用于传感器支持的麦克风的系统和方法与流程

本发明一般涉及传感器和换能器，并且在特定实施例中，涉及用于传感器支持的麦克风的技术和机制。

背景技术：

换能器将信号从一个域转换到另一个并且通常被用在传感器中。传感器的常见示例包括麦克风和温度计。这样的器件将环境现象（声音、热等）转换成电信号。

基于微机电系统（MEMS）的传感器包括使用一系列微加工技术产生的换能器。MEMS器件（诸如MEMS麦克风）通过测量换能器中的物理状态的改变并且将经换能的电信号输送至连接到MEMS传感器的处理电子器件来从环境搜集信息。许多MEMS器件检测传感器中的电容的改变，其可以通过使用接口电路而被转换成电压信号。可以使用类似于用于集成电路的技术的微加工制作技术来制造MEMS器件。常见MEMS器件包括振荡器、谐振器、加速度计、陀螺仪、压力传感器、麦克风和微镜。

MEMS器件的性能可能受环境影响。可以通过设计MEMS器件和封装的某些方面（诸如衬底的厚度或胶合剂性质）来降低环境相关性。

技术实现要素：

一般通过本公开的实施例实现技术优点，该实施例描述用于传感器支持的麦克风的系统和方法。

依照实施例，提供一种器件。器件包括：放大器，具有配置成耦合到换能器的输入和耦合到模拟接口以从换能器输出经换能的电信号的输出；配置成耦合到环境传感器的数据总线；耦合到数据总线的校准参数存储电路，校准参数存储电路包括使换能器的灵敏度与环境传感器所提供的环境测量结果相关的校准数据；以及数字接口，耦合到数据总线并且配置成输出校准数据和环境测量结果。

附图说明

为了更加完整理解本发明以及其优点，现在参照结合附图进行的以下描述，在附图中：

图1图示了实施例换能器封装的框图；

图2图示了实施例换能器封装的示意性横截面；

图3图示了实施例集成系统；

图4图示了温度传感器核；

图5图示了实施例换能器系统的示意图；

图6图示了实施例音频信号读取方法；

图7A图示了实施例音频信号修正方法；以及

图7B图示了实施例经修正的音频信号读取方法。

不同图中的对应标号和符号一般是指对应的部分，除非另行指示。附图被绘制成清楚地图示实施例的相关方面并且未必按照比例绘制。

具体实施方式

以下详细讨论做出和使用本公开的实施例。然而，应当领会的是，本文所公开的概念可以被体现在多种多样的具体上下文中，并且本文所讨论的具体实施例仅仅是说明性的并且不用作限制权利要求的范围。另外，应当理解的是，可以在不脱离如随附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下在本文中做出各种改变、置换和更改。

各种实施例将环境传感器与用于MEMS器件的换能器封装集成。MEMS器件的性质，诸如灵敏度、偏移、失真等，可以通过组合来自环境传感器的输出与使环境传感器与MEMS器件的性质相关的函数来校准。函数可以是例如多项式函数，并且器件可以通过接收用于多项式函数的系数来执行校准。来自换能器封装的输出信号的漂移然后可以根据经计算的MEMS器件性质的改变来进行修正。在一些实施例中，换能器封装与其集成的系统可以从换能器封装接收传感器输出和多项式系数连同MEMS器件输出信号，并且在系统或应用级别执行修正。在一些实施例中，换能器封装自身可以在封装级别使用传感器输出和多项式系数来修正MEMS器件输出信号（在信号被输出到系统之前）。

实施例还可以允许修正换能器封装中的其它组件的漂移。例如，换能器封装可以包括其它器件，诸如专用集成电路（ASIC）。那些器件的性能参数可能随周围环境条件而漂移。环境传感器的包含还可以允许修正这些器件的性能参数的漂移。这样的性能参数可以包括例如偏置电流、偏置阻抗、电流消耗、增益、偏移、时钟频率等。

各种实施例可以实现优点。MEMS器件和封装可能因对诸如温度和应力之类的环境条件的相对较大灵敏度而受到损害。对环境的该灵敏度在器件可能随着尺寸方面进一步减小而增加。修正MEMS器件的输出电信号可以减小来自MEMS器件的漂移，从而增加这样的器件的精度和可靠性。在系统或应用级别执行修正可以允许用于修正换能器封装中的器件输出的相对简单的电路，而在器件级别执行修正可以允许在系统或应用级别的相对简单的编程。环境漂移传统上具有对MEMS封装的强加的设计约束。修正MEMS器件的输出中的环境漂移可以允许MEMS封装在脱离这些约束的情况下进行设计。

虽然在麦克风灵敏度和温度传感器的上下文中呈现所说明的实施例，但是应当领会的是，本文所呈现的技术可以用于修正来自MEMS器件的大量电信号，并且可以利用许多类型的环境传感器来执行该修正。例如，还可以修正来自加速度计或陀螺仪的电信号，并且可以使用诸如压力传感器、湿度传感器、电阻传感器或机械应力传感器之类的其它环境传感器。另外，可以使用多于一个传感器和/或类型的传感器。

图1图示了实施例换能器封装100的框图。换能器封装100包括ASIC 102、MEMS麦克风104、温度传感器106、外壳108。外壳108具有端口110，端口110允许将MEMS麦克风104通过声音耦合112耦合到周围环境并且允许将温度传感器106通过温度耦合114耦合到周围环境。在各种实施例中，MEMS麦克风104和温度传感器106的定位和集成可以变化，如以下所描述的。

ASIC 102包括麦克风电路116和传感器电路118。MEMS麦克风104耦合到麦克风电路116，并且温度传感器106耦合到传感器电路118。麦克风电路116将MEMS麦克风104与ASIC 102和其它器件对接。传感器电路118将温度传感器106与ASIC 102和其它器件对接。在一些实施例中，温度传感器106可以是与ASIC 102集成的器件。虽然所图示的实施例示出通过共享端口耦合到环境并且耦合到ASIC 102的MEMS麦克风104和温度传感器106，但是应当领会的是，器件可以具有多个端口和/或可以具有不集成到单个ASIC管芯或电路板中的不同接口电路。

图2图示了实施例换能器封装200的示意性横截面。换能器封装200包括ASIC 102、MEMS麦克风104、温度传感器106、电路板202、盖子204和端口结构206。端口结构206可以被包括在电路板202中，使得声音可以从周围环境通过端口结构206传输至MEMS麦克风104。ASIC 102、MEMS麦克风104和盖子204可以使用胶合剂或导电胶附连到电路板202。

MEMS麦克风104包括隔膜208、背板210和腔体212。隔膜208分离由电路板202和盖子204围起的空间或区与通过端口结构206可达到的周围环境。在一些实施例中，声学信号通过端口结构206传播到MEMS麦克风104的腔体212中。这样的声学信号使隔膜208偏转，这使得MEMS麦克风104基于入射的声学信号而生成经换能的电信号。

在所图示的实施例中，ASIC 102和MEMS麦克风104形成在不同半导体器件上并且集成到单个封装中。在这样的实施例中，换能器封装200包括互连导电线214。互连导电线214将MEMS麦克风104与ASIC 102耦合。互连导电线214还可以将ASIC 102与电路板202上的导电线（未示出）耦合，所述电路板202可以是印刷电路板（PCB）。在一些实施例中，ASIC 102和MEMS麦克风104可以形成在相同半导体管芯上，并且因而换能器封装200可以不具有互连导电线214。

图3图示了实施例集成系统300。集成系统300包括换能器封装302、用户设备304、输出信号306以及传感器和控制信号308。换能器封装302可以是例如封装，该封装包括MEMS器件、环境传感器和用于利用来自环境传感器（未示出）的输出修正MEMS器件的对应支持电路。

用户设备304可以是换能器封装302与其集成的系统。虽然将用户设备304图示为单个块，但是应当领会的是，换能器封装302可以与包括许多其它功能块或器件的系统集成。例如，用户设备304可以是电话、平板电脑、计算机等等。用户设备304从换能器封装302接收输出信号306。

输出信号306包括来自换能器封装302的MEMS器件输出电信号。在一些实施例中，输出信号306是模拟信号。输出信号306可以是例如来自麦克风的音频信号。在一些实施例中，换能器封装302可以执行模拟到数字转换使得输出信号306是数字的。

传感器和控制信号308是数字信号，该数字信号包括来自在换能器封装302上与MEMS器件一起封装的环境传感器的值。传感器和控制信号308通过诸如内部集成电路（I²C）之类的数字接口传输，该数字接口还准许用户设备304配置换能器封装302。在一些实施例中，输出信号306以及传感器和控制信号308可以是分离的输出信号。在一些实施例中，信号可以共享组合接口，诸如手机音箱（SoundWire）。可替换地，可以使用其它数字接口总线类型，诸如I²S或脉冲编码调制（PCM）。

输出信号306可以由换能器封装302或用户设备304修正。可以通过将换能器封装302中的MEMS器件的性质识别为环境条件的函数来执行修正。例如，在一些实施例中，MEMS麦克风的灵敏度可以被识别为温度的函数。可以例如根据以下来表述这样的函数：

其中T是所测量到的温度，T₀是参考温度，k是使电压与参考温度下的压力相关的常量，并且a和b是多项式系数。在一些实施例中，k可以为大约12 mV/Pa。多项式系数a和b可以被存储在换能器封装302的存储器中或者被分发到用户设备304（以下讨论）。一旦已经计算了MEMS麦克风的灵敏度，就可以根据以下计算用于麦克风的修正量：

其中o_{mic,corrected}是麦克风的经修正的输出，o_mic是麦克风的输出信号，s_mic是麦克风的经计算的灵敏度（以上讨论），并且k是使电压与压力相关的常量（以上讨论）。在一些实施例中，可以每当发生温度的明显改变时重新计算s_mic。

在一些实施例中，用户设备304执行输出信号306的修正。在这样的实施例中，用户设备304还接收使MEMS器件的灵敏度与环境条件相关的函数。该函数可以作为例如多项式函数的系数而被递送至用户设备304。在一些实施例中，系数可以被存储在换能器封装302内的存储器中并且与由用户设备304读取的传感器和控制信号308一起被包括。该存储器可以包括例如诸如EEPROM之类的非易失性存储器，或者可以使用熔丝、电子熔丝（e-熔丝）或一次性可编程（OTP）存储器而被实现。在一些实施例中，存储器包括金属掩模。在一些实施例中，系数可以在用户设备304中。例如，可以利用由用户设备304使用的音频编码器-解码器（编解码器）来供应系数。可以利用批量类型校准来供应系数，例如用户设备304可以依照编码在换能器封装302中的标识符和/或版本号来选择系数。用户设备304通过例如调节信号的水平来修正输出信号306。可以通过放大器来调节输出信号306的水平，或者可以数字地调节输出信号306的水平。

在一些实施例中，换能器封装302执行输出信号306的修正。可以在输出信号306被输出到用户设备304之前执行这样的修正。在这样的实施例中，系数被存储在换能器封装302中的存储器中并且修正计算由处理器、微控制器或与换能器封装302一起被包括的状态机执行。

图4图示了产生与温度成比例的电压ΔV_be的温度传感器核400。温度传感器核400包括第一电流源402、第二电流源404和二极管406。可以使用二极管连接的BJT晶体管来实现二极管406。在一些实施例中，可以使用若干PNP晶体管来实现二极管406。第一电流源402和第二电流源404配置成具有固定比例m并且被供应到二极管406。温度传感器核400包括用于测量二极管406的差电压ΔV_be的改变的节点V_be1和V_be2。可以因而根据以下关系来确定温度传感器核400的温度：

，

其中T是以开尔文计的温度，k是玻尔兹曼常量，q是电子电荷，并且m是第一电流源402与第二电流源404的固定比例。在一些实施例中，第一电流源402和第二电流源404可以产生相同的电流并且二极管406可以是不等大小的。在一些实施例中，可以使用本领域已知的任何合适的温度传感器。

图5图示了实施例换能器系统500的示意图。换能器系统500包括ASIC 102、MEMS麦克风104和温度传感器106。在一些实施例中，换能器系统500可以被包括在单个换能器封装中（诸如以上关于图1-3所描述的封装），并且可以被实现在具有电路元件的若干不同经微制作的管芯上。在一些实施例中，温度传感器106可以形成在与ASIC 102和/或MEMS麦克风104相同的经微制作的管芯上。

MEMS麦克风104包括偏置电压V_mic和差分输出V_inp和V_inn，其由ASIC 102放大。在例如其中MEMS麦克风104是双背板器件的一些实施例中，MEMS麦克风104具有差分输出。在一些实施例中，MEMS麦克风可以具有单个背板并且可以仅具有一个输出。偏置电压V_mic可以由ASIC 102控制并且差分输出V_inp和V_inn可以在被输出到系统或应用之前由ASIC 102放大。

ASIC 102包括放大器502、总线504、I²C接口506、主逻辑单元508、存储器510、麦克风偏置电路512和增益控制电路514。放大器502执行MEMS麦克风104的输出的信号放大，例如放大差分输出V_inp和V_inn以分别产生经放大的输出V_outp和V_outn。在所图示的实施例中，放大器502是差分放大器。在一些实施例中，放大器502可以是放大每一个相应差分输出V_inp和V_inn的双放大器。在一些实施例中，放大器502可以组合差分输出V_inp和V_inn以产生单个经放大的输出。在一些实施例中，放大器502包括单个输入和双输出。

ASIC 102中的器件可以（或可以不）互连在总线504上。I²C接口506连接到总线504并且提供用于使外部器件与换能器系统500交互的数字接口。例如，I²C接口506可以输出由换能器系统500与其集成的系统读取的传感器数据和/或校准数据，并且还可以接收用于ASIC 102的控制信号。

主逻辑单元508是用于ASIC 102的主要处理管线。其包括用于执行启动序列、控制功率模式、优化、测试和调试ASIC 102的功能单元和/或电路。主逻辑单元508还可以包括校准MEMS麦克风104或可以与换能器系统500一起包括的其它传感器的功能。在一些实施例中，主逻辑单元508执行用于修正差分输出V_inp和V_inn的计算。主逻辑单元508可以包括控制状态机，其控制I²C接口506上的温度值或校准值的输出。在其中信号修正由ASIC 102执行的实施例中，主逻辑单元508可以评估使MEMS麦克风104的灵敏度与来自温度传感器106的值相关的函数。主逻辑单元508然后可以根据MEMS麦克风104的经计算的灵敏度来调节放大器502的增益。

存储器510存储由主逻辑单元508或外部系统用于校准和/或修正输出信号而使用的值。存储器510中的值可以由主逻辑单元508使用，或者可以在I²C接口506上输出，以由换能器系统500与其集成的系统或应用读取。存储器510可以是易失性存储器，例如随机存取存储器（RAM），或者可以是非易失性存储器，例如闪速存储器。

麦克风偏置电路512向MEMS麦克风104提供偏置电压。在一些实施例中，麦克风偏置电路512可以连接到总线504并且由主逻辑单元508控制。例如，在其中ASIC 102执行信号修正的实施例中，主逻辑单元508可以通过调节MEMS麦克风104的灵敏度来执行输出信号的修正。可以通过调节MEMS麦克风104的偏置电压来实现这样的调节。麦克风偏置电路512可以包括在本领域中经常用于调节电学偏置的器件，诸如电荷泵。

增益控制电路514控制放大器502的增益。增益控制电路可以连接到总线504并且由主逻辑单元508控制。例如，在其中ASIC 102执行信号修正的实施例中，主逻辑单元508可以通过调节放大器502的增益来执行输出信号的修正。增益控制电路514可以通过包括例如可编程偏置电路或用于选择和取消选择放大器502中的增益设置组件（诸如电阻器、电容器或可选增益级）的切换控件来调节增益。

温度传感器106包括传感器元件516、模拟到数字转换器（ADC） 518和数字接口520。在一些实施例中，温度传感器106可以连接到ASIC 102的总线504。在一些实施例中，温度传感器106可以通过诸如I²C接口506之类的其它机制连接到ASIC 102。

传感器元件516执行检测温度的改变。传感器元件516可以是半导体器件，诸如以上讨论的温度传感器核400。在一些实施例中，换能器系统500可以布置成使得传感器元件516接近MEMS麦克风104。这样的配置允许从温度传感器106收集的数据被更加精确地用于修正MEMS麦克风104的输出中的灵敏度的误差或改变。在一些实施例中，传感器元件516可以是MEMS麦克风104的部分。例如，在其中传感器元件516是电阻传感器的实施例中，MEMS麦克风104的隔膜可以是传感器元件516的部分。在一些实施例中，可以存在多于一个传感器元件516；例如，可以存在与MEMS麦克风104集成的传感器元件，以及与ASIC 102集成的另一传感器元件。来自传感器元件516的输出电信号可以是指示温度传感器核400中的二极管406的电压ΔV_be的改变的电压。

ADC 518将来自传感器元件516的电输出信号转换成可由主逻辑单元508使用的数据样本。数据可以由ADC 518连续采样或者可以在由例如主逻辑单元508请求时进行采样。

数字接口520从ADC 518接收数据样本，处理它们，并且使它们可用于主逻辑单元508。来自ADC 518的数据样本可以通过数字接口520使用例如低通滤波器函数来进行数字滤波。在一些实施例中，ADC 518是sigma-delta（ΣΔ）模块并且数字接口520包括用于ADC 518的抽选滤波器。该抽选滤波器可以例如被实现为级联积分梳状（CIC）滤波器。可替换地，可以使用本领域中已知的其它ADC架构实现ADC 518。数字接口520可以包括用于存储要由数字滤波器使用的值或系数的存储器。一旦数据样本被捕获并且可选地进行滤波，就使它们可用于主逻辑单元508。数字接口520可以包括用于将来自温度传感器106的输出温度值锁存到主逻辑单元508中的输出寄存器。

图6图示了实施例音频信号读取方法600。音频信号读取方法600可以指示发生在诸如图3中图示的集成系统300之类的具有传感器支持的麦克风的系统中的操作。

音频信号读取方法600通过将声学信号换能成模拟电信号（步骤602）而开始。将声学信号换能可以由换能器封装上的MEMS麦克风执行。接着，系统从换能器封装接收使温度和MEMS麦克风的灵敏度相关的函数（步骤604）。所接收到的函数可以包括例如多项式的系数。接着，系统从换能器封装上的温度传感器读取值（步骤606）。接着，系统使用温度传感器值和函数计算用于模拟电信号的修正（步骤608）。最后，系统向模拟电信号应用修正（步骤610）。如图6中所图示的，一些操作由换能器封装执行而其它操作被卸载到系统。执行系统中的模拟电信号的修正允许简化换能器封装。

图7A图示了实施例音频信号修正方法700。音频信号修正方法700可以指示发生在诸如图5中图示的换能器系统500之类的具有支持传感器的换能器中的操作。

音频信号修正方法700通过将声学信号换能成模拟电信号（步骤702）而开始。接着，接收使温度和MEMS麦克风的灵敏度相关的函数（步骤704）。所接收到的函数可以包括例如多项式的系数，并且可以从存储器读取。接着，从温度传感器读取传感器值（步骤706）。接着，使用温度传感器值和函数计算用于模拟电信号的修正（步骤708）。接着，通过调节模拟电信号的放大来修正模拟电信号（步骤710）。放大的调节可以通过例如调节用于MEMS麦克风的偏置电压或调节放大模拟电信号的放大器的增益来完成。最后，向系统或应用输出经修正的模拟电信号（步骤712）。

图7B图示了实施例经修正的音频信号读取方法750。经修正的音频信号读取方法750可以指示发生在下述应用或系统中的操作：该应用或系统包括具有传感器支持的麦克风的换能器封装（诸如图3中图示的用户设备304）。

音频信号读取方法750通过从换能器封装接收经修正的模拟电信号（步骤752）而开始。音频信号读取方法750因而结束。如图7A和7B中所图示的，修正操作由换能器封装执行，而系统或应用读取经修正的信号。执行换能器封装中的模拟电信号的修正允许简化系统或应用。

依照实施例，提供了一种器件。器件包括：放大器，具有配置成耦合到换能器的输入和耦合到模拟接口以从换能器输出经换能的电信号的输出；配置成耦合到环境传感器的数据总线；耦合到数据总线的校准参数存储电路，校准参数存储电路包括使换能器的灵敏度与环境传感器所提供的环境测量结果相关的校准数据；以及数字接口，耦合到数据总线并且配置成输出校准数据和环境测量结果。

在一些实施例中，器件包括耦合到放大器的放大器增益控制电路，以及耦合到数据总线和放大器增益控制电路的主逻辑单元，主逻辑单元配置成基于校准数据和环境测量结果而调节放大器的增益。在一些实施例中，器件包括耦合到数字接口和模拟接口的用户设备，用户设备配置成响应于校准数据和环境测量结果而调节经换能的电信号的水平。在一些实施例中，器件包括环境传感器。在一些实施例中，环境传感器是温度传感器。在一些实施例中，环境传感器是机械应力传感器。在一些实施例中，环境传感器在与放大器和校准参数存储电路相同的半导体管芯上。在一些实施例中，器件包括换能器。在一些实施例中，换能器包括MEMS麦克风。在一些实施例中，环境测量结果包括温度测量结果，并且在一些实施例中校准数据包括根据下式使MEMS麦克风的灵敏度与温度测量结果相关的多项式函数的系数：，其中k是常量，a和b是系数，T是温度测量结果之一，并且T₀是理想温度测量结果。在一些实施例中，校准数据包括多项式函数的系数，多项式函数使换能器的灵敏度与环境测量结果相关。在一些实施例中，校准参数存储电路包括存储器。

依照另一实施例，提供了一种系统。系统包括封装，其包括环境端口、邻近于环境端口设置的换能器、接近换能器设置的环境传感器和专用集成电路（ASIC），ASIC包括存储使换能器的灵敏度与环境传感器所提供的环境测量结果相关的校准数据的校准参数存储电路。

在一些实施例中，环境传感器包括温度传感器。在一些实施例中，环境传感器包括机械应力传感器。在一些实施例中，校准数据包括多项式函数的系数。在一些实施例中，多项式函数根据下式使换能器的灵敏度与环境测量结果相关：，其中k是常量，a和b是系数，M是环境测量结果之一，并且M₀是理想环境测量结果。在一些实施例中，系统包括用户设备，用户设备配置成从封装接收经换能的电信号、校准数据和环境测量结果。在一些实施例中，用户设备还配置成响应于校准数据和环境测量结果而调节经换能的电信号的水平。在一些实施例中，封装还包括放大器，并且其中ASIC配置成响应于校准数据和环境测量结果而调节放大器的增益。

依照又一实施例，提供了一种方法。方法包括接收使换能器的灵敏度与换能器的周围环境条件相关的函数，检测换能器的周围环境条件，依照函数和所检测到的周围环境条件计算换能器的响应性的漂移，以及依照响应性的漂移调节来自换能器的输出电信号。

在一些实施例中，调节来自换能器的输出电信号包括通过用户设备调节输出电信号。在一些实施例中，调节来自换能器的输出电信号包括调节耦合到换能器的放大器的增益，以及使用耦合到换能器的放大器放大输出电信号。在一些实施例中，计算换能器的响应性的漂移包括关于所检测到的周围环境条件评估函数。在一些实施例中，接收函数包括接收使换能器的灵敏度与换能器的周围环境条件相关的多项式的系数。

尽管已经详细描述了说明书，但是应当理解的是，可以在不脱离如随附权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下做出各种改变、置换和更改。而且，本公开的范围不意图限于本文所描述的特定实施例，因为本领域普通技术人员将根据本公开容易地领会到，目前存在或稍后要开发的过程、机器、制造、物质组成、构件、方法或步骤可以执行与本文所描述的对应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果。相应地，随附权利要求意图在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、构件、方法或步骤。