CN107076840A - 具有双mems装置的声学设备 - Google Patents

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CN107076840A CN201580053410.5A CN201580053410A CN107076840A CN 107076840 A CN107076840 A CN 107076840A CN 201580053410 A CN201580053410 A CN 201580053410A CN 107076840 A CN107076840 A CN 107076840A
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Abstract

根据本公开的一个方面，提供了一种声学设备，该声学设备包括第一换能器、第二换能器、耦接到所述第一换能器的信号发生器、以及耦接到所述第二换能器的邻近检测模块。缓冲模块被耦接到所述第一换能器和第二换能器并且被配置为处理从所述第二换能器接收到的模拟信号。

Description

具有双MEMS装置的声学设备
相关申请的交叉引用
本专利根据35U.S.C.§119(e)要求于2014年10月2日提交的题为“AcousticApparatus With Dual MEMS Devices”的美国临时申请No.62/058,992的权益，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请涉及声学装置，并且更具体地，涉及在这些装置中使用超声波方法。
背景技术
多年来，已经使用了不同类型的声学装置。一种类型的声学装置是麦克风，并且一种类型的麦克风是微机电系统(MEMS)麦克风。在MEMS麦克风中，MEMS管芯包括膜片(diaphragm)和背板。MEMS管芯通常设置有基板(或基座)，并且由壳体(例如，具有壁的杯或盖)包封。端口可以延伸穿过基板(用于底部端口装置)或者穿过壳体的顶部(用于顶部端口装置)。在任何情况下，声能穿过端口，移动膜片并且相对于背板产生变化的电位，这产生电信号。专用集成电路(ASIC)可以对该信号执行进一步处理。麦克风被部署在各种类型的装置中，诸如个人计算机或蜂窝电话。
邻近检测器(proximity detector)还与各种类型的装置一起使用。例如，当与蜂窝电话一起使用时，邻近检测器可以感测用户的存在。邻近检测器通常使用红外检测器。不幸的是，这些类型的检测器消耗大量的功率，需要多个组件(红外LED和红外传感器)，并占据较大的物理占用(footprint)。当邻近检测器与小尺寸和低功耗是重要设计考虑的电子装置结合使用时，这成为特别的问题。
这些问题导致一些用户对先前方法不满意。
附图说明
为了更完全地理解本公开，应参照以下详细描述以及附图，在附图中：
图1A包括根据本发明的各种实施方式的具有超声波检测器的声学设备的框图；
图1B包括根据本发明的各种实施方式的具有超声波检测器的声学设备的框图；
图1C包括根据本发明的各种实施方式的具有超声波检测器的声学设备的框图；
图2A包括根据本发明的各种实施方式的具有超声波检测器的声学设备的状态转换图的一个示例；
图2B包括根据本发明的各种实施方式的具有超声波检测器的声学设备的状态转换图的另一示例；
图3包括根据本发明的各种实施方式的具有超声波检测器的声学设备的操作方面的流程图；
图4包括根据本发明的各种实施方式的具有超声波检测器的声学设备的操作方面的流程图；
本领域技术人员应当理解，图中的元件被示出以用于简洁和清晰的目的。应进一步理解的是，某些动作和/或步骤可能以特定发生顺序被描述或描绘，但是本领域技术人员应当明白，实际上并不要求关于顺序的这种特定性。还应理解的是，除非本文已经另行阐述了特定含义，否则本文所使用的术语和表述具有与关于对应的各自调查和研究领域的该术语和表述相一致的一般含义。
具体实施方式
在本方法中，提供了一种双用途超声波收发器麦克风。更具体地，多个MEMS装置或换能器被用作收发器。提供内置电路或智能件，其确定飞行时间(从MEMS装置到目标的超声波信号的飞行时间、以及反射信号返回到MEMS装置的时间)，并最终确定物理对象或干扰源的距离。该功能可以被设置在具有允许与外部控制器的通信(例如，邻近输出、麦克风输出、命令和控制信息以及模式切换)的逻辑控制器/接口的专用集成电路上。虽然本文中利用的许多换能器是MEMS换能器，但是应当理解，可以使用任何类型的换能器(例如，MEMS、压电或一些其它类型的换能器)。
有利地，与先前方法相比，本方法允许邻近检测功能的较低部件计数(lower partcount)。此外，与由先前装置提供的占用相比，为邻近检测功能提供更小占用。本方法还产生更低的功率消耗，延长了电池寿命并降低了材料整体构建的成本。
此外，使用声学换能器用于邻近检测比先前方法利用更少的功率。将邻近检测器集成到声学端口中，并且麦克风消除了对红外发光二极管(LED)、电子装置中的传感器和相关电路的需要，从而降低了成本。这简化了电子装置的架构，并且在PCB上留下了额外空闲空间，这将允许更小的设计、更薄的设计或其它想要组件的集成。
在本方法中，由于换能器在传输和检测之间切换，因此麦克风可以同时用于声学噪声消除(ANC)和邻近检测。本方法可用于不使用第三麦克风用于噪声消除的电话，或也可用于只想要邻近检测集成的可佩戴电子装置。
在这些实施方式的许多中，设备包括第一换能器和第二换能器。第一换能器被配置为发送超声波信号。第一换能器(或第二换能器)被配置为检测这些信号的反射。第二换能器还接收可听声学信号并将这些信号转换成电信号。
现在参考图1A，描述了设备的一个示例。微机电系统(MEMS)双用途专用集成电路(ASIC)100包括电荷泵102、放大器106、缓冲器108、邻近检测块或模块109(包括信号发生器110和邻近检测内核112)和缓冲模块114以及接口逻辑控制模块116。ASIC 100耦接到系统控制器120以及第一MEMS装置122和第二MEMS装置123(或者任何其它类型的换能器，举例来说，诸如压电换能器)。应当理解，如果使用压电传感器，则不需要电荷泵。系统控制器120也可以在ASIC 100外部。
MEMS装置122、123以及ASIC 100可以被结合到MEMS麦克风101中。在这些方面，ASIC 100以及MEMS装置122和123可以设置在基座上并被帽或盖覆盖。帽、盖或基座可以具有允许声音和反射声音进入麦克风的端口，并允许超声波信号离开麦克风101。
电荷泵102提供用于操作MEMS装置122和123的电流、电压和/或功率。超声波信号(经由放大器106)被发送到MEMS装置122。信号(反射的超声波信号或正常音频范围内的信号)被输入(经由缓冲器108或直接到缓冲模块114)。放大器106可以是被配置为放大信号的硬件和/或软件的任何组合，并且缓冲器108可以是被配置为接收来自MEMS装置123的信号的硬件和/或软件的任何组合。尽管本文中使用MEMS装置122和123，但是应当理解，也可以使用任何其它类型的换能器(例如，压电或一些其它类型的换能器)。
邻近检测块或模块109可以是被配置为执行邻近检测功能的硬件和/或软件的任何组合。在超声波操作模式中，发送超声波信号，从感兴趣的对象接收它们的反射，并计算到感兴趣的对象(例如用户的脸部)的距离。当在超声波操作模式下操作时，信号发生器110生成用于传输(经由放大器106)到MEMS装置122的超声波信号。
内核112还进行飞行时间测量，例如，计算从发送信号的时间到接收到反射信号的时间的飞行时间。在另一示例中，内核112可以通过测量反射信号的幅度来确定邻近度。根据飞行时间测量和计算，可以由内核112确定到目标的距离。该距离可以从内核112通过接口逻辑控制模块116被发送到系统控制器120。其它示例是可能的。
缓冲模块114可以对从MEMS装置123接收的音频信号执行麦克风音频处理。例如，该处理可以包括增益调整、相位调整、信息检索或噪声去除。其它示例是可能的。
接口逻辑控制模块116用于外部装置(例如，系统控制器120)与ASIC 100的内部块/模块之间的接口。接口逻辑控制模块116可以分别具有针对麦克风功能和邻近检测功能(诸如PDM和I2C)的单独输出端，或者这两个功能可以借助于多路复用或另一种方法共享单个输出端。
系统控制器120可以是电子装置中的组件。举例来说，客户装置可以是蜂窝电话、个人计算机或平板电脑。在一个示例中，系统控制器120向设备100发布指示该设备进入超声波传输/检测或正常音频接收模式的命令。
MEMS装置122和123均包括膜片和背板并且耦接到电荷泵102。MEMS装置122可以由放大器驱动以发送超声波信号。
在图1A的系统的操作的一个示例中，并且当处于超声波操作模式时，超声波信号从信号发生器110被发送到放大器106、MEMS装置122。MEMS装置122被致动以发送信号。在MEMS装置123处接收到的反射信号将到达缓冲器108，然后到达邻近检测块或模块109，其中邻近检测内核112处理该反射信号。
在另一操作模式下，MEMS装置123还接收人类可听(或有声)声学信号。这些信号直接在缓冲模块114处被接收。
可以通过从系统控制器120接收的命令控制所述模式。在这些方面，系统控制器120发布关于哪个操作模式操作的命令。这些命令通过接口/逻辑控制模块116被发送到邻近检测内核112。
各种类型的信息由ASIC 100获得并且可以被输出到诸如系统控制器120、微处理器或其它SoC(芯片上系统)的外部装置。例如，表示音频信号的数字信息可以由缓冲模块114发送。邻近检测内核112可以确定到目标的距离。所有类型的信息都通过接口逻辑控制模块116被发送到系统控制器120。该信息可以被复用到单个接口端口中，或者可以存在用于各种操作模式(用于作为话筒的功能的可听信号和用于控制和传输来自邻近传感器模式的信息的信号、或二者同时)的多个端口/接口。
在一个示例中，设备100利用具有高于人类可听范围的频率的信号进行操作。检测范围可达500mm。其它值和范围是可能的。
应当理解，本文所描述的方法利用具有超出人类可听范围的频率的信号进行操作。这可以是人类听不到的任何信号，该信号虽然大多数在20kHz以上，但是可以低于20kHz。检测范围可达500mm。其它值和范围是可能的。应当理解，本文所描述的方法利用大约20Hz-20kHz范围内的可听信号进行操作。
现在参考图1B，描述了设备的另一示例。微机电系统(MEMS)双用途专用集成电路(ASIC)100包括电荷泵102、开关104、放大器106、缓冲器108、邻近检测块或模块109(包括信号发生器110和邻近检测内核112)和缓冲模块114以及接口逻辑控制模块116。ASIC 100耦接到系统控制器120以及第一MEMS装置122和第二MEMS装置123(或者任何其它类型的换能器，举例来说，诸如压电换能器)。应当理解，如果使用压电传感器，则不需要电荷泵。系统控制器120也可以在ASIC 100外部。
MEMS装置122和123以及ASIC 100可以结合到MEMS麦克风101中。在这些方面，ASIC100以及MEMS装置122和123可以设置在基座上并被帽或盖覆盖。帽、盖或基座可以具有允许声音和反射声音进入麦克风的端口，并允许超声波信号离开麦克风101。
电荷泵102提供用于操作MEMS装置122和123的电流、电压和/或功率。开关104控制是否将超声波信号(经由放大器106)发送到MEMS装置122，或者是否(经由缓冲器108)输入超声波信号。放大器106可以是被配置为发送信号的硬件和/或软件的任何组合，并且缓冲器108可以是被配置为接收来自MEMS装置122的信号的硬件和/或软件的任何组合。尽管本文中使用MEMS装置122和123，但是应当理解，也可以使用任何其它类型的换能器(例如，压电或一些其它类型的换能器)。
邻近检测块或模块109包括用于在超声波操作模式下操作的硬件和/或软件。在超声波操作模式中，发送超声波信号，从感兴趣的对象接收它们的反射，并计算到感兴趣的对象(例如用户的脸部)的距离。当在超声波操作模式下操作时，信号发生器110生成用于传输(经由放大器106)到MEMS装置122的超声波信号。
邻近检测内核112包括控制开关104的硬件和/或软件。系统控制器120向接口逻辑控制模块116发送命令，并且接口逻辑控制模块116指示内核112将开关操作到第一位置(用于信号的超声波发送)或第二位置(用于接收反射的超声波信号)。
内核112还进行飞行时间测量，例如，计算从发送信号的时间到接收到反射信号的时间的飞行时间。在另一示例中，内核112可以通过测量反射信号的幅度来确定邻近度。根据飞行时间测量和计算，可以由内核112确定到目标的距离。该距离可以从内核112通过接口逻辑控制模块116被发送到系统控制器120。其它示例是可能的。
缓冲模块114可以对从MEMS装置123接收的音频信号执行麦克风音频处理。例如，该处理可以包括幅度调整、相位调整、信息检索或噪声去除。其它示例是可能的。
接口逻辑控制模块116用于外部装置(例如，系统控制器120)与ASIC 100的内部块/模块之间的接口。
系统控制器120可以是客户装置中的组件。举例来说，客户装置可以是蜂窝电话、个人计算机或平板电脑。在一个示例中，系统控制器120向设备100发布指示该设备进入超声波传输/检测或正常音频接收模式的命令。
MEMS装置122和123均包括膜片和背板并且耦接到电荷泵102。MEMS装置122由放大器驱动以发送超声波信号，并且接收并感测反射的超声波信号。MEMS装置123接收并感测音频范围内的音频信号。
在图1B的系统的操作的一个示例中，并且当处于超声波操作模式时，超声波信号从信号发生器110被发送到放大器106，跨过开关104(处于允许信号输出的第一位置)到MEMS装置122。MEMS装置122被致动以发送信号。开关104随后被放置在第二位置，允许将(在MEMS装置122处接收的)反射信号跨过开关104发送到缓冲器108，然后发送到邻近检测块或模块109，其中邻近检测内核112处理该反射信号。
在第二操作模式下，MEMS装置123还接收人类可听声学信号。
可以通过从系统控制器120接收的命令控制所述模式。在这些方面，系统控制器120发布关于哪个操作模式操作的命令。这些命令通过接口/逻辑控制模块116被发送到邻近检测内核112。邻近检测内核112发布致动开关104的命令。
各种类型的信息由ASIC 100获得并且可以被输出到诸如系统控制器120的外部装置。例如，表示音频信号的数字信息可以由缓冲模块114发送。邻近检测内核112可以确定到目标的距离。所有类型的信息都通过接口逻辑控制模块116被接收并发送到系统控制器120。
在一个示例中，设备100利用超声波信号进行操作。检测范围可达500mm。其它值和范围是可能的。
应当理解，本文所描述的方法也利用大约20Hz-20kHz范围内的可听或声信号进行操作。如本文所使用的，超声波信号是具有高于约20kHz的人耳可听极限的频率的声学信号。这可以是人类听不到的任何信号，虽然该信号大多数在20kHz以上，但是可以低于20kHz。
应当理解，图1A和图1B的麦克风具有盖(或帽)，并且组件驻留在基板上。帽或基板具有允许声能进入麦克风内部的开口或端口。在一个示例中，由于使用单个端口，允许声能在MEMS装置122和123的每个处被接收。在另一示例中，使用两个端口。在这种情况下，一个端口用于接收和引导声音到第一MEMS装置122，并且另一个端口用于接收和引导声音到第二MEMS装置123。在这些情况下，MEMS装置122和123耦接到端口(例如，设置在端口上方)。
参考图1C，提供了在许多方面与图1A的设备相似的另一设备。两者之间的一个区别是邻近检测块或模块109和信号发生器110及其邻近检测内核112都在麦克风101外部。在其它实施方式中，信号发生器110和邻近检测内核112中的一个可以包括在ASIC 100中，并且信号发生器110和邻近检测内核112中的另一个可以在麦克风101外部。应当理解，关于图1A、图1B和图1C，设备的一个或更多个元件可以在麦克风101外部、ASIC 100外部，而不是麦克风101的组件，或者如期望用于特定应用的其它布置。
现在参考图2A，描述了具有多个换能器的系统的操作的一个示例。应当理解，这是状态转换图的一个示例，并且其它示例是可能的。
最初，系统可以处于关闭状态200，其中ASIC(其被连接到多个换能器)等待来自SoC 270的命令或信号来激活该装置。麦克风的激活导致状态转换到麦克风模式状态202。
状态202是正常音频处理状态。在该状态202下，接收并处理正常音频接收范围内的音频信号。经处理的信号或有关这些信号的信息可以被返回到外部控制器270。如果接收到进入超声波邻近检测模式的命令或信号，则状态改变为超声波邻近检测状态204。
在状态204下，从换能器发送超声波信号(在子状态206下)，并且接收反射的超声波信号(在子状态208下)。进行基于所发送和接收信号的飞行时间的距离确定，并且这可以被报告给外部控制器210。如果命令或信号被接收以返回正常音频处理模式，则控制返回到状态202。如果接收到关闭麦克风的命令或信号，则控制返回到状态200。
如果在状态202下接收到进入超声波邻近检测和麦克风状态的命令，则控制进入状态220。在该状态下，系统同时收听音频信号(步骤222)，发送超声波信号(步骤224)并接收反射的超声波信号(步骤226)。关闭命令导致返回到关闭状态200。也可以在状态204与220之间转换。
现在参考图2B，描述了具有多个换能器的系统的操作的另一示例。应当理解，这是状态转换图的一个示例，并且其它示例是可能的。
最初，系统可以处于关闭状态250，其中ASIC(其被连接到多个换能器)等待激活该装置的命令或信号。麦克风的激活导致状态转换到麦克风模式状态252。
状态252是正常音频处理状态。在该状态252下，接收并处理正常音频接收范围内的音频信号。经处理的信号或有关这些信号的信息可以被返回到外部控制器270。
如果在状态252a下接收到进入超声波邻近检测和麦克风状态的命令，则控制进入状态254。在该状态254下，系统同时收听音频信号(步骤256)，发送超声波信号(步骤258)，并接收反射的超声波信号(步骤260)。关闭命令导致返回到关闭状态250。返回到麦克风模式的命令将导致返回到状态252。
现在参考图3，描述了作为麦克风的设备的操作的一个示例。应当理解，图3的示例可以利用图1B的电路，并且这反映在下面的描述中。在步骤302，在接口(例如，接口逻辑控制模块116)处从外部设备(例如，系统控制器120)接收命令，并且在这种情况下，该命令是在正常音频处理模式下操作设备(例如，ASIC 100)。
当接收到命令时，在步骤304，声压和MEMS装置产生信号，该信号经由缓冲模块114被路由以由所述设备处理。在步骤306，经处理的信号例如可以被输出，以用于例如由外部控制器(例如，由系统控制器120)进一步处理。
现在参考图4，描述了作为超声波邻近检测器的设备的操作的一个示例。应当理解，图4的示例可以利用图1B的电路，并且这反映在下面的描述中。
在步骤402，从接口(例如，接口逻辑控制模块116)接收来自外部装置(例如，系统控制器120)的命令，该命令告知设备(例如，ASIC 100)进入超声波操作模式。
在步骤404，开关(例如，图1的开关104)被切换以允许放大器(例如，图1的放大器106)发送信号。在步骤406，信号发生器(例如，图1的信号发生器110)生成超声波信号。在步骤408，经由放大器(例如，放大器106)发送超声波信号。
在步骤410，将开关(例如，开关104)切换到允许经由缓冲器(例如，缓冲器108)输入接收到的信号的位置。在步骤412，接收到的信号被接收并且传送到处理软件和/或电路(在内核112处)。在步骤414，进行处理以确定信号的飞行时间，并然后确定距离。在步骤416，该信息可以被输出到诸如外部控制器(例如，系统控制器120)的外部实体，以用于经由接口(例如，接口逻辑控制模块116)进一步处理。
本文描述了本发明的优选实施方式，包括发明人所知道的用于执行本发明的最佳方式。应当理解，所例示的实施方式仅是示例性的，并且不应被视为限制本发明的范围。

Claims (16)

1.一种声学设备，所述声学设备包括：
第一换能器；
第二换能器；
信号发生器，所述信号发生器耦接到所述第一换能器；
邻近检测模块，所述邻近检测模块耦接到所述第一换能器和所述第二换能器；
缓冲模块，所述缓冲模块耦接到所述第二换能器，所述缓冲模块被配置为处理从所述第二换能器接收的模拟信号；
其中，在第一模式下，所述信号发生器驱动所述第一换能器以产生超声波信号；
其中，在第二模式下，所述超声波信号被目标反射并且作为反射的超声波信号返回到所述第二换能器；
其中，在第三模式下，所述反射的超声波信号由所述邻近检测模块处理以获得距离参数，所述距离参数指示所述设备与所述目标之间的距离；
其中，在第四模式下，所述第二换能器接收人类可听音频信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一换能器和所述第二换能器是微机电系统MEMS换能器或压电式电子换能器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述信号发生器和所述邻近检测模块被设置在麦克风处。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述信号发生器和所述邻近检测模块被设置在麦克风的壳体外部。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述缓冲器模块和所述邻近检测模块的输出是数字的。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括耦接到所述第一换能器和所述第二换能器中的至少一个的电荷泵。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述距离参数包括飞行时间参数、信号幅度参数、或伪随机信号的相关因子。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被设置在移动电话、平板电脑、器具、个人计算机、或可佩戴电子装置处。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述邻近检测模块包括所述信号发生器。
10.一种操作设备的方法，所述方法包括：
通过信号发生器驱动第一换能器以产生超声波信号；
从目标反射所述超声波信号作为反射的超声波信号；
在第二换能器处接收所述反射的超声波信号；
通过邻近检测模块处理所接收的反射的超声波信号以获得距离参数，所述距离参数指示所述设备与所述目标之间的距离；
在所述第二换能器处接收人类可听音频信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一换能器和所述第二换能器是微机电系统MEMS换能器或压电式电子换能器。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述信号发生器和所述邻近检测模块被设置在麦克风处。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述信号发生器和所述邻近检测模块被设置在麦克风的壳体外部。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，由所述邻近检测模块处理所接收的反射的超声波信号包括：从所述邻近检测模块输出数字信号。
15.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括：将电荷泵耦接到所述第一换能器和所述第二换能器中的至少一个。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述距离参数包括飞行时间参数、信号幅度参数、或伪随机信号的相关因子。
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