麥克風的制作方法
【專利說明】麥克風
[0001]本申請是申請日為2012年11月27日、申請號為201210493195.9、發明名稱為“麥克風及用于校準麥克風的方法”的專利申請的分案申請，其全部內容結合于此作為參考。
技術領域
[0002]本發明總體上涉及一種麥克風以及用于校準麥克風的方法。
【背景技術】
[0003]通常，半導體晶片上制造有大量MEMS (微機電系統)器件。
[0004]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。
[0005]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復雜度低的低成本MEMS (麥克風)制造工藝中尤為明顯。因此，補償這些參數變化將是很有利的。
【發明內容】
[0006]根據本發明的實施方式，一種用于校準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。
[0007]根據本發明的實施方式，一種用于校準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，以及基于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。
[0008]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。
[0009]根據本發明的實施方式，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定AC偏置電壓或DC偏置電壓。
【附圖說明】
[0010]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:
[0011]圖1示出了麥克風的框圖；
[0012]圖2a至圖2c示出了功能圖；以及
[0013]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】
[0014]以下將詳細討論優選實施方式的制作和使用。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】僅是說明制作和使用本發明的具體方式，且并不限定本發明的范圍。
[0015]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，本發明也可被用于其他類型的系統，諸如音頻系統、通信系統或傳感系統。
[0016]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，并通過改變電容器的電容來產生電信號。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]電容式麥克風可與集成電路(諸如放大器、緩沖器或模數轉換器(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。
[0021]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麥克風還可具有位于同一 CMOS芯片上的內置模數轉換器(ADC)電路，從而將芯片制作成數字麥克風且因此更易于與現代數字產品集成。
[0022]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，基于膜的吸合電壓來設置工作的AC偏置電壓。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]AC偏置電壓源130經由電阻器Rehmge pump150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。
[0026]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，該申請整體結合于此供參考。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，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字控制單元140內，或者可以是麥克風100中的獨立元件。
[0027]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。
[0028]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。由于該麥克風還可利用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%。
[0029]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