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QUERVERWEIS AUF PARALLELE ANMELDUNG
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Dieses Patent nimmt die
US Provisional Application No. 62058975 mit Titel ”Signal Processing Platform in Acoustic Capture Device” unter 35 USC §119(e) in Anspruch, die am 02. Oktober 2014 eingereicht wurde und deren Inhalt hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung betrifft akustische Vorrichtungen und insbesondere die durch diese Vorrichtungen bereitgestellten Funktionsarten und die Konfiguration dieser Vorrichtungen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Mikrofon stellt einen akustischen Wandler dar, der Schalldrucksignale in äquivalente elektrische Signale umwandelt. Dieses elektrische Äquivalent zum Schall wird im Allgemeinen in der bidirektionalen Telekommunikation oder für eine spätere Wiedergabe verwendet. Historisch erfolgte diese akustische Aufnahme komplett in der analogen Domäne. Die Verbesserung der Audioaufnahmetechnologie führte zu Digitalmikrofonen, insbesondere Mikrofone, die Digitalsignale mit Pulsdichtemodulation (PDM) ausgeben.
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Die Verarbeitung der aufgenommenen Audiosignale zur Verbesserung oder Vergrößerung des gewünschten Signals wird in der bidirektionalen Telekommunikation und Aufnahme eingesetzt. Dieser Aspekt der Audiosignalverbesserung unterstützt neue Anwendungsfälle, insbesondere im Einklang mit Forderungen nach kompakter Größe, leichter Integration und Verbesserung des Betriebs unter rauschbehafteten Bedingungen, während weiterhin die Audioqualität mit reduziertem Rauschen bereitgestellt wird.
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Eine entsprechende Signalverarbeitung wird für gewöhnlich unter einer Kombination aus einem Codec- und einem Digitalsignalverarbeitungs(DSP)-gerät durchgeführt, wobei die DSP-Funktionalität in die Codec-Hardware eingebettet sein kann oder in einer zum Codec externen Hardware implementiert ist und durch Daten des Codecs zugeführt wird. Weiterhin werden entsprechend verarbeitete Daten dann für die konsumierende Anwendung bereitgestellt, die auf dem gleichen oder einem anderen Prozessor läuft, um ein Aufnahmeziel oder ein Telekommunikationsziel zu unterstützen.
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Vorangegangene Konzepte umfassen mehrere integrierte Zwischenverarbeitungsschaltungschips, was die Komplexität, Größe und Energieanforderungen des Konzepts erhöht. Durch ”Chip”, und wie hierin verwendet, wird ein Stück aus Silizium bezeichnet. Die vorangegangenen Konzepte erhöhen auch die Kosten des Systems. Alle diese Probleme führten dazu, dass einige Benutzer mit vorangegangenen Konzepten nicht zufrieden sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Für ein umfassenderes Verständnis der Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Figuren Bezug genommen werden, wobei:
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1 umfasst eine Blockansicht eines Mikrofons gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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2 umfasst eine perspektivische Ansicht einer Mikrofonanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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3 umfasst eine perspektivische Ansicht einer anderen Mikrofonanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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4 umfasst eine perspektivische Ansicht einer Mikrofonanordnung unter Verwendung einer Abschirmung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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5 umfasst Querschnittsansichten von Chips, die in Mikrofonanordnungen verwendet werden, die miteinander durch ein Flip-Chip-Konzept gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind;
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6 umfasst eine Querschnittsansicht, die eine Rauschminderungsstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7A–7C umfassen eine Aufsicht und Querschnittsansichten, die ein Beispiel eines Faradayschen Käfigs auf einem Chip gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Elemente in den Figuren sind der Einfachheit halber und um Klarheit willen dargestellt. Bestimmte Aktionen und/oder Schritte können in einer speziellen Reihenfolge ihres Auftretens beschrieben oder dargestellt sein, während eine entsprechende Spezifizierung bezüglich einer Reihenfolge eigentlich nicht erforderlich ist. Die hierin verwendeten Terme und Ausdrücke stimmen mit der geläufigen Bedeutung entsprechend dieser Terme und Ausdrücke bezüglich ihrer entsprechenden Gebiete und Studiengebiete überein, abgesehen von speziellen Bedeutungen, die ansonsten hierin ausgeführt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In den hierin vorgestellten Konzepten werden verschiedene Funktionalitäten in eine einzelne Mikrofonanordnung, Gehäuse oder Gerätebaugruppe kombiniert. In einem Aspekt wird der Signalvefarbeitungspfad durch Verringerung der Anzahl von integrierten Zwischenverarbeitungsschaltungschips verringert und eine verbesserte Funktionalität innerhalb einer einzelnen Mikrofongerätebaugruppe, Anordnung oder Gehäuse bereitgestellt. Obwohl die hierin dargestellten Konzepte hinsichtlich ihrer Verwendung auf Mikrofone beschrieben sind, können diese Konzepte auch in einer beliebigen Art von Erfassungsumgebung eingesetzt oder mit einer beliebigen Art von Sensor verwendet werden.
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In einem Vorteil, der durch die hierin dargestellten Konzepte erhalten wird, wird eine Verarbeitungsmaschine mit niedrigem Leistungssignal in einer einzelnen Mikrofonanordnung bereitgestellt. In einer kompakten Verarbeitungsplattform werden verschiedene Funktionalitäten innerhalb einer kleinen Gerätebaugruppe bereitgestellt, wodurch die Anzahl an System-Pin-Verbindungen verringert wird. Die Kosten- und Systemleistungsanforderungen von entsprechenden Signalverarbeitungsmöglichkeiten werden durch Eliminieren oder Verringern einer Anzahl an zwischengeordneten Vorrichtungen optimiert, die der Anwendung dienen.
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In vielen dieser Ausführungsformen umfasst eine Mikrofonanordnung eine Basis und eine Abdeckung. An der Basis sind eine MEMS-Vorrichtung, ein Digitalsignalverarbeitungs(DSP)-Chip und wenigstens ein anderer Chip angeordnet, der eine Analogschnittstelle umfasst.
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In einigen Aspekten umfasst die Mikrofonanordnung einen Direktzugriffsspeicher (RAM). In anderen Aspekten umfasst die Mikrofonanordnung einen Nur-Lesespeicher (ROM). Es können auch verschiedene Kombinationen aus ROM und RAM verwendet werden. Die Speicherstruktur kann mit einem Teil, das auf einem DSP-Chip angeordnet ist, und dem verbleibenden Teil vertrieben werden, der auf einem anderen Chip angeordnet ist, der eine Analogschnittstelle aufweist, oder wobei der Speicher wenigstens teilweise auf einem separaten Speicherchip vorgesehen ist.
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Zur Isolierung von anderen Komponenten gegenüber Rauschen, das durch den DSP-Chip hervorgerufen wird, werden verschiedene Abschirmungskonzepte bereitgestellt. In einigen Beispielen ist eine Abschirmung über, unter und um den DSP-Chip herum angeordnet. Die Abschirmung verhindert, dass elektrisches Rauschen, das durch den DSP-Chip hervorgerufen wird, den Betrieb der anderen elektrischen Komponenten, wie z. B. der MEMS-Vorrichtung, stört.
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In anderen Beispielen wird ein Faradayscher Käfig zur Rauschisolierung verwendet. Der Faradaysche Käfig ist mit einer Masse mit niedrigem Rauschen verbunden, die von der DSP-Masse getrennt ist. Der Faradaysche Käfig kann, abhängig von der erforderlichen Isolation, um den DSP herum implementiert werden.
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Gemäß der Verwendung hierin wird unter einer Masse mit niedrigem Rauschen (auch hierin als analoge Masse bezeichnet) eine ”ruhige” Masse verstanden, die typischerweise mit analogen Komponenten verbunden ist, die gegenüber Rauschen empfindlich sind. Durch den Term ”DSP-Masse” (hierin auch als digitale Masse bezeichnet) wird eine Masse bezeichnet, die mit digitalen Komponenten verbunden ist. Weiterhin wird gemäß der Verwendung hierin unter einem Faradayschen Käfig ein elektrisch leitfähiges Gehäuse verstanden, das eine elektromagnetische oder elektrostatische Kopplung zwischen innerhalb und außerhalb des Käfigs abschirmt, solange keine Öffnungen im elektrisch leitfähigen Material, das den Faradayschen Käfig umfasst, bedeutend kleiner sind als die Wellenlänge einer relevanten elektromagnetischen Strahlung, die auf jeder Seite des Käfigs erzeugt wird, und der Abstand zwischen dem Käfig und einer elektrostatisch koppelnden Komponente auf beiden Seiten des Käfigs gering ist.
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Die hierin verwendeten Strukturen erzeugen eine elektrische Isolierung zwischen Abschnitten des DSP-Chips. Zum Beispiel kann eine vollständige Abschirmung um das DSP-Gerät herum auf dem DSP-Chip erzeugt werden und ferner empfindliche Komponenten isolieren, wie z. B. die MEMS-Vorrichtung gegenüber Rauschen, das durch den DSP-Chip hervorgerufen wird.
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Der Faradaysche Käfig kann auf verschiedene Arten konstruiert werden. Der Faradaysche Käfig kann z. B. unter Verwendung von dotierten Wannen im Siliziumsubstrat, einem Metallstück auf einer Oberseite des Chips und Durchkontaktierungen konstruiert werden, die das oberseitige Metall mit dem Siliziumsubstrat verbinden. Es wird eine maximale Abdeckung mit bereitgestellten minimalen Öffnungen bereitgestellt, die ermöglichen, dass Signale in den DSP und aus dem DSP heraus gelangen. Zur Abschirmung der Seitenwände verbinden dabei die Durchkontaktierungen Metall und Substrat um den Umfang des DSP herum.
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In anderen Aspekten, die einen Faradayschen Käfig verwenden, wird eine Abschirmung mit dem DSP-Chip und zwei geerdeten Verbindungen verwendet. In diesem Fall ist das DSP-Gerät in einem Wandabschnitt des Chips angeordnet, der im Vergleich zu der Dotierung im Siliziumsubstratbereich des Chips, der den Wandabschnitt umgibt, entgegengesetzt dotiert ist. Als Beispiel und in einem Aspekt kann die aktive Schaltung des DSP in einem n-Wannenprozess, der ein p-dotiertes Siliziumsubstrat verwendet, innerhalb einer tiefen n-dotierten Wanne in der Tat das Siliziumsubstrat gegenüber Rauschen wenigstens teilweise isolieren.
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Das p-dotierte Substrat, in dem die tiefe n-Wanne angeordnet ist, das oberseitige Metall des Chips, das kein Signal umfassen sollte und die durch den Prozess erlaubte maximale Metallabdeckung und die Durchkontaktierungen aufweisen sollte, die das oberseitige Metall und das Siliziumsubstrat um den Umfang des DSP-Geräts herum vollständig umgibt, kann mit der ”ruhigeren” Masse mit niedrigem Rauschen verbunden sein, die von der DSP-Masse getrennt ist. Demzufolge wird ein Faradayscher Käfig hervorgerufen, der die anderen Chips gegenüber Rauschen isoliert, das durch den DSP-Chip hervorgerufen wird. Beispielhafte Strukturen für den Faradayschen Käfig werden hierin an anderer Stelle ausführlicher beschrieben.
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In einigen Aspekten werden die Analogschnittstelle des DSP-Geräts zusammen mit einer anderen Funktionalität in einen einzelnen Chip integriert. In anderen Beispielen sind der DSP-Chip und der wenigstens eine Chip Seite-an-Seite angeordnet oder ansonsten in der Nähe zueinander angeordnet.
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In einigen Beispielen ist der DSP-Chip auf einer Oberseite eines Chips angeordnet, der die Analogschnittstelle umfasst. In anderen Beispielen wird ein Flip-Chip-Konzept eingesetzt, um einen Chip, der die DSP aufweist, mit einem Chip zu verbinden, der die Analogschnittstelle aufweist.
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In vielen dieser Ausführungsformen umfasst ein Mikrofon eine Basis, eine Mikrosystem(MEMS)-Vorrichtung, die auf der Basis angeordnet ist, und eine Front-End-Verarbeitungsvorrichtung, die auf der Basis angeordnet und mit der MEMS-Vorrichtung gekoppelt ist, wobei die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung ausgebildet ist, um von der MEMS-Vorrichtung empfangene analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln. Das Mikrofon umfasst auch ein DSP-Gerät, wobei das DSP-Gerät eine digital programmierte Vorrichtung mit einem Computerspeicher ist, wobei das DSP-Gerät zur Verarbeitung der Digitalsignale ausgebildet ist, die von der Front-End-Verarbeitungsvorrichtung empfangen werden. Die MEMS-Vorrichtung, die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung und das DSP-Gerät sind in ein einzelnes Mikrofongehäuse oder eine einzelne Mikrofonanordnung aufgenommen. Im Betrieb des DSP-Geräts wird DSP-Rauschen erzeugt. Das DSP-Gerät umfasst eine Rauschminderungsstruktur, die im Wesentlichen verhindert, dass das DSP-Rauschen die MEMS-Vorrichtung oder die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung erreicht oder den Betrieb davon stört.
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In anderen Aspekten ist ein Chip auf der Basis angeordnet und mit der MEMS-Vorrichtung gekoppelt. Das DSP-Gerät und die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung sind an dem Chip angeordnet. In anderen Beispielen sind ein erster Chip und ein zweiter Chip auf der Basis angeordnet und an die MEMS-Vorrichtung gekoppelt. Das DSP-Gerät ist an dem ersten Chip angeordnet und die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung ist an dem zweiten Chip angeordnet. In einigen Aspekten ist der erste Chip auf der Oberseite des zweiten Chips angeordnet.
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In einigen Beispielen umfasst die Rauschminderungsstruktur einen Faradayschen Käfig. In anderen Beispielen ist das DSP-Gerät aus unterschiedlichen Schichten gebildet und die Rauschminderungsvorrichtung ist mit einer Masse mit niedrigem Rauschen verbunden. Das DSP-Gerät umfasst ferner digitale Komponenten, wobei die digitalen Komponenten an eine digitale Masse gekoppelt sind.
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In wieder anderen Aspekten weist das DSP-Gerät mehrere Materialschichten auf, umfassend eine oberseitige Schicht. Die Rauschminderungsvorrichtung ist über der oberseitigen Schicht angeordnet.
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In anderen dieser Ausführungsformen umfasst ein Mikrofon eine Basis; eine Mikrosystem(MEMS)-Vorrichtung, die auf der Basis angeordnet ist; und eine Front-End-Verarbeitungsvorrichtung, die auf der Basis angeordnet ist und die an die MEMS-Vorrichtung gekoppelt ist. Die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung ist ausgebildet, um analog Signale, die von der MEMS-Vorrichtung empfangen werden, in Digitalsignale umzuwandeln. Ein DSP-Gerät koppelt an die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung, wobei das DSP-Gerät eine digital programmierte Vorrichtung mit einem Computerspeicher darstellt. Das DSP-Gerät ist zum Verarbeiten der Digitalsignale ausgebildet, die von der Front-End-Verarbeitungsvorrichtung empfangen werden. Die MEMS-Vorrichtung, die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung und das DSP-Gerät sind in ein einzelnes Mikrofongehäuse oder eine einzelne Mikrofonanordnung aufgenommen. Während des Betriebs erzeugt das DSP-Gerät ein DSP-Rauschen. Das DSP-Gerät umfasst eine Abschirmung, die an einem oberen Abschnitt des DSP-Geräts angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen zu verhindern, dass das DSP-Rauschen die MEMS-Vorrichtung oder die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung erreicht oder im Betrieb stört. Das DSP-Gerät ist aus unterschiedlichen Schichten gebildet und die Rauschminderungsvorrichtung ist mit einer Masse mit niedrigem Rauschen verbunden. Das DSP-Gerät umfasst ferner digitale Komponenten, wobei die digitalen Komponenten an eine digitale Masse koppeln.
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Es wird nun mit Bezug auf 1 ein Beispiel für ein Mikrofon 100 beschrieben. Das Mikrofon umfasst eine MEMS-Vorrichtung 102, eine Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 und einen Digitalsignalprozessor (DSP) 106. Der DSP 106 koppelt an externe Vorrichtungen 108.
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Die MEMS-Vorrichtung 102 stellt eine Vorrichtung dar, die Schallenergie in ein analoges elektrisches Signal umwandelt. Die MEMS-Vorrichtung 102 kann eine Membran und eine Rückplatte umfassen. Die Schallenergie bewegt die Membran und erzeugt eine Änderung des elektrischen Potentials mit der Rückplatte, um das analoge elektrische Signal hervorzurufen.
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Die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 umfasst eine Schnittstelle zu der MEMS-Vorrichtung 102. Zusätzlich kann die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung einen Vorverstärker und eine Ladungspumpe, einen Analog/Digital-Konverter (zum Wandeln der von der MEMS-Vorrichtung 102 empfangenen analogen Signale in Digitalsignale) und eine Schnittstelle zu der DSP 106 umfassen. Es können durch die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 auch andere Funktionen durchgeführt werden. Innerhalb der Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 können diese Funktionen in eine analoge MEMS-Schnittstelle, eine spezifische analoge Schaltung zur Verarbeitung analoger Signale, eine digitale Wandlerschaltung, eine spezifische digitale Logikschaltung zur weiteren digitalen Verarbeitung des Systems, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und/oder eine andere Art von Speicher und eine Digitalschnittstelle gruppiert werden.
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Der DSP 106 kann dazu programmiert sein, eine Digitalverarbeitungsfunktion auf dem empfangenen Digitalsignal durchzuführen. Der DSP 106 umfasst eine Schnittstelle zu dem vorderen Ende, eine Schnittstelle zu den externen Vorrichtungen 108 und einen Speicher (z. B. Direktzugriffsspeicher). Es können auch andere Beispiele für Funktionalitäten vorgesehen sein. Der DSP 106 kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM) umfassen. In anderen Aspekten umfasst der DSP 106 einen Nur-Lesespeicher (ROM). Es können auch verschiedene Kombinationen aus RAM und ROM verwendet werden. Demzufolge kann das Mikrofon 100 nun in seinem Gehäuse eine Speichervorrichtung umfassen.
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Die externen Vorrichtungen 108 können das Signal von dem DSP 106 empfangen und andere Verarbeitungsfunktionen durchführen. In dieser Hinsicht können die externen Vorrichtungen 108 an einem Kundengerät angeordneten Vorrichtungen darstellen, wie z. B. ein Handy, PC oder Tablet. Für Kundengeräte sind andere Beispiele denkbar.
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Die obengenannten Komponenten sind in einem einzelnen Gehäuse oder einer einzelnen Anordnung vorgesehen. In einem Aspekt sind die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 und der DSP innerhalb des einzelnen Mikrofongehäuses oder der einzelnen Mikrofonanordnung auf dem gleichen Chip angeordnet. In einem anderen Aspekt sind die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 und der DSP innerhalb des Mikrofongehäuses oder der Mikrofonanordnung auf verschiedenen Chips angeordnet.
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In einem anderen Beispiel kann der Chip, der den DSP 106 umfasst, über dem Chip mit der Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 angeordnet sein. Insbesondere kann sich der Chip mit dem DSP 106 im Allgemeinen in einer ersten Ebene befinden und der Chip mit der Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 104 kann in einer zweiten Ebene angeordnet sein. Die zwei Chips können in einer vertikalen Richtung angeordnet sein, so dass die zwei Ebenen im Allgemeinen zueinander parallel verlaufen.
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In einem Konzept kann eine Abschirmung (oder eine andere Abschirmstruktur oder andere Abschirmkonzepte) mit der DSP 106 gekoppelt, darauf angeordnet, damit gebildet oder anderweitig der DSP 106 zugeordnet sein, um zu verhindern, dass Rauschen der DSP den Betrieb der anderen Vorrichtungen in dem System stört, wie z. B. der MEMS-Vorrichtung 102. In einem Aspekt ist die Abschirmung aus einem p-Substrat und Metallstrukturen gebildet. Zur Ausbildung der Abschirmung können auch andere Materialbeispiele eingesetzt werden.
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In wieder anderen Aspekten, wenn sich der DSP-Chip auf der Oberseite des Front-End-Verarbeitungsvorrichtungschips befindet, können die Chips miteinander durch ein Flip-Chip-Konzept verbunden sein, wie hierin anderweitig beschrieben ist.
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Es wird nun mit Bezug auf 2 ein Beispiel einer Mikrofonanordnung 200 beschrieben. Die Mikrofonanordnung umfasst eine MEMS-Vorrichtung 202 und einen Chip 204, der die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 206, wie oben beschrieben ist, und ein DSP-Gerät 208 umfasst. Alle diese Komponenten sind auf einer Basis 203 angeordnet. Die MEMS-Vorrichtung 202 ist mit dem Chip 204 gekoppelt. Eine Abdeckung (nicht dargestellt) umgibt diese Komponenten. Demzufolge sind die MEMS-Vorrichtung 202, die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 206 und der DSP 208 innerhalb eines einzelnen Mikrofongehäuses oder einer einzelnen Mikrofonanordnung angeordnet.
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Es wird nun mit Bezug auf 3 ein anderes Beispiel einer Mikrofonanordnung 300 beschrieben. Die Mikrofonanordnung umfasst eine MEMS-Vorrichtung 302 und einen ersten Chip 304, der die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 306 umfasst, wie oben beschrieben ist, und einen DSP-Chip 308 mit dem DSP-Gerät 309. Alle diese Komponenten sind auf einer Basis 303 angeordnet. Die MEMS-Vorrichtung 302 koppelt an den Chip 304. Eine Abdeckung (nicht dargestellt) umgibt diese Komponenten. Demzufolge sind die MEMS-Vorrichtung 302, die Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 306 und der DSP-Chip 308 innerhalb einer einzelnen Mikrofonanordnung oder eines einzelnen Mikrofongehäuses angeordnet.
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In diesem Beispiel ist der DSP-Chip 308 über (auf einer Oberseite) des ersten Chips 304 angeordnet. Zwischen den zwei Chips können elektrische Verbindungen durch Drähte oder unter Verwendung eines Flip-Chip-Konzepts bereitgestellt sein. Die relative Anordnung der zwei Chips in 3 stellt ein Beispiel dar und es sind andere Konfigurationen möglich.
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Es wird nun mit Bezug auf 4 ein Beispiel einer Abschirmung unter Verwendung einer Abschirmung und analoger und DSP-Massen beschrieben. Die hierin beschriebenen Mikrofonanordnungen werden mit einer Masse mit niedrigem Rauschen und einer DSP-Masse bereitgestellt. Gemäß den obigen Anmerkungen wird unter einer Masse mit niedrigem Rauschen (oder eine analoge Masse), auf die in diesem Konzept Bezug genommen wird eine ”ruhige” Masse verstanden, die typischerweise mit gegenüber Rauschen empfindlichen analogen Komponenten verbunden ist. Eine DSP-Masse bezeichnet, gemäß der Bezugnahme hierin, eine mit digitalen Komponenten verbundene Masse.
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Allgemein gesprochen ist die DSP-Masse stärker rauschbehaftet als die Masse mit niedrigem Rauschen. In einigen Aspekten wird auf die Masse mit niedrigem Rauschen als eine stille Masse Bezug genommen, da ihr Rauschniveau Null oder im Wesentlichen Null beträgt.
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Gemäß der Darstellung in 4 umfasst ein Mikrofon 400 eine MEMS-Vorrichtung 402. Eine Front-End-Vorrichtung 404 (mit einer analogen Schnittstelle) und ein DSP 406 sind auf einem Chip 408 angeordnet. Der DSP 406 ist rauschbehaftet, so dass es in vorangegangenen Konzepten keine Anregung dazu gab, überhaupt einen DSP zusammen mit den anderen Mikrofonkomponenten in der gleichen Anordnung vorzusehen.
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Hier kann der DSP 406 aus mehreren Materialschichten gebildet sein. In einem Aspekt ist eine Abschirmung 410 auf einer Oberseite des DSP 406 angeordnet und mit einer Masse 412 mit niedrigem Rauschen verbunden. Die digitalen Komponenten (z. B. die digitalen Komponenten in der Front-End-Vorrichtung 404) können mit einer DSP-Masse 414 verbunden sein. Diese Konfiguration verringert die Menge an Rauschen, die von der DSP 406 zu der MEMS-Vorrichtung 402 und dem Chip 408 wandern kann. Der Chip 408 und die MEMS-Vorrichtung 402 sind auf einer Basis 403 angeordnet. Eine Abdeckung 405 ist mit der Basis 403 verbunden und umgibt die Komponenten. Ein Schlitz 407 in der Abdeckung ermöglicht ein Eintreten von Schallenergie in das Mikrofon 400.
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Es wird nun mit Bezug auf 5 ein Beispiel für eine Verwendung eines Flip-Chip-Designs in den vorliegenden Konzepten beschrieben. Ein erster Chip 502 umfasst einen DSP 504. Ein zweiter Chip 506 umfasst eine Front-End-Verarbeitungsvorrichtung 507. Die Chips sind anfänglich in einer ersten Position 510 angeordnet. In dem ersten Chip 502 sind erste Löcher oder Öffnungen 512 gebildet und in dem zweiten Chip 506 sind zweite Löcher oder Öffnungen 514 gebildet. In einem Aspekt können Drähte an die Löcher 512, 514 gelötet sein, um elektrische Verbindungen zu anderen Komponenten zu bilden.
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Die Löcher sind jedoch in dem Flip-Chip-Design, und wie in Position 520 dargestellt ist, mit einem Lot (z. B. Gold) gefüllt und der erste Chip steht darstellungsgemäß auf dem Kopf. Die Löcher 514 im unteren Chip 506 sind bezüglich der Löchern 512 im oberen Chip ausgerichtet (nun mit dem Lot 522 gefüllt). Zwischen den zwei Chips 502 und 506 sind elektrische Verbindungen vorgesehen, da die Löcher 512, 514 zueinander ausgerichtet sind.
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Das in 5 beschriebene Flip-Chip-Verbindungskonzept eliminiert den Bedarf an getrennten Drähten zwischen den zwei Chips 502 und 506. Zusätzlich verringert dieses Konzept auch die Höhe der Mikrofonanordnung. Dieses Konzept kann in einem beliebigen Beispiel eingesetzt werden, das hierin beschrieben ist, um zwei separate Chips miteinander zu verbinden. Es können andere Flip-Chip-Verbindungsansätze und Materialien verwendet werden, z. B. eine Abscheidung eines Lotmaterials auf lediglich einem der Chips, eine Verwendung von z. B. Wärme oder Vibration zum Bonden, oder ein elektrisch leitfähiger Kleber.
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Es werden nun mit Bezug auf 6 Isolationskonzepte für Chips in einer Mikrofonanordnung beschrieben. Ein Chip 600 umfasst einen leicht dotierten Wannenabschnitt 602 und einen stärker dotierten äußeren Abschnitt 606. Der Wannenabschnitt 602 weist eine DSP-Verarbeitungskomponente 604 (z. B. Transistoren, Schalter und andere Vorrichtungen) auf.
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Der Wannenabschnitt 602 ist mit einer DSP-Masse 610 verbunden. Der äußere Abschnitt 606 ist mit der Masse 622 mit niedrigem Rauschen verbunden. Auf der Oberseite der DSP-Verarbeitungskomponente 604 oder entlang der gesamten Oberseite des Chips 600 kann eine Abschirmung 620 angeordnet sein. Diese Struktur ruft eine vollständige Abschirmung um den DSP hervor und isoliert weiterhin empfindliche Komponenten, wie z. B. die MEMS-Vorrichtung gegenüber Rauschen.
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Es wird nun mit Bezug auf die 7A–C eine Ausführungsform des Faradayschen Käfigs beschrieben. 7A zeigt eine Aufsicht des Chips mit dem DSP-Gerät. Eine oberste Metallschicht 701 ist mit Öffnungen angeordnet, die lediglich erforderlich sind, um auf Signale zuzugreifen und die Schaltungen in dem Chip mit Energie zu versorgen, wie in der Herstellung durch Metalldichteregeln gefordert wird. Die Metallschicht 701 stellt eine Metallabschirmung dar. Zur Kopplung an Energie und Signal werden Metallanschlüsse 711 verwendet und sie sind von der Metallschicht/-abschirmung 701 durch einen schmalen Spalt 721 isoliert. Der Anschluss 710 dient zur Verbindung der Masse mit niedrigem Rauschen mit dem Faradayschen Käfig. Der Anschluss 710 kann auch einen Spalt 721 zu der umgebenden Abschirmung 701 aufweisen und auf einem niedrigeren Metallniveau verbunden sein, falls dies durch Herstellungsregeln erforderlich ist, jedoch kann er auch direkt mit der obersten Metallschicht 701 verbunden sein.
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7B stellt eine Querschnittsansicht des Chips dar. Die oberste Metallschicht 701 ist um die Peripherie durch die Durchkontaktierungen 703, die zwischengelagerten Metallschichten 702, Kontakte 704 und p-dotierten Abschnitte des Siliziumsubstrats 705 mit dem leicht p-dotierten Siliziumsubstrat 706 verbunden, welches das Innere des Chips in einem elektrisch verbundenen Faradayschen Käfig effizient aufnimmt.
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Innerhalb des Substrats und des Metallkäfigs sind die Schaltungen des DSP-Geräts in einer tiefen n-dotierten Wanne 707 angeordnet, die die n- und p-dotierten Wannen 708 der DSP-Schaltungen von dem Siliziumsubstrat effizient isoliert. Es können andere Schaltungen, die eine Isolierung gegenüber der DSP-Vorrichtung erfordern, in separaten tiefen n-dotierten Wannen 709 angeordnet sein.
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7C stellt eine Seitenansicht des Chips dar, die zeigt, wie oberseitiges Metall 701, Durchkontaktierungen 703, zwischengelagerte Metallschichten 702, Kontakte 704, einen p-dotierten Abschnitt des Siliziumsubstrats 705 und ein Siliziumsubstrat 706 effizient eine elektrisch verbundene Abschirmung mit Öffnungen mit lediglich kleiner Dimension zwischen Metallschichten, Durchkontaktierungen, Kontakten und Substraten erzeugt. Diese Öffnungen können minimiert sein, um an den relevanten Frequenzen und Abständen einen effizienten Faradayschen Käfig zu erzeugen.
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Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sind hierin beschrieben, einschließlich des den Erfindern zur Ausführung der Erfindung bekannten besten Modus. Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und sollten den Rahmen der Erfindung nicht beschränken.
