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QUERVERWEIS ZU EINER IN BEZUG STEHENDEN ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. Oktober 2008 eingereichten vorläufigen US Anmeldung No. 61/105,073 mit dem Titel „Mikrofon mit einer Mehrzahl von Wandlerelementen”, deren Inhalt hiermit als Ganzes durch den Verweis mit aufgenommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Dieses Patent bezieht sich auf ein Mikrofon, das zwei oder mehr Wandlerelemente aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Für ein vollständigeres Verständnis der Offenbarung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung und die einhergehenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
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1 eine perspektivische Schnittansicht eines Mikrofons gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, das mehrere Wandler verwendet;
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2 eine perspektivische Ansicht von vier Wandlerelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die an einer einzelnen Trennplatte mit einem Pufferelement montiert sind;
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3 eine perspektivische Ansicht von drei Wandlerelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die an einer einzelnen Trennplatte mit einem Pufferelement montiert sind;
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4 eine perspektivische Ansicht von zwei Wandlerelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die an einer einzelnen Trennplatte mit einem Pufferelement montiert sind;
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5 eine perspektivische Ansicht eines Mikrofons gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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6 eine Schnittansicht eines Mikrofons gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, das eine monolithische Mikrofoneinheit verwendet, bestehend aus zwei oder mehr einzelnen Wandlern;
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7 eine perspektivische Ansicht einer Trennplatte mit einem monolithischen Wandlerelement, bestehend aus vier einzelnen Wandlerelementen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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8 eine schematische Ansicht eines Schaltkreises ist, der die Verschaltung von einzelnen Wandlern mit einer Pufferschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 eine schematische Ansicht eines Schaltkreises ist, der die Verschaltung von einzelnen Wandlern mit einer Pufferschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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10 eine schematische Ansicht ist, die eine Superpositionsmethode zum Erreichen eines höheren Signal-Rausch-Verhältnisses mit einer Vielzahl von Wandlerelementen zeigt.
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Der Fachmann wird zu würdigen wissen, dass Elemente in den Figuren vereinfacht und verdeutlicht veranschaulicht werden. Es ist weiterhin zu würdigen, dass bestimmte Ausführungen und/oder Schritte in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben oder dargestellt werden, obwohl der Fachmann verstehen wird, dass eine solche Spezifität in Bezug auf eine Reihenfolge tatsächlich nicht benötigt wird. Es ist weiterhin zu verstehen, dass die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke die allgemein übliche Bedeutung haben, wie sie solchen Begriffen und Ausdrücken bezüglich ihrer entsprechenden jeweiligen Fachgebieten zugedacht werden, außer es wird im Folgenden auf eine spezielle Bedeutung hingewiesen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Obwohl die vorliegende Offenbarung für viele Abwandlungen und alternative Ausführungen empfänglich ist, werden bestimmte Ausführungsformen exemplarisch in den Figuren dargestellt und diese Ausführungsformen werden hier im Detail beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass diese Offenbarung nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese bestimmten beschriebenen Ausführungen zu beschränken, sondern im Gegenteil mit der Erfindung beabsichtigt ist, alle Modifikationen, Alternativen und Äquivalente abzudecken, die in den Geist und Bereich der durch die angehängten Ansprüche beschriebenen Erfindung fallen.
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In einer Ausführungsform ist ein Mikrofon bereitgestellt. Das Mikrofon weist ein Gehäuse auf; eine in dem Gehäuse angeordnete akustische Öffnung; ein mit dem Gehäuse gekoppeltes Substrat; ein auf dem Substrat angeordneter Schaltkreis; und zwei oder mehr auf dem Substrat montierte MEMS Wandler, wobei die Wandler parallel geschaltet sind.
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In einer Ausführungsform weist das Substrat Silizium auf.
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In einer Ausführungsform weist das Substrat einen keramischen Werkstoff auf.
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In einer Ausführungsform stellt das Substrat eine akustische Isolation zwischen einem vorderen Hohlraum und einem hinteren Hohlraum bereit.
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In einer Ausführungsform weist mindestens einer der MEMS Wandler eine Öffnung auf, um das Auftreffen von Schall auf dem Wandler zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform sind die Wandler gut aufeinander abgestimmt.
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In einer Ausführungsform bilden die zwei oder mehr MEMS Wandler ein monolithisches MEMS Wandlerelement.
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In einer Ausführungsform ist der integrierte Schaltkreis eine Pufferschaltung.
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In einer Ausführungsform ist mindestens eines der MEMS Wandlerelemente ein verstellbarer Kondensator.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Mikrofon bereitgestellt. Das Mikron umfasst ein Gehäuse; eine in dem Gehäuse angeordnete akustische Öffnung; ein an das Gehäuse gekoppeltes Substrat; ein auf dem Substrat angeordneter integrierter Schaltkreis; und eine Vielzahl von MEMS Wandlern, die auf dem Substrat montiert sind, wobei zwei oder mehr der Vielzahl von Wandlern parallel geschaltet sind.
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In einer Ausführungsform weist das Substrat Silizium auf.
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In einer Ausführungsform weist das Substrat einen keramischen Werkstoff auf.
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In einer Ausführungsform stellt das Substrat eine akustische Isolation zwischen einem vorderen Hohlraum und einem hinteren Hohlraum bereit.
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In einer Ausführungsform weist mindestens einer der MEMS Wandler eine Öffnung auf, um das Auftreffen von Schall auf dem Wandler zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform sind mindestens zwei der Wandler gut aufeinander abgestimmt.
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In einer Ausführungsform bilden zwei oder mehr der Vielzahl von MEMS Wandlern ein monolithisches MEMS Wandlerelement.
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In einer Ausführungsform ist der integrierte Schaltkreis eine Pufferschaltung.
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In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Vielzahl von MEMS Wandlerelementen ein verstellbarer Kondensator.
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1 veranschaulicht ein Mikrofon 2, das mehrere Akustikwandlerelemente 4 aufweist. Das Mikrofon kann aus Materialen wie zum Beispiel Edelstahl, anderem ausgestanzten Metall oder Ähnlichem aufgebaut sein. Schall kann durch eine innerhalb einer oberen Schale 8 angeordnete Akustiköffnung 6 in das Mikrofon 2 eintreten. Die obere Schale 8 kann als ein Gebiet definiert sein, das sich von einer Seite des Mikrofons zur anderen horizontal und von einer Trennplatte 14 zu einer oberen Oberfläche 12 des Mikrofons 2 vertikal erstreckt. Die Trennplatte 14 befindet sich zwischen der oberen Schale und unteren Schale und stellt eine akustische Isolation zwischen einem vorderen Hohlraum 15 und einem hinteren Hohlraum 17 bereit. Die Trennplatte 14 kann aus Materialen wie zum Beispiel Metall, Keramik oder Ähnlichem aufgebaut sein. Auf der Trennplatte 14 sind Akustikwandlerelemente 4 angeordnet, die mit der Trennplatte 14 über zum Beispiel Oberflächenmontage (engl.: surface mounting), eine Klebeverbindung oder irgendein anderes dem Fachmann geläufiges Verfahren verbunden werden. Die Wandlerelemente 4 können beispielsweise MEMS Mikrofonwandlerelemente sein. Eine integrierte Pufferschaltung 16 grenzt an eines oder mehrere der Wandlerelemente 4 an. Die integrierte Pufferschaltung kann mit der Trennplatte 14 über beispielsweise Oberflächenmontage, eine Klebeverbindung oder irgendein anderes dem Fachmann geläufiges Verfahren verbunden sein. Jedes der Akustikwandlerelemente 4 beinhaltet eine Schallöffnung, um Schall auf das Wandlerelement 4 auftreffen zu lassen, was in einem elektrischen Ausgangssignal resultiert, das in der integrierten Pufferschaltung 16 gepuffert wird. Der Schall kann sich durch eine oder mehrere Öffnungen 20 bewegen, die mit der Schallöffnung der Wandlerelemente 4 fluchten.
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In einer Ausführungsform können MEMS Wandlerelemente verwendet werden. Durch Verwendung von MEMS Wandlerelementen können gewisse Vorteile erzielt werden. Beispielsweise kann die kleinere Größe von MEMS Akustikwandlern die Verwendung mehrerer Wandlerelemente erlauben, um eine kleine Gesamteinheit zu erreichen. Da MEMS Wandler Halbleiterverfahren verwenden, können Elemente in einem Wafer bezüglich ihrer Empfindlichkeit gut aufeinander abgestimmt werden. Die Empfindlichkeit von MEMS Wandlern wird durch die Membranmasse, Nachgiebigkeit und den Bewegungsspalt bestimmt. Diese Parameter können beeinflusst werden, da sie zur Ablagedicke der Dünnfilme, die Halbleiterherstellungsprozesse verwenden, um die in MEMS- und Halbleitervorrichtungen verwendeten Materialien abzulagern, in Bezug stehen. Die Verwendung von gut aufeinander abgestimmten Wandlern führt zu einer optimalen Leistung bezüglich Sensitivität und Rauschen, das das Signal-Rausch-Verhältnis (engl.: signal to noise ratio; SNR) optimiert.
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In einer weiteren Ausführungsform müssen die MEMS Akustikelemente nicht gut aufeinander abgestimmt werden. SNR Vorteile können im Vergleich zu Einzelwandlerbauformen erreichbar sein. Durch Summieren mehrerer Wandlerelemente kann die Abhängigkeit des Erreichens eng aufeinander abgestimmter einzelner Wandlerelemente minimiert werden.
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Wieder Bezug nehmend auf 1 erlaubt der Aufbau der oberen Schale 8, dass die Akustiköffnung entlang einer beliebigen Oberfläche angeordnet ist, dass heißt die Akustiköffnung kann auf irgendeiner der langen oder kurzen Seiten oder in der oberen Oberfläche angeordnet werden. Dies stellt ein flexibles Schema für Öffnungen bereit, um zum Beispiel die Verwendung in diversen Anwendungen zuzulassen.
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Mehrere aufeinander abgestimmte Wandlerelemente, die in einer einzelnen Mikrofoneinheit summiert sind, können in der Lage sein, ein verbessertes SNR zu erreichen. Der Grad der Verbesserung steht in direkter Beziehung zu der Anzahl verwendeter Wandler. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform, in der vier Wandler 50 mit einer Trennplatte 52 verbunden sind. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform, in der drei Wandler 54 mit einer Trennplatte 56 verbunden sind. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform, in der zwei Wandler 58 mit einer Trennplatte 60 verbunden sind. Der Grad der SNR Verbesserung nimmt mit der Anzahl von Akustikwandlerelementen zu. Ein höheres SNR kann mit einer noch größeren Anzahl von Wandlern als die in den 2 bis 4 gezeigte erreicht werden.
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5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Mikrofon 70 weist Öffnungen 72 in einer oberen Oberfläche 74 auf, die mit Wandlerelementen (nicht gezeigt, das heißt durch die Wände 76 und 78 verdeckt) fluchten. In dieser Ausführungsform fehlt der obere Schalenaufbau. Als Ergebnis kann eine kleinere Mikrofoneinheit erreicht werden, die die Verwendung in kleiner ausgelegten Anwendungen ermöglichen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform, veranschaulicht in den 6 und 7, kann ein monolithisches MEMS Wandlerelement 80 erzeugt werden, das zwei oder mehr einzelne Wandlerelemente 82 aufweist. Dies kann in einem MEMS Akustikwandler durch Integration mehrerer einzelner Wandler auf einem einzelnen Substrat erreicht werden. Dies können Singulationstechniken zum Produzieren mehrerer Bewegungsverbände auf einem einzelnen monolithischen Bauelement durch Abtrennen einer gewünschten Anzahl von Wandlern erreichen. Weiterhin kann ein Aufbau entworfen werden, der mehrere einzelne Wandler verwendet und bei dem die elektrischen Verbindungen der einzelnen Wandler zusammengelegt werden, um die Anschlusspunkte zu minimieren. Das Wandlerelement 80 kann mit der Pufferschaltung 84 in Verbindung stehen. Diese Ausführungsform kann eine effizientere Herstellung und/oder Anordnung bereitstellen, da die Notwendigkeit des Handling mehrerer Wandlerelemente beseitigt werden kann.
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Bei Betrachtung des in 8 gezeigten Schemas 100 sind die mehrzahligen Wandlerelemente 102 parallel geschaltet. In dem Schema 100 sind die Wandlerelemente 102 als veränderliche Kondensatoren ausgebildet. Die mehrzahligen Elemente 102 sind parallel geschaltet und mit der Pufferschaltung 104 verbunden. Die integrierte Pufferschaltung 104 kann verwendet werden, um eine Impedanzanpassung zwischen den hochohmigen Wandlerelementen 102 und eine User-Interface-Schaltung bereitzustellen. Dies gestattet dem Mikrofon, eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen, ohne Signalverlust in der letzten Schaltung zu erleiden. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist maximal, wenn Wandlerelemente gut aufeinander abgestimmt sind. Gut aufeinander abgestimmte in dieser Weise kombinierte Wandler resultieren in einem Mikrofon, das eine Empfindlichkeit gleich der Empfindlichkeit eines einzelnen Wandlerelements aufweist, jedoch mit einer verbesserten Rauschleistung. Eine Gleichspannungsquelle 106 wird für nicht-elektret Kondensatorwandlerelemente benötigt, möglicherweise aber nicht für elektret-artige Wandler.
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10 zeigt ein entsprechendes Schaltbild. In dem Schaltkreis 300 sind n Wechselspannungsquellen 302 parallel geschaltet, um eine Einzellast 304 zu versorgen. Jede der n Quellen hat eine Quellenimpedanz Zn und die Gesamtleistung wird an die Last ZL 306 abgegeben. Die Ausgangsspannung VOUT kann durch das Superpositionsprinzip wie folgt berechnet werden: VOUT = V1·(Z2//Z3//..//Zn//ZL)/(Z1 + (Z2//Z3//..//Zn//ZL)) +
V2·(Z1//Z3//..//Zn//ZL)/(Z2 + (Zl//Z3//..//Zn//ZL)) + ... +
Vn·(Z1//Z2//..//Zn – 1//ZL)/(Zn + (Z1//Z2//..//Zn – 1//ZL))
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Wenn die Quellenimpedanz jeder Quelle gut abgestimmt ist, Z1 = Z2 = ... Zn, und die Lastimpedanz ZL im Verhältnis zur Quellenimpedanz groß ist, kann die obere Gleichung auf das Folgende vereinfacht werden: VOUT = (1/n)·V1 + (1/n)·V2 + ... + (1/n)·Vn
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Des Weiteren, wenn V = V1 = V2 = ... = Vn ist, so wie bei eng aufeinander abgestimmten Quellen der Fall, kann die Ausgangsspannung dargestellt werden durch: VOUT = n·(1/n)·V = V
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Die Ausgangsspannung VOUT ist gleich der Quellenspannung von irgendeiner der abgestimmten Quellen.
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Die Störspannung von jeder der Spannungsquellen kann durch N1, N2 ... Nn dargestellt werden. Wenn das Rauschen unkorreliert ist, wie das im Fall von thermischen, elektronischen oder akustisch-resistiven Störungen der Fall ist, wird das Gesamtsystemrauschen durch die Summe der Einzelstorungsleistungen von jeder der beitragenden Quellen dargestellt.
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Die Rauschübertragungsfunktion ist die gleiche wie oben gezeigt, wenn aber die Rauschleistung hinzugefügt wird, wird das resultierende Rauschen dargestellt durch: (NOUT)2 = (N1/n)2 + (N2/n)2 + ... + (Nn/n)2
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Wenn die Quellenspannungen bezüglich der Störspannung gut aufeinander abgestimmt sind, N = N1 = N2 = ... = Nn NOUT = N·SQRT(1/n)
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Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wird durch ein Verhältnis des Systemausgangssignals, das von einem festgelegten Ausgangssignal resultiert, zu dem Grundrauschen des Systems berechnet. Für ein System mehrerer Wandler, bei dem die Wandler gut aufeinander abgestimmt sind, kann das SNR bestimmt werden durch: SNR = VOUT/NOUT = V/(N·SQRT(1/n))
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Das SNR eines einzelnen Wandlers wird durch das Verhältnis V/N dargestellt. In einem Mehrfachwandlersystem wird das SNR effektiv erhöht durch: SNR = (V/N)·SQRT(n)
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Wenn, wie oben gezeigt, aufeinander abgestimmte Wandler verwendet werden, ist eine Erhöhung des SNR um die Wurzel der Anzahl zusätzlicher in dem System verwendeter Elemente erreichbar. Beispielsweise erhöhen 4 Elemente das SNR im Verhältnis zu einer einzelnen Wandlerleistung um SQRT(4) = 2 oder 6 dB. Dies repräsentiert ein theoretisches Maximum des SNR Gewinns durch Verwendung mehrerer Wandlerelemente. Durch Anwendung derselben obenstehenden Formel folgt, dass die Verwendung einzelner Wandler, die nicht gut abgestimmt sind, immer noch einen Nutzen bezüglich des SNR erbringen, jedoch mit einem maximalen Nutzen, der durch (V/N)·SQRT(n) bestimmt ist.
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Ein anderer Weg zum Verschalten der mehrzahligen Wandlerelemente ist durch ein in einem Schema 200 in 9 gezeigten Verfahren. Dies kann bei dem mehrzahligen Wandler oder dem monolithischen Wandleraufbau verwendet werden. Durch Aufsummieren von Paaren von Wandlerelementen 202 kann zusätzlich zu einer niedrigeren Rauschleistung eine höhere Mikrofonempfindlichkeit erreicht werden. Die Wandlerelemente können mit einer Pufferschaltung 204 verbunden werden. Eine Gleichspannungsquelle 206 kann für nicht-elektret Kondensatorwandlerelemente benötigt werden, möglicherweise aber nicht für elektret-artige Wandler.
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Ein zusätzlicher Nutzen bezüglich des SNR wird durch eine erhöhte Quellenkapazität erreicht. Durch paralleles Verschalten der einzelnen Wandler, wie in 8 gezeigt, addiert sich die Quellenkapazität des mehrzahligen Wandlersystems über die verwendeten einzelnen Elemente auf. Aufgrund der sich ergebenden Erhöhung der Quellenkapazität vermindert sich das Pufferschaltungsrauschen, da das thermische Eingangsrauschen an eine höhere Eingangskapazität abgegeben wird, verursachend eine Verminderung in der Tiefpass-Rausch-Eckfrequenz, resultierend in einer Verminderung des integrierten Gesamtausgangsrauschens.
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Während allgemein bekannt ist, dass das Aufsummieren korrelierender Signalquellen ein Mittel zum Erhöhen des SNR durch Erhöhen des Gesamtsignals um n·V ist, bei Erhöhung des nicht-korrelierenden Gesamtrauschens um SQRT(n), was einen Gesamt-SNR-Nutzen von n/SQRT(n) ergibt, verwendet diese Erfindung parallel verschaltete Quellen, um das Gesamt-SNR zu verbessern.
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Durch paralleles Verschalten von Quellen, wie in 8 gezeigt, profitiert das korrelierte Signal nicht vom Aufsummieren von Signalen, jedoch wird weiterhin ein Nutzen bezüglich des SNR erreicht. Zusätzlich zu dem Nutzen bei dem Signal-Rausch-Verhältnis, erreicht die Lösung ein niedrigeres Leistungssystem als durch alleiniges Aufsummieren erreicht werden kann. Durch Verwendung nur eines Puffers wird der elektrische Strom im Vergleich zu einer Multi-Puffer-Summationsschaltung minimiert.
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Parallel verschaltete Quellen können weiterhin verwendet werden, um Ausführungen summierter Quellen zu verbessern. 9 zeigt ein Konzept, bei dem parallel verschaltete Quellen 202 angeordnet und aufsummiert werden, um den SNR-Nutzen von parallel geschalteten Quellen zusätzlich zu dem Nutzen einer erhöhten Empfindlichkeit durch nachträgliches Summieren der parallel geschalteten Quellen bereitzustellen.
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Es wurden bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben, einschließlich der besten den Erfindern bekannten Möglichkeiten zum Ausführen der Erfindung. Es sollte dennoch verstanden werden, dass die veranschaulichten Ausführungsformen nur beispielhaft und nicht als limitierend auf den Bereich der Erfindung zu verstehen sind.
