麦克风的制作方法
【专利说明】麦克风
[0001]本申请是申请日为2012年11月27日、申请号为201210493195.9、发明名称为“麦克风及用于校准麦克风的方法”的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及一种麦克风以及用于校准麦克风的方法。
【背景技术】
[0003]通常，半导体晶片上制造有大量MEMS (微机电系统)器件。
[0004]MEMS器件生产中的重大问题是对这些器件的物理和机械参数的控制。例如，诸如机械刚度、电阻、膜片面积、气隙高度等参数可能改变约±20%以上。
[0005]有关MEMS器件的一致性和性能的这些参数的变化可能很明显。具体地，参数变化在高容量和复杂度低的低成本MEMS (麦克风)制造工艺中尤为明显。因此，补偿这些参数变化将是很有利的。
【发明内容】
[0006]根据本发明的实施方式，一种用于校准MEMS的方法包括基于第一 AC偏置电压操作MEMS，测量该MEMS的吸合电压(pull-1n voltage)，计算第二 AC偏置电压或DC偏置电压，以及基于第二 AC偏置电压操作MEMS。
[0007]根据本发明的实施方式，一种用于校准MEMS的方法包括增大膜上的第一 AC偏置电压，检测第一吸合电压，以及基于第一吸合电压来为膜设定第二 AC偏置电压或DC偏置电压。该方法还包括向膜施加第一定义的声音信号，以及测量麦克风的第一灵敏度。
[0008]根据本发明的实施方式，一种麦克风包括MEMS器件，其包括膜和背板；AC偏置电压源，其与膜连接；以及DC偏置电压源，其与背板连接。
[0009]根据本发明的实施方式，一种装置包括MEMS器件，其用于检测声音信号；偏置电压源，其用于向MEMS器件提供AC偏置电压；以及控制单元，其用于检测吸合电压以及用于设定AC偏置电压或DC偏置电压。
【附图说明】
[0010]为更加全面地理解本发明以及本发明的优势，现结合附图进行以下描述，其中:
[0011]图1示出了麦克风的框图；
[0012]图2a至图2c示出了功能图；以及
[0013]图3示出了校准麦克风的实施方式的流程图。
【具体实施方式】
[0014]以下将详细讨论优选实施方式的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供了可在宽泛的各种具体环境下实施的多种可用的发明概念。所讨论的【具体实施方式】仅是说明制作和使用本发明的具体方式，且并不限定本发明的范围。
[0015]将针对具体环境(即，麦克风)下的实施方式来描述本发明。然而，本发明也可被用于其他类型的系统，诸如音频系统、通信系统或传感系统。
[0016]在电容式麦克风或电容器麦克风中，膜片或膜以及背板形成了电容器的电极。膜片响应声压水平，并通过改变电容器的电容来产生电信号。
[0017]麦克风的电容是施加的偏置电压的函数。在负偏置电压下，麦克风表现出小电容，以及在正偏置电压下，麦克风表现出增大的电容。麦克风的电容作为偏置电压的函数是非线性的。尤其在接近零的距离处，电容量突然增加。
[0018]麦克风的灵敏度是对一定声压输入的电输出(声音信号的振幅)。若两个麦克风经受相同的声压水平，且一个比另一个具有更高输出电压(更强信号振幅)，则认为具有更高输出电压的麦克风具有较高灵敏度。
[0019]麦克风的灵敏度还可受到其他参数(诸如膜片大小和强度、气隙间距以及其他因素)影响。
[0020]电容式麦克风可与集成电路(诸如放大器、缓冲器或模数转换器(ADC))连接。电信号可驱动集成电路且可产生输出信号。在一种实施方式中，可通过改变耦合成放大器的反馈网络的一组电阻器、一组电容器或一组电阻器和电容器的比例来调节或校准反馈放大器的增益。反馈放大器可以是单端的或差分的。
[0021]在MEMS制造工艺中，将压敏膜片直接刻蚀成硅芯片。MEMS器件通常附带有集成前置放大器。MEMS麦克风还可具有位于同一 CMOS芯片上的内置模数转换器(ADC)电路，从而将芯片制作成数字麦克风且因此更易于与现代数字产品集成。
[0022]根据本发明的实施方式，AC偏置电压调节与放大器增益调节的结合允许对麦克风的调节。根据本发明的实施方式，麦克风在工作期间利用AC偏置电压来校准。在本发明的一种实施方式中，基于膜的吸合电压来设置工作的AC偏置电压。
[0023]在一种实施方式中，有利地，利用可行的最高偏置电压来操作麦克风。偏置电压越高，麦克风越灵敏。麦克风的灵敏度越高，麦克风系统的信噪比(SNR)越好。
[0024]图1示出了麦克风100的框图。麦克风100包括MEMS器件110、放大器单元120、AC偏置电压源130以及数字控制单元140。
[0025]AC偏置电压源130经由电阻器Rehmge pump150与MEMS器件110电连接。具体地，AC偏置电压源130与MEMS器件110的膜或膜片112连接。MEMS器件110的背板114经由电阻器Rinbias170与DC偏置电压源160连接。MEMS器件110与放大器单元120的输入端电连接。放大器单元120的输出端与麦克风100的输出端180或模数转换器ADC (未示出)电连接。
[0026]数字控制线将数字控制单元140连接至放大器单元120和AC偏置电压源130。数字控制单元140可包括突变(glitch)检测电路。在共同待审查申请(代理人案号2011P50857)中公开了突变检测电路的实施方式，该申请整体结合于此供参考。数字控制单元140或突变检测电路检测放大器单元120输入端处的吸合或塌陷(collapse)电压(Vpull_in)。数字控制单元140还测量放大器单元120的输出信号的灵敏度，并控制AC偏置电压源130。诸如易失性或非易失性的存储元件可嵌入数字控制单元140内，或者可以是麦克风100中的独立元件。
[0027]在麦克风100的校准操作期间，向MEMS器件110施加第一 AC偏置电压(包括由AC偏置电压源130提供的AC分量以及由偏置电压源160提供的DC分量)。增大第一 AC偏置电压，直至背板114和膜112塌陷或者直至背板114与膜112之间的距离最小化(例如，零)。吸合电压(Vpull_in)由数字控制单元140测量或检测。吸合电压(Vpull_in)可通过放大器单元120输入端处的电压跳变来检测。第二 AC偏置电压由吸合电压(Vpull_in)得出。可将第二 AC偏置电压存储在存储元件中。
[0028]第一 AC偏置电压可包括DC分量的值的约1%到约20%的AC分量的最大幅值。可替代地，AC分量可以是DC分量的值的约10%到约20%。例如，DC电压Vdc可约为5V，以及AC电压Va。可约为0.5V到约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。由于该麦克风还可利用DC偏置电压来操作，所以第二 AC偏置电压可包括AC分量的最大幅值，该AC分量包括DC分量的值的约0%到约20%。
[0029]根据本发明的实施方式，DC电压与AC电压叠加。第一 AC偏置电压可包括很低频率，诸如达500Hz或达200Hz的频率。可替代地，第一 AC偏置电压可包括从约IHz到约50Hz的频率。第二 AC偏置电压可包括很低频率，诸如达500Hz或达200Hz