CN105430583B - 换能器系统与方法 - Google Patents

Abstract

依据一实施例，换能器系统包括：换能元件和耦接至所述换能元件的差分输出的对称检测电路。该换能元件包括信号板、第一感测板以及第二感测板。该对称检测电路被配置为基于差分输出中的非对称而输出误差信号。

Description

换能器系统与方法

技术领域

本发明总地涉及电子系统和方法，并且，在特定的实施例中，涉及换能器的系统与方法。

背景技术

换能器将信号从一个域转换至另一个域，并且经常是感测器中的整体组件。包括日常能看见的换能器的一个通常感测器是麦克风，其将声波转换为电信号。

基于微机电系统(Microelectromechanical system，MEMS)的感测器包括使用微机械技术生产的多个换能器。MEMS(譬如MEMS麦克风)通过测量换能器中的物理状态的变化来搜集来自环境的信息，并且将所环能的信号传送至连接至该MEMS感测器的处理电路。MEMS设备可以使用类似于用于集成电路的组装技术的微机械组装技术来制造。

MEMS设备可以被设计用作例如振荡器、谐振器、加速器、陀螺仪、压强感测器、麦克风以及微反射镜。很多MEMS设备使用电容感测技术以将物理现象转换为电信号。在该些应用中，感测器中的电容的变化被通过接口电路转换为电压信号。

一个该类的电容感测设备是MEMS麦克风。MEMS麦克风通常具有可偏转的薄膜，该薄膜与硬性背板之间以一小距离分开。响应于入射在该薄膜上的声压波，该薄膜向该背板偏转或偏离，从而改变该薄膜与背板之间的间隔距离。通常地，该薄膜和背板由导电材料制造并且形成电容器的“板”。因此，由于将该薄膜与背板分离的距离响应于该入射的声波而改变，产生了该“板”和电信号之间的电容变化。

对于电容的MEMS感测器，当存在很大的物理信号或冲击时，该些可偏转的板中的一个可能偏转直到接触邻近的板。在该情况中，被施加至该板的电压可以足够大以导致该板保持与另一个接触。该现象可以被称为“吸入(pull-in)”。在电容的MEMS感测器中，吸入可能影响感测器的性能。

发明内容

根据一实施例，换能器系统包括换能元件和对称检测电路。该换能元件包括信号板、第一感测板以及第二感测板。该对称检测电路被耦接至该换能元件的差分输出，并被配置为基于该差分输出中的不对称来输出误差信号。

附图说明

为了更全面地理解本发明以及本发明的优点，请结合附图参考下面的描述，其中：

图1示出了换能器系统实施例的系统模块图；

图2a和2b分别示出了依据第一和第二操作场景的换能器实施例的灵敏度的示意图；

图3示出了呈现吸入现象的双背板换能器实施例的原理图；

图4示出了呈现吸入现象的双背板换能器实施例在修复前的差分输出波形；

图5示出了在操作期间的双背板换能器的波形图；

图6示出了MEMS麦克风系统的实施例的原理图；

图7a、7b和7c示出了吸入检测电路实施例的电路图；

图8a、8b和8c示出了吸入修复电路实施例的电路图；

图9示出了用于换能器系统的操作的实施例方法的模块图。

在不同图中的一致的数字和符号通常指向一致的部件，除非另外指出。附图被绘制以清楚地示出实施例的相关方面，并且不必按比例地绘制。

具体实施方式

多个实施例的制作和使用在下面被详细地讨论。然而，可以理解的是，这里所描述的不同实施例在各种语境下均可以应用。所描述的特定的实施例仅仅描述特定方式以制作和使用不同的实施例，并且不应被解释有限的范围。

在特定的语境中结合不同的实施例进行说明，命名为麦克风换能器，并且更特别的是MEMS麦克风。本文描述的一些不同的实施例包括例如MEMS换能器系统、MEMS麦克风系统、双背板MEMS麦克风、换能器中的误差检测和修复，以及用于电容MEMS感测器的吸入检测和修复。在其它实施例中，依据本领域的任何已知的方式，本发明还可以被用在其它采用任何类型的感测器或换能器的应用中。

在电容板换能器中，在由冲击或大幅值信号引起的吸入后，如果电容换能器的一些板被大于拉出(pull-out)电压的电压偏置时，该些板可以保持与另一板接触，其中，在吸入后，当处于该拉出电压时该些板将自发地分离。依据不同的实施例，在双感测板电容换能器(譬如，双背板MEMS麦克风)中，每个板和对应的差分输出的的灵敏度通过吸入来改变。因此，本文描述的实施例包括用于分析双感测板电容换能器(譬如，双背板MEMS麦克风)并且识别吸入情形的方法与电路。在不同的实施例中，修复电路控制受影响的板上的电荷，当吸入被通过吸入检测电路而被检测到时，使得该呈现吸入的板释放并且使得该换能器被返回至未受影响的操作条件。在一些实施例中，双背板MEMS麦克风以薄膜和两个背板之间的、大于拉出电压的电压来操作。在该实施例中，双背板MEMS麦克风被以更高的偏置电压偏置，实现了提升的灵敏度，并且在吸入时被该修复电路所修复。

图1示出了换能器系统实施例的系统模块图，该换能器系统100包括双背板MEMS麦克风102、放大器104、吸入检测电路106、修复电路108和偏置电路110。依据不同的实施例，MEMS麦克风102接收来自检测环境中声信号A_in，譬如通过连接至外部环境的声音端口，并且将转换该声信号转换以提供差分电信号至放大器104，该放大器输出放大的差分输出信号E_out。

在不同的实施例中，吸入检测电路106在换能器系统100的操作中监测差分输出信号E_out，并且当吸入被检测到时提供释放使能信号R_en至修复电路108。在一些实施例中，吸入检测电路106可以监测放大器104的输入而不是差分输出信号E_out，或是除了差分输出信号E_out以外还监测放大器104的输入。不同特定的实施例的吸入检测电路和修复电路在下面做进一步描述。修复电路108触发释放或修复序列，该序列可以提供隔离修复信号R_dis至MEMS麦克风102以断开麦克风板或可以提供偏置修复信号R_bias至偏置电路110以改变施加至MEMS麦克风102的至少一个板的偏置电压。在不同的实施例中，被施加至MEMS麦克风102的偏置电压V_bias在正常操作期间大于拉出电压VP_out并且在释放或修复序列期间低于拉出电压VP_out。

在不同的实施例中，其它类型的差分电容板换能器或感测器可以被用来替换MEMS麦克风102，因为双背板MEMS麦克风仅仅是一个示例性的实施例。例如，如本文所述的，一些实施例可以包括具有吸入检测电路106和修复电路108的双板加速器。在另一个实施例中，本文处所述的，差分输出电容压强感测器可以包括吸入检测电路106和修复电路108。

图2a和2b分别示出了依据第一和第二操作场景的换能器实施例的灵敏度图示。该图描述了如在纵轴上所显示的换能器的灵敏度，其与如在横轴上所显示的施加至换能器板的换能器电压V_mic相对。所显示的电压包括吸入电压VP_in和拉出电压VP_out。依据不同的实施例，图2a示出了用于识别第一操作点OP1的第一描述场景，由于其由偏置电压V_bias设置，第一操作点OP1被设置为低于拉出电压VP_out。

图2a和2b中所示出的灵敏度图示被生成以特性化关于吸入和拉出行为的换能器行为。为了执行该特性化，小的声信号被施加至声换能器，该声换能器导致在背板和薄膜之间的总位移距离中的小的变化。该小的变化远小于该总位移距离。该换能器电压V_mic是变化的并且对于每个电压该灵敏度被测量。基于图2示出的第一特性化所该生成的图示，第一操作点OP1被确定。第一操作点OP1可以确保该薄膜将不会随着声冲击事件而附着于背板。如果偏置电压V_bias被设置为在第一操作点OP1(低于拉出电压VP_out)操作该换能器，虽然很大的声信号可能使得薄膜和背板相接触，一旦该很大的声信号消失了，该薄膜返回至其原始位置。

在不同的实施例中，如图2a和2b所示，灵敏度与施加至该换能器上的电压成比例地增加，直到当换能器的板互相接触时的吸入产生。当吸入产生，该板附着在一起并且由于该换能器无法再自由地移动，换能器的灵敏度实质上地减少了。另外，由于较小的分离距离产生更大的电容，因此，相较于其他没有与该薄膜接触的背板，与该薄膜接触的背板将产生更大的信号。如图2a所示，由于偏置电压V_bias被设置为低于拉出电压VP_out，该附着板分离并且该操作返回在一个冲击后返回至第一操作点OP1。在该实施例中，该换能器在吸入发生前后均是在第一操作点OP1处操作的，因此，换能器的灵敏度在吸入发生前后是相同的。

图2b示出了包括由大于拉出电压VP_out的偏置电压V_bias所设置的第二和第三操作点OP2和OP3的第二特征场景。如果换能器通过被以较大的电压(即，偏置电压V_bias大于拉出电压)偏置而工作在第二操作点OP2，该薄膜可以在声冲击事件之后保持与背板接触。如图示，在该情形下，该操作点自第二操作点OP2移动至第三操作点OP3，这导致了减少的灵敏度。如前述，在该冲击或大幅值信号后，施加至换能器板的电压返回至偏置电压V_bias。由于偏置电压V_bias被设置为大于拉出电压VP_out，该附着的板并不分离并且该操作在施加至换能器的板的电压返回至偏置电压V_bias后移动至第三操作点OP3。因此，该换能器在第二操作点OP2处的灵敏度(在吸入发生前)大于换能器在第三操作点处的灵敏度(在吸入产生后)，因为该换能器被偏置为大于拉出电压VP_out并且附着的板保持接触。通常地，该第一操作点OP1被选择为具有安全边限，从而该偏置电压V_bias略低于拉出电压VP_out，从而避免在第三操作点OP3处操作。在不同的实施例中，通过将偏置电压V_bias设置为大于拉出电压VP_out，该MEMS换能器操作在操作点OP2处时，其产生具有提升的灵敏度的较大的信号。在一些实施例中，信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)增加。例如，在图2示出的实施例中，SNR可以被提升8dB。根据不同的实施例，进一步在此所描述的，如图2b所示电容板换能器被偏置为高于拉出电压，并且实施例的检测和修复电路被配置为通过释放附着的板来检测吸入并且修复换能器，从而返回至初始操作点，譬如，第二操作点OP2。

图3示出了呈现吸入现象的双背板换能器实施例的原理图。双背板换能器120包括顶背板122、底背板124和薄膜126。在不同的实施例中，顶背板122被耦接至第一输出端子并且显示电压V+，底背板124被耦接至第二输出端子并且显示电压V-，并且薄膜126被耦接至偏置电压源(譬如偏置电路110)并且被提供以偏置电压V_bias。双背板换能器120的上面的图示说明了当薄膜126不呈现吸入现象时的处于未偏转状态的薄膜126。双背板换能器120的下面的图示说明了当薄膜126附着于顶背板112并且呈现出吸入现象时的处于偏转状态的薄膜126。

依据不同的实施例，当薄膜26未附着时，薄膜126和顶背板122之间存在的灵敏度可以等于薄膜126和底背板124之间存在的灵敏度，并且处于正常或传统的灵敏度水平。当薄膜26附着于顶背板122时，薄膜126和顶背板122之间存在的灵敏度可以处于更高的灵敏度水平，并且薄膜126和底背板124之间存在的灵敏度处于较低的灵敏度水平。因此，在吸入期间，在分别耦接至顶背板122和底背板124的第一和第二输出端子上的差分输出信号可能是非对称的，因为在吸入期间在每个输出处看到的灵敏度是相反地变化的。

图4示出了呈现吸入现象的双背板换能器实施例在修复前的差分输出波形。在不同的实施例中，当吸入已经发生时，第一输出端子上的电压V+和第二输出端子上的电压V-在正常声压水平(Sound Pressure Level，SPL)输入周期期间130、在冲击周期期间132以及在冲击之后的正常SPL输入周期期间134被绘制。如示出的，电压V+和V-在冲击之间在正常SPL周期130期间是对称的。冲击周期132使得吸入如图3所描述地发生。在该冲击之后，由于吸入现象非对称地改变了从双背板换能器120的第一和第二输出端子来看的电容和信号幅值，电压V+和V-在正常SPL周期134期间是非对称的。在吸入后的正常SPL周期134期间，由该附着的板产生的信号可以比在周期130期间示出的吸入更大，因为该附着的板由于板之间的分离距离较小而具有增大的电容。

在不同的实施例中，包括第一和第二输出端子上的电压V+和V-的差分信号被监测以检测导致吸入的非对称行为。吸入检测电路(譬如，吸入检测电路106)检测并且确定差分输出信号中的非对称变化，并且生成如结合图1所述的并将在下面做进一步描述的修复或释放信号。

图5示出了在操作期间的双背板换能器实施例的波形图，其包括包括共模信号CM和释放信号R_en。根据不同的实施例，共模信号CM通过检测换能器的差分输出而被生成，譬如包括图3和4中所示的电压V+和V-的差分信号，并且确定该差分输出信号的非对称特征。例如，在图4中所示的正常的SPL周期期间，共模信号CM是恒定的值，譬如为零，或是相较于单端信号V+和V-很小的信号或是V+与V-之间的差异，因为电压V+和V-是完全对称的。在一些实施例中，当电压V+和V-对称时，共模信号CM可以是单端信号V+和V-的1/10或1/100，或是两者的差异。在另一实施例中，共模信号甚至可以是小于1/1000。在吸入发生后的正常SPL周期134期间，电压V+和V-是非对称的，并且导致共模信号不恒定但与电压间的非对称差异相关地变化。例如，在该实施例中，共模电压不再是单端信号V+和V-的1/10或1/100，而是单端信号V+和V-的1/2。在一实施例中，共模信号CM根据方程CM＝((V+)–(V-))÷2而产生。在不同的实施例中，电压V+或V-可以是该换能器输出的未放大的换能电信号或该换能器输出的放大的换能电信号。在一实施例中，共模信号CM可以根据其它方程而被产生。

在不同的实施例中，释放信号R_en通过将共模信号CM与阈值(譬如比较电压V_comp)相比较而产生。当共模信号CM超出比较电压V_comp时，释放信号R_en如图5所示被激活。释放信号R_en可以触发释放或修复序列，从而使得换能器板停止附着。在一些实施例中，释放信号R_en被基于比较电压V_comp和共模信号CM之间的绝对值比较结果而被触发。释放信号R_en可以被滤波，从而避免该修复序列的伪触发。

图6示出了包括双背板麦克风202和特定用途集成电路(ASIC)203的MEMS麦克风系统的实施例的原理架构图。依据不同给的实施例，MEMS麦克风202通过声音端口(未示出)接收声信号。该声信号使得可偏转的薄膜226偏转，改变了在薄膜226和刚性顶背板222之间、以及在薄膜226和刚性底背板224之间的电容。电容的变化产生了包括在信号线228和230上的电压V+和V-的差分信号，信号线228和230被耦接至ASIC203。在一些实施例中，薄膜226自ASIC203中的电荷泵210接收偏置线232上的偏置电压。在一些操作条件下，包括电压V+和V-的差分信号可以是对称的或近似对称的。类似的，信号线228和230可以从偏移电压源214接收DC电压偏移，其通过阻抗元件216和218分别被耦接至信号线228和230。偏置电压V_bias可以通过电荷泵210和偏移电压源214的组合来被施加在薄膜226和顶背板222之间以及在薄膜226和底背板224之间。

依据不同的实施例，包括电压V+和V-的差分信号被提供至ASIC203中的放大器204a和204b，其输出包括电压AV+和AV-的放大的差分电压。包括电压AV+和AV-的放大的差分信号可以被输出至另外的处理器(未示出)，譬如音频处理器或不同实施例中的任何其他功能模块。

在不同的实施例中，共模测量电路206监测包括电压AV+和AV-的放大的差分信号并且产生共模信号CM，如结合图5所描述的。共模信号CM通过比较器22被与比较电压V_comp来比较。释放电路208从比较器212接收释放使能信号R_en，并且基于释放使能信号R_en通过偏置修复信号R_bias来控制偏置电压V_bias。如下面结合图7a-8c所描述的释放电路208和共模检测电路206均可以依据多个不同的实施例来被实施。

在一些实施例中，MEMS麦克风202可以利用两个可偏转薄膜和被设置在该薄膜之间的单个刚性背板来实现。在该实施例中，差分输出信号可以自与薄膜的连接所产生。依据不同的实施例，MEMS麦克风202和ASIC203被实现在相同的晶片或相同的半导体裸片上。在其它实施例中，MEMS麦克风202和ASIC2023被实现在两个分离的半导体裸片上。在该实施例中，麦克风202和放大器204a和204b可以被形成在第一半导体裸片上，同时ASIC203的其它元件(除了放大器204a和204b)可以被实现在第二半导体裸片上。该半导体裸片的制造，不管是两个分离的半导体裸片或单个集成的产品，可以依据本领域任何已知的制造方法来执行。MEMS麦克风202和ASIC203均可以使用相同的制造技术来制造或可以使用分离的制造技术来制造。

图7a、7b和7c描述了吸入检测电路106或共模检测电路206的实施例的电路图。依据一实施例，图7a示出了包括耦接在放大器204a和204b的输出之间的具有电阻器R1和R2的电阻分压器，其输出包括AV+和AV-的放大的差分信号。在该实施例中，共模信号CM自具有电阻器R1和R2的电阻分压器的中间节点输出。

依据另一实施例，图7b示出了包括具有电阻器R1和R2的电阻分压器的吸入检测电路106或共模检测电路206，和图7a中一样，该电阻分压器耦接在放大器204a和204b的输出之间，但增添了输出电容器C1。在该实施例中，共模信号CM通过电容器C1自具有电阻器R1和R2的电阻分压器的中间节点输出。

依据另一实施例，图7C示出了不仅包括具有电阻器R1和R2的电阻分压器还包括对数放大器和加法器电路的吸入检测电路106或共模检测电路206，该电阻分压器耦接在放大器204a和204b的输出之间并增添了输出电容C1。在该实施例中，共模检测电路206用做对称检测电路，以用于比较输出电压AV+和AV-，从而检测非对称误差。

依据一些实施例，执行对称检测可以包括确定输出电压AV+和AV-之间的差异与共模信号CM之间的比例。图7c示出了用于对称检测的利用该比例的实现的实施例。在被提供至对数放大器238之间，图7c中的共模信号CM通过电容器C1自具有电阻器R1和R2的电阻分压器的的中间节点输出，如同图7b所显示的。放大的输出电压AV+和AV-之间的差异在加法器234中被计算，并且被提供至对数放大器236。对数放大器236和对数放大器238的输出的差异在加法器240中被计算，并且被提供为感测电压输出V_sense。依据另一实施例，感测电压输出V_sense由以下对数方程给定：

V_sense＝log((AV+)–(AV-))–log(CM)

在其它实施例中，感测电压输出V_sense与该对数方程成比例。在另一实施例中，感测电压输出V_sense近似该对数方程。在该实施例中，对数函数可以实现该输出差异和该共模信号的比。在一些实施例中，指数函数可以被用来移除对数函数并且得到真正的比例。在不同的实施例中，感测电压输出V_sense可以被耦接至释放电路208或被耦接至比较器212。

在另外的实施例i中，多个比较器可以被用在ASIC203中以将共模信号CM与正阈值和负阈值相比并且识别背板222、224中的哪一个在吸入期间与薄膜226接触。可替换地，其它方法也可以用来识别背板222、224中的哪一个与薄膜226接触。在不同的其它实施例中，图7a、7b和7c中的元件通过本领域技术人员可以在不同的组合中且使用其它元件来重新组合。可以预期的是，这些变换均被包含在本发明的范围中。

图8a、8b和8c示出了吸入修复电路108或释放电路208的实施例的电路图。依据一实施例，图8a示出了被实现为复位电路并且由释放使能信号R_en来控制的修复电路108或释放电路208，该复位电路包括分别耦接在薄膜226和地之间、背板224和地之间，以及背板222和地之间的开关242、242b和242c。当非对称行为通过共模检测电路206或吸入检测电路106在电压AV+和AV-之间被检测到，如上所述的，释放使能信号R_en被激活以闭合开关242、242b和242c中的任意一个或全部。当开关242、242b和242c被闭合时，如图所示，它们提供至接地端子的导电路径，并且对存储在薄膜226、背板222和背板224上的电荷进行放电。对薄膜226、背板222和背板224进行放电使薄膜和任意板之间的电压降低为低于拉出电压VP_out，并且使得附着的板分离。在其它实施例中，接地端子可以使用其它参考电源电压来替换。

依据另一实施例，图8b示出了被实现为包括开关244、246、248和250以及电容器C2和C3的电荷纠正或充电平衡电路的修复电路108或释放电路208。开关244、246、248和250中的每个可以基于释放使能信号R_en来接收控制信号。当释放使能信号R_en被激活，开关244、246、248和250中的一些或全部被闭合从而通过电容器C2或C3形成导电路径，该导电路径在薄膜226与背板222或224之间的导通。如图8a类似所描述的，在薄膜226、背板222和背板224之间传导电荷使薄膜和任意板之间的电压降低为低于拉出电压VP_out，并且使得附着的板分离。因此，开关244、246、248和250和电容器C2和C3的组合能够平衡或纠正板上的电荷从而将附着的板修复回正常的操作点，该正常的操作点呈现了对称的输出信号和相等的灵敏度。

依据另一实施例，图8c示出了被实现为断开电路的修复电路108或释放电路208，该断开电路包括耦接在顶背板222和放大器204之间以及在底背板224和放大器204b之间的开关252和254。开关252和254基于释放信号R_en来被控制。在不同的实施例中，当释放信号R_en被激活时，对应于差分输出信号中的检测到的吸入或非对称，开关252或254是断开的从而将顶背板222或底背板224与放大器204或204b和任何偏移电压(未示出，例如参见图6)。当顶背板222或底背板224与放大器204或204b断开连接时，附着板上的电荷泄露导致板间的电压降低为低于该拉出电压。因此，当开关252或254持续断开一特定时间时，该附着板分离并且双背板MEMS麦克风返回至显示对称输出信号和相等的灵敏度的正常操作点。依据不同的实施例，图8a、8b和8c中的元件可以被内部改变和替换。这些修改明显地属于本发明的范围中。

图9示出了用于换能器系统的操作300的方法的实施例的方块图，其包括步骤302、304、306和308。依据不同的实施例，步骤302包括基于感测的输入信号在差分电容换能器处产生差分的输出信号。该差分电容换能器可以是双背板MEMS麦克风，并且该感测的信号可以是例如声信号。在其它实施例中，差分电容换能器可以具有两个可偏转的薄膜以及单个刚性背板。该差分输出信号是差分电信号。在一些实施例中，该差分输出信号是在步骤302中的产生的过程中被放大。

在不同的实施例中，步骤304包括基于差分输出信号产生对称信号。如本文以上进一步描述的，该对称信号可以被产生在共模测量电路处或在对称检测电路处。在不同的实施例中，该对称信号可以包括共模信号或其它与对称相关的特征。步骤306包括将该对称信号与误差条件特征进行比较。如结合图6在以上描述的，该误差条件特征可以被视为警报水平或简单的比较电压V_comp。在一些实施例中，误差条件特征可以对应于差分输出信号中的非对称的特定水平。在特定的实施例中，该误差条件特征被设置以确定差分换能器中的电容板的吸入。在一些实施例中，比较该对称信号可以包括多个比较以确定非对称的极性从而确定哪个板正呈现吸入。

依据不同的实施例，步骤308包括如果比较指示误差条件则修复该差分电容换能器。如步骤306中所确定的，误差条件可以对应于该电容板的吸入。在一些实施例中,修复该差分电容换能器可以包括用于重新分配或重新设置电容板上的电荷的步骤。在其它实施例中，修复差分电容换能器可以包括将电容板与偏置源断开知道电容板上的电荷被降低。修复差分电容换能器可以包括启动释放协议以通过降低附着的板上的电荷来分离附着的板。在不同的实施例中，当电荷被降低时，附着的板上的电压降低至低于该拉出电压，并且该附着的板分离。

依据一实施例，换能器系统包括：换能元件和耦接至该换能元件的差分输出的对称检测电路。该换能元件包括信号板、第一感测板以及第二感测板。该对称检测电路被配置为基于该差分输出中的非对称而输出误差信号。

在不同的实施例中，该信号板为薄膜，该第一感测板是第一背板，以及该第二感测板是第二背板。在其它实施例中，该信号板为背板，该第一感测板是第一薄膜，以及，该第二感测板是第二薄膜。第一感测板和第二感测板被形成为在相对的侧面上邻近信号板，并且均与信号板间隔第一距离。

在不同的实施例中，对称检测电路包括电阻分压器，其被连接在提供该差分输出的正输出端子和负输出端子之间。该对称检测电路还包括耦接至该电阻分压器的滤波器。该对称检测电路还包括被耦接至该正输出端子和该负输出端子的第一加法器、被耦接至该滤波器的第一对数放大器、被耦接至该第一加法器的输出并且被配置为接收该第一差异的第二对数放大器，以及被耦接至该第一对数放大器和该第二对数放大器的第二加法器。在该实施例中，第一加法器被被配置为计算来自该正输出端子和该负输出端子上的信号的第一差异，并且该第二加法器被配置为计算来自该第一对数放大器的输出和该第二对数放大器的输出的第二差异。

在不同的实施例中，该换能器系统还包括被耦接至该换能器元件和该对称检测电路的修复电路。该修复电路被配置为基于该误差信号改变该信号板、该第一感测板或该第二感测板上的电荷电平。在一些实施例中，该修复电路包括被耦接在该信号板和低参考电源之间的第一复位开关、被耦接在该第一感测板和该低参考电源之间的第二复位开关以及被耦接在该第二感测板和该低参考电源之间的第三复位开关。该第一复位开关、该第二复位开关和该第三复位开关被基于该误差信号来控制。在一些实施例中，该修复电路包括具有被耦接至该信号板的第一端子和被耦接至该第一感测板的第二端子的第一电荷分配单元以及具有被耦接至该信号板的第一端子和被耦接至该第二感测板的第二端子的第二电荷分配单元。该第一电荷分配单元被配置为接收该误差信号，并且该第二电荷分配单元被配置为接收该误差信号。在该实施例中，该第一电荷分配单元和该第二电荷分配单元均包括在各电荷分配单元的该第一端子和该第二端子之间串联耦接的第一开关、电容器和第二开关。该第一电荷分配单元和该第二电荷分配单元中的该第一开关和第二开关均基于该误差信号来被切换。在一些实施例中，该修复电路包括被耦接在该第一感测板和附加处理电路之间的第一断开开关和被耦接在该第二感测板和该附加处理电路之间的第二断开开关。该第一断开开关和该第二断开开关被基于该误差信号来控制。

在不同的实施例中，该换能器系统包括被耦接至该信号板的偏置电路、被耦接在该第一感测板和该差分输出的第一端子之间的第一放大器以及被耦接在该第二感测板和该差分输出的第二端子之间的第二放大器。在一些实施例中，该换能器元件、该第一放大器和该第二放大器被布置在相同的集成电路上。

依据一实施例，用于操作换能器系统的方法包括基于感测的输入信号在差分电容换能器处产生差分输出信号，基于该差分输出信号产生对称信号，比较该对称信号与误差条件特征，并且如果该比较指示了误差条件，修复该差分电容换能器。

在不同的实施例中，修复该差分电容换能器包括将该差分电容换能器的电容板耦接至地连接。在一些实施例中，修复该差分电容换能器包括将该差分电容换能器的电容板上的电压调节为低于拉出电压。在另一实施例中，修复该差分电容换能器包括将该差分电容换能器的电容板与输出电路断开。

在不同的实施例中，产生该对称信号包括基于该差分输出信号产生共模信号。在该实施例中，该方法还包括对该共模信号滤波。在一些实施例中，产生该对称信号包括产生该差分输出信号的第一分量和第二分量之间的差异，基于该差分输出信号产生共模信号；以及确定该差分信号与该共模信号的比。在特定的实施例中，该对称信号与对数方程log(D1–D2)–log(CM)成比例，其中，D1是该差分输出信号的该第一分量，D2是该差分输出信号的该第二分量，以及CM是该共模信号。

依据一实施例，麦克风系统包括双背板MEMS麦克风和接口电路。该双背板MEMS麦克风包括第一背板、第二背板、被形成在该第一背板和该第二背板之间的薄膜、被耦接至该第一背板的第一输出端子，以及被耦接至该第二背板的第二输出端子。接口电路包括被耦接至该第一输出端子的第一放大器、被耦接至该第二输出端子的第二放大器、被耦接至该第一放大器的输出和该第二放大器的输出并且包括对称信号端子的对称检测电路、被耦接至该对称信号端子和非对称阈值输入并且包括释放使能输出的比较器，以及被耦接至该释放使能输出和该薄膜的释放电路。该释放电路被配置为基于接收自该释放使能输出的信号提供释放控制信号至该薄膜。

在不同的实施例中，该对称检测电路包括被耦接在该第一放大器的输出和该第二放大器的输出之间的电阻分压器，以及被耦接至该电阻分压器的中间节点的电容器。在一些实施例中，该对称检测电路包括被耦接至该第一放大器的输出和该第二放大器的输出的第一加法器、被耦接至该电容器的第一对数放大器、被耦接至该第一加法器的输出并且被配置为接收该第一差异的第二对数放大器。该第一加法器被被配置为计算来自该第一放大器的输出和该第二放大器的输出上的信号的第一差异，并且该第二加法器被配置为计算来自该第一对数放大器的输出和第二对数放大器的输出的第二差异。

在不同的实施例中，该释放电路包括被基于接收自该释放使能输出的信号来控制的多个开关。在该实施例中，每个开关被耦接至该第一背板、该第二背板或该薄膜；并且该开关被配置为调节该第一背板、该第二背板或该薄膜上的电荷电平。在一些实施例中，该第一背板、该第二背板、该薄膜、该第一放大器和该第二放大器被布置在相同的集成电路上。

依据实施例，优点可以包括以较高的灵敏度操作差分电容换能器，容易检测差分电容换能器中的误差条件，并且容易修复差分电容换能器中的误差条件。

虽然本发明已经结合示例性的实施例进行了描述，该描述并不旨在被解释为限制的意义。该示例性实施例以及本发明的其它实施例的不同的变化与组合，对于本领域技术人员参考上述描述是明显的。因此，附加的权利要求也包括任何的上述修改与实施例。

Claims (23)

1.一种换能器系统，包括：

换能器元件，其包括信号板、第一感测板以及第二感测板；以及

对称检测电路，其被耦接至所述换能器元件的差分输出，所述对称检测电路被配置为确定所述差分输出的共模分量，产生所述差分输出的第一分量与第二分量之间的第一差异信号，确定所述第一差异信号与所述共模分量的比，基于所确定的比产生误差信号，并且当所述误差信号超过预定值时激活修复电路，所述修复电路被配置为修复所述换能器元件的吸入情况。

2.如权利要求1所述的换能器系统，其中：

所述信号板为薄膜，

所述第一感测板是第一背板，以及

所述第二感测板是第二背板。

3.如权利要求1所述的换能器系统，其中:

所述信号板为背板，

所述第一感测板是第一薄膜，以及，

所述第二感测板是第二薄膜。

4.如权利要求1所述的换能器系统，其中，所述第一感测板和所述第二感测板被形成为在相对的侧面上邻近所述信号板，并且均与所述信号板间隔第一距离。

5.如权利要求1所述的换能器系统，其中，所述对称检测电路包括：

电阻分压器，其被连接在提供所述差分输出的正输出端子和负输出端子之间。

6.如权利要求5所述的换能器系统，其中，所述对称检测电路还包括耦接至所述电阻分压器的滤波器。

7.如权利要求6所述的换能器系统，其中，所述对称检测电路还包括：

第一加法器，其被耦接至所述正输出端子和所述负输出端子，所述第一加法器被被配置为计算来自所述正输出端子和所述负输出端子上的信号的所述第一差异信号；

第一对数放大器，其被耦接至所述滤波器；

第二对数放大器，其被耦接至所述第一加法器的输出并且被配置为接收所述第一差异信号；以及

第二加法器，其被耦接至所述第一对数放大器和所述第二对数放大器，所述第二加法器被配置为计算来自所述第一对数放大器的输出和所述第二对数放大器的输出的第二差异信号。

8.如权利要求1所述的换能器系统，还包括所述修复电路，其被耦接至所述换能器元件和所述对称检测电路，所述修复电路被配置为基于所述误差信号改变所述信号板、所述第一感测板或所述第二感测板上的电荷电平，其中经改变的电荷电平被配置为修复所述换能器元件的所述吸入情况。

9.如权利要求8所述的换能器系统，其中所述修复电路包括：

第一复位开关，其被耦接在所述信号板和低参考电源之间；

第二复位开关，其被耦接在所述第一感测板和所述低参考电源之间；以及

第三复位开关，其被耦接在所述第二感测板和所述低参考电源之间，其中，所述第一复位开关、所述第二复位开关和所述第三复位开关被基于所述误差信号来控制。

10.如权利要求8所述的换能器系统，其中，所述修复电路包括：

第一电荷分配单元，其具有被耦接至所述信号板的第一端子和被耦接至所述第一感测板的第二端子，其中所述第一电荷分配单元被配置为接收所述误差信号；以及

第二电荷分配单元，其具有被耦接至所述信号板的第一端子和被耦接至所述第二感测板的第二端子，其中所述第二电荷分配单元被配置为接收所述误差信号。

11.如权利要求10所述的换能器系统，其中，所述第一电荷分配单元和所述第二电荷分配单元均包括在各电荷分配单元的所述第一端子和所述第二端子之间串联耦接的第一开关、电容器和第二开关，并且其中所述第一电荷分配单元和所述第二电荷分配单元中的所述第一开关和第二开关均基于所述误差信号来被切换。

12.如权利要求8所述的换能器系统，其中，所述修复电路包括：

第一断开开关，其被耦接在所述第一感测板和附加处理电路之间；以及

第二断开开关，其被耦接在所述第二感测板和所述附加处理电路之间，其中，所述第一断开开关和所述第二断开开关被基于所述误差信号来控制。

13.如权利要求1所述的换能器系统，还包括：

偏置电路，其被耦接至所述信号板；

第一放大器，其被耦接在所述第一感测板和所述差分输出的第一端子之间；以及

第二放大器，其被耦接在所述第二感测板和所述差分输出的第二端子之间。

14.如权利要求13所述的换能器系统，其中，所述换能器元件、所述第一放大器和所述第二放大器被布置在相同的集成电路上。

15.一种用于操作换能器系统的方法，所述方法包括：

基于感测的输入信号在差分电容换能器处产生差分输出信号；

确定所述差分输出信号的共模信号；

基于所确定的共模信号产生对称信号，产生所述对称信号包括产生所述差分输出信号的第一分量和第二分量之间的差异信号，以及确定所述差异信号与所述共模信号的比；

比较所述对称信号与误差条件特征；以及

如果所述比较指示了误差条件，修复所述差分电容换能器的吸入情况。

16.如权利要求15所述的方法，其中，修复所述差分电容换能器包括将所述差分电容换能器的电容板耦接至地连接。

17.如权利要求15所述的方法，其中，修复所述差分电容换能器包括将所述差分电容换能器的电容板上的电压调节为低于拉出电压。

18.如权利要求15所述的方法，其中，修复所述差分电容换能器包括将所述差分电容换能器的电容板与输出电路断开。

19.如权利要求15所述的方法，进一步包括对所述共模信号滤波。

20.如权利要求15所述的方法，其中，所述对称信号与如下对数方程成比例：

log(D1–D2)–log(CM)，

其中，D1是所述差分输出信号的所述第一分量，

D2是所述差分输出信号的所述第二分量，以及

CM是所述共模信号。

21.一种麦克风系统，包括：

双背板微机电系统(MEMS)麦克风，其包括：

第一背板，

第二背板，

薄膜，其被形成在所述第一背板和所述第二背板之间，

第一输出端子，其被耦接至所述第一背板，以及

第二输出端子，其被耦接至所述第二背板；以及

接口电路，其包括：

第一放大器，其被耦接至所述第一输出端子，

第二放大器，其被耦接至所述第二输出端子，

对称检测电路，其被耦接至所述第一放大器的输出和所述第二放大器的输出，所述对称检测电路被配置为确定所述第一输出端子的信号和所述第二输出端子的信号的共模分量，并基于所确定的共模分量而在对称信号端子处产生对称信号，其中所述对称检测电路包括电阻分压器和电容器，所述电阻分压器被耦接在所述第一放大器的输出和所述第二放大器的输出之间，所述电容器被耦接至所述电阻分压器的中间节点，

比较器，其被耦接至所述对称信号端子和非对称阈值输入并且包括释放使能输出，以及

释放电路，其被耦接至所述释放使能输出并且被耦接至所述第一背板或所述第二背板，所述释放电路被配置为基于接收自所述释放使能输出的信号通过向所述第一背板或所述第二背板提供释放控制信号来修复MEMS麦克风的吸入情况，

其中，所述对称检测电路还包括：

第一加法器，其被耦接至所述第一放大器的输出和所述第二放大器的输出，所述第一加法器被被配置为计算来自所述第一放大器的输出和所述第二放大器的输出上的信号的第一差异；

第一对数放大器，其被耦接至所述电容器；

第二对数放大器，其被耦接至所述第一加法器的输出并且被配置为接收所述第一差异；以及

第二加法器，其被耦接至所述第一对数放大器和所述第二对数放大器，所述第二加法器被配置为计算来自所述第一对数放大器的输出和第二对数放大器的输出的第二差异。

22.如权利要求21所述的麦克风系统，其中，所述释放电路包括：

多个开关，其被基于接收自所述释放使能输出的信号来控制，每个开关被耦接至所述第一背板或所述第二背板；并且其中所述开关被配置为调节所述第一背板、所述第二背板或所述薄膜上的电荷电平。

23.如权利要求21所述的麦克风系统，其中，所述第一背板、所述第二背板、所述薄膜、所述第一放大器和所述第二放大器被布置在相同的集成电路上。