CN202524557U - 一种单线可编程的mems麦克风及其编程系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单线可编程的MEMS麦克风及其编程系统，该单线可编程的MEMS麦克风包括相连的MEMS传感器和ASIC芯片；MEMS传感器用以实现声电转换；ASIC芯片包括主电路模块、OTP/控制电路模块、接口电路模块、OUT接口、OTP存储器；接口电路的输入端与OUT接口相连，接口电路的一个输出端与主电路模块相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块相连；OTP/控制电路模块与OTP存储器相连；接口电路用以根据OUT接口的电压控制主电路模块和OTP/控制电路模块工作在可编程状态或常规工作状态；OTP/控制电路模块控制OTP存储器的读写。本实用新型可以实现MEMS麦克风OUT接口的复用，并通过复用OUT接口实现对ASIC芯片内的OTP存储器进行增益配置，进而完成对封装后成品MEMS麦克风增益的校准。

Description

一种单线可编程的MEMS麦克风及其编程系统

技术领域

本实用新型属于电子器件技术领域，涉及一种MEMS麦克风，具体涉及一种单线可编程的MEMS麦克风及其编程系统。

背景技术

MEMS(Micro Electromechanical System，微电子机械系统)麦克风通常由MEMS传感器和信号放大ASIC(专用集成电路)组成。MEMS麦克风的灵敏度是指在1Pa声压下在ASIC输出端得到的电压信号。MEMS麦克风的灵敏度是由MEMS传感器本身的灵敏度和ASIC的增益共同决定的。由于工艺制造上的偏差，MEMS传感器的灵敏度也存在偏差，例如对于一个-42dB灵敏度的传感器可能存在±4dB的偏差。在某些应用环境中，对灵敏度的偏差存在一定的要求，例如±1dB。

如若要MEMS麦克风满足±1dB的灵敏度偏差，那么在ASIC中调节电路的增益就成为一个比较好的实现方案，例如可以在ASIC中集成一次性可编程(OTP)存储器(由熔丝构成)，通过改变存储器中相应比特位的设置来改变电路的增益。由于成品封装的MEMS麦克风仅有AVDD、AGND和OUT三个引脚，不可能使用多余的引脚来完成上述方案。此外，在ASIC芯片上添加专用的编程PAD也是一个可行方案，但该方案需要在晶圆级测试中完成对存储器的配置，虽然解决了灵敏度偏差问题，但是也增加了应用上的局限性。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种单线可编程的MEMS麦克风及其编程系统，该MEMS麦克风可以通过现有的封装引脚直接配置ASIC芯片的增益。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种单线可编程的MEMS麦克风及其编程系统。

一种单线可编程的MEMS麦克风，包括MEMS传感器和ASIC芯片；所述MEMS传感器用以实现声电转换；所述ASIC芯片与所述MEMS传感器相连；所述ASIC芯片包括主电路模块、OTP/控制电路模块、接口电路模块、OUT接口、OTP存储器；所述接口电路的输入端与OUT接口相连，接口电路的一个输出端与主电路模块相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块相连；OTP/控制电路模块与OTP存储器相连；所述接口电路用以根据OUT接口的电压控制主电路模块和OTP/控制电路模块工作在可编程状态或常规工作状态；OTP/控制电路模块控制OTP存储器的读写。

作为本实用新型的一种优选方案，所述接口电路模块包括电压比较器、第一触发器、第二触发器、上电复位电路；所述电压比较器与OUT接口相连，用以比较OUT接口的电压与参考电压的大小；所述第一触发器与电压比较器的输出端相连，用以输出指示信号给所述主电路模块；所述第二触发器与电压比较器的输出端相连，用以输出控制信号给所述OTP/控制电路模块；所述上电复位电路分别与所述第一触发器和第二触发器相连，用以控制上电时第一触发器和第二触发器的初始值。

作为本实用新型的另一种优选方案，所述第一触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述主电路模块的ENB端相连。

作为本实用新型的再一种优选方案，所述第二触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与电源相连，D触发器的脉冲输入端通过一反相器与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述OTP/控制电路模块的RSTB端相连。

一种单线可编程的MEMS麦克风的编程系统，包括MEMS传感器、ASIC芯片、上位机；所述MEMS传感器用以实现声电转换；所述ASIC芯片与所述MEMS传感器相连；所述ASIC芯片包括主电路模块、OTP/控制电路模块、接口电路模块、OUT接口、OTP存储器；所述接口电路的输入端与OUT接口相连，接口电路的一个输出端与主电路模块相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块相连；OTP/控制电路模块与OTP存储器相连；所述接口电路用以根据OUT接口的电压控制主电路模块和OTP/控制电路模块工作在可编程状态或常规工作状态；OTP/控制电路模块控制OTP存储器的读写。

作为本实用新型的一种优选方案，所述上位机包括双向接口、读写控制模块；所述双向接口与所述OUT接口相连；所述读写控制模块与所述双向接口相连；所述双向接口通过第一开关与电源相连，所述双向接口通过第二开关接地，所述电源与双向接口之间连接有一上拉电阻。

作为本实用新型的另一种优选方案，所述接口电路模块包括电压比较器、第一触发器、第二触发器、上电复位电路；所述电压比较器与OUT接口相连，用以比较OUT接口的电压与参考电压的大小；所述第一触发器与电压比较器的输出端相连，用以输出指示信号给所述主电路模块；所述第二触发器与电压比较器的输出端相连，用以输出控制信号给所述OTP/控制电路模块；所述上电复位电路分别与所述第一触发器和第二触发器相连，用以控制上电时第一触发器和第二触发器的初始值。

作为本实用新型的再一种优选方案，所述第一触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述主电路模块的ENB端相连。

作为本实用新型的再一种优选方案，所述第二触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与电源相连，D触发器的脉冲输入端通过一反相器与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述OTP/控制电路模块的RSTB端相连。

如上所述，本实用新型所述的单线可编程的MEMS麦克风及其编程方法和系统，具有以下有益效果：本实用新型所述的单线可编程的MEMS麦克风及其编程方法和系统可以实现MEMS麦克风OUT接口的复用，并通过复用OUT接口实现对ASIC芯片内的OTP存储器进行增益配置，进而完成对封装后成品MEMS麦克风增益的校准。

附图说明

图1为本实用新型所述的单线可编程的MEMS麦克风的结构框图。

图2为本实用新型所述的单线可编程的MEMS麦克风的接口电路模块的结构框图。

图3为本实用新型所述的单线可编程的MEMS麦克风的编程系统的结构框图。

图4为本实用新型所述的单线可编程的MEMS麦克风进入可编程模式的流程图。

图5为典型的上电时序图。

元件标号说明

1、MEMS传感器；            2、ASIC芯片；

3、上位机；                21、主电路模块；

22、OTP/控制电路模块；     23、接口电路模块；

24、OUT接口；              25、OTP存储器；

31、双向接口；             32、读写模块；

33、第一开关；             34、第二开关；

35、上拉电阻。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种单线可编程的MEMS麦克风，如图1所示，所述MEMS麦克风包括MEMS传感器1和ASIC芯片2，MEMS传感器1和ASIC芯片2相连。

【MEMS传感器1】

所述MEMS传感器1用以实现声电转换。

【ASIC芯片2】

所述ASIC芯片2与所述MEMS传感器1相连。所述ASIC芯片2包括主电路模块21、OTP/控制电路模块22、接口电路模块23、OUT接口24、OTP存储器25；所述接口电路23的输入端与OUT接口24相连，接口电路的一个输出端与主电路模块21相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块22相连。所述接口电路23用以根据OUT接口24的电压控制主电路模块21和OTP/控制电路模块22工作在可编程状态或常规工作状态。所述OTP存储器25与OTP/控制电路模块22相连，OTP/控制电路模块22控制OTP存储器25的读写内容。

如图2所示，所述接口电路模块23包括电压比较器231、第一触发器232、第二触发器233、上电复位电路234；所述电压比较器231与OUT接口24相连，用以比较OUT接口的电压与参考电压的大小；所述第一触发器232与电压比较器231的输出端相连，用以输出指示信号给所述主电路模块21；所述第二触发器233与电压比较器231的输出端相连，用以输出控制信号给所述OTP/控制电路模块22；所述上电复位电路234分别与所述第一触发器232和第二触发器233相连，用以控制上电时第一触发器和第二触发器的初始值。接口电路模块实现了输出引脚(即OUT接口)的复用，可以使ASIC芯片完成进入和退出可编程状态。接口电路模块可以根据设定的时序完成对芯片内部OTP存储器的读写操作。

所述第一触发器232可以为D触发器，所述D触发器的D输入端与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述主电路模块的ENB端相连。

所述第二触发器233也可以为D触发器，所述D触发器的D输入端与电源相连，D触发器的脉冲输入端通过一反相器与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述OTP/控制电路模块的RSTB端相连。

本实用新型所述的单线可编程的MEMS麦克风可以通过复用输出(OUT)引脚实现对ASIC芯片内的OTP存储器进行增益配置，可完成对封装后成品MEMS麦克风增益的校准。

实施例二

本实施例提供一种单线可编程的MEMS麦克风的编程系统，如图3所示，该单线可编程的MEMS麦克风的编程系统包括MEMS传感器1、ASIC芯片2、上位机3。

【MEMS传感器1】

所述MEMS传感器1用以实现声电转换。

【ASIC芯片2】

如图1所示，所述ASIC芯片2与所述MEMS传感器1相连；所述ASIC芯片2包括主电路模块、OTP/控制电路模块、接口电路模块、OUT接口；所述接口电路的输入端与OUT接口相连，接口电路的一个输出端与主电路模块相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块相连；所述接口电路用以根据OUT接口的电压控制主电路模块和OTP/控制电路模块工作在可编程状态或常规工作状态；所述上位机与所述OUT接口相连，用以读写ASIC芯片。

如图2所示，所述接口电路模块23包括电压比较器231、第一触发器232、第二触发器233、上电复位电路234；所述电压比较器231与OUT接口24相连，用以比较OUT接口的电压与参考电压的大小；所述第一触发器232与电压比较器231的输出端相连，用以输出指示信号给所述主电路模块21；所述第二触发器233与电压比较器231的输出端相连，用以输出控制信号给所述OTP/控制电路模块22；所述上电复位电路234分别与所述第一触发器232和第二触发器233相连，用以控制上电时第一触发器和第二触发器的初始值。接口电路模块实现了输出引脚(即OUT接口)的复用，可以使ASIC芯片完成进入和退出可编程状态。接口电路模块可以根据设定的时序完成对芯片内部OTP存储器的读写操作。

所述第一触发器232可以为D触发器，所述D触发器的D输入端与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述主电路模块的ENB端相连。

所述第二触发器233也可以为D触发器，所述D触发器的D输入端与电源相连，D触发器的脉冲输入端通过一反相器与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述OTP/控制电路模块的RSTB端相连。

【上位机3】

如图3所示，所述上位机3包括双向接口31、读写控制模块32；所述双向接口31与所述OUT接口24相连；所述读写控制模块32与所述双向接口31相连；所述双向接口31通过第一开关33与电源相连，所述双向接口31通过第二开关34接地，所述电源与双向接口31之间连接有一上拉电阻35。

图3显示了本实用新型中ASIC芯片于上位机的连接方法，其中上位机与ASIC芯片连接的是一个双向接口，其中与电源连接的开关(即第一开关)用于产生强上拉信号，与地连接的开关(即第二开关)用于产生下拉信号，当两个开关都处于断开状态时，输出引脚(即双向接口)通过一上拉电阻接电源，此时引脚处于弱上拉状态。另外，有一路读通路直接读取引脚的状态到读写控制模块中。

实施例三

本实施例提供了一种单线可编程的MEMS麦克风的编程方法，包括以下步骤：

步骤一，将ASIC芯片与上位机相连，接通电源。

步骤二，上位机读取ASIC芯片的OUT接口的输出信号，若输出信号没有被强驱动为高电平，则ASIC芯片正常启动；若所述输出信号为高电平，则ASIC芯片进入编程模式。本步骤中，上位机和ASIC芯片的具体实现过程如下：

所述上位机包括与所述OUT接口相连的双向接口，及与所述双向接口相连的读写控制模块；所述双向接口通过第一开关与电源相连，所述双向接口通过第二开关接地，所述电源与双向接口之间连接有一上拉电阻；当第一开关断开、第二开关闭合时，双向接口处于弱下拉至低电平状态；当第一开关闭合、第二开关断开时，双向接口处于强上拉至高电平状态；当第一开关和第二开关都断开时，双向接口处于弱上拉至高电平状态。

所述ASIC芯片包括主电路模块、OTP/控制电路模块、接口电路模块、OUT接口；所述接口电路的输入端与OUT接口相连，接口电路的一个输出端与主电路模块相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块相连；所述接口电路用以根据OUT接口的电压控制主电路模块和OTP/控制电路模块工作在可编程状态或常规工作状态；当所述接口电路检测到OUT接口为高电平时，输出指示信号给所述主电路模块，控制主电路模块不使能；当OUT接口持续为高电平时，接口电路输出控制信号控制OTP/控制电路模块复位；当OUT接口为低电平时，接口电路输出控制信号控制OTP/控制电路模块结束复位，同时输出指示信号给所述主电路模块，控制主电路模块使能。

所述接口电路模块包括电压比较器、第一触发器、第二触发器、上电复位电路；电压比较器比较OUT接口的电压与参考电压的大小；第一触发器根据所述电压比较器的输出电平输出指示信号给所述主电路模块；若电压比较器的输出电平为高，则第一触发器则输出不使能指示信号给主电路模块；若电压比较器的输出电平为低，则第一触发器则输出使能指示信号给主电路模块；第二触发器根据所述电压比较器的输出电平输出控制信号给所述OTP/控制电路模块；若电压比较器的输出电平为高，则第二触发器则输出复位信号给OTP/控制电路模块；若电压比较器的输出电平为低，则第二触发器则输出结束复位信号给OTP/控制电路模块；上电复位电路控制上电时第一触发器和第二触发器的初始值。

图2显示了接口电路模块的具体工作方法。为了使芯片进入编程模式，在芯片上电的时候就在引脚上加入强驱动的高电平，并通过比较器检测这个电平信号，其参考门限可以根据具体的芯片进行设置。在芯片启动的某个时刻点，这里是4ms，D触发器D1将此信号采入，如果输出为高，那么芯片即进入可编程模式，输出的TMOD信号为指示信号，用来控制芯片内部的主电路。当TMOD为1时，通过控制主电路的ENB引脚使主电路不使能，此时主电路的输出呈高阻状态，避免芯片异常工作。在din持续为高的时候，接口电路通过控制OTP/控制电路的RSTB接口使其复位，并在din下降的时候结束复位。POR(上电复位电路)用来控制上电时D触发器的初始值。如果比较器输出为低，芯片继续完成启动的过程。不进入编程状态。由于CK的上升沿仅在启动的时候出现一次，那么芯片是否进入可编程状态由，CK上升沿时引脚的电平高低决定。

步骤三，上位机对进入编程模式的ASIC芯片进行写操作。

图4是进入可编程模式的流程图。当芯片上电后，在4ms时检测输出信号，如果输出没有被强驱动为高电平，芯片正常启动，不进入编程模式。当输出为高电平后，芯片等待输入密码。既进行序列检测。如果密码错误，芯片也不进入编程模式。如果密码正确。芯片直接进入编程模式。

图5是典型的上电时序图，其中除了上电时的高电平是强驱信号外，其余的高电平都为弱上拉信号，此时芯片内部相对与OUT引脚为高阻状态，其中“1”用大于一定时间(10微秒)的长脉冲表示，“0”用小于一定时间(10微秒)的短脉冲表示。在完成密码输入以后，后续的两个连续的短脉冲表示写比特位的开始信号，每当写完一个比特以后，芯片会根据相应的寄存器的值选择是否下拉引脚，如果是“1”则不下拉，反之下拉。同时上位机会检测到这个值，即为寄存器中的状态。这就是读比特位的一个过程。当完成对所有的比特位的写操作后，连续的两个短脉冲表示结束信号。最后上位机产生一任意长的高电平，即为烧熔丝的时间。为了保证足够的编程电流，每次仅对一个比特写“1”的操作。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种单线可编程的MEMS麦克风，其特征在于，所述单线可编程的MEMS麦克风封装有：

MEMS传感器，用以实现声电转换；

ASIC芯片，与所述MEMS传感器相连；所述ASIC芯片包括主电路模块、OTP/控制电路模块、接口电路模块、OUT接口、OTP存储器；所述接口电路的输入端与OUT接口相连，接口电路的一个输出端与主电路模块相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块相连；OTP/控制电路模块与OTP存储器相连；所述接口电路用以根据OUT接口的电压控制主电路模块和OTP/控制电路模块工作在可编程状态或常规工作状态；OTP/控制电路模块控制OTP存储器的读写。

2.根据权利要求1所述的单线可编程的MEMS麦克风，其特征在于，所述接口电路模块包括：

电压比较器，与OUT接口相连，用以比较OUT接口的电压与参考电压的大小；

第一触发器，与电压比较器的输出端相连，用以输出指示信号给所述主电路模块；

第二触发器，与电压比较器的输出端相连，用以输出控制信号给所述OTP/控制电路模块；

上电复位电路，分别与所述第一触发器和第二触发器相连，用以控制上电时第一触发器和第二触发器的初始值。

3.根据权利要求2所述的单线可编程的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述主电路模块的ENB端相连。

4.根据权利要求2所述的单线可编程的MEMS麦克风，其特征在于：所述第二触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与电源相连，D触发器的脉冲输入端通过一反相器与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述OTP/控制电路模块的RSTB端相连。

5.一种权利要求1所述的单线可编程的MEMS麦克风的编程系统，其特征在于，包括：

MEMS传感器，用以实现声电转换；

ASIC芯片，与所述MEMS传感器相连；所述ASIC芯片包括主电路模块、OTP/控制电路模块、接口电路模块、OUT接口、OTP存储器；所述接口电路的输入端与OUT接口相连，接口电路的一个输出端与主电路模块相连，另一个输出端与OTP/控制电路模块相连；OTP/控制电路模块与OTP存储器相连；所述接口电路用以根据OUT接口的电压控制主电路模块和OTP/控制电路模块工作在可编程状态或常规工作状态；OTP/控制电路模块控制OTP存储器的读写；

上位机，与所述OUT接口相连，用以读写ASIC芯片。

6.根据权利要求5所述的单线可编程的MEMS麦克风的编程系统，其特征在于，所述上位机包括：

双向接口，与所述OUT接口相连；

读写控制模块，与所述双向接口相连；所述双向接口通过第一开关与电源相连，所述双向接口通过第二开关接地，所述电源与双向接口之间连接有一上拉电阻。

7.根据权利要求5所述的单线可编程的MEMS麦克风的编程系统，其特征在于，所述接口电路模块包括：

电压比较器，与OUT接口相连，用以比较OUT接口的电压与参考电压的大小；

第一触发器，与电压比较器的输出端相连，用以输出指示信号给所述主电路模块；

第二触发器，与电压比较器的输出端相连，用以输出控制信号给所述OTP/控制电路模块；

上电复位电路，分别与所述第一触发器和第二触发器相连，用以控制上电时第一触发器和第二触发器的初始值。

8.根据权利要求7所述的单线可编程的MEMS麦克风的编程系统，其特征在于：所述第一触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述主电路模块的ENB端相连。

9.根据权利要求7所述的单线可编程的MEMS麦克风的编程系统，其特征在于：所述第二触发器为D触发器，所述D触发器的D输入端与电源相连，D触发器的脉冲输入端通过一反相器与所述电压比较器的输出端相连，D触发器的Q输出端与所述OTP/控制电路模块的RSTB端相连。

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