CN110944269A - 用于mems装置的灵敏度调整装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于MEMS装置的灵敏度调整装置和方法，具体地一种微机电(MEMS)麦克风包括MEMS马达和增益调整装置。该MEMS马达至少包括隔膜和充电板，并且被构造成接收声能并且将该声能转换为电信号。该增益调整装置具有输入端和输出端，并且被耦接到该MEMS马达。该增益调整装置被构造成在输入端处从该MEMS马达接收电信号，并且调整如从增益调整装置的输出端的测量的该电信号的增益。增益量被选择成获得用于麦克风的良好的灵敏度。

Description

用于MEMS装置的灵敏度调整装置和方法
本申请是原案申请号为201280040182.4的发明专利申请(申请日：2012年8月16日，PCT申请号：PCT/US2012/051154，发明名称：用于MEMS装置的灵敏度调整装置和方法)的分案申请。
技术领域
本申请涉及声波装置，并且更具体地，涉及它们的性能。
背景技术
经过这些年，已经使用了各种类型的麦克风和接收器。在这些装置中，不同的电子部件都共同安置于外壳或组件内。例如，麦克风通常包括微机电系统(MEMS)装置、隔膜和集成电路以及其它部件等并且这些部件都容纳于外壳内。其它类型的声波装置可包括其它类型的部件。
用于定义麦克风是否正正常操作的一个特征是它的灵敏度。通常，通过将声能传送到麦克风，并且然后测量麦克风的响应，例如其输出电压，来确定麦克风的灵敏度。虽然可以按照各种不同的单位测量灵敏度，但是在一个示例中，按照“dBV/Pa”(如已知的，1Pa＝94dB相对于20μPa)的单位测量灵敏度。
不同产品(举几个示例，例如，蜂窝电话、个人计算机和助听器)的各种制造商使用麦克风。通常，制造商选择额定灵敏度作为所使用的麦克风的可接受灵敏度。另外，制造商可提供灵敏度范围，其中允许灵敏度的一些变化。也就是，如果不要求单个麦克风的灵敏度严格处于额定灵敏度；如果灵敏度落入该范围，仍认为该麦克风具有可接受的性能。举一个具体示例，额定灵敏度可以是X dBV/Pa，并且允许其在X+/-3dB(X-3dBV/Pa至X+3dBV/Pa)的范围内改变。
近年来，由众多制造商给出灵敏度范围已经被收紧到更小的范围，以提供改善的性能。不幸地是，这些收紧的范围导致更多的装置超出该范围。因此，当装置超出可接受的范围时，制造商通常拒绝导致获得替换部分需求的部分，从而增加了成本。另外，当发现太多部分具有不能接受的性能时，还会出现对麦克风的供应商的不满。以前没有提供充分地解决这些问题的方案。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种微机电系统MEMS麦克风，该MEMS麦克风包括：MEMS马达，该MEMS马达至少包括隔膜和充电板，该MEMS马达被构造成接收声能并且将该声能转换为电信号；增益调整装置，该增益调整装置具有输入端，该输入端耦接到所述MEMS马达，所述增益调整装置包括增益级和多个可切换电阻器，所述增益级包含具有输出端的放大器，所述增益调整装置被构造成在所述增益调整装置的所述输入端从所述MEMS马达接收所述电信号并且提供所述电信号的增益，所述增益调整装置能够通过切换所述多个可切换电阻器来提供对所述MEMS麦克风的增益的调整，使得所述增益基于所述多个可切换电阻器的配置，并且使得所述MEMS麦克风的灵敏度在可接受范围内，其中，所述增益调整装置包括开关，该开关用于选择所述多个可切换电阻器中的至少一个，以调整所述电信号的增益。
根据本公开的另一方面，提供了一种调整MEMS麦克风的方法，该方法包括以下步骤：以预定频率测量所述MEMS麦克风的灵敏度，所述MEMS麦克风包括MEMS马达，该MEMS马达耦接到增益调整装置，该增益调整装置包括增益级和多个可切换电阻器，所述增益级包含放大器，所述增益调整装置被构造成在所述放大器的输入端从所述MEMS马达接收电信号；当所述灵敏度不可接受时，通过切换所述多个可切换电阻器来调整所述MEMS麦克风的增益，使得所述增益基于所述多个可切换电阻器的配置；随后测量所述MEMS麦克风的灵敏度以确定测量到的灵敏度是否可接受，其中所述增益调整装置包括开关，该开关用于选择所述多个可切换电阻器中的至少一个，以调整所述电信号的增益。
附图说明
为了更彻底的理解本公开，将对以下的详细说明和附图作出参考，其中：
图1是根据本发明各个实施方式的用于为声波装置(例如，麦克风)提供动态或者永久的灵敏度调整的装置的框图；
图2A是根据本发明各个实施方式的图1的具有可切换的并联的电阻器的为声波装置(例如，麦克风)提供动态或者永久的灵敏度调整的装置的电路图；
图2B是作为对图2A的电路的另选的根据本发明各个实施方式的图1的具有可切换的串联的电阻器的为声波装置(例如，麦克风)提供动态或者永久的灵敏度调整的装置的电路图；
图3是根据本发明各个实施方式的为声波装置(例如，麦克风)提供动态或者永久的灵敏度调整的图1和图2的装置的框图；
图4是根据本发明各个实施方式的用于为声波装置(例如，麦克风)提供动态或者永久的灵敏度调整的方法的流程图；
图5是根据本发明各个实施方式的用于为声波装置(例如，麦克风)提供动态或者永久的灵敏度调整的增益控制电阻器的切换装置的框图。
本领域技术人员应当意识到，为了简明和清楚图示了图中的元素。应当进一步意识到，可以按照事件的特定次序描述或者描绘某些动作和/或步骤，同时本领域技术人员应当理解实际上并不需要这种关于顺序的专一性。还应当理解的是，本文使用的术语和措辞具有与相对于它们查询和研究的相应各自领域的这些术语和措辞一致的普通含义，除非本文另外阐述具体含义。
具体实施方式
提供允许动态地(或者永久地)调整MEMS装置(例如，MEMS麦克风)的灵敏度的麦克风及其它声波装置。在一个方面中，这可以通过动态地或者永久地调整麦克风的增益来实现。在这种情况下，可调整具有超出范围的初始灵敏度的麦克风装置的灵敏度，使它的新的灵敏度落入可接受的范围。结果，可调整先前因为具有不能接受的性能的被丢弃(或者至少不使用)的装置的增益以改善它的性能从而落入可接受的范围。本文描述的方法易于且成本有效地实现，并且显著地降低了由于这些装置没有满足性能标准或者准则而被拒绝的装置的数量。
在许多这些实施方式中，微机电(MEMS)麦克风包括MEMS马达和增益调整装置。该MEMS马达至少包括隔膜和充电板，并且被构造成接收声能以及将声能转换为电信号。该增益调整装置具有输入端和输出端，并且耦接到MEMS马达。该增益调整装置被构造成在输入端从MEMS马达接收电信号，并且调整如从增益调整装置的输出端的测量的该电信号的增益。增益量被选择成获得针对麦克风的良好的灵敏度。
在一些方面中，该增益调整装置包括多个可切换的电阻器和/或可切换的电容器。在其它方面中，该增益调整装置包括开关，以选择用于调整电信号的增益的至少一个元件。在一些示例中，该增益调整装置被构造成被动态地调整，同时在其它示例中，该增益调整装置被构造成被永久地调整。
在这些实施方式中的其它实施方式中，以预定频率测量MEMS麦克风的灵敏度。当灵敏度不可接受时，对麦克风的增益进行动态调整。随后，测量该麦克风的灵敏度，以确定测量到的灵敏度是否是可接受的。
现在参照图1、图2A、图2B和图3，描述了提供用于动态或者永久调整增益的MEMS麦克风100的一个示例。麦克风100包括MEMS马达102和增益调整装置104。增益调整装置104包括可切换的电容器106(在下文中，也称为衰减电容器106，调整电容器106、电容器106)、直流偏压108和增益级110。增益级110包括放大器111、112、输入电阻器114和滤波电容器116。增益级110以及衰减电容器106的部件可并入专用集成电路(ASIC)115。ASIC 115和MEMS马达102并入或者并在印刷电路板(PCB)117上。尤其如图3所示，使用各种焊盘来进行元件之间的连接，并且还将麦克风100连接到外部装置。直流偏压108的功能是为MEMS马达102提供直流偏压。应当意识到，图2A示出了并联连接的电阻器112，并且另选地，图2B示出了串联连接的电阻器。用户可以选择期望的具体构造(图2A或图2B)。
MEMS马达102可包括隔膜、充电板以及本文没有进一步论述的其它元件。MEMS马达102可电力地表示为电串联连接的交流(AC)电源和电容器。MEMS马达102接收声能，并且将这个声能转换为电信号。
放大器111可以是任何运算放大器。由用户手动地(例如，投掷开关109)，或者由计算机自动地致动开关109，可以将可切换的电容器106包括进电路中。在一个示例中，当电容器106用于衰减由运动马达产生的交变电势时，用户可通过调整电容器106的值来实现期望的衰减。
应当意识到，可使用任意数量的可切换的电容器106，并且可以按照任何组合将其切入和切出图1、图2A和图2B的电路以改变所提供的衰减量。在这点上，每个电容器都具有相关的开关，当该开关被致动时，将电容器置于电路中。
举例使用多个电容器的示例，如果使用并联的三个电容器(而不是图1、图2A和图2B中所示的一个电容器)，则可以将三个电容器全部都接入电路中；另选地，可以按照任意组合将这三个电容器的任何两个切入电路中；或者在另一另选中，都可以按照任何组合将电容器的任一个切入电路中。在又一另选中，可以将这三个电容器一个都不接入电路中。因此，可以依赖于切入电路中的电容器的值和/或数量来动态地或者永久地调整施加到VOUT的衰减量。
可切换的电阻器112是依赖于需要的增益值而单独地连接的n个电阻器的组合。选择这些单独的电阻器中的一个(或多个)，以可以按照期望调整增益。电阻的调整改变了在VOUT处由放大器111提供的增益。可能的是使用并联电阻器(如图2A)或者串联电阻器(如图2B)的组合以通过本领域技术人员公知的计算来实现期望的增益。
可以由用户手动地或者由计算机或者类计算机装置自动地将任何电阻器112动态地或者永久地切入图1、图2A、图2B和图3的电路中(例如，它们可以是可调谐的分压器装置)。例如，可以将特定数字位模式输入到麦克风100，并且基于这个位模式来选择电阻器112中单独的一个以包括在如此形成的电路中。通过调整电阻值，可以调整增益量。另一个示例包括具有各自开关的串联电阻器，或者组合具有各自开关的并联电阻器，以动态或者永久地调整增益量(例如，如图5所示，XPYT开关的-X是极的数量/Y是用于并联切换所需的投掷的量)。在图2A的电路中，电阻器112处于并联，同时在图2B的电路中，电阻器处于串联。
因此，通过切换电容器106和/或电阻器112来调整麦克风(在VOUT处)的灵敏度值。基于测量到的灵敏度和期望的最终灵敏度值来选择要切入电路元的件的特定组合。
图1、图2A、图2B和图3的电路的输出电压(VOUT)等于：
((CMEMS)/((CMEMS+(CIN+CSW)))*VMEMS (1)
其中，CMEMS是MEMS马达102的电容值，CIN等于与该系统的寄生电容(从马达往外看)并联的ASIC 115的电容值，以及CSW是电容器106的电容值。应当意识到，可以计算这个输出电压，并且然后可以获得值20*log10((VOUT))。最终的值是灵敏度S。应当意识到，随着增大CSW，由于CSW增大的作用，不再能忽略等式算式(1)中的项(CIN+CSW)，并且逐渐地影响输出电压(VOUT)。在一个示例中，选择值CSW，以便使得对向VOUT提供-3dB的衰减。值的其它示例的值也是可能的。
还应当理解的是，可以使用各种方法可用于来确定和执行任意调整，其将可切换的电容器106和电阻器112包括于在图1、图2A、图2B和图3的电路中的任意调整。例如，可以测试测试麦克风，并且在测量/确定灵敏度之后，用户可以确定是否手动地将电容器106和/或电阻器112(即，多少电阻器中的多少个)接入切入到电路中。在另一方面，可以测试麦克风，并且在确定灵敏度之后，计算机或者类计算机装置可以自动地确定是否将电容器106和/或电阻器112(即，多少电阻器中的多少个)接入切入到电路中。采用任一方法，在作出最终决定之后，所选择的电容器/电阻器的特定配置构造可以永久地并入电路中，例如通过永久地推动投掷或者焊接烧入开关设置。
在一个示例中，对于图1、图2A、图2B和图3的系统的操作，假定灵敏度的额定值是XdBV/Pa。还假定灵敏度范围是+/-1dB，使得如果灵敏度落入X-1dBV/Pa和X+1dBV/Pa之间的话，可以判定一部分是可接受的。应当意识到，这些值仅是示例性的，并且其它值也是可能的。
可以测试第一麦克风，并且举一个示例，在VOUT处的测量值是X-0.5dBV/Pa。因为这个值处于可接受的范围内，所以没有作出调整(即，电容器106和电阻器112不被切入到电路中)。
测试另一麦克风，并且在VOUT处的测量的灵敏度值是X+1.5dBV/Pa。如应当意识到，这不处于可接受的范围内。将电容器106(具有-3dB的衰减)切入电路中，并且结果是X-2.5dBV/Pa。然而，这个值仍处于可接受的范围(在这个示例中，X-1dBV/Pa至X+1dBV/Pa)之外，使得接下来选择电阻器112，以提供X+1.5dB的增益。将这个增益加到电路上产生X-1dBV/Pa的灵敏度，其处于期望的范围内。
在本文描述的方法的应用的又一示例中，测试另一麦克风，并且在VOUT处它的灵敏度的测量结果是X-2dBV/Pa。加入电容器106将会降低这个值(从期望-X dBV/Pa离开)，因此电容器不被包括(即，切入)到该电路中。然而，可以将电阻器112切入电路中，以提供+2dB的增益，并且将灵敏度值从X-2dBV/Pa改变到X dBV/Pa。应当意识到，在本文描述的任一示例中，可以将电阻器递增地加到电路中。例如且举这个示例，可增加一个电阻器以给出0.5dB的增益，执行新的测试，然后增加另一电阻器，以看看结果是否会落入可接受的范围内，直到VOUT处的测量值落入可接受的范围内为止。
现在参照图4，描述了用于动态或者永久地调整灵敏度的方法的一个示例。应当意识到，这个特定的示例包括用于额定值、范围、衰减和/或增益的具体数值。然而，这些数值仅是示例性的值，并且可以改变以满足不同用户或制造商的需要或需求。还应当理解的是，图4的示例使用了图1、图2和图3的电路。
在步骤402，以指定频率测试麦克风的灵敏度。例如，以1kHz，可以对麦克风施加1Pa＝1N/m＾2的声能。
在步骤404，确定该灵敏度是否是额定灵敏度加或减(+/-)1dB。例如，如果额定灵敏度是X dBV/Pa，则确定测量到的灵敏度是否位于X-1dBV/Pa至X+1dBV/Pa之间(即，额定灵敏度范围)。如果步骤404的答案是肯定的，则执行结束，并且判定该部分是可接受的(即，它具有落入可接受的灵敏度范围内的灵敏度)。如果答案是否定的，则执行继续到步骤406。
在步骤406，确定测量到的灵敏度是否大于额定灵敏度加1dB。例如，如果额定灵敏度是X dBV/Pa，则确定测量到的灵敏度是否大于X+1dBV/Pa。如果答案是肯定的，则执行继续到步骤480，并且如果答案是否定的，则执行继续到如下所述的步骤410。
在步骤408，将衰减电容器切入电路中。在一个示例中，衰减电容器可以提供-3dB的增益。继续本示例，如果步骤406测量到的读数是X+2dBV/Pa，则将执行步骤408，并且-3dB的衰减切入到该电路中，以提供X-1dBV/Pa的灵敏度。
在步骤410，计算增益调整，并且将增益调整器的电阻器加到电路中以给出期望的最终结果。继续本示例，在完成步骤408之后，增益现在是X-1dBV/Pa，于是加入增益电阻器，以给出+1dB的增益，以获得X dBV/Pa的最终期望的结果。应当意识到的是，最终的结果不会正好是X dBV/Pa，而最终的结果将是尽可能的与给定的电阻器的值的额定值接近。于是，控制回到步骤402，其中执行另一测试，并且重复以上所述的步骤。
在另一示例中，如果测量到的灵敏度小于额定加1dB，则不再执行步骤408，并且控制继续到步骤410。例如，如果测量到的灵敏度是X-3dBV/Pa，则电容器永不被切入到电路中，并且仅使用电阻器来将灵敏度从X-3dBV/Pa移到期望的X dBV/Pa的额定值。
应当意识到的是，可以递增地进行以上所述的调整。例如，可以增加并联电阻器组合中的一个电阻器，可以执行新的测试，以看看灵敏度是否处于范围内，并且然后，将将另一电阻器并联地加入等等，直到测量到的灵敏度落入可接受的范围内为止。
在一个方面中，使用具有-Rf/Ri增益的标准反相放大器，建立可调整的增益。如图2B所示，这可以通过具有多个串联的电阻器来实现-例如，如果用户想要三个阶梯的增益级，则他们将使用由开关控制的三个反馈电阻器来控制增益。每个电阻器会具有特定值来控制特定增益值的-Rf/Ri的比率。应该注意的是，同样可以使用具有大约1+Rf/Ri增益的非反相放大器级。
现在参照图5，描述了用于本方法的增益控制电阻器的切换装置的另一示例。图5的电路包括运算放大器502，输入电阻器504，偏压506(VOUT)和三极双向投掷开关508。开关506在电阻器510、512或者516之间进行选择。在这些电阻器之间的选择给出可调整的增益。
本文描述了本发明的优选实施方式，包括用于实现本发明的发明人所熟知的最佳方式。应当理解的是，描述的实施方式仅是示例，并不能被视为是对本发明的范围的限制。

Claims (7)

1.一种微机电系统MEMS麦克风，该MEMS麦克风包括：
MEMS马达，该MEMS马达至少包括隔膜和充电板，该MEMS马达被构造成接收声能并且将该声能转换为电信号；
增益调整装置，该增益调整装置具有输入端，该输入端耦接到所述MEMS马达，所述增益调整装置包括增益级和多个可切换电阻器，所述增益级包含具有输出端的放大器，
所述增益调整装置被构造成在所述增益调整装置的所述输入端从所述MEMS马达接收所述电信号并且提供所述电信号的增益，
所述增益调整装置能够通过切换所述多个可切换电阻器来提供对所述MEMS麦克风的增益的调整，使得所述增益基于所述多个可切换电阻器的配置，并且使得所述MEMS麦克风的灵敏度在可接受范围内，
其中，所述增益调整装置包括开关，该开关用于选择所述多个可切换电阻器中的至少一个，以调整所述电信号的增益。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述增益调整装置被构造成动态地进行调整。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述增益调整装置被构造成永久地进行调整。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，集成电路包括所述增益级和所述多个可切换电阻器。
5.一种调整MEMS麦克风的方法，该方法包括以下步骤：
以预定频率测量所述MEMS麦克风的灵敏度，所述MEMS麦克风包括MEMS马达，该MEMS马达耦接到增益调整装置，该增益调整装置包括增益级和多个可切换电阻器，所述增益级包含放大器，所述增益调整装置被构造成在所述放大器的输入端从所述MEMS马达接收电信号；
当所述灵敏度不可接受时，通过切换所述多个可切换电阻器来调整所述MEMS麦克风的增益，使得所述增益基于所述多个可切换电阻器的配置；
随后测量所述MEMS麦克风的灵敏度以确定测量到的灵敏度是否可接受，
其中所述增益调整装置包括开关，该开关用于选择所述多个可切换电阻器中的至少一个，以调整所述电信号的增益。
6.根据权利要求5所述的调整MEMS麦克风的方法，所述方法还包括以下步骤：
当所测量到的灵敏度可接受时，永久地配置所述多个可切换电阻器。
7.根据权利要求5所述的调整MEMS麦克风的方法，其中，集成电路包括所述增益级和所述多个可切换电阻器。
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