JP6635273B2 - 改善された感度を有するｍｅｍｓマイクロフォン - Google Patents

Description

本発明は、改善された感度を有するＭＥＭＳマイクロフォンに関し、たとえばその感度の温度依存性が低減されたＭＥＭＳマイクロフォンに関する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、可変静電容量を有する１つのＭＥＭＳキャパシタを備え、この静電容量の変化は受信した音響信号を反映している。さらに、ＭＥＭＳマイクロフォンは、電気回路および電子回路を１つのＡＳＩＣ（Application-Specific Integrated Circuit）に備えている。このＭＥＭＳキャパシタおよび１つのＡＳＩＣチップの上記のＡＳＩＣにおける回路を周囲環境の悪い影響から保護するために、ＭＥＭＳマイクロフォンチップは、パッケージング部品を備える。このＭＥＭＳキャパシタ、ＡＳＩＣ、およびこのＭＥＭＳマイクロフォンの信号におけるこのパッケージング部品の影響は、電気的特性において、温度が誘発する変化を起こし易い。具体的には、温度の上昇は、マイクロフォンの信号品質を劣化させ、そしてこのマイクロフォンの複雑な構造のために、この劣化全体へのこのマイクロフォンの部品（複数）の各々の寄与も複雑である。

以上のように、必要とされているものは、改善された信号品質、特に改善された感度、たとえば温度依存性が低減または除去された感度を有するＭＥＭＳマイクロフォンである。

信号品質を改善するＭＥＭＳマイクロフォンまたはこのようなマイクロフォンの部品は、たとえば特許文献１〜３に開示されている。

米国特許第７８８００３０号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０２００２１２号明細書 米国特許第８０６７９９２号明細書

しかしながら、まだ感度の改善は可能である。

独立請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロフォンは、本発明による改善された感度を有する１つのマイクロフォンを提供する。 従属請求項は、本発明の好ましい実施形態を提供する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、１つの可変キャパシタンスを有する１つのＭＥＭＳキャパシタ、このＭＥＭＳキャパシタを充電するために設けられた１つの充電回路、およびこの充電回路に印加されるバイアス電圧を生成するために設けられたバイアス回路を備える。このバイアス回路は、１つの閉ループ制御回路を備える。上記の充電回路に印加されるこのバイアス電圧は、温度依存性を有する。

こうして上記のバイアス回路の閉ループ制御回路は、上記の充電回路を制御する、温度依存のバイアス電圧を供給する。

異なるＭＥＭＳマイクロフォンは、異なる温度依存性の感度曲線を有することが見出され、これらの温度曲線は、温度が誘発するマイクロフォンの感度の劣化を表している。上述したように、複雑なマイクロフォンの温度による誘発される劣化は、複雑に協働する複数の因子に依存している。これらの複数の因子の１つを除去する技術的手段は、マイクロフォンの信号品質を改善することができる。しかしながら、このような改善されたマイクロフォンでさえ、まだその感度の温度依存性を有している。

しかしながら、本発明によるマイクロフォンでは、バイアス電圧の温度依存性は、広い温度範囲で実際上全く感度の温度依存性の無いマイクロフォンをもたらす。

本発明によるＭＥＭＳマイクロフォンにおけるＭＥＭＳキャパシタの感度は、主にこのＭＥＭＳキャパシタに印加される電圧に比例するので、充電回路によって給電される、このキャパシタの電圧の制御は、温度が誘発するマイクロフォン全体の感度劣化を、このマイクロフォンの部品の各々を個々に補償する必要無しに、補償することを可能とする。

上記の充電回路を制御する、したがって上記のＭＥＭＳキャパシタに印加される電圧を制御する、上記のバイアス回路の閉ループ制御回路は、上記のマイクロフォンの動作温度を定期的にモニタリングすることができ、そしてこれに適応して最適なバイアス電圧を選択することにより、温度が誘発する劣化を補償することができる。

上記のバイアス電圧が、部分毎に直線状の温度依存性を有することも可能である。

上記のマイクロフォンの複雑な温度依存性の感度は、部分毎に直線状のセグメント（複数）によって、広い温度範囲に渡って近似することができる。これらのセグメントの数は、必要な要求仕様を満足する温度補償を得るために選択されてよい。これらのセグメントを規定する温度区間（複数）は、温度閾値（複数）によって表される。これらの閾値温度は、上記の温度依存性の感度が大きな傾きを有する場合は、小さな温度差で選択されてよい。もし上記の温度依存性の感度が概ね小さな傾きを有する場合は、上記のセグメント（複数）はより幅広くなっていてよい。こうして、マイクロフォンの個々の部品の寄与を補償する必要無く、広い温度範囲に渡って、改善された感度を有する温度補償されたＭＥＭＳマイクロフォンを提供するために、上記の温度依存性の感度を部分毎に直線近似する少数のセグメントを用いて、これに対応する、上記の閾値温度を有する、部分毎に直線のバイアス電圧のセットを得ることができる。

上記のＭＥＭＳマイクロフォンは１つの温度センサを備えることができる。この温度センサは、上記のバイアス回路の閉ループ制御回路の一部分であってよい。

この温度センサは、絶対温度に比例する温度信号を出力することができる。このような温度信号は、ＰＴＡＴ電圧Ｖ_ｓｉｎ（ＰＴＡＴ＝Proportional To Absolute Temperature）であってよい。

このような電圧は、比較的簡単な回路トポロジーを有する上記の閉ループ制御回路で利用されるのに良好に適している。

この閉ループ制御回路が１つの傾斜発生器を備えることが可能である。この傾斜発生器は、所与の動作温度で上記のバイアス電圧の傾斜を生成することができ、たとえば１つの温度区間内で、部分毎に直線状の温度依存性を提供するバイアス回路が用いられる。

上記の傾斜発生器が、１つのコンパレータおよび複数の、１つの抵抗および１つのスイッチから成る直列接続体を備えることが可能である。

この抵抗は１つの可変抵抗を有してよい。この傾斜発生器のこれらの抵抗の抵抗値を設定することによって、上記のバイアス電圧の温度依存性が、温度補償されたマイクロフォンを提供するように、構成することができる。特に、各々の抵抗の抵抗値は、上記のバイアス電圧が部分毎の直線状の温度依存性となっている、１つのセグメントの、それぞれ対応する傾斜を決定するように選定することができる。

上記の閉ループ制御回路が、上記の傾斜発生器を制御する１つの傾斜制御回路を備えることが可能である。この傾斜制御回路は、上記の傾斜発生器に１つの信号または複数の信号を供給してこの傾斜発生器に実際の温度についてまたは実際の温度範囲または温度区間についての情報を与えることができる。

上記の傾斜制御回路は、複数のコンパレータを備えることが可能である。

上記の傾斜制御回路のコンパレータの各々は、この傾斜発生器の上記の複数の直列接続体の１つに直接接続されていてよい。

上記の充電回路が１つのチャージポンプを備えることが可能である。このチャージポンプは、ディクソン型チャージポンプのような従来のチャージポンプであってよい。

上記の傾斜発生器は、温度に対して直線性の電圧Ｖ_ｓｇを発生することが可能である。さらにこのＶ_ｓｇの傾斜は、所与の温度で、または所与の温度区間内で、マイクロフォンの感度の温度依存性−Ｓ（ｔ）の負の傾斜にほぼ比例している。

上記の傾斜発生器で発生されるこのＰＴＡＴ電圧Ｖ_ｓｇは、感度劣化の大きさを反映しており、そしてこれに対応する対策を提供する。これはこの電圧が、ＭＥＭＳキャパシタに輸送される、適合した追加の電荷を担うからである。

このＰＴＡＴ電圧Ｖ_ｓｇは、他のオフセット電圧に加えて、上記の充電回路に通電されるバイアス電圧を確定する。

上記のバイアス電圧が、温度に依存しない電圧（複数）および温度に依存する電圧（複数）から選択された複数の電圧の合計であることが可能である。

さらに、上記のＭＥＭＳマイクロフォンが、１つのＡＳＩＣを備えることが可能であり、ここで上記のバイアス回路は、このＡＳＩＣの一部分であり、そして少なくとも部分的に１つのＡＳＩＣチップに配設されている。

さらに、上記のＭＥＭＳマイクロフォンが、直線パラメータ（複数）を格納するための、追加的な１つの不揮発性メモリを備えることが可能である。

これらの直線パラメータは、上記の傾斜発生器の可変抵抗値を有する抵抗の抵抗値をコード化することができる。これらの抵抗値の正確な値は、１つのワンタイムプログラミングステップにおいて、上記のマイクロフォンに伝送され、そしてこのマイクロフォンの製造後の較正処理で決定することができる。

この較正処理は、上記のマイクロフォンの動作温度を上昇するステップと、同時にこのマイクロフォンの温度依存性の感度をモニタリングするステップとを備えてよい。この温度依存性の感度は、部分毎に直線状の曲線で近似することができ、そして上記の直線パラメータは、これらの部分毎の直線状のセグメントの傾斜の符号を反転することによって直接得ることができる。

本発明、本発明の基本動作原理、および本発明の好ましい実施形態が、これらに付随する以下の図に示されている。
本発明によるマイクロフォンの基本等価回路図を示す。 傾斜が次第に減少する、１つの可能な温度依存性の感度を示す。 感度の絶対値が次第に減少する、１つの可能な温度依存性の感度曲線を示す。 傾斜発生器によって発生された電圧Ｖ_ｓｇおよびバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓの、部分毎に異なる直線状のセグメントを示す。このバイアス電圧は、この傾斜発生器によって発生された電圧と、１つのオフセット電圧との合計であってよい。 ＰＴＡＴ電圧を供給する、温度センサの１つの可能な出力を示す。 本発明によるマイクロフォンのさらに詳細な等価回路図を示し、ここでバイアス回路は、閉ループ制御回路内に１つの温度センサ、１つの傾斜制御回路、および１つの傾斜発生器を備える。 バイアス回路に１つの電圧バッファを備える、別の実施形態を示す。 さらに１つの増幅器を備える別の実施形態を示す。 １つの傾斜制御回路、１つの温度センサ、および１つの傾斜発生器の実施形態を示す。 １つのチャージポンプの複数の素子を備える、１つの充電回路の１つの可能な実施形態を示す。

図１は、１つのＭＥＭＳマイクロフォンＭＭの基本的な実施形態の等価回路図を示す。このマイクロフォンＭＭは、１つのＭＥＭＳデバイス、たとえば１つのＭＥＭＳチップＭＥＭＳに配設され得る１つのＭＥＭＳキャパシタＭＣＡＰを備える。さらにこのマイクロフォンは、１つのバイアス回路ＢＣおよび１つの充電回路ＣＣを備える。このバイアス回路ＢＣは、この充電回路ＣＣを制御する制御信号を出力する。この充電回路ＣＣは、ＭＥＭＳキャパシタＭＣＡＰ用の動作電圧を発生し、そしてこれに対応した電荷をこのキャパシタに転送する。このキャパシタは、２つ以上の電極を備えてよい。これらの電極の少なくとも１つは、信号出力ＳＯに接続されており、ここで、受信された音響信号をコーディングしている電気信号が得られ、この電気信号はさらに処理される。

バイアス回路ＢＣは、上記の充電回路を制御する制御信号を生成する閉ループ制御回路ＣＬＣＣを備える。この制御信号は、上記の制御回路ＣＣに印加される電圧信号であってよい。

上記の閉ループ制御回路内には、実際の動作温度をモニタリングし、これに合わせて上記の制御信号を調整する１つの閉ループ回路が含まれている。

図２および３は、１つのＭＥＭＳマイクロフォンの異なる温度依存性の感度曲線を示す。図２においては、１つの感度曲線とこれに対応する部分毎の直線近似が示されており、ここでこの感度は温度の上昇と共に低下している。しかしながら、この感度の傾斜の絶対値は、温度の上昇と共に低下する。閾値Ｔ_１， ．．．，Ｔ_Ｎは、所与の数の閾値温度に対し、部分毎に直線のセグメントによるこの感度曲線の近似が出来る限り良好となるように選択されている。こうして上記の温度依存性の感度曲線の傾斜の絶対値が比較的大きい部分では、上記の温度区間は極めて狭く選択されてよい。上記の温度依存性の感度曲線の傾斜の絶対値が非常に小さい領域においては、広い温度区間を選択することができる。こうして低い温度においては、上記の近似の温度区間は図２においては高温におけるよりも狭くなっている。

これに対し、図３は、上記の傾斜の絶対値が温度の上昇と共に増大する場合を示している。これに対応して、部分的な直線状のセグメントに対する温度区間は、低い温度では比較的広くなっていてよい。これらの温度区間の幅は、高い温度では低減されてよい。

図４は、上記の傾斜発生器によって発生された電圧の１つの可能な出力Ｖ_ｓｇを示す。実際の動作温度およびこれに対応する温度区間に依存して、それぞれ１つの異なるオフセットを有する１つの異なる傾斜が提供される。上記の充電回路に供給されるバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓを得るために、１つの追加的なオフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}が上記の傾斜発生器の出力に加えられてよい。この追加的なオフセット電圧は、８〜１６Ｖの範囲であってよく、ここで上記の傾斜発生器によって発生される電圧の変化は、１〜２Ｖの範囲であってよい。

図５は、絶対温度を基準にして、１つの電圧を出力する１つのＰＴＡＴ温度センサの出力を示す。

図６は、１つのＭＥＭＳマイクロフォンの１つの実施形態を示し、ここでバイアス回路ＢＣは、１つの温度センサＴＳを有する１つの閉ループ制御回路ＣＬＣＣ、１つの傾斜制御回路ＳＣＣ、および１つの傾斜発生器ＳＧを備える。この温度センサＴＳは、１つの温度信号、たとえば絶対温度に比例している電圧を、この傾斜制御回路およびこの傾斜発生器ＳＧに供給する。この傾斜制御回路ＳＣＣは、１つ以上の制御信号を傾斜発生器ＳＧに供給する。

この傾斜発生器ＳＧの出力は、充電回路ＣＣに送られる。この充電回路ＣＣに供給される信号は、１つの追加的なオフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}に加えられる、１つの制御電圧Ｖ_ｓｃまたは１つの制御電圧Ｖ_ｓｇであってよい。

図７は、上記の閉ループ制御回路ＣＬＣＣのさらに詳細な実施形態を示し、傾斜発生器ＳＧの出力が１つの電圧バッファＶＢに接続されており、この電圧バッファは、１つの制御信号を充電回路ＣＣに供給する。しかしながらこの電圧バッファは任意で追加されるものであり、省略することができる。

図８は、もう１つの実施形態を示し、ここではＭＥＭＳキャパシタの出力が、１つの増幅器ＡＭＰに接続されている。この増幅器ＡＭＰは、上記のバイアス回路および／または上記の充電回路の他の回路部品と共に１つのＡＳＩＣチップに組み込まれていてよい。図８に示す増幅器は、任意で追加されるものであり、省略することができる。

図９は、上記の閉ループ制御回路の閉ループを示す。温度センサＴＳは、絶対温度に比例した１つの電圧を発生する１つの電圧発生素子となっていてよく、この温度センサは、１つの抵抗Ｒを介してグラウンドに接続されていてよい。さらに、このＰＴＡＴ電圧発生素子の出力は、傾斜制御回路ＳＣＣおよび傾斜発生器ＳＣに接続されていてよい。この傾斜制御回路は、複数のコンパレータを備え、ここで図９に示す実施形態は、３つのコンパレータを有している。各々のコンパレータは、２つの入力を有し、ここでこれら２つの入力の内の１つは１つの反転入力となっている。これらのコンパレータの非反転入力は、温度センサＴＳに接続されている。各々のコンパレータの出力は、対応する１つの信号ラインを介して上記の傾斜発生器の１つのスイッチに供給されている。この傾斜発生器は、複数の、１つの抵抗素子および１つのスイッチから成る直列接続体を備える。図９に示す実施形態は、３つの直列接続体を備え、ここで第１の直列接続体は、１つの抵抗Ｒ１および１つのスイッチＳ１を有する。第２の直列接続体は、１つの抵抗Ｒ２および１つのスイッチＳ２を有し、第３の直列接続体は、１つの抵抗Ｒ３および１つのスイッチＳ３を有する。さらに、上記の傾斜発生器は、これらの直列接続体に対し並列に接続された１つの追加的な抵抗素子、およびグラウンドに接続されたもう１つの追加的な素子を有する。上記の直列接続体（複数）に対し並列に接続されて、１つのコンパレータが上記の傾斜発生器ＳＧに備えられている。このコンパレータの反転入力は、上記の直列接続体（複数）に接続されており、すなわちこれらの直列接続体の抵抗側に接続されており、これに対しこのコンパレータの非反転入力は、温度センサＴＳに接続されている。

基準電圧、たとえば図９における基準電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、上記の傾斜制御回路のコンパレータ（複数）の反転入力に印加される。これらの基準電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、上記の温度センサＴＳによって供給される電圧と比較される。実際の温度に依存して、この温度センサＴＳによって供給される電圧は、この傾斜制御回路の幾つかのコンパレータに、それぞれ対応する上記の傾斜発生器のスイッチを作動する作動信号を生成させる。こうしてこの傾斜発生器のこれらのスイッチの切り替え状態は、温度に依存し、そしてこの傾斜制御回路に印加される基準電圧に依存している。これに応じて、図４に示す出力電圧Ｖ_ｓｇを、部分的な直線状のセグメントを用いて得ることができる。

図１０は、上記の充電回路ＣＣの１つの可能な実施形態を示し、この充電回路は、基本素子（複数）の直列接続体を備える１つのディクソン型チャージポンプで実現されており、各々の素子は１つのダイオードおよび１つの蓄積キャパシタを備えている。上記の傾斜発生器ＳＧの出力と上記の充電器ＣＣの入力との間には、１つのさらなる電圧フォロワが設けられていてよい。この充電回路ＣＣの出力は、上記のＭＥＭＳキャパシタの１つ以上の電極に接続されていてよい。

本ＭＥＭＳマイクロフォンは上記の実施形態あるいは図示された実施形態に限定されない。さらなる回路素子、たとえばさらなる増幅器回路あるいはさらに多くのコンパレータまたは直列接続体を、上記の傾斜制御回路および上記の傾斜発生器にそれぞれ備えるマイクロフォンも、本発明に含まれるものである。

ＡＭＰ ： 増幅器
ＢＣ ： バイアス回路
ＣＣ ： 充電回路
ＣＬＣＣ ： 閉ループ制御回路
ＭＣＡＰ ： ＭＥＭＳ キャパシタ
ＭＥＭＳ ： ＭＥＭＳキャパシタを備えるＭＥＭＳ部品
ＭＭ ： ＭＥＭＳマイクロフォン
Ｒ ： 抵抗
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３： 抵抗
Ｓ ： 感度
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３： スイッチ
ＳＣＣ ： 傾斜制御回路
ＳＧ ： 傾斜発生器
ＳＯ ： 信号出力
Ｔ ： 温度
Ｔ_１， Ｔ_２， ．．．，Ｔ_Ｎ ： 閾値温度
ＴＳ ： 温度センサ
Ｖ ： 電圧
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３： 電圧
ＶＢ ： 電圧バッファ
Ｖ_ｂｉａｓ ： 充電回路を制御するバイアス電圧
Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ} ： オフセット電圧
Ｖ_ｓｇ ： 傾斜発生器の出力電圧

Claims (12)

1. 改善された感度を有するＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＭ）であって、
   １つの可変キャパシタンスを有する１つのＭＥＭＳキャパシタ（ＭＣＡＰ）と、
   前記ＭＥＭＳキャパシタ（ＭＣＡＰ）を充電するために設けられた１つの充電回路（ＣＣ）と、
   前記充電回路（ＣＣ）に印加されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓを生成するために設けられた１つのバイアス回路（ＢＣ）と、
   を備え、
   前記バイアス回路（ＢＣ）は、１つの閉ループ制御回路（ＣＬＣＣ）を備え、
   前記バイアス電圧Ｖｂｉａｓは、温度区間ごとに異なる傾斜の温度依存性を有する、
   ことを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
2. 前記閉ループ制御回路（ＣＬＣＣ）は、１つの温度センサ（ＴＳ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
3. 前記温度センサ（ＴＳ）は、ＰＴＡＴ電圧Ｖｓｅｎを出力することを特徴とする、請求項２に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
4. 前記閉ループ制御回路（ＣＬＣＣ）は、１つの傾斜発生器（ＳＧ）を備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
5. 前記傾斜発生器（ＳＧ）は、１つのコンパレータおよび複数の、１つの抵抗（Ｒ）および１つのスイッチ（Ｓ）から成る直列接続体を備えることを特徴とする、請求項４に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
6. 前記閉ループ制御回路（ＣＬＣＣ）は、１つの傾斜制御回路（ＳＣＣ）を備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
7. 前記傾斜制御回路（ＳＣＣ）は、複数のコンパレータを備えることを特徴とする、請求項６に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
8. 前記充電回路（ＣＣ）は、１つのチャージポンプを備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
9. 請求項４又は５に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、
   前記傾斜発生器（ＳＧ）は、直線性の電圧Ｖｓｇを発生し、
   前記Ｖｓｇの傾斜は、所与の温度で前記ＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＭ）の感度の温度依存性−Ｓ（ｔ）の負の傾斜にほぼ比例している、
   ことを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
10. 前記バイアス電圧は、複数の温度に依存しない電圧および複数の温度に依存する電圧から選択された複数の電圧の合計であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
11. 前記バイアス回路（ＢＣ）は、前記ＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＭ）の１つのＡＳＩＣの一部分であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
12. 前記ＭＥＭＳマイクロフォンは、直線パラメータ（複数）を格納するための、１つの不揮発性メモリを備えることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。

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