麥克風及用於校準麥克風的方法

2023-10-05 13:46:49

專利名稱：麥克風及用於校準麥克風的方法
麥克風及用於校準麥克風的方法技術領域
本發明總體上涉及一種麥克風以及用於校準麥克風的方法。
背景技術：
通常，半導體晶片上製造有大量MEMS (微機電系統)器件。
MEMS器件生產中的重大問題是對這些器件的物理和機械參數的控制。例如，諸如 機械剛度、電阻、膜片面積、氣隙高度等參數可能改變約±20%以上。
有關MEMS器件的一致性和性能的這些參數的變化可能很明顯。具體地，參數變化 在高容量和複雜度低的低成本MEMS (麥克風)製造工藝中尤為明顯。因此，補償這些參數 變化將是很有利的。發明內容
根據本發明的實施方式，一種用於校準MEMS的方法包括基於第一 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，以及基於第二 AC偏置電壓操作MEMS。
根據本發明的實施方式，一種用於校準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，以及基於第一吸合電壓來為膜設定第二 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，以及測量麥克風的第一靈敏度。
根據本發明的實施方式，一種麥克風包括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。
根據本發明的實施方式，一種裝置包括MEMS器件，其用於檢測聲音信號；偏置電 壓源，其用於向MEMS器件提供AC偏置電壓；以及控制單元，其用於檢測吸合電壓以及用於 設定AC偏置電壓或DC偏置電壓。


為更加全面地理解本發明以及本發明的優勢，現結合附圖進行以下描述，其中:
圖1示出了麥克風的框圖2a至圖2c示出了功能圖；以及
圖3示出了校準麥克風的實施方式的流程圖。
具體實施方式
以下將詳細討論優選實施方式的製作和使用。然而，應當理解，本發明提供了可在 寬泛的各種具體環境下實施的多種可用的發明概念。所討論的具體實施方式
僅是說明製作 和使用本發明的具體方式，且並不限定本發明的範圍。
將針對具體環境(即，麥克風)下的實施方式來描述本發明。然而，本發明也可被用 於其他類型的系統，諸如音頻系統、通信系統或傳感系統。
在電容式麥克風或電容器麥克風中，膜片或膜以及背板形成了電容器的電極。膜 片響應聲壓水平，並通過改變電容器的電容來產生電信號。
麥克風的電容是施加的偏置電壓的函數。在負偏置電壓下，麥克風表現出小電容， 以及在正偏置電壓下，麥克風表現出增大的電容。麥克風的電容作為偏置電壓的函數是非 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)。若兩個麥克風經 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)，則認為具有更高 輸出電壓的麥克風具有較高靈敏度。
麥克風的靈敏度還可受到其他參數(諸如膜片大小和強度、氣隙間距以及其他因 素)影響。
電容式麥克風可與集成電路(諸如放大器、緩衝器或模數轉換器(ADC))連接。電 信號可驅動集成電路且可產生輸出信號。在一種實施方式中，可通過改變耦合成放大器的 反饋網絡的一組電阻器、一組電容器或一組電阻器和電容器的比例來調節或校準反饋放大 器的增益。反饋放大器可以是單端的或差分的。
在MEMS製造工藝中，將壓敏膜片直接刻蝕成矽晶片。MEMS器件通常附帶有集成前 置放大器。MEMS麥克風還可具有位於同一 CMOS晶片上的內置模數轉換器(ADC)電路，從而 將晶片製作成數字麥克風且因此更易於與現代數字產品集成。
根據本發明的實施方式，AC偏置電壓調節與放大器增益調節的結合允許對麥克風 的調節。根據本發明的實施方式，麥克風在工作期間利用AC偏置電壓來校準。在本發明的 一種實施方式中，基於膜的吸合電壓來設置工作的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。偏置電壓越 高，麥克風越靈敏。麥克風的靈敏度越高，麥克風系統的信噪比(SNR)越好。
圖1示出了麥克風100的框圖。麥克風100包括MEMS器件110、放大器單元120、 AC偏置電壓源130以及數字控制單元140。
AC偏置電壓源130經由電阻器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100的輸出端180或模數轉換器ADC (未示出)電 連接。
數字控制線將數字控制單元140連接至放大器單元120和AC偏置電壓源130。 數字控制單元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，該申請整體結合於此供參考。數字控制 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)。數字控制單元140還測量放大器單元120的輸出信號的靈敏度，並控制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字控制單元140內，或者可以是麥 克風100中的獨立元件。
在麥克風100的校準操作期間，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。可將第二 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。可 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。可約為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。由於該麥克風還可利用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%。
根據本發明的實施方式，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。可替代地，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。可替代地， 第二 AC偏置電壓可包括從約OHz到約50Hz的頻率。
在設置第二 AC偏置電壓之後，向麥克風100施加所定義的聲音信號。在輸出端 180處測量麥克風100的靈敏度，並與麥克風100的目標靈敏度相比較。控制單元140計算 增益設定，使得麥克風滿足其目標靈敏度。也將增益設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於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 量並通過保持AC分量恆定來增加/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。可針對吸合電壓的可能容差來設定AC分量。
在MEMS校準過程中，可增大AC偏置電壓Vbias直到吸合電壓事件，並隨後減小，直 到至少釋放電壓事件。圖2b示出了其中豎軸對應於MEMS電容量Ctl以及橫軸對應於時間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。其後，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軸對應於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示出了很小的正負幅值或電壓脈衝。在膜與背板彼此接觸的 情況下，該幅值明顯大於常規電壓脈衝。類似地，在膜與背板彼此釋放的情況下，該幅值明 顯大於常規電壓脈衝。
當AC偏置電壓Vbias增大直至膜與背板彼此接觸並達到吸合電壓時，MEMS電容會 顯著變化。突變出現在放大器單元120輸入端處，且在控制邏輯單元140中處理信息。在該 事件之後，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示出了對麥克風的校準過程的流程圖。該流程圖包括兩個全局步驟和八個細 節步驟。在第一全局步驟中，設置第二 AC偏置電壓，以及在第二全局步驟中，基於測得的麥克風的靈敏度來計算放大器增益。為測量麥克風的靈敏度，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。
在第一細節步驟302中，數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過程。可如圖2a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後，數字控制單元可停止增加AC偏置電壓。
在可選步驟306中，數字控制單元可減小AC偏置電壓(通過AC偏置電壓源)。可如圖2a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後，數字控制單元可停止減小AC偏置電壓。
在步驟308中，數字控制單元基於檢測到的吸合電壓(Vpull_in)，以及可選地，基於釋放電壓VMlease來設定第二 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)設定為VfAC ^release Vmargin， 其中，Vma_取決於預期聲音水平。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)。隨後，在步驟314中，數字控制單元可計算目標靈敏度與所測得的輸出靈敏度之間的差。最終，在步驟316中，數字控制單元計算對放大器單元的增益設定，以使所測得的輸出靈敏度與目標輸出靈敏度相匹配。數字控制單元可將增益設定參數存儲在數字控制單元的內部或外部。
儘管已詳細描述了本發明及其優勢，但應當理解，在不背離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的前提下，本文中可進行各種更改、替代和變更。
此外，本申請的範圍不將限於說明書中描述的過程、機器、產品、組合物、手段、方法以及步驟的特定實施方式。本領域普通技術人員根據本發明的公開內容將很容易理解現存的或後續要開發的過程、機器、產品、組合物、手段、方法或步驟，其能執行與可根據本發明來使用的本文所述的相應實施方式基本相同的功能或實現基本相同的結果。因此，所附權利要求旨在將這些過程、機 器、產品、組合物、手段、方法或步驟包括在其範圍內。
權利要求
1.一種用於校準麥克風的方法，所述方法包括:基於第一 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；以及基於所述第二 AC偏置電壓或所述DC偏置電壓操作所述MEMS器件。
2.根據權利要 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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一AC偏置電壓高於所述第二 AC偏置電壓或所述DC偏置電壓。
6.根據權利要求1所述的方法，還包括測量釋放電壓。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，計算所述第二AC偏置電壓或所述DC偏置電壓基於所測得的吸合電壓與所測得的釋放電壓之間的差。
8.一種用於校準麥克風的方法，所述方法包括:增大第一 AC偏置電壓；檢測吸合電壓；基於所述吸合電壓設定第二 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的靈敏度。
9.根據權利要求8所述的方法，還包括檢測釋放電壓。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，設定所述第二AC偏置電壓或所述DC偏置電壓包括基於所述吸合電壓和所述釋放電壓來設定所述第二 AC偏置電壓或所述DC偏置電壓。
11.根據權利要求8所述的方法，還包括計算所述麥克風的靈敏度與所述麥克風的目標靈敏度之間的差。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括基於所計算的所述靈敏度與所述目標靈敏度之間的差來調節放大器的增益設定。
13.—種麥克風,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.根據權利要求13所述的麥克風，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的輸出端連接。
15.根據權利要求13所述的麥克風，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轉換器(ADC)連接。
16.根據權利要求13所述的麥克風，還包括數字控制單元，其中，所述數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，以及被配置為設定AC偏置電壓或 DC偏置電壓源。
17.根據權利要求16所述的麥克風，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，其用於檢測聲音信號；偏置電壓源，其用於向所述MEMS器件提供AC偏置電壓；以及控制單元，其用於檢測吸合電壓以及用於設定所述AC偏置電壓或DC偏置電壓。
19.根據權利要求18所述的裝置，還包括放大器單元，其用於放大所述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.根據權利要求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.根據權利要求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
本發明公開了一種麥克風及用於校準麥克風的方法。在一種實施方式中，用於校準麥克風的方法包括基於第一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，以及基於第二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 優先權日2011年11月28日
發明者迪爾克·哈默施密特, 麥可·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