CN105611474B - 一种硅电容麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅电容麦克风，包括敏感结构及与其配套的集成电路，其中敏感结构的数目多于一个并分为两组，所有敏感结构的敏感运动方向相同，这两组敏感结构各自接入一路所述集成电路中的电压偏置电路；在受外界声学信号后，得到对应这两组敏感结构的两路电信号，所述集成电路对这两路电信号进行融合处理后输出；所述两路电压偏置电路产生的偏置电压大小相同，符号相反或相同。本发明能在现有工艺水平下，提高硅电容麦克风的灵敏度、信噪比、线性度等技术性能指标和可靠性、零件通用性等工程指标，拓宽产品的应用场合，增加产品竞争力。

Description

一种硅电容麦克风

技术领域

本发明涉及微麦克风技术领域，特别涉及一种应用多个敏感结构协同工作的硅电容麦克风。

背景技术

微机电(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)麦克风或称硅电容麦克风因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于平板电子装置的声音采集，例如：手机、MP3、录音笔和监听器材等。

在相关优化技术方案中，不乏众多努力，试图提高硅电容麦克风的信噪比指标，然而在现有加工工艺条件下仍然缺乏较佳的实现方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅电容麦克风，能在现有工艺水平下通过集成电路的技术手段，优化灵敏度、信噪比、线性度等技术性能指标和可靠性、零件通用性等工程指标。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种硅电容麦克风，包括敏感结构及与其配套的集成电路，其中所述的敏感结构的数目多于一个并分为两组，所有敏感结构的敏感运动方向相同，这两组敏感结构各自接入一路所述集成电路中的电压偏置电路；在受外界声学信号后，得到对应这两组敏感结构的两路电信号，所述集成电路对这两路电信号进行融合处理后输出；所述的两路电压偏置电路，其产生的偏置电压大小相同，符号相同或相反，互不相关。在现有工艺条件下，可以同时实现这样的两路电压偏置电路，其偏置电压符号相反时有着较佳的反对称匹配性，而两个偏置电压符号相同时的对称匹配性也是可以实现的。这样做是为了通过两路偏置电压的较佳的匹配性，提高在现有工艺水平下设置的硅电容麦克风的两组信号传递路径中其他环节的匹配性；而使这两路偏置电压互不相关，才能保证两路数据融合后的信噪比更接近每组单独使用时的倍。

优选的硅电容麦克风，其中所述的两组敏感结构的个数、尺寸、材料参数和连接方法完全相同，并通过相同的接法分别接入本组对应的电压偏置电路。对于两组敏感结构而言，各参数可以对称地匹配，也可以将敏感结构的各参数设置为反对称来实现匹配。但由于敏感结构的加工工艺并非理想，原始设置得反对称的各类技术参数，在受加工工艺偏差影响后会受到不同程度的影响，从而其两组敏感结构的匹配性会不如原始设置得完全相同的参数受加工工艺偏差影响后的匹配性。从零件通用性来看，设置得完全相同的参数的多个敏感结构可以通过一次工艺加工完成并同时匹配本发明技术方案和其他常见技术方案，但设置得反对称的参数的多个敏感结构只能用于对应的技术方案。

优选的硅电容麦克风，其中所述的融合处理，允许将所述的两路电信号直接差分。与通过反对称的敏感结构设置方法来使得信号可以差分的技术方案相比，由于反对称的敏感结构参数无法做到完全一致，在实施时存在需要将信号再校准一次的风险。这对信号的额外处理，存在引入额外的噪声的风险，因此通过保证其原始信号相互匹配，而噪声互不相关的方式直接差分，是最优的优化信噪比的举措。

优选的硅电容麦克风，其中所述的融合处理，允许将所述的两路电信号其中一路的相位延迟180度并取反或不取反，另一路维持原状，再将两者差分。这样做是为了提高硅电容麦克风的线性度。由于硅电容麦克风一般是通过敏感声学信号的振膜和相对固定的背极共同构成的敏感电容变化来得到对应的电压信号并做后续处理，其电容由于与敏感方向上的电容间隙成反比，在电容间隙增大和减小时的电容变化量并不对称，这会导致敏感结构将声学变化信号转化为电容变化信号时的非线性。通过这样的处理，可以在差分的过程中提高硅电容麦克风的线性度。

优选的硅电容麦克风，其中所述的融合处理，允许在所述的两路电信号中的任一路信号异常时，将这路异常信号判断出来并关闭，只使用另一路信号。这是为了提高硅电容麦克风的可靠性和硅电容麦克风的信号处理电路的通用性。通过增加一个判断，使得应用本发明的技术方案的硅电容麦克风在其中任一组信号发生异常时，另一组能继续工作，这比只使用一组信号时的可靠性还要高。另一方面，通过这样的做法，相应的电路可以只与一组敏感结构配合并输出信号，另一组的部分由于信号异常被剔除，这样使相应的电路的通用性仍然得到了保证。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明能在现有工艺水平下，通过集成电路的技术手段，提高硅电容麦克风的灵敏度、信噪比、线性度等性能指标和可靠性、零件通用性等工程指标，从而拓宽产品的应用场合，增加产品竞争力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的硅电容麦克风技术方案示意图；

图2是本发明的一个优选实施例的信号分析示意图；

图3是本发明另一个优选实施例的融合处理示意图；

图4是本发明又一个优选实施例的融合处理的信号分析示意图；

图5是本发明再一个对比实施例的的信号分析示意图；

图6是一个对比实施例的信号分析示意图；

图7是另一个对比实施例的信号分析示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种硅电容麦克风，能在现有工艺水平下通过集成电路手段，优化灵敏度、信噪比、线性度和可靠性等指标。下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的硅电容麦克风技术方案示意图。

如图1所示，该实施例中硅电容麦克风包括敏感结构及与其配套的集成电路，其中敏感结构的数目多于一个并分为两组，图1中振膜101和背极102表示的电容为一组敏感结构，振膜103和背极104表示的电容为另一组敏感结构，所有敏感结构的敏感运动方向相同，这两组敏感结构各自接入一路该集成电路中的电压偏置电路V0(107)和-V0(108)；在受外界声学信号后，得到对应这两组敏感结构的两路电信号，该集成电路对这两路电信号进行融合处理后输出；其中107和108两路电压偏置电路，其产生的偏置电压V0和-V0大小相同，符号相反(也可视需要设置得相同)，互不相关。这样做是为了通过偏置电压的较佳的匹配性，提高在现有工艺水平下设置的硅电容麦克风的两组信号传递路径中其他环节的匹配性；而使这两路偏置电压互不相关，才能保证两路数据融合后的信噪比是每组单独使用时的倍。

其中，上述所述的融合处理，是指将两路电信号整合成一路电信号的处理，其本质是通过对两路电信号进行后续处理后再差分融合为一路信号，使得最后输出的信号质量更佳。当然，由于后续处理可能会引入额外的噪声或误差，所以也可以直接差分输出。这里所述的后续处理包括但不限于：甄别各路信号的可信度并分配权重、调整相位和极性等。下面将分别进行详细阐述。

图1中，第一组敏感结构的振膜101与第一路电路输入环节(输入电阻为Rs1)105相连，第一组敏感结构的背极102与第一路电路的偏压环节107相连，其对应偏置电压为V0；第二组敏感结构的振膜103与第二路电路输入环节(输入电阻为Rs2)106相连，第二组敏感结构的背极104与第二路电路的偏压环节108相连，其对应偏置电压为-V0(也可视需要设置为与第一路偏置电压大小和符号相同的V0，但与107路的偏置电压信号互不相关)。

图2～图7的坐标中VRs1表示第一路电学信号(处理后为VRs1’)，VRs2表示第一路电学信号(处理后为VRs2’)，V表示输出信号，t表示时间轴。

图2是本发明的一个优选实施例。如图1这样，由于电路输入环节中敏感结构的电容隔去了直流信号，两路电路输入环节上采集到的信号如图2所示，便可直接差分输出，从而得到最佳的信噪比优化的技术效果，但由于其两路信号变化方向与敏感结构的敏感方向相同，无法达到较佳的线性度优化效果。

图3是本发明的另一个优选实施例，将通过应用本发明技术方案得到的两路电信号其中一路信号延时180度并反向再差分输出，以获得较佳的线性度改善效果，实际上由于两路电信号的噪声不相关，还可以将其中一路信号延时180度后不反向并直接将两路信号求和，这在数据融合后噪声与求差的效果相当。图3的优选实施例在实际实施时，可以根据信噪比和线性度这两项指标的相互权衡，以及具体电路形式下实现的便利来实现。如果电路是模拟的，要将信号延时就需要通过增加较大容值的外接电容等方式，增大了成本，影响了封装的小型化，并且无法保证在工作频段内所有频点均有较好的180度延时；而对于数字电路而言，实现相应的工作频段内所有频点延时180度的技术效果相对便利。

图4是本发明的又一个优选实施例，是在其中一路信号失效时判断出来并只使用另一路信号。相应的技术效果在数字电路实现时较为简便，如由于两路偏差信号不相关，可知其相关性完全来自于两级敏感接受同时收到相同的有用信号，当发现两路信号的相关性较差，且其中一路信号长时间过小或音频(20Hz～20KHz)之外的信号长时间过大(这里的过小和过大的判断可以通过预先设置的阈值来实现)，即可认为这一路信号异常，对其关断并只使用另一路信号。这可以提高硅电容麦克风工作的可靠性，并提高电路的通用性。显然应用本优化手段的电路，在两组中的一组敏感结构损坏后可以正常工作，在只与一组甚至只有一个敏感结构配合时也可以正常工作。

图5是本发明的再一优选实施例示意图。如前文所述，在应用模拟电路具体实施本发明的图3的实施例的较高线性度时易受实际工艺限制，此时也可以通过将两组敏感结构设置为如图5所示的反对称连接方式，通过敏感结构的运动方向与电容变化方向的反向，来实现两路信号融合后线性度较佳的优化。值得一提的是，如图5所示，这样的接法将使得两路信号的方向相同，不便进行求差的操作，在数字电路中可以通过使两路信号相加的方式来进行信号数据融合操作，在模拟电路中也可通过类似的求和电路来实施。这样实施后两路信号之间仍然在数学上符合两路信号数据融合的优化效果(即信噪比在最理想情况下被优化到只使用一路信号的倍)，但值得注意的是，由于是求和操作，两路信号的共模噪声无法被消除。

图6和图7是传统技术方案的两个对比实施例。图6中使用一路偏压电路并将敏感结构分为两组予以差分；而图7的技术方案将两组敏感结构的背极与振膜设置得相反来实现反对称设置，实际上类似图7的将敏感结构反对称设置的技术方案在实际实施时也包括电气引线和进音方向等方式，它们保证两路信号完全匹配的工艺难度均较大。

图6和图7所示的这两个技术方案在实施时，由于两路电信号均源于同一路偏压信号，无法保证两路信号不相关，其差分后，噪声水平将差于两路不相关信号相减的技术效果，对信噪比的改善效果无法达到较优。相比图2本发明的优选实施例而言，如果使用求和的方法对图6的技术方案进行差分，由于是求和操作，其两路信号相关性带来的共模噪声存在且无法消除；若采用如图7所示的技术方案，将两组敏感结构参数设置得反对称，其敏感结加工工艺的一致性将使两路信号的不匹配程度增大，此时两路信号的不匹配会使其总输出信号的线性度不增反降，此时虽然可通过如前文所述的将信号再校准一次，或先通过前置放大器予以匹配性的校准后，再予以数据融合，但由于后续信号校准的环节引入了额外的噪声，对硅电容麦克风的信噪比的优化无法达到最佳的技术效果；相比之下，图2本发明的优选实施例既通过两路偏压的不相关保证了两路信号的不相关性，又通过两路信号的符号相反保证了信号的直接差分，使得信号直接差分以优化信噪比的技术效果达到最优；在图5的实施例中，正是因为通过两路不相关偏压保证了信号的不相关性，因此即使将两路信号求和而非求差，其达到的数据融合的技术效果也与在图5中将两路不相关偏压设置得同号以将两路信号求差的数据融合后的技术效果相当。因此，由于对两组敏感结构输入的偏压是强相关的同一路信号，无法保证两路信号的不相关性，这两个传统的对比技术方案在对信噪比的优化上无法达到较佳的效果。同理，这两个对比技术方案在其中一路信号异常时，由于一路信号会通过偏置电压信号干扰到另一路电压信号，无法通过检测两路有用信号的相关性等技术手段来实现甄别并关闭异常的一路信号，从而其硅电容麦克风的可靠性和电路的通用性受限。

在实际实施时，如需实现较佳的信噪比优化效果，可采用图2的优选实施例的方案；如需在优化信噪比的基础上实现较佳的改良硅电容麦克风线性度的优化效果，在可以视技术方案实现的便利，在图3的技术方案和图5的技术方案间权衡，甚至将图5中的两路偏压信号设置得大小和符号均相同，但保证其互不相关；如需提高硅电容麦克风可靠性或电路通用性，可采用图3的优选实施例。可见，由于采用本发明的技术手段，能在现有工艺水平下，通过集成电路的技术手段，提高硅电容麦克风的灵敏度、信噪比、线性度等性能指标和可靠性、零件通用性等工程指标，从而拓宽产品的应用场合，增加产品竞争力。

此外，说明书和权利要求书中的术语“顶”，“底”，“上”，“下”，“左”，“右”等(如果存在)用于说明性目的且不一定用于描述永久的相对位置。如：由于电容的变化仅与振膜与背极的相对位置有关，而敏感结构所代表的电容在电路中并无极性，故本发明实施例和示意图中仅以背极电极与偏置电压相连接，振膜电极与电路的信号输入环节相连接来进行描述，这样的连接互换后在电路上的作用是等效的；本发明实施例和示意图中仅以附图中的左右方向表示振膜的敏感方向，这样的方向在实施时可根据需要设置；仅在附图1、附图2、附图5中绘制两路信号采用符号相反的电压信号，这样的两路电压信号的符号在实施时可根据需要设置得相同或相反。可以理解的是如此使用的术语可在适当情况下互换，使得本文所述的本发明的实施例能够在例如不同于上述或本文中所述的方向的其他方向上进行操作。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种硅电容麦克风，其特征在于，包括敏感结构及与其配套的集成电路，其中：

所述敏感结构的数目多于一个并分为两组，各所述敏感结构的敏感运动方向相同，该两组敏感结构分别接入一路所述集成电路中的电压偏置电路；

在受外界声学信号后，该两路电压偏置电路分别得到对应所述两组敏感结构的两路电信号，所述集成电路对所述两路电信号进行融合处理后输出；

其中，所述两路电压偏置电路产生的偏置电压大小相同，符号相反或相同，并且互不相关；所述两组敏感结构中每组包含的敏感结构的个数、尺寸、材料参数和连接方法完全相同，并通过相同的接法分别接入本组对应的电压偏置电路。

2.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述融合处理，包括将所述两路电信号直接差分。

3.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于,所述融合处理，包括将所述两路电信号其中一路的相位延迟180度并取反或不取反，另一路维持原状，再将两路信号融合。

4.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述融合处理，还包括对所述两路电信号进行监测，当检测到其中的任一路信号异常时，将发生异常的该路电信号关闭，并只使用另一路电信号进行后续处理。