CN107534817A

CN107534817A - 具有改进的灵敏度的mems麦克风

Info

Publication number: CN107534817A
Application number: CN201580078150.7A
Authority: CN
Inventors: L.邹; G.罗卡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: EP3275209A1; WO2016150487A1; EP3275209B1; CN107534817B; US20180041841A1; US10264363B2; JP2018508165A; JP6635273B2

Abstract

提供了具有改进的灵敏度（例如降低的灵敏度的温度依赖性）的MEMS麦克风。麦克风包括MEMS电容器、充电电路和偏置电路。偏置电路包括闭环控制电路并且创建具有温度依赖性的电压。

Description

具有改进的灵敏度的MEMS麦克风

本发明涉及具有改进的灵敏度的MEMS麦克风，例如涉及如下的MEMS麦克风：其具有降低的麦克风的灵敏度的温度依赖性。

MEMS麦克风包括具有可变电容的MEMS电容器，其中电容上的变化反映接收到的音频信号。进一步地，MEMS麦克风包括ASIC（应用专用集成电路）中的电气和电子电路。为了保护MEMS电容器和ASIC芯片中的ASIC中的电路免受负面环境影响，MEMS麦克风包括封装组件。MEMS电容器、ASIC以及封装组件对MEMS麦克风的信号的影响遭受在电特性上的温度引发的变化。特别是，在温度上的增加使麦克风信号质量劣化，并且由于麦克风的复杂构造，麦克风的各组件对总的劣化的单独的贡献也是复杂的。

因此，所需要的是具有改进的信号质量、尤其是具有改进的灵敏度（例如具有降低的或消除的灵敏度温度依赖性）的MEMS麦克风。

例如从US 7,889,030，US 2011/0200212，US 8,067,992知道改进了信号质量的MEMS麦克风或这样的麦克风的组件。

然而，在灵敏度上的改进看起来仍然是可能的。

根据独立权利要求1的MEMS麦克风提供了一种具有改进的灵敏度的麦克风。各从属权利要求提供了优选的实施例。

MEMS麦克风包括具有可变电容的MEMS电容器、被提供用于对MEMS电容器充电的充电电路、以及被提供用于创建施加到充电电路的偏置电压的偏置电路。该偏置电路包括闭环控制电路。施加到充电电路的偏置电压具有温度依赖性。

偏置电路的闭环控制电路因此提供控制充电电路的依赖于温度的偏置电压。

发现的是不同的MEMS麦克风具有不同的依赖于温度的灵敏度曲线，该曲线描述温度引发的麦克风的灵敏度劣化。如上面解释那样，复杂的麦克风的温度引发的劣化取决于以复杂方式一起起作用的多个因素。消除多个因素中的一个的技术手段可能改进麦克风信号质量。然而，甚至这样的改进的麦克风仍然具有麦克风的灵敏度的温度依赖性。

然而，在本麦克风的情况下，偏置电压的温度依赖性可以导致即使在宽的温度范围内也实际上不具有依赖于温度的灵敏度的MEMS麦克风。

由于MEMS麦克风中的MEMS电容器的灵敏度主要与施加到MEMS电容器的电压成比例，所以对电容器的电压—其是通过充电电路馈送的—的控制允许在不需要单独地对麦克风的组件中的每个进行补偿的情况下补偿整个麦克风的温度引发的灵敏度劣化。

控制充电电路—并且因此控制施加到MEMS电容器的电压—的偏置电路的闭环控制电路可以定期地监测麦克风的工作温度并且通过选择最佳的偏置电压来自适应地补偿温度引发的劣化。

可能的是偏置电压具有分段的线性温度依赖性。

可以通过在宽的温度范围上的分段的线性区段来对麦克风的复杂的依赖于温度的灵敏度进行近似。可以选取区段的数量以获得满足所需要的要求的温度补偿。定义区段的温度间隔是由阈值温度表示的。当依赖于温度的灵敏度具有更大的斜率时，可以按小的温度差异来选取阈值温度。如果依赖于温度的灵敏度具有主要为小的斜率，则各区段可以是更宽的。因此，利用小的数量的依赖于温度的灵敏度的分段的线性近似的区段，可以获得具有相同的阈值温度的对应的一组分段的线性偏置电压以用于提供具有在宽的温度范围上的改进的灵敏度的温度补偿的MEMS麦克风，而不需要对麦克风的各单独的组件的贡献进行补偿。

可能的是MEMS麦克风包括温度传感器。温度传感器可以是偏置电路的闭环控制电路的一部分。

可能的是温度传感器提供与绝对温度成比例的温度信号。这样的温度信号可以是PTAT电压V _sin（PTAT =Proportional To Absolute Temperature（与绝对温度成比例））。

这样的电压良好地适合于由具有相对简单的电路拓扑的闭环控制电路的电路组件来利用。

可能的是闭环控制电路包括斜率发生器。如果利用提供分段的线性温度依赖性的偏置电路，则斜率发生器可以产生在给定的工作温度下（例如，在一温度间隔内）的偏置电压的斜率。

可能的是斜率发生器包括比较器和多个的电阻器和开关的串联连接。

电阻器可以具有可变电阻。通过设置斜率发生器的电阻器的电阻，可以对偏置电压的温度依赖性进行建模以提供温度补偿的麦克风。尤其是，可以选取相应的电阻器的电阻以确定偏置电压的分段的线性温度依赖性的区段的对应的斜率。

可能的是闭环控制电路包括控制斜率发生器的斜率控制电路。斜率控制电路可以为斜率发生器提供将实际温度或者实际温度范围或温度间隔通知给斜率发生器的一个信号或多个信号。

可能的是斜率控制电路包括多个比较器。

斜率控制电路的比较器中的每个可以被直接连接到斜率发生器的多个串联连接的开关中的一个。

可能的是充电电路包括电荷泵。电荷泵可以是常规的电荷泵，诸如Dickson电荷泵。

可能的是斜率发生器生成随温度呈线性的电压V_sg。进一步地，V_sg的斜率主要与如下成比例：在给定的温度下或者在给定的温度间隔内的麦克风的灵敏度的温度依赖性的负斜率-S（t）。

由斜率发生器生成的PTAT电压V_sg反映灵敏度劣化的量并且提供对应的对策，因为它对转移到MEMS电容器的相应的附加电荷负责。

除了另外的偏移电压以外，PTAT电压V_sg可以建立传导到充电电路的偏置电压。

可能的是偏置电压是从不依赖于温度的电压和依赖于温度的电压选择的多个电压的和。

进一步可能的是MEMS麦克风包括ASIC，其中偏置电路是ASIC的一部分并且被至少部分地布置在ASIC芯片中。

进一步可能的是MEMS麦克风附加地包括用于存储线性参数的非易失性存储器元件。

线性参数可以对具有斜率发生器的可变电阻的电阻器的电阻编码。电阻的精确值可以在一次编程步骤中转移到麦克风中并且是在制造麦克风之后在校准处理中确定的。

校准处理可以包括如下步骤：增加麦克风的工作温度并且同时监测麦克风的依赖于温度的灵敏度。依赖于温度的灵敏度可以是由分段的线性曲线近似的并且线性参数可以是通过对分段的线性区段的斜率的正弦求倒数来直接获得的。

在随附附图中描述了本发明、基本工作原理和优选的实施例，其中：

图1示出了麦克风的基本等效电路图；

图2示出了具有减小的斜率的可能的依赖于温度的灵敏度曲线；

图3示出了具有增加的灵敏度绝对值的可能的依赖于温度的灵敏度曲线；

图4示出了由斜率发生器V_sg和偏置电压V_bias生成的电压的不同的分段的线性区段。偏置电压可以是由斜率发生器生成的电压和偏移电压的和；

图5示出了提供PTAT电压的温度传感器的可能的输出；

图6示出了麦克风的更详细的等效电路图，其中偏置电路包括温度传感器、斜率控制电路和闭环控制电路内的斜率发生器；

图7示出了在偏置电路中进一步包括电压缓冲器的另一实施例；

图8示出了进一步包括放大器的另一实施例；

图9示出了斜率控制电路、温度传感器和斜率发生器的实施例；

图10示出了包括电荷泵的元件的充电电路的可能的实施例。

图1示出MEMS麦克风MM的基本实施例的等效电路图。麦克风MM包括可以被布置在MEMS装置（例如MEMS芯片MEMS）中的MEMS电容器MCAP。麦克风进一步包括偏置电路BC和充电电路CC。偏置电路BC提供控制充电电路CC的控制信号。充电电路CC生成用于MEMS电容器MCAP的工作电压并将对应的电荷转移到电容器。电容器可以包括两个或更多个电极。电极中的至少一个被连接到信号输出SO，其中可以获得对所接收的音频信号进行编码的电信号以用于进一步的处理。

偏置电路BC包括创建控制充电电路的控制信号的闭环控制电路CLCC。控制信号可以是施加到控制电路CC的电压信号。

在闭环控制电路内，包含监测实际工作温度并且自适应地调节控制信号的闭环电路。

图2和图3示出MEMS麦克风的不同的可能的依赖于温度的灵敏度曲线。在图2中，示出灵敏度曲线和对应的分段的线性近似，其中灵敏度随增加的温度而降低。然而，灵敏度的斜率的绝对值随增加的温度而减小。选取阈值温度T1，...，TN以使得利用分段的线性区段进行的灵敏度曲线的近似对于给定数量的阈值温度而言是尽可能良好的。因此，在其中依赖于温度的灵敏度曲线的斜率的绝对值相对大的区段处，温度间隔可以被选取得相当窄。在其中依赖于温度的灵敏度曲线的斜率的绝对值相当低的区域中，可以选取更宽的温度间隔。因此，在更低的温度下，图2中的近似的温度间隔与在更高温度下相比是更窄的。

相比之下，图3示出其中斜率的绝对值随增加的温度而增加的情况。对应地，用于分段的线性区段的温度间隔在低的温度下可以是相对宽的。在更高的温度下可以减小温度间隔的宽度。

图4示出由斜率发生器生成的电压的可能的输出V_sg。分别取决于实际工作温度和对应的温度间隔，提供具有不同的偏移的不同的斜率。附加的偏移电压V_offset可以被添加到斜率发生器的输出以获得提供给充电电路的偏置电压V_bias。附加的偏移电压V_offset可以是在8到16V之间的范围内，其中由斜率发生器生成的电压的变化可以是在从1到2 V的范围内。

图5示出提供与绝对温度成比例的电压的PTAT温度传感器的输出。

图6示出MEMS麦克风的实施例，其中偏置电路BC包括具有温度传感器TS、斜率控制电路SCC和斜率发生器SG的闭环控制电路CLCC。温度传感器TS将温度信号（例如与绝对温度成比例的电压）提供给斜率控制电路SCC和斜率发生器SG。斜率控制电路SCC将一个或多个控制信号提供给斜率发生器SC。

斜率发生器SC的输出可以被路由到充电电路CC。除了附加的偏移电压V_offset以外，提供给充电电路CC的信号还可以是控制电压Vsc或控制电压Vsg。

图7由于斜率发生器SC的输出被连接到将控制信号馈送到充电电路CC的电压缓冲器VB而示出了闭环控制电路CLCC的更详细的实施例。然而，电压缓冲器是可选的并且可以被省略。

图8示出其中MEMS电容器的输出被连接到放大器AMP的另一实施例。放大器AMP可以与偏置电路和/或充电电路的其它电路组件一起集成到ASIC芯片中。图8中示出的电压缓冲器是可选的并且可以被省略。

图9图示闭环控制电路的闭合环路。温度传感器TS可以提供生成与绝对温度成比例的电压的电压生成元件，其可以经由电阻器R连接到地。进一步地，PTAT电压生成元件的输出可以被连接到斜率控制电路SCC和斜率发生器SC。斜率控制电路包括多个比较器，其中图9中呈现的实施例具有三个比较器。每个比较器具有两个输入，其中该两个输入中的一个是反相输入。比较器的非反相输入被连接到温度传感器TS。每个比较器的输出经由对应的信号线馈送到斜率发生器的开关。斜率发生器包括多个的电阻元件和开关的串联连接。图9中示出的实施例包括三个串联连接，其中第一串联连接具有电阻器R1和开关S1。第二串联连接具有电阻器R2和开关S2，并且第三串联连接具有电阻器R3和开关S3。进一步地，斜率发生器具有并联连接于串联连接的附加的电阻元件以及连接到地的进一步的附加元件。比较器与串联连接并联连接，被包括在斜率发生器SG中。比较器的反相输入被连接到串联连接，即连接到串联连接的电阻器侧，而比较器的非反相输入被连接到温度传感器TS。

基准电压，例如图9中的基准电压V1，V2，V3被施加到斜率控制电路的比较器的反相输入。将基准电压V1，V2，V3与由温度传感器TS提供的电压进行比较。取决于实际温度，由温度传感器TS提供的电压引起斜率控制电路的一定数量的比较器创建激活斜率发生器的对应的开关的激活信号。因此，斜率发生器的开关的开关状态取决于温度和施加到斜率控制电路的基准电压。因此，可以获得具有分段的线性区段的如图4中所示的输出电压V_sg。

图10示出可以实现为Dickson电荷泵的充电电路CC的可能的实现，该电荷泵包括基本元件的串联连接，每个基本元件包括二极管和存储电容器。可以在斜率发生器SC的输出和充电装置CC的输入之间提供进一步的电压跟随器VF。充电电路CC的输出可以被连接到MEMS电容器的一个或多个电极。

本MEMS麦克风不限制于上面描述的或在各图中示出的实施例。分别在斜率控制电路和斜率发生器中包括进一步的电路元件（诸如进一步的放大器电路或更高数量的比较器或串联连接）的麦克风也被本发明包括。

参考标号列表：

AMP：放大器

BC：偏置电路

CC：充电电路

CLCC：闭环控制电路

MCAP：MEMS电容器

MEMS：包括MEMS电容器的MEMS组件

MM：MEMS麦克风

R：电阻器

R1，R2，R3：电阻器

S：灵敏度

S1，S2，S3：开关

SCC：斜率控制电路

SG：斜率发生器

SO：信号输出

T：温度

T₁，T₂，...，T_N：阈值温度

TS：温度传感器

V：电压

V1，V 2，V 3：基准电压

VB：电压缓冲器

V_bias：控制充电电路的偏置电压

V_offset ：偏移电压

V_sg：斜率发生器的输出电压。

Claims

1.一种具有改进的灵敏度的MEMS麦克风（MM），包括：

- 具有可变电容的MEMS电容器（MCAP）；

- 被提供用于对MEMS电容器（MCAP）充电的充电电路（CC）；

- 被提供用于创建施加到充电电路（CC）的偏置电压V_bias的偏置电路（BC），

其中：

- 偏置电路（BC）包括闭环控制电路（CLCC），以及

- 偏置电压V_bias具有温度依赖性。

2.根据前述权利要求所述的MEMS麦克风，其中，偏置电压V_bias具有分段的线性温度依赖性。

3.根据前述权利要求之一所述的MEMS麦克风，其中闭环控制电路（CLCC）包括温度传感器（TS）。

4.根据前述权利要求所述的MEMS麦克风，其中，温度传感器（TS）提供PTAT电压V_sen。

5.根据前述权利要求之一所述的MEMS麦克风，其中闭环控制电路（CLCC）包括斜率发生器（SG）。

6.根据前述权利要求所述的MEMS麦克风，其中斜率发生器（SG）包括比较器和多个的电阻器（R）和开关（S）的串联连接。

7.根据前述权利要求之一所述的MEMS麦克风，其中闭环控制电路（CLCC）包括斜率控制电路（SCC）。

8.根据前述权利要求所述的MEMS麦克风，其中斜率控制电路（SCC）包括多个比较器。

9.根据前述权利要求之一所述的MEMS麦克风，其中充电电路（CC）包括电荷泵。

10.根据前述权利要求所述的MEMS麦克风，其中

- 斜率发生器（SG）生成线性电压V_sg，以及

- V_sg的斜率主要与如下成比例：在给定的温度下的麦克风（MM）的灵敏度的温度依赖性的负斜率- S（T）。

11.根据前述权利要求之一所述的MEMS麦克风，其中偏置电压是从多个不依赖于温度的电压和依赖于温度的电压中选择的多个电压之和。

12.根据前述权利要求之一所述的MEMS麦克风，其中偏置电路（BC）是MEMS麦克风（MM）的ASIC的一部分。

13.根据前述权利要求之一所述的MEMS麦克风，进一步包括用于存储线性参数的非易失性存储器元件。