本公开的实施例涉及既具有电容电极又具有压电电极的微电子机械系统（MEMS）麦克风。
背景技术：
MEMS麦克风中的电极的绝对灵敏度是电极输出对给定标准声学输入的电响应。一般来说，MEMS麦克风中的绝对灵敏度的允许产品变化正在减少。另外，确定MEMS麦克风中的绝对灵敏度的允许测试时间也正在减少。
技术实现要素：
在MEMS麦克风中将压电电极与电容电极进行耦合增加了可以被用来确定绝对灵敏度的第二相互传感器。
因此，一个实施例提供了一种麦克风系统。该麦克风系统包括扬声器、MEMS麦克风和控制器。扬声器被配置为基于扬声器控制信号来生成声压。MEMS麦克风包括电容电极、背板和压电电极。电容电极被配置为使得声压引起电容电极的第一移动。电容电极还被配置为基于电容控制信号来生成第一机械压力。背板位于电容电极的第一侧上。压电电极耦合到电容电极。压电电极被配置为基于声压来生成第一压电响应信号。压电电极还被配置为基于第一机械压力来生成第二压电响应信号。控制器耦合到扬声器、电容电极、背板和压电电极。控制器被配置为生成扬声器控制信号。控制器还被配置为基于电容电极的第一移动来确定第一电容响应。控制器还被配置为生成电容控制信号。控制器还被配置为基于第一电容响应、第一压电响应信号和第二压电响应信号来确定电容电极的绝对灵敏度。
另一个实施例提供了一种确定MEMS麦克风的绝对灵敏度的方法。MEMS麦克风包括电容电极、背板和压电电极。压电电极耦合到电容电极。该方法包括由扬声器基于扬声器控制信号来生成声压。该方法还包括由控制器响应于声压来确定电容电极的第一电容响应。该方法还包括由控制器响应于声压来确定压电电极的第一压电响应。该方法还包括由电容电极基于电容控制信号来生成第一机械压力。该方法还包括由控制器响应于第一机械压力来确定压电电极的第二压电响应。该方法还包括由控制器基于第一电容响应、第一压电响应和第二压电响应来确定电容电极的绝对灵敏度。
又一个实施例提供了一种麦克风系统。麦克风系统包括扬声器、MEMS麦克风和控制器。扬声器被配置为基于扬声器控制信号来生成声压。MEMS麦克风包括可移动膜和背板。可移动膜包括压电电极和电容电极。电容电极被配置为使得声压引起电容电极的第一移动。电容电极还被配置为基于电容控制信号来生成第一机械压力。压电电极被配置为基于声压来生成第一压电响应信号。压电电极还被配置为基于第一机械压力来生成第二压电响应信号。背板位于电容电极上。控制器耦合到扬声器、电容电极、背板和压电电极。控制器被配置为生成扬声器控制信号。控制器还被配置为基于电容电极的第一移动来确定第一电容响应。控制器还被配置为生成电容控制信号。控制器还被配置为基于第一电容响应、第一压电响应信号和第二压电响应信号来确定电容电极的绝对灵敏度。
通过考虑具体实施方式和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是根据一些实施例的MEMS麦克风的横截面视图。
图2是根据一些实施例的MEMS麦克风和扬声器的横截面视图。
图3是根据一些实施例的MEMS麦克风的横截面视图。
图4是根据一些实施例的MEMS麦克风的横截面视图。
图5是根据一些实施例的麦克风系统的示意图。
图6是根据一些实施例的确定MEMS麦克风的绝对灵敏度的流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应该理解的是，本公开在其应用方面不限于以下描述中阐述的或以下附图中示出的组件的构造和布置的细节。本公开能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或执行。
而且，应该理解的是，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意欲涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。术语“安装”、“连接”和“耦合”被广泛使用并且涵盖直接和间接的安装、连接和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械的连接或耦合，并且可以包括直接或间接的电连接或耦合。而且，电子通信和通知可以使用包括直接连接、无线连接等的其他已知手段来加以执行。此外，术语“正”和“负”被用来将一个实体或动作与另一实体或动作区分开来，而不一定要求或暗示该实体或动作的任何此类属性。
还应该注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个其他结构组件来实现本公开。此外并且如在随后的段落中所描述的，附图中图示出的具体配置旨在示例出本公开的实施例。替代配置是可能的。
在一些实施例中，MEMS麦克风100除其他组件之外还包括可移动膜103。在所图示的示例中，可移动膜103包括具有第一侧107和第二侧108的电容电极105。电容电极105也是可移动膜。可移动膜103还包括压电电极115。在MEMS麦克风100中提供固定构件（即，背板110）和屏障120。电容电极105的第二侧108与电容电极105的第一侧107相对。在一些实施例中，背板110位于电容电极105的第一侧107上，如图1-图4中所图示。在其他实施例中，背板110位于电容电极105的第二侧108上。屏障120将MEMS麦克风100的第一侧125与第二侧130隔离开来。
在一些实施例中，将电容电极105保持在参考电压上并且将偏置电压施加到背板110以在电容电极105和背板110之间生成电感应场135。在其他实施例中，将背板110保持在参考电压上并且将偏置电压施加到电容电极105以在电容电极105和背板110之间生成电感应场135。在一些实施例中，参考电压是地参考电压（即，大约0伏）。在其他实施例中，参考电压是非零电压。电感应场135在图1和图2中被图示为多条对角线。电容电极105在箭头145和150的方向上的偏转对电容电极105和背板110之间的电感应场135进行调制。电容电极105和背板110之间的电压差基于电感应场135而变化。
如图2中所图示，作用在电容电极105的第二侧108上的声压140引起电容电极105在箭头150的方向上的第一移动（例如，偏转）。声压140在图2中被图示为箭头150的方向上的多个波状箭头。声压140由换能器155生成。换能器155可以是接收器、扬声器等。尽管图示出了一个扬声器，但是可以使用多于一个扬声器，这取决于应用。换能器155基于接收到的扬声器控制信号来生成声压140。电容电极105的第一移动对电容电极105和背板110之间的电感应场135进行调制。电容电极105和背板110之间的第一电压差基于电容电极105的第一移动而变化。
在一些实施例中，将电容控制信号施加到电容电极105。电容控制信号引起电容电极105生成第一机械压力160，如图3中所图示。第一机械压力160在图3中被图示为箭头145的方向上的多个直线箭头。在一些实施例中，电容控制信号是电流信号。
在一个实施例中，压电电极115是一种层或材料，其使用压电效应通过将压力或力的变化转换为电荷来测量压力或力的变化。在一些实施例中，压电电极115包括氮化铝（AlN）。在其他实施例中，压电电极115包括氧化锌（ZnO）。在其他实施例中，压电电极115包括锆钛酸铅（PZT）。压电电极115响应于施加到压电电极115的压力（例如声学、机械）而生成压电响应信号。在一些实施例中，通过合适的沉积技术（例如，原子层沉积）而在电容电极105上形成压电电极115，并且压电电极115限定制造的压电膜。
压电电极115耦合到电容电极105。在一些实施例中，压电电极115耦合到电容电极105的第二侧108，如图1-图4中所图示。在其他实施例中，压电电极115耦合到电容电极105的第一侧107。在一些实施例中，通过沉积技术在电容电极105的任一侧上形成压电电极115。
压电电极115被配置为接收声压140。压电电极115响应于声压140而生成第一压电响应信号。响应于由电容电极105施加的第一机械压力160，压电电极115生成第二压电响应信号。在一些实施例中，第一和第二压电响应信号是电压信号。
在一些实施例中，将压电控制信号施加到压电电极115。压电控制信号引起压电电极115的形状改变。如图4中所图示的，形状改变导致压电电极115生成第二机械压力165。第二机械压力165在图4中被示出为箭头150的方向上的多个直线箭头。在一些实施例中，压电控制信号是电流信号。
由压电电极115的形状改变生成的第二机械压力165又引起电容电极105的第二移动。类似于第一移动，电容电极105的第二移动对电容电极105和背板110之间的电感应场135进行调制。电容电极105和背板110之间的第二电压差基于电容电极105的第二移动而变化。
在一些实施例中，将压电材料沉积在可移动膜的第二侧108上以形成压电电极115。可移动膜的第一侧107限定电容电极105。压电电极115响应于声压140而生成第一响应信号。响应于由电容电极105施加的第一机械压力160，压电电极115生成第二压电信号。由压电电极115的形状改变而生成的第二机械压力165又引起电容电极105的第二移动。类似于第一移动，电容电极105的第二移动对电容电极105和背板110之间的电感应场135进行调制。电容电极105和背板110之间的第二电压差基于电容电极105的第二移动而变化。
在一些实施例中，麦克风系统200除其他组件之外还包括MEMS麦克风100、换能器155、控制器205和电源210，如图5中所图示。
在一些实施例中，控制器205包括多个电气和电子组件，所述多个电气和电子组件为控制器205、MEMS麦克风100、换能器155和/或麦克风系统200内的组件和模块提供电力、操作控制和保护。例如，控制器205除其他组件之外还包括处理单元215（例如，微处理器、微控制器或其他合适的可编程设备）、存储器或计算机可读介质220、输入接口225和输出接口230。处理单元215除其他组件之外还包括控制单元235、算术逻辑单元（ALU）240和多个寄存器245（在图5中示出为一组寄存器），并且使用已知的计算机架构如改进的哈佛架构、冯诺依曼架构等来加以实现。处理单元215、计算机可读介质220、输入接口225和输出接口230以及连接到控制器205的各种模块通过一个或多个控制和/或数据总线（例如，公共总线250）进行连接。为了说明的目的，控制和/或数据总线在图5中被一般性地示出。根据本文所述的发明，将一个或多个控制和/或数据总线用于各种模块和组件之间的互连和它们之中的通信对于本领域技术人员将是已知的。在一些实施例中，控制器205部分地或全部地在半导体芯片上实现、是现场可编程门阵列（FPGA）、是专用集成电路（ASIC）、或者是类似的设备。
计算机可读介质220例如包括程序储存区域和数据储存区域。程序储存区域和数据储存区域可以包括不同类型的存储器，诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）（例如，动态RAM[DRAM]、同步DRAM[SDRAM] 等）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪存、硬盘、SD卡或其他合适的磁、光、物理或电子存储器设备或数据结构。处理单元215连接到计算机可读介质220并且执行软件指令，所述软件指令能够被存储在计算机可读介质220的RAM（例如，在执行期间）、计算机可读介质220的ROM（例如，在总的来说永久的基础上）或另一个非暂时性计算机可读介质如另一个存储器或盘中。包括在麦克风系统200的一些实施例中的软件可以被存储在控制器205的计算机可读介质220中。该软件包括例如固件、一个或多个应用、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块以及其他可执行指令。控制器205被配置为从存储器中取回并且尤其还执行与本文所描述的控制过程和方法相关的指令。在其他构造中，控制器205包括附加的、更少的或不同的组件。
控制器205耦合到电容电极105和背板110。如本文所述，由换能器155生成的声压140引起电容电极105的第一移动。响应于声压140被施加，控制器205确定电容电极105的第一电容响应。第一电容响应基于电容电极105的第一移动。在一些实施例中，控制器205确定由电容电极105的第一移动引起的电容电极105与背板110之间的第一电压差。此外，控制器205基于第一电压差确定第一电容响应。
而且，如本文所述，由压电电极115生成的第二机械压力165引起电容电极105的第二移动。响应于第二机械压力165被施加，控制器205确定电容电极105的第二电容响应。第二电容响应基于电容电极105的第二移动。在一些实施例中，控制器205确定由电容电极105的第二移动引起的电容电极105和背板110之间的第二电压差。此外，控制器205基于第二电压差来确定第二电容响应。控制器205还生成电容控制信号并将电容控制信号施加到电容电极105。
控制器205还耦合到压电电极115。控制器205接收由压电电极115生成的第一和第二压电响应信号。在一些实施例中，控制器205生成压电控制信号并将压电控制信号施加到压电电极115。
控制器205还耦合到换能器155。控制器205生成扬声器控制信号并将扬声器控制信号施加到换能器155。
电源210向麦克风系统200的控制器205和/或其他组件供应标称AC或DC电压。电源210由一个或多个电池或电池组供电。电源210还被配置为供应较低的电压以操作麦克风系统200内的电路和组件。在一些实施例中，电源210尤其生成扬声器控制信号、压电控制信号和电容控制信号。在一些实施例中，电源210由具有在例如100V和240V AC之间的标称线电压以及大约50-60 Hz的频率的市电来供电。
在一个实施例中，控制器205使用互易技术来确定电容电极105和压电电极115的绝对灵敏度。互易技术包括多个测量。第一测量包括控制器205将扬声器控制信号施加到换能器155并确定电容电极105的第一电容响应。第二测量包括控制器205将扬声器控制信号施加到换能器155并确定压电电极115的第一压电响应（例如，第一压电响应信号）。第三测量包括控制器205将电容控制信号施加到电容电极105并确定压电电极115的第二压电响应（例如，第二压电响应信号）。在一些实施例中，第四测量包括控制器205将压电控制信号施加到压电电极115并确定电容电极105的第二电容响应。
可以与以下公式一起来使用第一测量和第二测量：
其中，
VC1 =电容电极105的第一电容响应，
MC =电容电极105的绝对灵敏度，和
PS=响应于扬声器控制信号而由换能器155施加到电容电极105的声压140。
其中，
VP1 =压电电极115的第一压电响应，
MP =压电电极115的绝对灵敏度，和
PS =响应于扬声器控制信号而由换能器155施加到压电电极115的声压140。
换能器155向电容电极105和压电电极115施加相同量的声压140。因此，可以将公式1和公式2组合以形成以下公式：
。
可以与以下公式一起来使用第三测量：
其中，
ZM =机械转移阻抗，
VP2 =压电电极115的第二压电响应，和
IC=电容控制信号。
机械转移阻抗是基于MEMS麦克风100上的构造而确定的系统变量。在一些实施例中，机械转移阻抗基本上等于一。
可以将公式3和公式4组合以形成以下公式来确定电容电极105的绝对灵敏度：
。
可以与以下公式一起来使用第四测量：
其中，
VC2 =电容电极105的第二电容响应，
IP =压电控制信号。
可以将公式3和公式6组合以形成以下公式来确定压电电极115的绝对灵敏度：
。
图6图示出了用于确定电容电极105和压电电极115的绝对灵敏度的过程300（或方法）。本文关于过程300所描述的各种步骤能够被同时执行、并行执行或者以与所图示的串行执行方式不同的顺序执行。过程300也可以使用比所图示的实施例中所示更少的步骤来执行。如将更详细解释的，可以以控制器205所执行的软件来实现过程300的一些部分。
过程300开始于由换能器155生成声压140（步骤305）。在一些实施例中，换能器155响应于从控制器205接收扬声器控制信号而生成声压140。控制器205响应于声压140而确定电容电极105的第一电容响应（步骤310）。控制器205还响应于声压140而确定压电电极115的第一压电响应（步骤315）。
接下来，电容电极105生成第一机械压力160（步骤320）。在一些实施例中，响应于接收到电容控制信号，电容电极105生成第一机械压力160。控制器205响应于第一机械压力160而确定压电电极115的第二压电响应（步骤325）。接下来，压电电极115生成第二机械压力165（步骤330）。在一些实施例中，响应于接收到压电控制信号，压电电极115生成第二机械压力165。控制器205响应于第二机械压力165而确定电容电极105的第二电容响应（步骤335）。
在步骤340处，控制器205然后确定电容电极105的绝对灵敏度。在一些实施例中，控制器205基于第一电容响应、第一压电响应和第二压电响应确定电容电极105的绝对灵敏度。在一些实施例中，控制器205根据本文描述的公式5来确定电容电极105的绝对灵敏度。在步骤345处，控制器205确定压电电极115的绝对灵敏度。在一些实施例中，控制器205基于第一电容响应、第二电容响应和第一压电响应来确定压电电极115的绝对灵敏度。在一些实施例中，控制器205根据本文描述的公式7来确定压电电极115的绝对灵敏度。
因此，本公开尤其提供了确定MEMS麦克风上的绝对灵敏度的麦克风系统和方法。在下面的权利要求中阐述了本公开的各种特征和优点。