEMS器件芯片以及单独的CMOS芯片。在这样的构造中，两个膜片103、105可以形成在相同芯片上（即，MEMS芯片）。然而，在另外的其他构造中，麦克风系统封装可以包括两个单独的MEMS芯片——每个膜片一个——只要MEMS芯片布置并且制造为使得声压在两个膜片上造成基本上相同挠曲即可。此外，在其他构造中，膜片相对于开口111的位置可以与图1B中所示的不同。例如，膜片可以设计大小和布置为使得它们均定位于开口111的正下方。
图2示出偏置电路的示例，该偏置电路使用反转换能响应以诸如从图1A和1B中所示的双膜麦克风系统中导出差分音频信号。正向偏置电压（+HV）施加至第一麦克风膜片103的第一端子（节点A）。麦克风膜片103的另一端子耦合至地。第一麦克风膜片103用作电容器。由此，由声压造成的膜片103的挠曲改变节点A与地之间的电容。
高阻抗器件201耦合在正向偏置电压源与麦克风膜片103的第一端子（即节点A）之间。如在此使用的，高阻抗器件可以包括一个或多个电子组件，其设计为增加电压源与机械或电子组件（即MEMS膜片103）之间的阻抗。另一电容器203定位于膜片103的第一端子与用于第一膜片103的偏置电路的输出节点A1之间。
类似地，负向偏置电压（-HV）施加至第二膜片105的第一端子（节点B），而膜片105的第二端子耦合至地。高阻抗器件205耦合在负向偏置电压源与膜片105（即节点B）之间。另一电容器207耦合在节点B与用于第二膜片105的偏置电路的输出节点B1之间。两个偏置电路的输出节点A1、B1均通过另一高阻抗器件（分别为209和211）耦合至地。正向偏置膜片103的输出节点A1耦合至差分放大器213的正端子。负向偏置膜片的输出节点B1耦合至差分放大器213的负端子。由此，两个相反偏置的输出信号由差分放大器213组合以产生差分输出信号，其表示任何给定时间的正向偏置信号与负向偏置信号之间的差异。
如图3A中所示，由声压造成的第一膜片103的机械挠曲在输出节点A1处产生正向偏置输出信号（即电压）。归因于比例关系Q=C*V，电压随着电容增加而降低（例如，归因于膜片的运动/挠曲）。如图3B中示出的，第二膜片103上的相同机械挠曲在输出节点B1处产生负向偏置输出信号（即电压）。虽然两个膜片的机械挠曲基本上相同，相反的偏置电压造成输出信号具有相同幅度，但是具有相反极性。如图3C中所示，差分放大器213组合正向偏置输出信号和负向偏置输出信号以产生差分输出信号。因为施加至两个膜片的相反偏置，造成正向偏置输出信号“降低”的挠曲也造成负向偏置输出信号“增加”，从而导致所组合的差分信号中较小的电势差。由此，差分输出信号有效地是正向偏置输出信号和负向偏置输出信号两者（它们自身是相同声学信号的相反表示）的放大版本。
然而，麦克风的输出信号可能受到声压以外的环境因素影响。例如，接触麦克风膜片的光可能影响输出信号（即，电压）。这一干扰可能不利地影响麦克风的性能并且使所再现的声音的质量降级。上述双极性差分麦克风系统可以通过消除正向偏置输出信号和负向偏置输出信号两者上展现出的共模干扰来减小或消除这样的干扰的负面效果。
图4A示出仅归因于非声干扰（例如，在没有任何施加在膜片上的声压的情况下的光干扰）的正向偏置输出信号。图4B示出相同的非声干扰对于负向偏置输出信号的影响。虽然如上所讨论，相反的偏置电压造成相同的机械挠曲以产生相反的输出信号，但是非声干扰以相同方式影响两个输出信号，尽管是相反的偏置电压。由此，归因于非声干扰的正向偏置输出信号的幅度和极性与负向偏置输出信号的幅度和极性相同。当两个信号由差分放大器组合时，共模干扰被有效地消除（如图4C中示出的）并且差分输出信号更加精确地表示造成麦克风膜片的挠曲的声压。
图5示出可以用于消除共模干扰的差分偏置电路的替代构造。在该示例中，正向偏置膜片通过高阻抗器件503耦合参考电压Vref并且耦合至差分放大器509的正端子。负向偏置膜片505类似地通过另一高阻抗器件507耦合至参考电压Vref并且耦合至差分放大器509的负端子。
正向偏置电压（+HV）通过又一高阻抗器件511施加至第一膜片501的相反端子（节点A）。膜片501还通过电容器513在节点A处耦合至地。负向偏置电压（-HV）通过另一高阻抗器件515施加至第二膜片505的相反端子（节点B）。负向偏置膜片505还通过第二电容器517在节点B处耦合至地。
因此，除其他以外，本发明还提供能够消除由非声源造成的共模干扰的双极性差分麦克风系统。在所附权利要求中阐述了本发明的各种特征和优势。
Claims (15)
1.一种麦克风系统，包括：
第一麦克风膜片，定位为接收来自第一方向的声压，其中正向偏置电压施加至所述第一膜片；
第二麦克风膜片，定位为接收来自所述第一方向的基本上与由所述第一麦克风膜片接收的声压相同振幅的声压，其中负向偏置电压施加至所述第二膜片；
背面容积组件，其允许所述第一膜片和所述第二膜片响应于声压而往复运动；以及
差分放大器，配置为
接收来自所述第一麦克风膜片的正向偏置输出以及来自所述第二麦克风膜片的负向偏置输出，以及
基于所述正向偏置输出和所述负向偏置输出来产生差分信号，
其中，接收自所述第一方向的声压造成所述第一膜片的机械挠曲和所述第二膜片的机械挠曲，其中，所述第二膜片的机械挠曲与所述第一膜片的机械挠曲基本上相同。
2.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述差分放大器配置为从所述差分信号消除共模干扰，所述共模干扰展现在所述正向偏置输出和所述负向偏置输出两者中。
3.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述第一膜片的机械挠曲产生所述正向偏置输出的增加，并且其中所述第二膜片的机械挠曲产生所述负向偏置输出的降低，其中所述正向偏置输出的所述增加的幅度与所述负向偏置输出的所述降低的幅度基本上相同。
4.根据权利要求3所述的麦克风系统，其中，施加至所述第一膜片的非声干扰造成所述正向偏置输出的增加并且施加至所述第二膜片的所述非声干扰造成所述负向偏置输出的增加，其中归因于所述非声干扰的所述正向偏置输出的所述增加的幅度和极性与归因于所述非声干扰的所述负向偏置输出的所述增加的幅度和极性基本上相同。
5.根据权利要求4所述的麦克风系统，其中，所述差分放大器配置为通过组合所述正向偏置输出和所述负向偏置输出，以使得所述差分信号的幅度和极性基于所述正向偏置输出与所述负向偏置输出之间的由所述第一膜片和所述第二膜片的机械挠曲造成的差异，来从所述差分信号消除所述非声干扰。
6.根据权利要求4所述的麦克风系统，其中，所述非声干扰包括光干扰和电磁干扰中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的麦克风系统，还包括CMOS芯片，其中所述第一膜片和所述第二膜片包括形成在所述CMOS芯片中的MEMS器件。
8.根据权利要求7所述的麦克风系统，其中，所述麦克风系统配置为朝向所述CMOS芯片的第一侧引导声压，以使得归因于所述声压的所述第一膜片的机械挠曲与归因于所述声压的所述第二膜片的机械挠曲基本上相同。
9.根据权利要求1所述的麦克风系统，还包括耦合在正向偏置电压源与所述第一膜片的第一端子之间的高阻抗器件，
其中，所述第一膜片的所述第一端子耦合至所述差分放大器的输入，
其中，所述第一膜片的第二端子耦合至地，以及
其中，所述第一膜片的机械挠曲造成所述第一膜片的所述第一端子与所述第一膜片的所述第二端子之间的电容变化。
10.根据权利要求9所述的麦克风系统，还包括耦合在负向偏置电压源与所述第二膜片的第一端子之间的第二高阻抗器件，
其中，所述第二膜片的所述第一端子耦合至所述差分放大器的第二输入，
其中，所述第二膜片的第二端子耦合至地，以及
其中，所述第二膜片的机械挠曲造成所述第二膜片的所述第一端子与所述第二膜片的所述第二端子之间的电容变化。
11.根据权利要求1所述的麦克风系统，还包括耦合至所述第一膜片的第一端子的第一节点，
其中，正向偏置电压源通过第一高阻抗器件耦合至所述第一节点，以及
其中，所述第一节点通过第一电容器耦合至地。
12.根据权利要求11所述的麦克风系统，其中，所述第一膜片的第二端子通过第二高阻抗器件耦合至参考电压源，并且其中所述差分放大器的第一输入耦合至所述第一膜片的所述第二端子。
13.根据权利要求12的麦克风系统，还包括耦合至所述第二膜片的第一端子的第二节点，
其中，负向偏置电压源通过第三高阻抗器件耦合至所述第二节点，
其中，所述第二节点通过第二电容器耦合至地，
其中，所述第二膜片的第二端子通过第四高阻抗器件耦合至所述参考电压源，以及
其中，所述差分放大器的第二输入耦合至所述第二膜片的所述第二端子。
14.一种消除麦克风系统中的干扰的方法，所述方法包括：
将正向偏置电压施加至第一麦克风膜片；
将负向偏置电压施加至第二麦克风膜片，所述第二麦克风膜片配置为响应于由所述麦克风系统接收的声压而展现出与所述第一麦克风膜片基本上相同的机械挠曲，其中所述麦克风系统包括背面容积组件，其允许所述第一麦克风膜片和所述第二麦克风膜片响应于声压而往复运动；以及
通过组合来自所述第一麦克风膜片的正向偏置输出信号与来自所述第二麦克风膜片的负向偏置输出信号来产生差分输出信号，其中所述组合消除展现在来自所述第一麦克风膜片的所述正向偏置输出信号和来自所述第二麦克风膜片的所述负向偏置输出信号两者中的共模干扰。
15.一种麦克风系统，包括：
第一麦克风膜片，定位为接收来自第一方向的声压，其中正向偏置电压施加至所述第一膜片；
第二麦克风膜片，定位为接收来自所述第一方向的基本上与由所述第一麦克风膜片接收的声压相同振幅的声压，其中负向偏置电压施加至所述第二膜片；
背面容积组件，其允许所述第一膜片和所述第二膜片响应于声压而往复运动；以及
差分放大器，配置为
接收来自所述第一麦克风膜片的正向偏置输出信号以及来自所述第二麦克风膜片的负向偏置输出信号，以及
通过组合所述正向偏置输出信号和所述负向偏置输出信号来产生差分输出信号，
其中，接收自所述第一方向的声压造成所述第一膜片的机械挠曲以及所述第二膜片的基本上相同的机械挠曲，
其中，所述第一膜片的机械挠曲产生所述正向偏置输出信号，所述正向偏置输出信号具有第一幅度和第一极性，
其中，所述第二膜片的机械挠曲产生所述负向偏置输出信号，所述负向偏置输出信号具有第二幅度和第二极性，所述第二幅度与所述第一幅度基本上相同并且所述第二极性与所述第一极性相反，
其中，非声干扰将所述正向偏置输出信号改变第一幅度和第一极性并且将所述负向偏置输出信号改变第二幅度和第二极性，所述第一幅度与所述第二幅度基本上相同并且所述第一极性与所述第二极性相同，以及
其中，通过所述差分放大器对所述正向偏置输出信号与所述负向偏置输出信号的组合从所述差分输出信号消除所述非声干扰。
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