KR101138447B1

KR101138447B1 - 콘덴서 마이크로폰들에서 진동판 콜랩스 검출 및 제어

Info

Publication number: KR101138447B1
Application number: KR1020050042800A
Authority: KR
Inventors: 라스 존 스텐버그; 젠스 크리스챤 폴센; 할테렌 알트 제거 반
Original assignee: 소니온 에이/에스
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2005-05-21
Publication date: 2012-04-26
Also published as: CN1741685B; EP1599067B1; US7548626B2; CN1741685A; EP1599067A3; EP1599067A2; KR20060048056A; US20060008097A1

Abstract

본 발명은 변환기 소자 진동판과 뒤판 사이의 분리 혹은 거리에 관련된 물리적 파라미터 값을 결정하는 검출 수단과, 그리고 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 변환기 소자의 DC 바이어스 전압을 제어하는 콜랩스 제어 수단을 포함하는 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.

진동판 콜랩스 검출 수단 및 제어 수단, 콘덴서 마이크로폰.

Description

콘덴서 마이크로폰들에서 진동판 콜랩스 검출 및 제어{DETECTION AND CONTROL OF DIAPHRAGM COLLAPSE IN CONDENSER MICROPHONES}

아래서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명되며, 도면은 다음과 같다.

도 1은 콜랩스 검출 및 제어 회로의 바람직한 실시예를 도시한다.

도 2는 DC 바이어스 전압 발생기의 바람직한 실시예를 도시한다.

도 3은 프로브 신호를 사용하는 콜랩스 검출 및 제어 회로의 실시예 다이어그램을 도시한다. 그리고

도 4는 센서 마이크로폰을 사용하는 콜랩스 검출 회로와 디지털 신호 프로세서(DSP)를 사용하여 실시되는 제어 회로의 다른 실시예 다이어그램을 도시한다.

본 발명은 다양한 수정들 및 대체 형태들이 가능하지만, 특정 실시예들이 도면에서 예시로서 도시되었고 여기서 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태들에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 모든 수정물, 균등물, 그리고 대체물들을 포함하도록 의도된다.

본 발명은 변환기 소자(transducer element) 진동판(diaphragm)과 뒤판(back-plate) 사이의 분리(separation)에 관한 물리적 파라미터 값을 결정하는 검출 수단(detection means)과 그리고 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 변환기 소자의 DC 바이어스 전압을 제어하는 콜랩스 제어 수단(collapse control means)을 포함하는 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.

정전 구동 장치(electrostatic actuator) 및 센서들은 비정상적인 고 음압 레벨들이나 기계적 쇼크에 노출된 경우와 같은 특정 동작 조건들 하에서, 바람직하지 않은, 소위 콜랩스 상태에 돌입한다.

콜랩스 상태는 실리콘 변환기 소자를 개시하는 PCT 특허 출원 WO 02/098166에 설명된 바와 같이 진동판과 뒤판 사이의 "콜랩스" 혹은 접착(sticktion)으로 특징지어진다. 유입되는 음압(sound pressure)의 극성이 진동판(일반적으로 이동가능 판)으로 하여금 뒤판을 향해 쏠리도록 하면, 충돌 음압으로부터 발생하는 힘은 진동판과 뒤판 사이에 제공되는 DC 전계로부터 야기되는 인력(attractive force)과 결합된다. 이러한 힘들의 합이 소정의 임계값을 초과하면, 진동판 버팀(suspension)에 의한 반대 힘은 진동판이 뒤판에 접근하여 접촉하는 것을 막을 만큼 충분하지 못하고, 따라서 마이크로폰은 콜랩스 상태에 들어간다. 진동판에 작용하는 DC 전계로부터의 인력이 제거되거나 적어도 크기가 상당량 감소할 때만 진동판은 뒤판으로부터 분리될 수 있다.

US 5,870,482는 종래 기술 실리콘 마이크로폰을 개시하고, 여기서 마이크로폰 진동판의 최대 쏠림을 콜랩스 제한(상기 개시된 마이크로폰 구성에서는 약 1μm)보다작게 제한함으로써 진동판 콜랩스를 방지하도록 하는 기계적 대안이 포함되었다.

진동판의 콜랩스를 방지하도록 하는 특별한 수단을 구비하지 않은 실리콘 콘덴서 마이크로폰에서, 마이크로폰 DC 바이어스 전압을 완전히 혹은 적어도 일부를 제거하는 것은 콜랩스 상태를 치유하여 변환기 소자가 정상 혹은 휴지(quiescent) 동작 상태로 복귀하게 해줄 것이다. 일반적으로, 진동판 및 뒤판 콘덴서 판들 모두는, 변환기 소자 진동판과 뒤판 사이의 DC 전계를 생성하는 DC 바이어스 전압이 제거된 경우(0으로 된 경우)에도 진동판 점착을 유지하게 하는 반데르발스 힘(Van der Waal force)을 방지해주는 비전도성 반점착 코팅(non-conducting anti-sticktion coating)으로 처리된다.

발명자의 인식 범위에서, 콘덴서 마이크로폰들에서 사용하기 위한 콜랩스 검출 및 제어 회로는 아직 개시되지 않았다. 이를 해결하는 것이 본 명세서의 과제이다.

본 발명의 일 양상은 전기적 도체 부분을 구비한 진동판과 전기적 도체 부분을 구비한 뒤판을 포함한 변환기 소자와, 상기 진동판과 상기 뒤판에 연결된 DC 바이어스 전압 수단과, 상기 진동판과 상기 뒤판 사이의 분리에 관련된 물리적 파라미터 값을 결정하는 콜랩스 검출 수단과, 그리고 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 DC 바이어스 전압 수단을 제어하는 콜랩스 제어 수단을 포함하는 콘덴서 마이크로폰을 제공한다.

상기 콜랩스 검출은 콜랩스에 관한 변환기 소자의 작동 조건 혹은 상태의 척도로서 진동판과 뒤판 사이의 분리 또는 거리를 검출한다. 콜랩스가 발생한 경우에는 진동판과 뒤판 사이는 분리되지 않는다. 아주 조금 분리된 경우는 상기 변환기 소자가 거의 콜랩스되었다는 것을 의미한다. 상기 진동판과 상기 뒤판 사이의 큰 분리 또는 거리는 상기 변환기 소자가 콜랩스상태와 거리가 먼 안정된 동작 조건에 있음을 나타낸다.

콜랩스 제어 수단은 변환기 소자의 동작 상태를 제어하기 위해 DC 바이어스 전압을 제어한다. 콜랩스가 일어난 경우에, 상기 DC 바이어스 전압을 감소시키거나 완전하게 제거함으로써 변환기 소자의 콜랩스 상태를 치유할 수 있다. 안전 동작 상태로 검출되거나 결정된 경우에, 상기 콜랩스 제어 수단은 정상 혹은 공칭 DC 바이어스 전압을 제공할 것이다. 만약 콜랩스 검출 수단이 상기 진동판과 상기 뒤판 사이가 너무 조금 분리되었다고 판단하는 경우에는, DC 바이어스 전압을 줄여서 상기 진동판과 뒤판 사이의 DC 전계 세기를 감소시킴으로써 콜랩스 발생을 방지하는 것이 바람직하다.

콜랩스 검출 수단은 상기 물리적 파라미터의 순간 값 혹은 상기 물리적 파라미터의 단-기간 평균값을 결정한다. 단일 음압 피크는 콜랩스를 야기하기 때문에, 피크 값(즉, 물리적 파라미터의 순간 값)을 모니터하는 것이 바람직하다. 그러나, 단기간 동안(1-100μs(혹은 100μs)와 100ms 사이의 시간과 같은)의 물리적 파라미터 값을 평균하는 것이 선호된다.

일부 실시예들에서, 콜랩스 제어 수단은 변환기 소자의 콜랩스를 예방한다. 대안적인 실시예에서, 콜랩스 제어 수단은 변환기 소자의 콜랩스를 허용하고, 상기 변환기 소자에 연결되어 소정의 방전 시간 동안 변환기 소자를 방전하는 방전 수단에 의해 콜랩스 상태를 치유한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 양상은 복원 불가능한 콜랩스 상태로의 진입 없이 고 음압 레벨들 혹은 드롭 유도 쇼크들(drop induced shocks)을 처리할 수 있는 콘덴서 마이크로폰을 제공한다. 후자의 상태는 사용자가 마이크로폰 전원을 제거하고, 그리고 마이크로폰 및 상기 마이크로폰을 이용하는 전체 장치를 재시작할 것을 필요로 한다. 본 양상은 콜랩스를 방지함으로써 달성될 수 있고, 따라서 상기 변환기는 사운드의 중단없이 동작 상태로 존재할 수 있다. 대안적으로, 콜랩스는 콜랩스가 발생한 후에 치유될 수 있으며, 그 결과 변환기 소자의 정상 동작 상태가 재확립되기 전에 소정의 일정 시간 동안에 마이크로폰은 오작동할 것이다. 그러나, 음향 간섭이 충분히 짧다면(3초 이하, 바람직하게 500ms 혹은 200ms와 같은 1초 이하, 가장 바람직하게는 100ms이하), 사용자는 이러한 오작동 기간을 허용할 수 있다. 콘덴서 마이크로폰은 자동차 문 닫는 것에 의해 저 주파수에서 고 음압 레벨에 노출될 수 있다. 그러나, 이러한 상황에서, 예컨대 수백 밀리 세컨드 후에 정상 동작이 다시 회복된다면 사용자는 마이크로폰으로부터의 짧은 사운드 중단을 완전히 용인할 수 있을 것이다.

콜랩스 검출 수단은 변환기 소자의 정전용량을 결정한다. 콜랩스 검출 수단은 변환기 소자에 프로브(probe) 신호를 인가함으로써 물리적 파라미터 값을 결정하고 상기 프로브 신호에 대한 응답의 값을 결정한다. 이러한 프로브 신호는 DC 신호 및 초음파 신호들 중에서 선택된 신호를 포함한다.

일부 실시예에서, 콜랩스 검출 수단은 고정 커패시터와 상기 변환기 소자 사이의 직렬 연결(cascade)을 구비한 용량성 분배기(capacitive divider)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 콜랩스 검출 수단은 진동판 상에 충돌한 음압에 반응한다. 이러한 실시예들에서, 콜랩스 검출 수단은, 변환기 소자에 근접하여 위치하고 콜랩스 제어 수단에 연결된 센서 마이크로폰을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 콜랩스 검출 수단은 변환기 소자에서 생성된 피크 전압을 검출한다. 즉, 변환기 소자로부터의 순간 출력 신호는 변환기 소자가 접하는 음압레벨을 반영하는 물리적 파라미터로 직접 사용된다. 변환기 소자의 정상 기능을 방해하지 않기 위해, 검출 회로는 변환기 소자에 크게 부하를 걸지 않는 입력 버퍼를 구비해야 한다(즉, 입력 버퍼는 변환기 소자의 출력 정전 용량에 비해 상대적으로 작은 입력 정전 용량를 나타내야한다).

바람직하게, 콜랩스 제어 수단은 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 변환기 소자 양단의 DC 바이어스 전압을 감소시킨다. 콜랩스 제어 수단은 DC 바이어스 전압 수단으로부터 변환기 소자로 흐르는 DC 전류를 검출하는 바이어스 전류 모니터링 수단을 포함한다. 콜랩스 제어 수단은 검출된 물리적 파라미터 값이 소정의 임계값을 초과하면 진동판과 뒤판을 전기적으로 연결한다. 바람직하게, 콜랩스 제어 수단은 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 소정의 지속구간 및 크기를 갖는 전기적 펄스를 생성하는 제어가능한 소자와, 그리고 상기 전기적 펄스를 수신하고 이에 반응하여 상기 진동판과 뒤판을 전기적으로 연결하는 스위치 소자를 포함한다.

콜랩스 제어 수단은 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 DC 바이어스 전압을 적응적으로 감소시킨다.

바람직한 실시예들에서, 변환기 소자는 실리콘 변환기 혹은 MEMS 변환기를 포함한다. 콜랩스 검출 수단 및 콜랩스 제어 수단이 제 2 실리콘 기판 위에서 구현되는 반면, 실리콘 변환기는 제 1 실리콘 기판 위에서 구현된다. 바람직하게, 콜랩스 검출 수단 및 콜랩스 제어 수단은 단일 다이(die) 위에 모노리식 집적된다. 상기 다이는 상기 변환기 소자에 연결된 전치 증폭기를 더 포함한다.

상기 지시한 바와 같이, 콜랩스 검출 수단 및 콜랩스 제어 수단의 바람직한 실시예들은 전자 회로들로 구성되는 바, 이러한 전자회로들은 기계적 해법들을 필요없게 해주고 변환기 소자의 기계적 구성에 있어 고도의 자유를 허용한다. 이는 실리콘 및 MEMS 기반 마이크로폰들에서 중요한 디자인 장점이다. 게다가, 전자적 해법들은 일정 음압 레벨 혹은 진동판과 뒤판 사이의 일정 분리에 관련된 소정의 임계 레벨(콜랩스 제어 수단이 트리거되는 레벨)의 실질적인 설정에 있어 큰 유연성을 제공한다. 따라서, 전자 회로 기반 콜랩스 검출 수단은 어떠한 특정 애플리케이션에 대한 요구도 간단하게 충족할 수 있게 한다.

본 발명의 제 2 양상은 콘덴서 마이크로폰용 전자 회로를 제공하며, 상기 회로는 콘덴서 마이크로폰 진동판과 뒤판에 연결된 DC 바이어스 전압 수단과, 관련 콘덴서 마이크로폰의 진동판과 뒤판 사이의 분리에 관한 물리적 파라미터 값을 결정하는 콜랩스 검출 수단과, 그리고 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 DC 바이어스 전압 수단을 제어하는 콜랩스 제어 수단을 포함한다.

이러한 전자 회로는 상기 콜랩스 제어 수단의 기능에 관련된 매우 적은 수의 파라미터들을 조정함으로써 또는 전혀 수정하지 않고도 서로 다른 유형의 변환기 소자들에 이용될 수 있다. 상기 전자 회로는 별개의 반도체 기판 혹은 다이 위에서 구현되거나, 특히, 변환기 소자가 실리콘 변환기 소자를 포함하는 경우, 마이크로폰 변환기 소자와 함께 모노리식 집적될 것이다.

콜랩스 검출 수단은 변환기 소자의 정전 용량를 결정한다. 대안적으로, 콜랩스 검출 수단은 변환기 소자에 프로브 신호를 인가함으로써 물리적 파라미터 값을 결정한다. 본 발명의 단순하고 유리한 실시예에서, 콜랩스 검출 수단은 변환기 소자에 의해 생성된 과도 피크 신호 전압(transient peak signal voltage) 혹은 피크 전압을 검출한다. 콜랩스 발생후 이 피크 전압에 도달되므로, 콜랩스 발생 그 자체가 변환기에서 과도 신호 전압(transient signal voltage)(소정의 트리거 전압을 초과하여 콜랩스 제어 수단을 활성화 시키는 전압)을 생성한다.

콜랩스 제어 수단은 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 DC 바이어스 전압을 적응적으로 감소시킨다. 단순한 실시예에서, 콜랩스 제어 수단은 변환기 소자에 연결되고 소정의 방전 시간 동안에 변환기 소자를 방전하도록 하는 방전 수단을 포함한다.

소형 실리콘 기반 콘덴서 마이크로폰에 집적되기에 적합한 콜랩스 검출 및 제어 회로의 실시예가 아래서 설명될 것이다.

진동판과 뒤판 사이의 분리 검출을 위한 콜랩스 검출 회로에 관해서 몇 개의 실시예들이 구상된다. 전압, 정전 용량 및 음압과 같은 물리적 파라미터들이 아래서 설명되는 바와 같이 사용될 수 있다. 검출 회로는 콘덴서 마이크로폰의 변환기 소자에 (변환기 소자 자체의 발생기 임피던스에 비하여) 어떠한 큰 임피던스의 부하도 가하지 않는 것이 바람직하다. MEMS 마이크로폰의 실리콘 변환기 소자는 매우 큰 임피던스(실질적으로 5-20 pF의 정전 용량에 대응함)를 갖기 때문에, 이러한 요구를 충족시키는 것은 대단히 어려운 일이다.

본 발명에 따라 콜랩스 제어 회로의 몇 가지 실시예들이 또한 가능하고, 그 중 일부가 검출 회로들과 결합하여 아래서 설명된다. 바람직하게, 0.35μm 혼합-모드 CMOS 프로세스와 같이 콜랩스 검출 및 제어 회로 소자는 CMOS 반도체 기판 위에 제조된다. 이러한 기술은 우수한 아날로그 회로 성능과 디지털 회로 성능의 유연성을 가진다. 콘덴서 변환기 소자의 바이어스 전압 회로소자 및 전치증폭기들은 동일한 반도체 기판 위에 집적되는 것이 유리하다. 후자의 경우에, CMOS 프로세스는 바람직하게 고-전압 성능을 구비한다. 이는 트랜지스터, 다이오드 및 커패시터들과 같은 반도체 디바이스들이 10V 이상(바람직하게는 15 혹은 20V 이상)의 단자 전압 차이들을 각각 견딜 수 있음을 의미한다.

도 1은 MEMS 기술에 의해 제조된 실리콘 기반 콘덴서 마이크로폰에 집적하기에 적당한 콜랩스 검출 및 제어 회로의 바람직한 실시예를 도시한다. 이러한 콘덴서 마이크로폰의 실리콘 변환기 소자는 1.3*1.3mm의 크기로, 뒤판과 진동판 사이에 대략 1μm의 에어 갭(air gap)과 대략 5-15pF의 공칭 정전 용량을 갖는다. 상기 검출 회로는 피크 전압 검출기를 포함하는바, 이 피크 전압 검출기는, 최대 안전한 음압 레벨에 대응하는 소정의 임계 레벨을 초과하는, 그리고 진동판을 뒤판으로 이동하게 하는 음압에 대응하는 극성을 가진, 발생된 모든 신호 피크를 결정하고 플래그(flag)한다.

도 1에서, 콘덴서 마이크로폰 소자(1) 혹은 변환기 소자는 점선 박스(2)로 표시된 집적된 마이크로폰 전치증폭기, 마이크로폰 바이어스, 그리고 콜랩스 검출 및 제어 회로 소자에 연결된다. 신호 증폭기(3) 혹은 전치 증폭기는 입력 단자(IN)와 출력 단자(OUT) 사이에 연결된다. DC 바이어스 전압 발생기(4)는 VB의 DC 전압을 제공한다. 트랜지스터 소자들(A,B 및 C)을 구비한 고 임피던스 소자 및 전하 모니터 회로(5)는 DC 바이어스 전압 단자(BIAS)에 인가된 DC 바이어스 전압을 제어한다. 콜랩스 제어 회로 소자(6)는 점선 박스 내에 표시된다. 콜랩스 제어 회로 소자(6)는 저항(R) 양단에서의 전압 강하와 결합하여 콜랩스 제어(7)에 소정의 임계 전압을 제공하는 전압 발생기(VP)를 포함한다. 비교기(8)는 콜랩스 제어(7)의 상기 임계 전압과 콘덴서 마이크로폰 소자(1)에서 제공된 단자(IN)에서의 입력 신호를 비교한다. 비교기(8)의 출력은 바이어스 전압 클램프 스위치(10)에 연결된 단안정(monostable) 펄스 발생기(9)에 연결되며, 상기 클램프 스위치(10)는 바람직하게 고전압 NMOS 트랜지스터를 포함하고 상대적으로 낮은 저항(변환기 소자를 방전하기 위해 10kΩ이하와 같은)을 통해 상기 바이어스 단자(BIAS)를 그라운드에 연결할 수 있다.

고 임피던스 소자 및 전하 모니터 회로(5)는 평행하지 않고, 다이오드 커플된 P채널 MOSFET들 A 및 B로 구성된다. P 채널 MOSFET C는 M-배 전류 미러로서, BIAS 및 IN에 연결된 마이크로폰을 통하는 전류에 M배를 한다. 콜랩스 제어 회로(6)는 단자 IN에서의 입력 신호를 소정의 값 VP와 저항 R 양단의 전압 강하로 구성된 임계 전압(7)에 비교한다. 콘덴서 마이크로폰 소자(1)의 충전 동안에(즉, 콜랩스 발생에 근접하게 됨에 따라 야기된 DC 바이어스 전압 발생기 VB(4)의 시동 동안), 마이크로폰 충전 프로세스에 의해 야기된 단자(IN) 상의 신호 교란이 비교기(8)를 트리거하여 클램프 스위치(10)에 의해 바이어스를 차단하기 위한 펄스를 초기화할 수 없도록 기준 전압(7)이 설정된다.

정상 동작 동안에 마이크로폰이 완전하게 충전되고, (IN)상의 양의 신호 피크가 VP를 초과하는 때(음압 레벨이 바람직한 소정의 임계 전압 혹은 레벨을 초과함을 나타내는)만 클램프 스위치(10)가 트리거링 될 것이다. 만약 변환기 소자에 대한 최대 안전 음압 레벨에 대응하도록 소정의 임계 전압이 선택된다면, 콜랩스 전에 변환기 소자를 방전하여 콜랩스를 예방하는 것이 가능하다.

도 2는 도 1의 바이어스 전압 발생기 VB(4)를 위한 바람직한 실시예를 도시하며 딕슨 전압 곱셈기(Dickson voltage multiplier)를 포함한다. VB(4)는 1.0 내지 1.4V 사이의 전압(VBAT)을 곱함으로써 노드(BIAS)에 약 8-10V의 DC 바이어스 전압을 제공한다. 이러한 유형의 전압 곱셈기는 도 2의 하부에 스케치된 다이어그램과 같이 겹치지 않는 두 개의 위상들 φ1 및 φ2를 구비한 클럭을 필요로 한다. DC 전압 소스(예컨대, 배터리)는 DC 전압(VBAT)를 전압 곱셈기에 인가한다. 전압 곱셈기는 직렬로 연결된 별개의 11 단으로 구성된다. 각 단(11)은 다이오드 D(12)와 커패시터 C(13)를 포함하며, 여기서 커패시터 C(13)의 바닥 판은 φ1에 연결되고, 그 다음 단의 커패시터는 φ2에 연결되며, 그 다음에 이와 같은 연결이 반복된다. 출 력 DC 전압(OUT)은 최종 커패시터 C(14)의 양단에서 생성된다. 다이오드(12)와 같은 모든 다이오드들은 인접한 디바이스들 및 주위 회로(기판, 클럭, 그라운드 혹은 전력 라인들)로의 누설 전류 및 누설 정전 용량이 낮은 것이 바람직하다. 이는 다이오드들의 바람직한 실시예가 폴리 실리콘 다이오드와 같은 기판 분리형 다이오드(substrate-isolated type of diode)를 포함함을 의미한다. 다른 실시예들에서, 다이오드 D(12)는 PN 정션 다이오드, 쇼트키 다이오드 혹은 다이오드 연결 바이폴라, 또는 전계 효과 트랜지스터이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 고주파 프로브 신호에 의존하는 검출 회로는 프로브 신호를 변환기 소자를 통해 전송하고, 그리하여 변환기 소자의 콜랩스 혹은 콜랩스 접근을 나타내는 변환기 소자의 정전 용량의 상당량의 변화를 모두 검출한다.

도 3에서, 전치 증폭기(AMP)를 통해 출력 단자(OUT)에 연결된 콘덴서 마이크로폰의 변환기 소자(1)가 도시된다. 기준 전압(RefV)이 생성되어 발진기(30)에 제공된다. 이는 발진기(30)의 출력이 잘 정의되게 하기 위함이다. 전압 펌프 혹은 전압 곱셈기는 발진기에 의해 생성된 클럭 주파수로 동작한다. VP는 기준 전압을 MEMS 마이크로폰의 변환기 소자(1)의 DC 바이어스 전압(일반적으로 10-20V의 범위에 있는)까지 증가시킨다.

발진기(30)로부터의 AC 전압 부분은 고주파 프로브로서 사용되고 직렬 연결된 커패시터(31,Cx)를 통해 변환기 소자(1)에 제공된다. 용량성 변환기 소자(1) 양단의 프로브 전압 강하는 유입되는 임의의 음압에 의해 변경될 것이며, 이는 상기 용량성 변환기 소자(1)의 정전 용량 변경으로 인한 것이다.

마이크로폰 진동판이 콜랩스된 경우에, 변환기 소자(1)의 진동판과 뒤판 사이의 평균 분리는 공칭 분리(nominal separation)(즉, 뒤판과 진동판 사이의 휴지상태(quiescent) 거리)에 비해 상당히 작을 것이다. 콜랩스 동안에 이러한 두 개 판들 사이의 거리는 0이기 때문에, 변환기 소자(1)의 정전 용량은 상당히 커서 마이크로폰의 변환기 소자(1) 양단의 프로브 전압은 작아진다. 마찬가지로, 더 큰 프로브 전압이 외부 커패시터(31) 양단에 걸릴 것이다. 상기 후자의 신호는 하이 패스 필터(32,HPF)에 의해 하이 패스 필터링되어 모든 오디오 정보를 제거하고 DC-오프셋을 삭제한다. 고주파 성분은 전자 곱셈기(X)(이 곱셈기는 길버트 셀(Gilbert cell)과 같은 아날로그 곱셈기를 포함한다)에 제공되며, 그리고 발진기(30)의 직접 출력과 곱해진다.

상기 곱셈 결과는 발진기 각주파수(angular frequency) ω의 합 및 차 곱들이 되며, 수학적으로 다음과 같다:

여기서, Ao는 변환기 소자(1) 양단의 프로브 신호의 크기이고 Bo는 곱셈 프로세스와 관련하여 일정하다. 로우 패스 필터링(LPF) 후에, 출력은:

가 되고, 여기서 φ는 변환기 소자(1) 양단의 고주파 프로브 신호와 발진기(30)의 프로브 신호 사이의 작은 위상 차이(φ<<1)를 나타낸다. 복조(demodulate)된 프로브 신호의 DC 성분은 변환기 소자(1) 양단의 프로브 전압에 비례하고, 그리고 소정의 임계 레벨을 구비한 단순한 임계 회로 혹은 프로시저에 의해 변환기 소자(1)의 상태를 결정하는데 사용될 수 있다.

상술된 검출 기법을 가청(acoustic) 출력과 관련된 임계 트리거 메커니즘에만 근거한 콜랩스 상태의 검출에 근거한 기법과 비교해볼 때, 명백한 장점들이 인지된다. 만약 콜랩스가 측정되는것이 바람직한 최대 가청 레벨 근처에서 발생하면, 마이크로폰으로부터의 가청 레벨을 측정함으로써 콜랩스를 검출하는 것은 콜랩스 측정에 어려움을 야기한다. 이러한 조건하에서는, 만약 트리거 레벨이 너무 높게 설정되면 콜랩스는 검출되지 않거나, 혹은 정상 동작 범위 내에서만 콜랩스가 검출될 것이다. 콜랩스 레벨이 측정되는것이 바람직한 최대 가청 레벨에 근접할 때조차도 콜랩스를 완전히 안정적으로 방지하는 한가지 방법은 코너 주파수를 하이 패스 필터(32)보다 낮은 주파수(예컨대, 약 10-30Hz)로 설정하는 것이다.

잘못된 양성(positive) 콜랩스 검출 사건을 발생시키지 않으면서 콜랩스된 상태의 신뢰성 있는 검출을 위한 최적의 노이즈 마진은 아래서 설명되는 바와 같이 파악될 수 있다. 만약, 휴지 동작 상태에서 마이크로폰의 정전 용량이 Cn, 그리고 콜랩스 조건에서 Cc로 지정된다면, 최대 감도(sensitivity)는 온칩 집적된 외부 피드(feed) 커패시터(Cx)의 값을 다음과 같이 선택함으로써 얻어진다:

Cx=1/2(Cn+Cc)

변환기 소자(1)의 콜랩스 상태를 신뢰성 있고 정확하게 검출하기 위해 Cn 및 Cc 각각의 제조 허용 오차는 약 10-20% 보다 작은 것이 바람직하다. 발진기(30)의 주파수에서 변환기 소자(1) 양단의 고 주파수 프로브의 크기는 U/2보다 크고, 여기서 U는 정상 동작 동안에 발진기(30)에 의해 제공되는 AC 전압으로 콜랩스 상태 동 안에는 그 크기가 U/2보다 작다.

수치적인 예로서, Cc=15pF 그리고 Cn=5pF으로 가정한다. 그러면, 최적 피드-포워드 커패시터 Cx=10pF이 된다.

커패시터들의 충전/방전 때문에 전력이 소모됨을 인식해야 한다. 정상 동작 동안에 이러한 전력 손실은 다음과 같다:

P=f*U*U*(Cn*Cx)/(Cn+Cx)

만약 상기 값들과 함께 U=1V이고 f=250kHz이라면, 전력 손실 P는 다음과 같다:

P=0.25*6μW=1.5μW.

이값은 휴대용 및 배터리로 동작하는 이동 단말기들 및 보청기들과 같은 저-전력 애플리케이션들에서 또한 사용가능하다.

발진기 주파수가 250kHz 보다 상당히 큰 경우에, 이를 고정된 정수 N으로 나누고 상기 기술된 곱셈기 대해서 그 주파수를 대신 사용하는 것이 유리하다. 테스팅 및 혼합을 위해 동일한 주파수를 유지하고, 이러한 주파수를 가청 범위 밖에 위치시키는 것은 장점을 지닌다. 또한, 실리콘 마이크로폰의 고주파수 공명의 오른 쪽에 위치하지않는 것이 바람직하다. 바람직하게, 변환기 소자(1)를 통과하는 고주파수 프로브는 전압 펌프(34, VP)(변환기 소자(1)의 콘덴서 판들 양 단에 DC 바이어스 전압을 생성함)에서 사용되는 펌프 주파수와 동일한 주파수를 갖는다. 이러한 선택은 이러한 두 주파수들 사이의 바람직하지 못한 모든 혼합 곱셈들을 피하기 위함이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 도 3의 검출 회로의 몇 부분들이 사용되며, 이 실시예도 마찬가지로 용량성 전압 분배기로부터 유도된 검출 파라미터들에 기초한다. 본 실시예에서, 변환기 소자(1) 양단의 DC 전압의 변화가 직접 측정되고 변환기 소자(1)가 어느 상태에 있는지를 나타내거나 검출하기 위해 사용된다. 본 발명은, 변환기 소자(1)의 정전 용량의 갑작스런 변화에 의해 야기되는 변환기 소자(1) 양단의 신호 전압의 큰 DC 변화를 검출함으로써 변환기 소자(1)의 콜랩스 상태를 검출하는 것에 기초한다. 정전 용량의 갑작스런 변화는 고정된 커패시터(31)와 변환기 소자(1) 사이의 분배를 변경시킨다. 도 3의 임계 검출기(TD,35)는 DC 전압의 변화를 검출할 수 있다. 만약, 변환기 소자(1) 및 마이크로폰 전치 증폭기(3)(도 3)가 긴 정착 시간(settling time)을 갖는다면, 이는 콜랩스가 긴 DC 펄스를 생산함을 의미한다.

임계 검출기(TD)에 의해 검출된 임계에 기초하여 리셋 회로(36,ResC)가 활성화된다. 상기 리셋 회로는 25kΩ 혹은 10kΩ이하와 같은 낮은 임피던스의 반도체 스위치를 포함한다. 활성 반도체 스위치는 소정의 시간 동안에 변환기 소자(1)의 판들 사이의 DC 전압을 감소시키거나 0으로 한다. 바람직하게는, 10ms 내지 200ms와 같은, 1ms 내지 1 s 범위의 소정 시간기간 동안 DC 바이어스 전압을 감소 또는 제거시키기 위하여 타이머(37)(T)가 포함되며, 상기 소정 시간기간 후, 변환기 소자(1)의 콜랩스 상태가 치유된 것으로 추정될 수 있다.

도 4는 콘덴서 마이크로폰이 접하는 음압을 전용 센서 마이크로폰(SMIC,40)에 의해 감지함으로써 실리콘 콘덴서 마이크로폰(MMIC,41)의 진동판과 뒤판 사이의 분리에 관련된 물리적 파라미터 값을 검출하는 것에 기초한 실시예를 도시한다. 센서 마이크로폰(40) 및 전치 증폭기(2)가 실리콘 기판 및 증폭기 회로에 추가되는 바, 상기 증폭기 회로는 메인 마이크로폰(41) 및 이와 관련된 콜랩스 검출 및 제어를 위한 전치 증폭기를 이미 포함하고 있다.

바람직하게, 센서 마이크로폰(40)은 메인 마이크로폰(41)보다 실질적으로 작고 낮은 감도를 갖는다. 바람직하게, 센서 마이크로폰(40)은 메인 마이크로폰(41)의 콜랩스 임계값 보다 10-30dB 높은 음압 레벨의 콜랩스 포인트 혹은 임계값을 가지므로, 설계되는 모든 메인 마이크로폰 변형물들의 메인 마이크로폰(41) 콜랩스 영역에서 센서 마이크로폰(40)이 실질적으로 선형적으로 동작하도록 한다. 센서 마이크로폰(40)의 출력은 콜랩스 제어 수단(42,BC)에 제공되며, 상기 콜랩스 제어 수단은 바람직하게 메인 마이크로폰(41)의 콘덴서 변환기 소자(도시되지 않음)의 DC 바이어스 전압을 점진적으로 감소시킴으로써 동작한다. 센서 마이크로폰(40)의 DC 바이어스 전압은 실질적으로 일정한 것이 바람직하다.

본 발명의 이번 실시예에서, 메인 마이크로폰(41)은 바이어스 전압 제어 수단(42)에 의해 제어되는 바이어스 전압을 공급받으며, 상기 바이어스 전압 제어 수단은 1.30V 징크-에어 배터리(Zinc-air battery)로부터의 배터리 전압일 수 있는 DC 전압을 공급받는다. 콜랩스 검출 및 제어 수단은 상기 센서 마이크로폰(40)의 출력 신호에 기초하여 바이어스 전압 제어 회로(42)를 제어하는 DSP(43)을 포함한다. DSP(43)에서 구현되는 제어 알고리즘은 임계 음압 레벨이 도달되면 메인 마이크로폰으로의 DC 바이어스 전압을 줄이거나, 혹은 순간적인 유입 음압 레벨 또는 유입 음압 레벨의 단-기간 평균이 임계 음압 레벨을 초과(메인 마이크로폰(41)의 콜랩스 가능성을 나타냄)하면 DSP(43)는 DC 바이어스 전압을 감소시키거나 완전히 0으로 만든다.

콜랩스 제어 회로는 도시된 변환기 소자의 DC 바이어스 전압의 제어보다 더 정교한 제어에 기초한다. 메인 마이크로폰(41)의 변환기 소자 양단의 DC 바이어스 전압을 클램핑하는 것 대신에, 콜랩스 되고 있음을 검출함에 응답하여 DC 바이어스 전압이 점진적으로 감소된다. 검출된 들어오는 음압 레벨에 기초한 이러한 동적인 DC 바이어스 전압 채택은 또한 콜랩스를 야기하는 양성 피드백 루프에서 벗어날 수 있게 해준다. 변환기 소자의 안정한 동작 범위가 유지될 수 있다. DC 바이어스 전압의 간헐적인 감소 후에, DC 바이어스 전압은 적당한 소정의 시간 상수를 가지고 공칭 DC 바이어스 전압까지 증가한다. DC 바이어스 전압의 이러한 적응적인 점진 제어는 적절한 소프트웨어 혹은 DSP(43)내의 프로그램 명령 세트에 의해 구현될 수 있다.

검출된 들어오는 음압 레벨에 기초한 DC 바이어스 전압의 동적 채택 유형은 도 1 및 도 3에서 도시된 검출 회로들 모두에 또한 추가될 수 있다.

일반적으로, DSP를 사용하여 콜랩스 검출 및 제어 수단의 최소한의 부분들만 구현하는 것이 바람직할 수 있다. 관련된 장치에 기존의 DSP 수단(예컨대, 이동 전화 혹은 보청기의 프로그램 가능한 DSP)을 이용하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로 콜랩스 검출 및 제어를 구현하기 위한 추가적인 소자들의 필요를 최소화할 수 있다. DSP를 사용함으로써 콜랩스 검출 및 제어 모두를 위한 복잡한 알고리즘을 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 해법들은 마이크로폰에 집적되거나, 혹은 도 1에 도시된 바와 같이 콜랩스 검출 및 제어 회로들이 별개의 주문형 반도체(ASIC) 위에 배열될 수 있다. DC 바이어스 전압 회로들은 콜랩스 제어 회로와 함께 집적될 수 있다. 바람직하게, 별개의 ASIC들이 콜랩스 검출 회로 및 콜랩스 제어 회로를 위해 제공될 수 있다.

본 발명은 이동 전화들 및 보청기와 같은 휴대용 통신 디바이스들에 적당한 소형 콘덴서 마이크로폰들에서의 광범위한 응용이 가능하다.

Claims

전기적 도체 부분을 구비한 진동판(diaphragm)과 전기적 도체 부분을 구비한 뒤판(back-plate)을 포함하는 변환기 소자(transducer element)와;

동작시 상기 진동판과 상기 뒤판에 연결되는 DC 바이어스 전압 수단과;

상기 진동판과 상기 뒤판 사이의 분리에 관련된 물리적 파라미터 값을 결정하도록 된 콜랩스 검출 수단과; 그리고

상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 DC 바이어스 전압 수단을 제어하도록 된 콜랩스(collapse) 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 물리적 파라미터의 순간 값(instantaneous value) 또는 상기 물리적 파라미터의 단-기간 평균값(short-term average value)을 결정하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 변환기 소자의 콜랩스를 방지하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 변환기 소자의 콜랩스를 허용하고, 그리고 동작시 상기 변환기 소자에 연결되며 소정의 방전 시간 동안 상기 변환기 소자를 방전하는 방전 수단에 의하여 콜랩스 상태를 치유하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 4항에 있어서,

상기 소정의 방전 시간은 1ms내지 1s 범위의 기간을 갖는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 4항에 있어서,

상기 방전 수단은 제어가능한 MOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 변환기 소자의 정전 용량을 결정하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 변환기 소자에 프로브 신호를 인가함으로써 상기 물리적 파라미터 값을 결정하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 8항에 있어서,

상기 프로브 신호는 DC 신호들 및 초음파 신호들 중에서 선택된 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 고정된 커패시터와 상기 변환기 소자의 정전 용량 사이의 직렬 연결을 포함하는 용량성 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 진동판에 충돌한 음압에 반응하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 11항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은, 상기 변환기 소자에 근접하여 위치하고 동작시 상기 콜랩스 제어 수단에 연결되는 센서 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 변환기 소자에 의해 생성된 피크 전압을 검출하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 변환기 소자 양단의 DC 바이어스 전압을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 14항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 DC 바이어스 전압 수단으로부터 상기 변환기 소자로 흐르는 DC 전류를 검출하도록 된 바이어스 전류 모니터링 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 14항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 검출된 물리적 파라미터 값이 소정의 임계를 초과하면 상기 진동판과 상기 뒤판을 전기적으로 연결하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 14항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은,

상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 소정의 지속기간 및 크기를 갖는 전기적 펄스를 생성하는 제어가능한 소자와; 그리고

상기 전기적 펄스를 수신하고 이에 반응하여 상기 진동판과 상기 뒤판을 전기적으로 연결하는 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 14항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 DC 바이어스 전압을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 1항에 있어서,

상기 변환기 소자는 실리콘 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 19항에 있어서,

상기 실리콘 변환기는 제 1 실리콘 기판 위에 구현되고, 그리고

상기 콜랩스 검출 수단 및 상기 콜랩스 제어 수단은 제 2 실리콘 기판 위에 구현되는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 19항에 있어서,

상기 실리콘 변환기, 상기 콜랩스 검출 수단 그리고 상기 콜랩스 제어 수단 은 단일 다이 위에 모노리식 집적되는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
제 21항에 있어서,

상기 다이는 동작시 상기 변환기 소자에 연결되는 전치 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
변환기 소자를 구비한 콘덴서 마이크로폰 용 전자 회로로서,

콘덴서 마이크로폰 진동판 및 뒤판에 연결가능한 DC 바이어스 전압 수단과;

상기 콘덴서 마이크로폰의 상기 진동판과 상기 뒤판 사이의 분리에 관련된 물리적 파라미터 값을 결정하도록 된 콜랩스 검출 수단과; 그리고

상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 DC 바이어스 전압 수단을 제어하도록 된 콜랩스 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰 용 전자 회로.
제 23항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 변환기 소자의 정전 용량을 결정하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰 용 전자 회로.
제 23항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 변환기 소자에 프로브 신호를 인가함으로써 상기 물리적 파라미터 값을 결정하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰 용 전자 회로.
제 23항에 있어서,

상기 콜랩스 검출 수단은 상기 변환기 소자의 피크 전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰 용 전자 회로.
제 23항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 결정된 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 DC 바이어스 전압을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰 용 전자 회로.
제 23항에 있어서,

상기 콜랩스 제어 수단은 상기 변환기 소자에 연결되고 소정의 방전 시간 동안 상기 변환기 소자를 방전하도록 된 방전 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰 용 전자 회로.