具有可编程频率响应的扩音器的制造方法与工艺

本发明涉及电容器扩音器，并且更具体地涉及具有可编程频率响应的电容器扩音器。

背景技术：
电容器扩音器一般在移动电话和其他消费者电子设备、嵌入式系统及其他设备中使用。电容器扩音器包括微机电系统(MEMS)扩音器、驻极体电容器扩音器(ECM)以及声信号的基于电容器的其他换能器。MEMS扩音器元件通常包括响应于声信号而振动的传导微机械隔膜。该扩音器元件还包括平行于隔膜并与隔膜间隔开的固定传导板。隔膜和传导板共同地形成电容器。电荷通常被关联电路放置在电容器上。电容器的电容随着隔膜与板之间的距离由于隔膜的振动而改变而快速地改变。通常，电容器上的电荷本质上在这些振动期间保持恒定，因此跨电容器的电压随着电容改变而改变。改变的电压可以用来驱动电路，诸如放大器或模数转换器，MEMS扩音器元件被连接到该放大器或模数转换器。被连接到电路的MEMS扩音器元件在本文中被称为“MEMS扩音器系统”或“MEMS系统”。MEMS扩音器管芯常常被电连接到专用集成电路(ASIC)以处理来自扩音器元件的电信号。MEMS扩音器管芯及其相应的ASICF被容纳在公共集成电路封装内以保持扩音器元件与ASIC之间的引线尽可能短，从而避免由长引线引起的寄生电容，因为被耦合到信号线的电容使来自MEMS扩音器元件的信号衰减。当在消费者电子设备及其他背景下使用时，电容器扩音器系统可能经受广泛变化的声信号振幅。例如，在有风条件下在室外或在地铁站中所使用的移动电话使电容器扩音器经受非常大声的声信号。在这些情况下，隔膜可能达到其绝对位移极限，并且结果得到的信号因此可能被“箝位”，引起不期望的失真。即使隔膜未达到其绝对位移极限，ASIC或其他处理电路也可能由于可从电源获得的有限电压而不能处理来自电容器扩音器元件的电信号中的峰值，并且信号因此可能被箝位。箝位能够引起信号成分的损失。例如，如果语音信号被箝位，则输出信号波形变得平坦，并且不再随人语音而变。2010年12月7日提交的题为“MEMSMicrophonewithProgrammableSensitivity”的美国专利申请号12／962,136(美国专利公开号2011／0142261)和2010年5月20日提交的题为“SwitchableAttenuationCircuitforMEMSMicrophoneSystem”的美国专利申请号12／784,143公开了用于使来自MEMS扩音器的信号衰减的电路。2009年12月15日提交的题为“AmplifierCircuitforCapacitiveTransducers”的美国专利号7,634,096(美国专利公开号2005／0151589)注意到现有技术电容换能系统中的通电问题和耐受高能级声信号(诸如由门砰地关上或机械振动引起的低频瞬态信号等)的相关联的能力缺乏。′096专利公开了一种用于电容换能器的伺服控制偏置电路，其据说改善被耦合到换能器的放大器电路的稳定。伺服控电路据说解决了保持放大器电路的大输入电阻以使其噪声性能最优化并提供放大器电路的快速稳定的传统上竞争要求。RichardS.Bunuen在Journal0ftheAudioEngineeringSociety，1977年5月、25卷、5号、278-283页中的“ALow-NoiseHigh-OutputCapacitorMicrophoneSystem”描述了被设计成通过包括手动开关来增加最大声输入能力以选择多个可能声压级别(SPL)中的一个的电容器扩音器系统。系统内的反馈量是用户可选择的。然而，现有技术并未公开或提出用于自动地选择性地使诸如风震动的不期望信号衰减的任何电路。

技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种扩音器系统。该扩音器系统包括换能器、第一电路和第二电路。该换能器包括被配置用于建立根据由换能器接收到的声信号而改变的电容的可振动结构。第一电路具有被耦合到换能器输入端以经由输入端来接收根据换能器的可变电容而变的电信号。第一电路具有输出端且被配置用于处理接收到的电信号并在输出端处提供相应的已处理电信号。第二电路被耦合到第一电路的输入端和在第一电路的输出端下游的节点。第二电路被配置用于自动地检测来自下游节点的信号何时满足预定标准且作为响应而有效地将阻抗耦合到第一电路的输入端作为响应。该阻抗被配置用于使在第一电路的输入端处接收到的电信号衰减。所述预定标准可以包括频率相关标准。该预定标准可以包括振幅相关标准。所述阻抗可以包括电容器。所述预定标准可以包括频率相关标准。所述阻抗可以包括电容器。电容器包括第一和第二端子。电容器的第一端子可以被耦合到第一电路的输入端。第二电路可以包括耦合在下游节点与电容器的第二端子之间的滤波器。第二电路可以包括缓冲器。滤波器和缓冲器可以被共同地耦合在下游节点与电容器的第二端子之间，从而从下游节点向电容器的第二端子提供信号的已滤波和已缓冲型式。滤波器可以包括高通滤波器，从而从下游节点向电容器的第二端子提供信号的高通滤波和缓冲型式。滤波器可以包括数字信号处理器。缓冲器可以包括数模转换器。缓冲器可以被配置用于提供具有大于1的绝对值的增益。阻抗可以包括电阻器。电阻器可以包括开关电容器或开关电容器阵列。第二电路可以被配置用于响应于来自下游节点的信号不满足预定标准的自动检测而有效地从第一电路的输入端去除阻抗。第二电路可以被配置用于在第一电路的输入端处接收到的电信号的大约过零处有效地将阻抗耦合到第一电路的输入端。如果来自下游节点的信号包含在预定能量级以上的预定频率和在预定能量级以上、在预定频率以下的频率分量，则可以满足所述预定标准。如果来自下游节点的信号的预定义带宽中的总能量超过预定级，则可以满足预定标准。如果来自下游节点的信号的总能量超过预定级，则可以满足预定标准。如果来自下游节点的信号包含至少一个具有预定振幅的预定频率分量，则可以满足预定标准。该预定标准可以被自动地调整。该预定标准可以是响应于用户输入可调整的。换能器可以包括MEMS扩音器。MEMS扩音器、第一电路和第二电路可以被设置在单个集成电路外壳内。扩音器系统还可以包括被耦合到换能器的偏置电路和第三电路。第三电路可以被配置用于响应于根据换能器的可变电容而变的电信号满足第二预定标准的检测而自动地生成校正信号。第三电路可以被配置用于向偏置电路施加校正信号，使得校正信号抵消根据换能器的可变电容而变的电信号的不期望部分。MEMS扩音器、偏置电路、第一电路、第二电路和第三电路可以被设置在单个集成电路外壳内。本发明的另一实施例提供了一种用于自动地使来自换能器的电信号衰减的方法。该换能器包括被配置用于建立根据由换能器接收到的声信号而改变的电容的可振动结构。第一电路具有被耦合到换能器以经由输入端来接收根据换能器的可变电容而变的电信号的输入端。第一电路具有输出端且被配置用于处理接收到的电信号并在输出端处提供相应的已处理电信号。该方法包括从在第一电路的输出端下游的节点接收信号并自动地检测来自下游节点的信号是否满足预定标准。如果来自下游节点的信号满足预定标准，则阻抗被自动地有效地耦合到第一电路的输入端。该阻抗被配置用于使在第一电路的输入端处接收到的电信号衰减。检测来自下游节点的信号是否满足预定标准可以包括自动地检测来自下游节点的信号是否满足频率相关标准。检测来自下游节点的信号是否满足预定标准可以包括自动地检测来自下游节点的信号是否满足振幅相关标准。有效地耦合阻抗可以包括将电容器耦合到第一电路的输入端。自动地检测来自下游节点的信号是否满足预定标准可以包括对从在第一电路下游的节点接收到的信号进行滤波以生成已滤波信号。有效地将阻抗耦合到第一电路的输入端可以包括将电容器的第一端子耦合到第一电路的输入端并向电容器的第二端子施加已滤波信号。自动地检测来自下游节点的信号是否满足预定标准可以包括对从在第一电路下游的节点接收到的信号进行滤波和缓冲以生成已滤波缓冲信号。有效地将阻抗耦合到第一电路的输入端可以包括将电容器的第一端子耦合到第一电路的输入端并向电容器的第二端子施加已滤波缓冲信号。有效地将阻抗耦合到第一电路的输入端可以包括有效地将电阻器耦合到第一电路的输入端。电阻器可以包括开关电容器或开关电容器阵列。如果来自下游节点的信号不满足预定标准，则可以自动地有效地从第一电路的输入端去除阻抗。自动地检测来自下游节点的信号是否满足预定标准可以包括自动地检测来自下游节点的信号是否包含预定频率。自动地检测来自下游节点的信号是否满足预定标准可以包括自动地检测来自下游节点的信号是否包含在预定频率以下的频率分量。自动地检测来自下游节点的信号是否满足预定标准可以包括自动地检测来自下游节点的信号是否包含具有至少一个预定振幅的预定频率分量。该方法还可以包括自动地调整预定标准或响应于用户输入而调整预定标准。本发明的另一实施例提供了一种包括换能器、偏置电路、第一电路和第二电路的扩音器系统。换能器包括第一和第二端子和被配置用于建立根据由换能器接收到的声信号而改变的电容的可振动结构。在第一和第二端子之间可检测到可变电容。偏置电路被耦合到换能器的第二端子。第一电路具有被耦合到换能器的第一端子以经由输入端来接收根据换能器的可变电容而变的电信号的输入端。第一电路具有输出端且被配置用于处理接收到的电信号并在输出端处提供相应的已处理电信号。第二电路被配置用于响应于根据换能器的可变电容而变的电信号满足第二预定标准的检测而自动地生成校正信号。第二电路还被配置用于向偏置电路施加校正信号，使得校正信号抵消根据换能器的可变电容而变的电信号的不期望部分。第二电路可以包括滤波器和放大器。第二电路可以被配置用于生成校正信号作为根据换能器的可变电容而变的电信号的低通滤波和反相型式。滤波器可以包括数字信号处理器。放大器可以包括数模转换器。如果来自根据换能器的可变电容而变的信号在预定频率范围内包含超过预定量的能量，则可以满足预定标准。该预定标准可以被自动地调整。该预定标准可以是响应于用户输入可调整的。换能器可以包括MEMS扩音器。MEMS扩音器、偏置电路、第一电路和第二电路可以被设置在单个集成电路外壳内。附图说明通过结合附图参考特定实施例的以下详细描述，将更全面地理解本发明，在所述附图中：图1是根据现有技术的MEMS扩音器系统的示意性方框图；图2是根据由本发明提供的方案的MEMS扩音器系统的示意性方框图；图3是根据由本发明提供的另一方案的电容器扩音器系统的示意性方框图。图4是根据现有技术的MEMS扩音器的模型的示意性电路图。图5是根据本发明的实施例的具有被与之耦合的负反馈电路的MEMS扩音器系统的示意性电路图。图6是根据本发明的另一实施例的具有被与之耦合的负反馈电路的MEMS扩音器系统的示意性电路图。图7和8是图6的电路的传递函数的图。图9是根据本发明的另一实施例的具有被与之耦合的负反馈电路的MEMS扩音器系统的示意性电路图。图10和11是图9的电路的传递函数的图。图12是根据本发明的实施例的具有被与之耦合的受控衰减阻抗的电容器扩音器的模型的示意性电路图。图13是根据本发明的实施例的具有被与之耦合的衰减电容器的电容器扩音器的模型的示意性电路图。图14是根据本发明的实施例的具有被耦合到电容器的信号源(在振幅方面与来自MEMS扩音器的信号相当)的MEMS扩音器和衰减电容器的模型的示意性电路器，类似于图13的电路。图15是图14的模型的示意性电路图，其中，被耦合到电容器的信号在振幅(和相位，如果K<0)方面与MEMS扩音器的信号相当。图16是根据本发明的实施例的具有无源RC滤波器的自动信号衰减器的示意性电路图。图17是根据本发明的实施例的具有不同无源RC滤波器的自动信号衰减器的示意性电路图。图18是根据本发明的实施例的具有具有大于1的增益的缓冲器／放大器以及分压器网络的自动信号衰减器的示意性电路图。图19是根据本发明的实施例的具有用以将衰减电容器的效应放大的放大器的自动信号衰减器的示意性电路图。图20是根据本发明的实施例的广义化自动信号衰减器的示意性电路图。图21是根据本发明的实施例的广义化自动数字信号衰减器的示意性电路图。图22是根据本发明的实施例的被实现为高通滤波器的自动信号衰减器的示意性电路图。图23是根据本发明的另一实施例的被实现为高通滤波器的自动信号衰减器的示意性电路图。图24是图示出本发明的实施例的操作的流程图。图25是根据本发明的实施例的将信号衰减的两个方案组合的示意性电路图。图26是根据本发明的实施例的具有用数字电路替换的多个部件的MEMS扩音器系统的示意性电路图，类似于图5的电路。具体实施方式根据本发明的实施例，公开了用于自动地抵消或衰减来自电容器扩音器的信号和／或控制其频率响应的方法和设备。电容器扩音器的示例包括MEMS扩音器和驻极体电容器扩音器(ECM)。在某些实施例中，不期望的高能量频率、诸如来自风震动的低频(诸如在约200Hz以下)在来自电容器扩音器元件的信号到达ASIC或其他处理电路(“后续处理电路”)之前被自动地抵消或衰减。结果，处理电路看到的最大振幅信号是受限的，从而防止使后续处理电路的输入端过载。剩余(期望)频率能够被适当地放大以减少其他后续处理电路上的噪声负担。其他应用包括：对电容器扩音器元件的频率响应进行成形，从而修正电容器扩音器元件或后续电路的非理想频率响应；扩展电容器扩音器元件或后续电路的有效带宽；修正电容器扩音器元件的不期望谐振频率峰值；以及针对特定应用而修整宽频率响应电容器扩音器元件。例如，可以使得宽带电容器换能器元件相对而言对诸如20Hz至20kHz的声频不敏感，并且仅对诸如在20Hz以上的超声波进行响应。此种配置避免了用在这种情况下不感兴趣的声频使后续处理电路过载，或者甚至进行处理。大多数实施例是相对于MEMS扩音器描述的。然而，在大多数情况下可以使用ECM或其他电容器扩音器或声信号的其他电容器换能器。MEMS扩音器通常要求偏置电路。然而，ECM通常具有永久电荷，并且因此不要求偏置电路，如在本领域中众所周知的。公开了两个基本方案。在一个方案中，向电容器扩音器的除扩音器的信号发生端子之外的一个端子施加校正信号。例如，可以向MEMS扩音器元件的端子施加校正信号，通过该端子，电荷被施加于MEMS扩音器元件。修正信号抵消由电容器扩音器元件生成的信号的不期望部分。在其他方案中，阻抗被连接到载送由电容器扩音器元件生成的信号的线路，从而使来自电容器扩音器元件的信号的不期望部分衰减。有效阻抗由校正信号控制。在任一情况下，可以从来自电容器扩音器元件或来自在电容器扩音器元件下游的电路的信号(在本文中共同地称为“来自电容器扩音器元件的信号”)生成校正信号。该校正信号可以例如通过适当地对来自电容器扩音器元件的信号进行滤波、放大(有或没有增益)、反相、数字处理和／或其他处理来生成校正信号。然而，针对两种方案，可以不同地生成校正信号。下面详细地描述两个方案。图1是根据现有技术的MEMS扩音器系统的示意性方框图；MEMS扩音器元件100的一个端子被连接到ASIC或其他信号处理电路103。电荷泵106被连接到MEMS扩音器元件100的另一端子。电荷泵106包括滤波器109或者经由滤波器109被耦合到MEMS扩音器元件100。滤波器109是由大阻抗(被示为电阻器112)和滤波电容器115实现的。共同地，电荷泵106和滤波器109形成偏置电路118。向电容器扩音器的无信号端子施加校正信号如所述，一个发明性方案涉及到生成校正信号以抵消或衰减来自电容器扩音器元件的信号的不期望部分并向电容器扩音器的无信号端子施加校正信号。在图2中的示意性方框图中，使用MEMS扩音器作为非限制性示例概括了这种方案。按照惯例，滤波器109的电容器115和阻抗112的值被选择成使得滤波角仅为约几Hz或甚至更低，即小于约1Hz，从而从电荷泵106滤出尽可能多的噪声。因此，与声频下的电阻器112的阻抗相比，电容器115的声频下的阻抗是小的。因此，声频范围内的修正AC信号200能够驱动否则将被接地的电容器115的端子，并且此校正信号在MEMS扩音器元件100的Vbk端子处表现为本质上未衰减或仅被稍微衰减。校正信号本质上被从由MEMS扩音器元件100生成的信号减去。不要求偏置电路的ECM或其他基于电容器的换能器通常具有两个端子：信号输出端子和另一端子，输出信号被针对该另一端子参考。常常地，所述另一端子被接地，至少至AC...