CN108605181A - 用于偏置mems马达的设备 - Google Patents

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CN108605181A CN201780008700.7A CN201780008700A CN108605181A CN 108605181 A CN108605181 A CN 108605181A CN 201780008700 A CN201780008700 A CN 201780008700A CN 108605181 A CN108605181 A CN 108605181A
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Abstract

一种麦克风包括：第一微机电系统(MEMS)马达(202)，该第一MEMS马达(202)包括第一振膜(204)和第一背板(206)；以及第二MEMS马达(222)，该第二MEMS马达(222)包括第二振膜(224)和第二背板(226)。所述第一振膜(204)根据第一电压相对于所述第一背板(206)被电偏置，所述第二振膜(224)根据第二电压相对于所述第二背板(226)被电偏置，并且所述第一电压的大小不同于所述第二电压的大小。

Description

用于偏置MEMS马达的设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月1日提交的名称为“APPARATUS AND METHOD TO BIAS MEMSMOTORS”的美国临时申请No.62/289,611的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请涉及微机电系统(MEMS)装置，并且更具体地，涉及电偏置(electricallybias)这些装置。
背景技术
不同类型的声学装置已经使用多年。一种类型的装置是麦克风。在微机电系统(MEMS)麦克风中，MEMS管芯(die)包括至少一个振膜和至少一个背板。MEMS管芯由基板支撑并且由壳体(例如，具有壁的杯或盖)封闭。端口可以延伸穿过基板(针对底部端口装置)或者延伸穿过壳体的顶部(针对顶部端口装置)。在任何情况下，声能穿过端口，移动振膜并且产生背板的变化电位，这样产生了电信号。麦克风被部署在诸如个人计算机或蜂窝电话的各种类型的装置中。
由于宽工艺范围或对工艺参数的敏感性，可能会发生麦克风性能的变化。另外，工作环境的变化取决于存在的声音的大小和频率可转化成不同的麦克风性能要求。在先前的方法中，几乎没有做过对麦克风的响应进行整形并且从而解决这些情形。
先前的方法的问题已经导致一些用户对这些先前的方法不满意。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种包括第一微机电系统(MEMS)马达和第二MEMS马达的麦克风。所述第一MEMS马达包括第一振膜和第一背板。所述第二MEMS马达包括第二振膜和第二背板。所述第一振膜根据第一电压相对于所述第一背板被电偏置，并且所述第二振膜根据第二电压相对于所述第二背板被电偏置。所述第一电压的大小不同于所述第二电压的大小。
本公开的另一方面涉及包括第一微机电系统(MEMS)马达、第二MEMS马达、第三MEMS马达和第四MEMS马达的麦克风。所述第一MEMS马达包括第一振膜和第一背板。所述第二MEMS马达包括第二振膜和第二背板。所述第三MEMS马达包括第三振膜和第三背板。所述第四MEMS马达包括第四振膜和第四背板。所述第一振膜根据第一电压相对于所述第一背板被电偏置，所述第二振膜根据第二电压相对于所述第二背板被电偏置，所述第三振膜根据第三电压相对于所述第三背板被电偏置，并且所述第四振膜相对于所述第四背板被电偏置。所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压的大小中的至少两个是不同的。
本公开的又一方面涉及一种包括微机电系统(MEMS)马达的麦克风。所述MEMS马达包括振膜、第一背板和第二背板。所述振膜形成有由所述振膜的膜应力引起的张力。所述振膜根据电压被电偏置以调节或者补偿所述膜应力。
前述发明内容仅仅是例示性的，而不旨在以任何方式进行限制。除了上述的例示性方面、实施方式和特征之外，进一步的方面、实施方式和特征将通过参照以下附图和详细描述而变得显而易见。
附图说明
本公开的前述和其它特征根据下面结合附图的描述和所附权利要求书将变得更充分地显而易见。应理解，这些附图仅描绘了根据本公开的几个实施方式，并因此，不被视为对其范围的限制，本公开将通过使用附图，以附加特征和细节进行描述。
图1是根据各种实施方式的麦克风的侧剖视图。
图2是根据各种实施方式的微机电系统(MEMS)装置的立体图。
图3是根据各种实施方式的图2的MEMS装置的截面图。
图4A是示出了根据各种实施方式的以一种布置偏置的四个MEMS马达的框图。
图4B是示出了根据各种实施方式的以另一布置偏置的四个MEMS马达的框图。
图5是示出了根据各种实施方式的灵敏度与频率的关系和一些优点的图。
图6A是示出了根据各种实施方式的如何调整灵敏度响应的转角(corner)频率的图。
图6B是示出了根据各种实施方式的如何调整灵敏度响应的转角频率的另一示例的图。
图7是根据各种实施方式的MEMS装置的另一示例的侧剖视图。
在下面的详细描述中，参照形成其一部分的附图。在图中，类似符号通常标识类似组件，除非上下文另有规定。在该详细描述、附图、以及权利要求书中描述的例示性实施方式不是旨在进行限制。在不脱离在此提出的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施方式，并且可以进行其它改变。应当容易地理解，如在本文中通常描述且在附图中例示的本公开的方面可以按各式各样的不同配置来布置、代替、组合以及设计，所有这些明确地进行了设想并且成为本公开的一部分。
具体实施方式
本方法提供针对麦克风中的微机电系统(MEMS)马达的组件(例如，振膜)施加不同的偏压。偏置量(向振膜施加的电压)控制可接收的声学信号的量和振膜的偏转量。有利地，减小了麦克风的灵敏度响应曲线中的峰值共振响应。这降低了总谐波失真(THD)并且改进了麦克风的性能。
现在参照图1，描述麦克风100的一个示例。麦克风100包括MEMS装置102、基部104(例如，印刷电路板)、集成电路106(例如，专用集成电路(ASIC))、盖108和延伸穿过基部104的端口110。尽管在此示例中端口110延伸穿过基部(使这成为底部端口装置)，然而，应当理解，端口110可以延伸穿过盖(使装置成为顶部端口装置)。
MEMS装置102包括振膜和背板。随着声压移动振膜，与背板的变化的电位产生电信号，该电信号经由导线(wire)112被发送到集成电路106。集成电路106可对信号执行进一步的处理(例如，噪声去除)。然后可将经处理的信号从集成电路106发送到基部104。基部104上的焊盘(未示出)可以联接到驻留在设置有麦克风100的装置中的外部电子装置。举几个例子，麦克风100可以被设置在诸如蜂窝电话、膝上型电脑、个人计算机、平板电脑和个人数字助理的各种不同的电子装置中。其它示例是可能的。
MEMS装置102包括多个MEMS马达。在一个方面，各个MEMS马达包括振膜和背板。在一个示例中，可以存在两个MEMS马达。在另一示例中，可以存在四个MEMS马达。其它示例是可能的。
如本文所描述的，施加到MEMS装置102的MEMS马达的振膜中的每一个的电压偏置是不同的。有利地，由此减小了麦克风100的灵敏度响应曲线中的峰值共振响应。这降低了总谐波失真(THD)并且改进了麦克风100的性能。可以对背板中的每一个施加电压，但是此电压对于MEMS马达中的每一个来说可以是相同的。
现在参照图2和图3，描述了偏置多个MEMS马达的一个示例。
第一MEMS马达202包括第一振膜204和第一背板206。第二MEMS马达222包括第二振膜224和第二背板226。第一振膜204、第一背板206、第二振膜224和第二背板226联接到具有背孔214的MEMS基板或基部212。
背板偏压230经由导电焊盘232被施加到背板206、226，所述导电焊盘232联接到导电元件(例如，迹线或导线)234。背板偏压230对于每个背板206和226是相同的。在一个示例中，背板偏压是0伏特。其它示例是可能的。在一个方面，背板连接到0VDC电位并且是感测到的，同时振膜204和224将分别具有偏置V1和V2。如本文中所使用的，“感测”电极是指从其接收电信号的电极。在其它配置中，振膜204和224连接到0VDC电位并且两个不同的偏置V1和V2被分别施加在背板206和226上。背板和振膜都不会同时被非零电压偏置。在一些实施方式中，背板206和226能像图2中所示的那样被短路在一起，从而产生到放大器的一个连接(或输入)或者能作为单独的输入例如直接地连接到加法放大器或差分放大器。
在一些实施方式中，第一振膜偏压240经由第一振膜连接器242和第一振膜导电元件(例如，迹线或导线)244被施加到第一振膜204。第二振膜偏压250经由第二振膜连接器252和第二振膜导电元件(例如，迹线或导线)254被施加到第二振膜224。第一振膜偏压240和第二振膜偏压250是不同的。例如，第一振膜偏压240可以是10伏特并且第二振膜偏压250可以是15伏特。其它示例是可能的。应当理解，这里示出的示例是单马达配置，它们也将适用于多马达和/或堆叠配置。
被用于偏置的电压230、240和250可以是固定的或动态变化的。在一些实施方式中，将仅改变未感测电极上的电压。例如，电压240和250可以是动态的且变化的。可以改变电压以调节麦克风的工作的转角频率。
现在参照图4A和图4B，描述了偏置多个MEMS马达的另一示例。第一MEMS马达402包括第一振膜404和第一背板406。第二MEMS马达422包括第二振膜424和第二背板426。第三MEMS马达432包括第三振膜434和第三背板436。第四MEMS马达442包括第四振膜444和第四背板446。
在图4A和图4B的示例中，背板406、426、436和446以相同的电压(例如，0伏特)偏置。此电压与施加到任一个振膜404、424、434和444的任一个偏置不同。
在图4A的示例中，第一振膜404被偏置在1·V，第二振膜424被偏置在(bias at)1/2·V，第三振膜434被偏置在1·V，并且第四振膜444被偏置在1/2·V。因此，马达对402、422被偏置在与马达对432、442相同的电压下。
应当理解，图4A和图4B中给出的偏压仅仅是示例并且其它示例是可能的。
在图4A的示例中，第一振膜404被偏置在1·V，第二振膜424被偏置在1/2·V，第三振膜434被偏置在1/4·V，并且第四振膜444被偏置在1/8·V。因此，马达对402、422、432和442全部被偏置在不同的电压下。
在一些实施方式中，图4B的示例使所有的振膜共振不对齐，因为所有的电压是不同的，但它也将不太敏感。图4A的示例更敏感，但是一些共振将对齐。
现在参照图5，描述了示出本方法的一些优点的曲线图的一个示例。这示出了在第一MEMS马达(其包括第一振膜和第一背板)和第二MEMS马达(其包括第二振膜和第二背板)情况下的结果。
第一曲线502示出了当两个振膜被偏置在相同电位下时的灵敏度(以dB为单位测量)与频率(以Hz为单位测量)的关系。可以看出，存在大峰值503。此大峰值503对于性能来说是不好的或不是期望的，因为它可使麦克风电路或下游的其它电子设备过载。
第二曲线504示出了当振膜被偏置在不同电位时的灵敏度(以dB为单位测量)与频率(以Hz为单位测量)的关系。在一个方面，可以将第一振膜偏置在10伏特并且可以将第二振膜偏置在20伏特。峰值被分为两部分。这是有利的，因为换能器的能量不集中在狭窄区域中，这防止了过载。
可以看出，可在灵敏度曲线504的区域506和508中控制灵敏度。所提供的灵敏度的确切量可以部分地取决于施加到振膜中的每一个的偏置量和所施加的偏置之间的差。可以看出，如果区域508是超声波灵敏度区域，则通过应用本方法来减小该区域中的灵敏度。
还应当理解，本方法可用于改变曲线504的转角频率(fc)。转角频率fc是从曲线504的恒定部分507发生3db下降的频率。可以在制造期间改变转角频率fc以使它符合产品规格。也可以在风噪声是过载输入时在制造之后在现场改变转角频率fc，以防止削波和失真。也可以在制造之后在现场改变转角频率以针对在低频率下需要恒定相位和/或高信噪比的客户算法将其向下移动。
当使用通气孔(也被称为穿孔)时，振膜中的孔与背板的接近程度影响麦克风的声阻。改变偏置影响振膜位置，并且因此对偏置的改变改变了转角频率。
图6A和图6B示出了具有背板604和振膜606的MEMS马达602。施加到振膜(其具有通气孔或穿孔612)的偏置是可变的并且是可调节的。转角频率(fc)通过给出，其中Rpierce是通气孔或穿孔的声阻并且CBV是后腔(back volume)的声学顺应性。
现在参照图6A，因为提供了低阻空气路径622(振膜和背板相对较远)，所以较小的偏置(Vbias(1))(例如，Vbias(1)＝5伏特)使振膜606偏转较小并且增加了转角频率cf(1)。
现在参照图6B，因为提供了高阻空气路径624(振膜和背板相对靠近在一起)，所以较大的偏置(Vbias(2)，其中Vbias(2)>Vbias(1)，例如，Vbias(2)＝20伏特)使振膜606偏转得更多并且降低了转角频率cf(2)。Cf(2)小于cf(1)。
现在参照图7，描述了MEMS装置700的另一示例。MEMS装置700包括第一背板702、第二背板704以及设置在第一背板702与第二背板704之间的振膜706。第一Vbias708被施加在第一背板702与振膜706之间，并且第二Vbias710被施加在第二背板704与振膜706之间。在一个示例中，第一Vbias708和第二Vbias710是相同的。振膜706在一个示例中是形成有膜应力的膜片或膜。
膜应力在振膜706上引发张力。由于增加的膜应力而引起的增加的张力对于相同的声压(ΔP)导致振膜的更少偏转(Δd)。在制造期间，应力可显著变化。为了应对由于膜应力而引起的张力变化，可在制造期间或在制造之后动态地改变偏置以调整灵敏度。
灵敏度与成比例，其中，Vbias是施加到振膜的电压，Δd是振膜的偏转，ΔP是声压的变化并且d是标称间隙。
举一个例子，如果压力变化(ΔP)引起偏转变化(Δd)，则可向上或向下调整Vbias以维持相同的灵敏度或者以维持目标灵敏度。如所提及的，此调整可以在麦克风的制造期间或之后即时发生。
本文描述的主题有时例示了包含在不同的其它组件内或者与不同的其它组件相连接的不同组件。应当理解，这样描绘的架构仅仅是示例性的，并且事实上，可实现获得相同功能性的许多其它架构。
针对在本文中使用的基本上任何复数术语和/或单数术语，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用适当地从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为清楚起见，各种单数/复数置换在本文中可以明确地阐述。
本领域技术人员应当理解的是，一般而言，在本文中并且尤其在所附权利要求书(例如，所附权利要求书的主体)中使用的术语通常旨在作为“开放”术语(例如，术语“包括(including)”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应该被解释为“至少具有”，术语“包括(includes)”应该被解释为“包括但不限于”等)。
本领域技术人员将进一步理解的是，如果意图提供引入的权利要求叙述的具体数量，则将在权利要求中明确地叙述这种意图，并且在不存在这种叙述的情况下这种意图是不存在的。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求可以包含用于引入权利要求叙述的介绍性短语“至少一个”和“一个或更多个”的用法。然而，即使当相同权利要求包括介绍性短语“一个或更多个”或“至少一个”以及诸如“一(a)”或“一个(an)”的不定冠词(例如，“一”和/或“一个”通常应该被解释为意指“至少一个”或“一个或更多个”)时，此类短语的使用也不应该被解释为暗示通过不定冠词“一”或“一个”对权利要求叙述的引入将包含这样引入的权利要求叙述的任何特定权利要求限于包含仅一个这种叙述的发明；对于用于引入权利要求叙述的定冠词的使用来说同样适用。另外，即使显式地叙述了引入的权利要求叙述的具体数量，本领域技术人员也将认识到，这种叙述通常应该被解释为意指至少所叙述的数量(例如，“两个叙述”中的仅有叙述在没有其它修饰语的情况下，通常意指至少两个叙述或两个或更多个叙述)。
已经出于例示和描述的目的呈现了例示性实施方式的前述描述。它不旨在相对于所公开的精确形式为穷尽性的或限制性的，并且可以根据上述教导进行修改和变型，或者可以从对所公开的实施方式的实践中获取。本发明的范围旨在通过随附权利要求书及其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种麦克风，所述麦克风包括：
第一微机电系统MEMS马达，所述第一MEMS马达包括第一振膜和第一背板；
第二MEMS马达，所述第二MEMS马达包括第二振膜和第二背板；
其中，所述第一振膜根据第一电压相对于所述第一背板被电偏置，所述第二振膜根据第二电压相对于所述第二背板被电偏置，并且所述第一电压的大小不同于所述第二电压的大小。
2.根据权利要求1所述的麦克风，其中，所述第一电压和所述第二电压是永久设定的。
3.根据权利要求1所述的麦克风，其中，所述第一电压和所述第二电压在所述麦克风的工作期间是能够改变的。
4.根据权利要求1所述的麦克风，其中，背板偏压被施加到所述第一背板和所述第二背板，第一振膜偏压被施加到所述第一振膜，第二振膜偏压被施加到所述第二振膜，并且所述第一振膜偏压不同于所述第二振膜偏压。
5.根据权利要求4所述的麦克风，其中，所述第一背板和所述第二背板作为一个输入连接到放大器。
6.根据权利要求4所述的麦克风，其中，所述第一背板和所述第二背板作为单独的输入连接到加法放大器。
7.根据权利要求4所述的麦克风，其中，所述第一背板和所述第二背板作为单独的输入连接到差分放大器。
8.根据权利要求1所述的麦克风，其中，振膜偏压被施加到所述第一振膜和所述第二振膜，第一背板偏压被施加到所述第一背板，第二背板偏压被施加到所述第二背板，并且所述第一背板偏压不同于所述第二背板偏压。
9.根据权利要求1所述的麦克风，其中，第一穿孔穿透所述第一振膜并且第二穿孔穿透所述第二振膜。
10.根据权利要求9所述的麦克风，其中，所述第一电压和所述第二电压在所述麦克风的工作期间是能够动态地改变的，以改变所述麦克风的响应曲线的转角频率。
11.根据权利要求9所述的麦克风，其中，所述第一电压和所述第二电压在所述麦克风的制造期间是能够动态地改变的，以改变所述麦克风的响应曲线的转角频率。
12.根据权利要求9所述的麦克风，其中，所述第一振膜和所述第一背板形成具有第一阻力的第一空气路径，所述第二振膜和所述第二背板形成具有第二阻力的第二空气路径，并且所述第一阻力不同于所述第二阻力。
13.一种麦克风，所述麦克风包括：
第一微机电系统MEMS马达，所述第一MEMS马达包括第一振膜和第一背板；
第二MEMS马达，所述第二MEMS马达包括第二振膜和第二背板；
第三MEMS马达，所述第三MEMS马达包括第三振膜和第三背板；以及
第四MEMS马达，所述第四MEMS马达包括第四振膜和第四背板，
其中，所述第一振膜根据第一电压相对于所述第一背板被电偏置，所述第二振膜根据第二电压相对于所述第二背板被电偏置，所述第三振膜根据第三电压相对于所述第三背板被电偏置，所述第四振膜相对于所述第四背板被电偏置，并且所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压的大小中的至少两个是不同的。
14.根据权利要求13所述的麦克风，其中，所述第一电压的大小与所述第二电压的大小相同，所述第三电压的大小与所述第四电压的大小相同，并且所述第一电压的大小不同于所述第三电压的大小。
15.根据权利要求13所述的麦克风，其中，所述第二电压的大小是所述第一电压的大小的1/2，所述第三电压的大小是所述第一电压的大小的1/4，并且所述第四电压的大小是所述第一电压的大小的1/8。
16.一种麦克风，所述麦克风包括：
微机电系统MEMS马达，所述MEMS马达包括振膜、第一背板和第二背板；
其中，所述振膜形成有由所述振膜的膜应力引起的张力；
其中，所述振膜根据电压被电偏置以调节或者补偿所述膜应力。
17.根据权利要求16所述的麦克风，其中，所述振膜在制造期间被电偏置或者在制造之后由客户电偏置。
18.根据权利要求16所述的麦克风，其中，所述振膜被设置在所述第一背板与所述第二背板之间。
19.根据权利要求16所述的麦克风，其中，所述第一背板根据第一电压相对于所述振膜被电偏置，并且所述第二背板根据第二电压相对于所述振膜被电偏置。
20.根据权利要求19所述的麦克风，其中，所述第一电压与所述第二电压相同。
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