用于换能器的自动校准的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及换能器和电路，并且在特别的实施例中，涉及用于换能器的自动校准的系统和方法。
【背景技术】
[0002]换能器将信号从一个域转换到另一个域并且经常用在传感器中。日常生活中所见到的具有换能器的普通传感器是麦克风，一种将声波转换为电信号的传感器。
[0003]基于微机电系统(MEMS)的传感器包括使用微机加工技术生产的一系列换能器。MEMS,诸如MEMS麦克风，通过测量物理现象从环境收集信息，并且附接到MEMS的电子器件然后处理从传感器得到的信号信息。可以使用与用于集成电路的那些类似的微机加工制备技术来制造MEMS装置。
[0004]音频麦克风通常被用在各种消费者应用(诸如蜂窝电话，数字音频记录器，个人计算机和电话会议系统)中。在MEMS麦克风中，压强灵敏隔膜被直接设置在集成电路上。像这样，麦克风被包含在单个集成电路上而非从单独的分立部分制备麦克风。MEMS麦克风的单片性质产生更高产出、更低成本的麦克风。
[0005]MEMS装置可以被形成为振荡器、谐振器、加速度计、陀螺仪、压强传感器、麦克风、微镜以及其它装置，并且经常使用电容性感测技术以用于测量正被测量的物理现象。在这样的应用中，使用接口电路将电容性传感器的电容改变转换为可用电压。然而，MEMS装置的制备引入物理大小和形状的变化，由此引起所完成的MEMS装置的特性性能上的变化。例如，以相同的过程制备的具有相同设计的MEMS麦克风可能在灵敏度上具有某种变化。
【发明内容】
[0006]依照实施例，接口电路包括:耦接至换能器的可变电压偏置生成器，和耦接至换能器输出的测量电路。测量电路被配置为测量换能器的输出幅度。接口电路还包括:耦接至偏置生成器和测量电路的校准控制器，并且被配置为在自动校准序列期间设置换能器和接口电路的灵敏度。
【附图说明】
[0007]为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照结合附图做出的下面的描述，在附图中:
图1图解实施例换能器系统的不意图；
图2图解实施例换能器灵敏度绘图的波形图；
图3图解实施例校准过程的流程图；
图4图解实施例校准控制器的框图；
图5a-5b图解实施例校准方法的波形图；
图6图解另一个实施例换能器系统的示意图；以及图1图解实施例校准方法的框图。
[0008]不同图中的对应标号和符号一般提及对应的部分，除非另外指示。绘制各图以清楚地图解实施例的相关方面并且不一定按比例绘制。
【具体实施方式】
[0009]以下详细讨论各个实施例的做出和使用。然而，应当领会的是，在此描述的各个实施例可应用在广泛的各种特定情形中。所讨论的特定实施例仅仅说明做出和使用各个实施例的特定方式并且不应以受限制的范围被解释。
[0010]关于特定情形(即麦克风换能器，并且更特别地，MEMS麦克风)下的各个实施例做出描述。在此描述的各个实施例中的一些包括MEMS换能器系统、MEMS麦克风系统、用于换能器和MEMS换能器系统的接口电路以及校准MEMS换能器系统的自动方法。在其它实施例中，各方面还可以被应用于牵涉根据现有技术中已知的任何方式将物理信号转换到另一个域并且校准这样的传感器或换能器以及接口电子器件的任何类型的传感器或换能器的其它应用。
[0011]所制备的MEMS装置展现出性能特性的变化。例如，即使是在同一晶片上制备的MEMS麦克风当中，MEMS麦克风也展现不同的灵敏度值。根据在此描述的各个实施例，提出能够执行如下的自动校准过程的接口电路:所述自动校准过程确定偏置电压和放大器增益以便针对MEMS装置在目标范围内设置总的换能器系统灵敏度值。
[0012]根据各个实施例，自动校准过程包括:对系统应用已知幅度的音频信号和应用自动校准开始条件。在自动校准过程期间，应用到MEMS的偏置电压和/或可变增益放大器的增益被调整直到系统的总灵敏度接近目标灵敏度。在一些实施例中，该自动校准过程一旦开始就在芯片上发生(例如在接口电路和MEMS麦克风内)。
[0013]图1图解具有经由端子126和128耦接到麦克风120的接口电路110的实施例换能器系统100的示意图。麦克风被示出为电容性MEMS麦克风120，具有耦接至端子128的可偏转膜124和耦接至端子126的穿孔刚性背板122。根据实施例，入射在膜124上的来自声音端口(未示出)的声波引起膜124偏转。该偏转改变膜124和背板122之间的距离并且改变电容，因为背板122和膜124形成平行板电容器。电容的改变被检测为端子126和128之间的电压改变。接口电路110测量端子126和128之间的电压改变并且在输出130处提供与入射在膜124上的声波对应的输出信号。
[0014]根据实施例，MEMS麦克风120的灵敏度受制备变化影响而使得:即使是使用相同的过程在相同晶片上制备的具有相同设计的MEMS麦克风也可能具有不同的灵敏度值。在各个实施例中，MEMS麦克风120的灵敏度取决于跨端子126和128应用的偏置电压。包括MEMS麦克风120的灵敏度和接口电路110的灵敏度的换能器系统100的总灵敏度也可能受可以被耦接至端子126的放大器104的增益G影响。常规地，在制造期间将校准过程应用于MEMS麦克风，并且接口电路被编程或者被从有限数目的变化中选择以便设置偏置电压和灵敏度，从而设置完成的换能器系统的灵敏度。
[0015]在实施例中，接口电路110包括校准控制器102，校准控制器102能够经由电荷泵108设置被供应到MEMS麦克风120的偏置电压并且能够设置放大器104的增益G。在各个实施例中，电荷泵108是可变电压电荷泵并且放大器104是可变增益放大器。在一些实施例中，放大器104可以被例如实现为2012年10月31日提交的并且标题为“System andMethod for Capacitive Signal Source Amplifier”的美国专利申请号 13/665，117 (该申请通过引用以其整体被合并于此)中所描述的那样。放大器104可以经由耦接至背板122的端子126从MEMS麦克风120接收输入信号。电荷泵108可以经由耦接至膜124的端子128将可变的偏置电压提供至MEMS麦克风120。电荷泵108可以被例如实现为如2011年8月 25 日提交的并且标题为“System and Method for Low Distort1n Capacitive SignalSource Amplifier”的美国专利申请号13/217,890 (该申请通过引用以其整体被合并于此)中所描述的那样。根据替换的实施例，背板122可以被耦接至端子128并且膜124可以被耦接至端子126。
[0016]根据所示出的实施例，接口电路110包括经由电阻性元件116耦接至端子126的偏置电压源112。放大器104被耦接到测量电路106。在所示出的实施例中，测量电路106被实现为模拟到数字转换器(ADC) 106并且被耦接至输出130和校准控制器102。如所示出那样，校准控制器102接收时钟信号132，检测控制信号134，并且耦接至保险丝114。在各个实施例中，保险丝114可以包括被设置为防止在初始校准后进一步校准的非暂态存储器。在一些实施例中，保险丝114可以被实现为物理保险丝、闪速存储器或任何其它非易失性物理存储器。
[0017]根据各个实施例，校准控制器102检测校准过程开始条件，使电荷泵108的偏置电压斜坡化直到检测到吸合(pull-1n)，基于所检测到的吸合电压设置电荷泵108的偏置电压，测量来自ADC 106的输出信号，并且如果需要的话调整放大器104的增益G。下面参照其余各图描述实施例校准过程的更详细的描述。
[0018]在一些实施例中，校准控制器102可以包括具有数字控制逻辑的状态机。在其它实施例中，校准控制器102可以被实现为微控制器。在另一实施例中，校准控制器102可以被实现为模拟控制电路。接口电路110可以是完全定制或半定制的集成电路(1