專利名稱：麥克風(fēng)及用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法
麥克風(fēng)及用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及一種麥克風(fēng)以及用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法。
背景技術(shù)：
通常，半導(dǎo)體晶片上制造有大量MEMS (微機電系統(tǒng))器件。
MEMS器件生產(chǎn)中的重大問題是對這些器件的物理和機械參數(shù)的控制。例如，諸如 機械剛度、電阻、膜片面積、氣隙高度等參數(shù)可能改變約±20%以上。
有關(guān)MEMS器件的一致性和性能的這些參數(shù)的變化可能很明顯。具體地，參數(shù)變化 在高容量和復(fù)雜度低的低成本MEMS (麥克風(fēng))制造工藝中尤為明顯。因此，補償這些參數(shù) 變化將是很有利的。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，一種用于校準(zhǔn)MEMS的方法包括基于第一 AC偏置電壓操 作MEMS，測量該MEMS的吸合電壓(pull-1n voltage)，計算第二 AC偏置電壓或DC偏置電 壓，以及基于第二 AC偏置電壓操作MEMS。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，一種用于校準(zhǔn)MEMS的方法包括增大膜上的第一 AC偏置 電壓，檢測第一吸合電壓，以及基于第一吸合電壓來為膜設(shè)定第二 AC偏置電壓或DC偏置電 壓。該方法還包括向膜施加第一定義的聲音信號，以及測量麥克風(fēng)的第一靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，一種麥克風(fēng)包括MEMS器件,其包括膜和背板；AC偏置電 壓源，其與膜連接；以及DC偏置電壓源，其與背板連接。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，一種裝置包括MEMS器件，其用于檢測聲音信號；偏置電 壓源，其用于向MEMS器件提供AC偏置電壓；以及控制單元，其用于檢測吸合電壓以及用于 設(shè)定AC偏置電壓或DC偏置電壓。


為更加全面地理解本發(fā)明以及本發(fā)明的優(yōu)勢，現(xiàn)結(jié)合附圖進行以下描述，其中:
圖1示出了麥克風(fēng)的框圖2a至圖2c示出了功能圖；以及
圖3示出了校準(zhǔn)麥克風(fēng)的實施方式的流程圖。
具體實施方式
以下將詳細討論優(yōu)選實施方式的制作和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明提供了可在 寬泛的各種具體環(huán)境下實施的多種可用的發(fā)明概念。所討論的具體實施方式
僅是說明制作 和使用本發(fā)明的具體方式，且并不限定本發(fā)明的范圍。
將針對具體環(huán)境(即，麥克風(fēng))下的實施方式來描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明也可被用 于其他類型的系統(tǒng)，諸如音頻系統(tǒng)、通信系統(tǒng)或傳感系統(tǒng)。
在電容式麥克風(fēng)或電容器麥克風(fēng)中，膜片或膜以及背板形成了電容器的電極。膜 片響應(yīng)聲壓水平，并通過改變電容器的電容來產(chǎn)生電信號。
麥克風(fēng)的電容是施加的偏置電壓的函數(shù)。在負(fù)偏置電壓下，麥克風(fēng)表現(xiàn)出小電容， 以及在正偏置電壓下，麥克風(fēng)表現(xiàn)出增大的電容。麥克風(fēng)的電容作為偏置電壓的函數(shù)是非 線性的。尤其在接近零的距離處，電容量突然增加。
麥克風(fēng)的靈敏度是對一定聲壓輸入的電輸出(聲音信號的振幅)。若兩個麥克風(fēng)經(jīng) 受相同的聲壓水平，且一個比另一個具有更高輸出電壓(更強信號振幅)，則認(rèn)為具有更高 輸出電壓的麥克風(fēng)具有較高靈敏度。
麥克風(fēng)的靈敏度還可受到其他參數(shù)(諸如膜片大小和強度、氣隙間距以及其他因 素)影響。
電容式麥克風(fēng)可與集成電路(諸如放大器、緩沖器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC))連接。電 信號可驅(qū)動集成電路且可產(chǎn)生輸出信號。在一種實施方式中，可通過改變耦合成放大器的 反饋網(wǎng)絡(luò)的一組電阻器、一組電容器或一組電阻器和電容器的比例來調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)反饋放大 器的增益。反饋放大器可以是單端的或差分的。
在MEMS制造工藝中，將壓敏膜片直接刻蝕成硅芯片。MEMS器件通常附帶有集成前 置放大器。MEMS麥克風(fēng)還可具有位于同一 CMOS芯片上的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路，從而 將芯片制作成數(shù)字麥克風(fēng)且因此更易于與現(xiàn)代數(shù)字產(chǎn)品集成。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，AC偏置電壓調(diào)節(jié)與放大器增益調(diào)節(jié)的結(jié)合允許對麥克風(fēng) 的調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，麥克風(fēng)在工作期間利用AC偏置電壓來校準(zhǔn)。在本發(fā)明的 一種實施方式中，基于膜的吸合電壓來設(shè)置工作的AC偏置電壓。
在一種實施方式中，有利地，利用可行的最高偏置電壓來操作麥克風(fēng)。偏置電壓越 高，麥克風(fēng)越靈敏。麥克風(fēng)的靈敏度越高，麥克風(fēng)系統(tǒng)的信噪比(SNR)越好。
圖1示出了麥克風(fēng)100的框圖。麥克風(fēng)100包括MEMS器件110、放大器單元120、 AC偏置電壓源130以及數(shù)字控制單元140。
AC偏置電壓源130經(jīng)由電阻器Rctoge pump 150與MEMS器件110電連接。具體地， AC偏置電壓源130與MEMS器件110的膜或膜片112連接。MEMS器件110的背板114經(jīng)由 電阻器Rinbias170與DC偏置電壓源160連接。MEMS器件110與放大器單元120的輸入端電 連接。放大器單元120的輸出端與麥克風(fēng)100的輸出端180或模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC (未示出)電 連接。
數(shù)字控制線將數(shù)字控制單元140連接至放大器單元120和AC偏置電壓源130。 數(shù)字控制單元140可包括突變(glitch)檢測電路。在共同待審查申請(代理人案號 2011P50857)中公開了突變檢測電路的實施方式，該申請整體結(jié)合于此供參考。數(shù)字控制 單元140或突變檢測電路檢測放大器單元120輸入端處的吸合或塌陷(collapse)電壓 (Vpull_in)。數(shù)字控制單元140還測量放大器單元120的輸出信號的靈敏度，并控制AC偏置 電壓源130。諸如易失性或非易失性的存儲元件可嵌入數(shù)字控制單元140內(nèi)，或者可以是麥 克風(fēng)100中的獨立元件。
在麥克風(fēng)100的校準(zhǔn)操作期間，向MEMS器件110施加第一 AC偏置電壓(包括由AC 偏置電壓源130提供的AC分量以及由偏置電壓源160提供的DC分量)。增大第一 AC偏置 電壓，直至背板114和膜112塌陷或者直至背板114與膜112之間的距離最小化(例如，零)。吸合電壓(vpull_in)由數(shù)字控制單元140測量或檢測。吸合電壓(Vpull_in)可通過放大器單元 120輸入端處的電壓跳變來檢測。第二 AC偏置電壓由吸合電壓(Vpull_in)得出?？蓪⒌诙?AC 偏置電壓存儲在存儲元件中。
第一 AC偏置電壓可包括DC分量的值的約1%到約20%的AC分量的最大幅值?？?替代地，AC分量可以是DC分量的值的約10%到約20%。例如，DC電壓Vdc可約為5V，以及 AC電壓Va?？杉s為0.5V到約IV。可替代地，AC分量可包括DC分量的其他值，例如，更高值 或更低值。由于該麥克風(fēng)還可利用DC偏置電壓來操作，所以第二 AC偏置電壓可包括AC分 量的最大幅值，該AC分量包括DC分量的值的約0%到約20%。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，DC電壓與AC電壓疊加。第一 AC偏置電壓可包括很低頻 率，諸如達500Hz或達200Hz的頻率?？商娲?，第一 AC偏置電壓可包括從約IHz到約50Hz 的頻率。第二 AC偏置電壓可包括很低頻率，諸如達500Hz或達200Hz的頻率?？商娲兀?第二 AC偏置電壓可包括從約OHz到約50Hz的頻率。
在設(shè)置第二 AC偏置電壓之后，向麥克風(fēng)100施加所定義的聲音信號。在輸出端 180處測量麥克風(fēng)100的靈敏度，并與麥克風(fēng)100的目標(biāo)靈敏度相比較。控制單元140計算 增益設(shè)定，使得麥克風(fēng)滿足其目標(biāo)靈敏度。也將增益設(shè)定存儲在存儲元件中。
圖2a至圖2c示出了不同的功能圖。圖2a示出了其中豎軸對應(yīng)于AC偏置電壓 Vbias以及橫軸表不時間t的曲線圖。AC偏置電壓Vbias包括DC分量和AC分量。圖2a不出 了當(dāng)DC電壓與AC電壓疊加時的AC偏置電壓Vbias。在一種實施方式中，可通過增加DC分 量并通過保持AC分量恒定來增加/減小AC偏置電壓Vbias。可替代地，可通過增加/減小 DC分量以及增加/減小AC分量來增加AC偏置電壓Vbias。AC偏置電壓可以是周期性正弦 電壓或周期性方波電壓?？舍槍ξ想妷旱目赡苋莶顏碓O(shè)定AC分量。
在MEMS校準(zhǔn)過程中，可增大AC偏置電壓Vbias直到吸合電壓事件，并隨后減小，直 到至少釋放電壓事件。圖2b示出了其中豎軸對應(yīng)于MEMS電容量Ctl以及橫軸對應(yīng)于時間t 的曲線圖。圖2b中的曲線示出了 MEMS電容Ctl在增大/減小AC偏置電壓Vbias時隨時間的 變化。該曲線示出了兩個重要階段。MEMS電容Ctl在達到吸合電壓事件之前的第一區(qū)域中 略微變化。在吸合電壓事件附件或在該事件處，電容Ctl大幅增加。其后，AC偏置電壓Vbias 減小且電容Cci不變或幾乎不改變電容Cci,直到拉開電壓(pull out voltage)事件(或釋放 電壓事件)。在抽取電壓事件附近或在該事件處，電容大幅減小。
圖2c示出了其中y軸對應(yīng)于放大器單元輸入端處的輸入電壓Vin以及橫軸表示時 間t的曲線圖。輸入電壓Vin示出了很小的正負(fù)幅值或電壓脈沖。在膜與背板彼此接觸的 情況下，該幅值明顯大于常規(guī)電壓脈沖。類似地，在膜與背板彼此釋放的情況下，該幅值明 顯大于常規(guī)電壓脈沖。
當(dāng)AC偏置電壓Vbias增大直至膜與背板彼此接觸并達到吸合電壓時，MEMS電容會 顯著變化。突變出現(xiàn)在放大器單元120輸入端處，且在控制邏輯單元140中處理信息。在該 事件之后，一種實施方式中可減小AC偏置電壓Vbias,直至膜與背板分離。在該情況下，MEMS 電容Ctl降至其原始值，且放大器單元120輸入端處的電壓突變再次可見。這指示拉開電壓 或釋放電壓。
圖3示出了對麥克風(fēng)的校準(zhǔn)過程的流程圖。該流程圖包括兩個全局步驟和八個細 節(jié)步驟。在第一全局步驟中，設(shè)置第二 AC偏置電壓，以及在第二全局步驟中，基于測得的麥克風(fēng)的靈敏度來計算放大器增益。為測量麥克風(fēng)的靈敏度，向膜施加第一 AC偏置電壓，其中，第一 AC偏置電壓包括來自AC偏置電壓源的AC分量以及從DC偏置電壓源施加給背板的DC分量。
在第一細節(jié)步驟302中，數(shù)字控制單元通過增加使MEMS器件偏壓的第一 AC偏置電壓來開啟校準(zhǔn)過程?？扇鐖D2a所示增大AC偏置電壓。增大第一 AC偏置電壓最終致使膜與背板塌陷。在步驟304中，一旦膜與背板彼此接觸，則通過輸入電壓Vin的明顯正向跳變來檢測塌陷或吸合電壓。一個實例在圖2c中可見。吸合電壓(Vpull_in)可被定義為具有使這兩個板塌陷所需的最低電壓的吸合電壓。該事件可由數(shù)字控制單元在放大器單元輸入端處檢測。在檢測到吸合電壓之后，數(shù)字控制單元可停止增加AC偏置電壓。
在可選步驟306中，數(shù)字控制單元可減小AC偏置電壓(通過AC偏置電壓源)?？扇鐖D2a所示減小AC偏置電壓。一旦膜與背板彼此釋放或分離，則通過輸入電壓Vin的顯著負(fù)向跳變來檢測釋放電壓或拉開電壓。一個實例在圖2c中可見。該事件可由數(shù)字控制單元在放大器單元輸入端處檢測。在檢測到釋放電壓之后，數(shù)字控制單元可停止減小AC偏置電壓。
在步驟308中，數(shù)字控制單元基于檢測到的吸合電壓(Vpull_in)，以及可選地，基于釋放電壓VMlease來設(shè)定第二 AC偏置電壓或DC偏置電壓。例如，可將第二 AC偏置電壓或DC 偏置電壓(Vfac)設(shè)定為VfAC ^release Vmargin， 其中，Vma_取決于預(yù)期聲音水平。可將VFA。的值存儲在存儲元件中。
在步驟310中，向MEMS器件施加所定義的聲音信號。MEMS器件利用第二 AC偏置電壓Vfac或DC偏置電壓來偏壓。數(shù)字控制單元可測量放大器單元在輸出端處的輸出靈敏度(步驟312)。隨后，在步驟314中，數(shù)字控制單元可計算目標(biāo)靈敏度與所測得的輸出靈敏度之間的差。最終，在步驟316中，數(shù)字控制單元計算對放大器單元的增益設(shè)定，以使所測得的輸出靈敏度與目標(biāo)輸出靈敏度相匹配。數(shù)字控制單元可將增益設(shè)定參數(shù)存儲在數(shù)字控制單元的內(nèi)部或外部。
盡管已詳細描述了本發(fā)明及其優(yōu)勢，但應(yīng)當(dāng)理解，在不背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本文中可進行各種更改、替代和變更。
此外，本申請的范圍不將限于說明書中描述的過程、機器、產(chǎn)品、組合物、手段、方法以及步驟的特定實施方式。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的公開內(nèi)容將很容易理解現(xiàn)存的或后續(xù)要開發(fā)的過程、機器、產(chǎn)品、組合物、手段、方法或步驟，其能執(zhí)行與可根據(jù)本發(fā)明來使用的本文所述的相應(yīng)實施方式基本相同的功能或?qū)崿F(xiàn)基本相同的結(jié)果。因此，所附權(quán)利要求旨在將這些過程、機 器、產(chǎn)品、組合物、手段、方法或步驟包括在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法，所述方法包括:基于第一 AC偏置電壓操作MEMS器件；測量吸合電壓；計算第二 AC偏置電壓或DC偏置電壓；以及基于所述第二 AC偏置電壓或所述DC偏置電壓操作所述MEMS器件。
2.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的方法，其中，所述第一AC偏置電壓包括第一 DC分量和第一 AC分量，以及其中，所述第二 AC偏置電壓包括第二 DC分量和/或第二 AC分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一AC分量的最大第一幅值包括所述第一 DC分量的值的約1%到約20%，以及其中，所述第二 AC分量的最大第二幅值包括所述第二 DC 分量的值的約1%到約20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一AC分量包括約IHz與約50Hz之間的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一AC偏置電壓高于所述第二 AC偏置電壓或所述DC偏置電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括測量釋放電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，計算所述第二AC偏置電壓或所述DC偏置電壓基于所測得的吸合電壓與所測得的釋放電壓之間的差。
8.一種用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法，所述方法包括:增大第一 AC偏置電壓；檢測吸合電壓；基于所述吸合電壓設(shè)定第二 AC偏置電壓或DC偏置電壓；向膜施加所定義的聲音信號；以及測量所述麥克風(fēng)的靈敏度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括檢測釋放電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，設(shè)定所述第二AC偏置電壓或所述DC偏置電壓包括基于所述吸合電壓和所述釋放電壓來設(shè)定所述第二 AC偏置電壓或所述DC偏置電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括計算所述麥克風(fēng)的靈敏度與所述麥克風(fēng)的目標(biāo)靈敏度之間的差。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括基于所計算的所述靈敏度與所述目標(biāo)靈敏度之間的差來調(diào)節(jié)放大器的增益設(shè)定。
13.—種麥克風(fēng),包括:MEMS器件，其包括膜和背板；AC偏置電壓源，其與所述膜連接；以及 DC偏置電壓源，其與所述背板連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)，還包括放大器單元，所述放大器單元包括輸入和輸出，其中，所述放大器單元的輸入與所述MEMS器件連接，以及所述放大器單元的輸出與所述麥克風(fēng)的輸出端連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)，還包括放大器單元，所述放大器單元包括輸入和輸出，其中，所述放大器單元的輸入與所述MEMS器件連接，以及所述放大器單元的輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)，還包括數(shù)字控制單元，其中，所述數(shù)字控制單元被配置為測量所述MEMS器件的吸合電壓和/或釋放電壓，以及被配置為設(shè)定AC偏置電壓或 DC偏置電壓源。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的麥克風(fēng)，其中，所述AC偏置電壓包括約IHz與約50Hz之間的頻率。
18.一種裝置，包括:MEMS器件，其用于檢測聲音信號；偏置電壓源，其用于向所述MEMS器件提供AC偏置電壓；以及控制單元，其用于檢測吸合電壓以及用于設(shè)定所述AC偏置電壓或DC偏置電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括放大器單元，其用于放大所述MEMS器件的輸出信號，其中，所述放大器單元包括輸入端和輸出端。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述控制單元在所述放大器單元的輸入端檢測所述吸合電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝`置，其中，所述偏置電壓源提供包括約IHz與約50Hz之間的頻率的AC偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種麥克風(fēng)及用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法。在一種實施方式中，用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法包括基于第一AC偏置電壓操作MEMS器件，測量吸合電壓，計算第二AC偏置電壓或DC偏置電壓，以及基于第二AC偏置電壓或DC偏置電壓操作MEMS器件。
文檔編號H04R1/08GK103139674SQ20121049319
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者迪爾克·哈默施密特, 邁克爾·克羅普菲奇, 安德烈亞斯·維斯鮑爾 申請人:英飛凌科技股份有限公司