用于mems麥克風(fēng)的數(shù)字聲學(xué)低頻響應(yīng)控制的制作方法
【專利說明】用于MEMS麥克風(fēng)的數(shù)字聲學(xué)低頻響應(yīng)控制
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
本申請(qǐng)要求于2013年3月14日提交的題為“DIGITAL ACOUSTIC LOW FREQUENCYRESPONSE CONTROL FOR MEMS MICROPHONES” 的臨時(shí)美國專利申請(qǐng) N0.61/782，399 的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用在其整體上結(jié)合在此。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及用于調(diào)節(jié)和控制麥克風(fēng)系統(tǒng)的性能的系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明涉及響應(yīng)于低頻聲音而調(diào)節(jié)麥克風(fēng)系統(tǒng)的性能的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]麥克風(fēng)系統(tǒng)的性能可能取決于作用在麥克風(fēng)膜片/膜上的聲音的頻率而變化。例如，取決于麥克風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)造，麥克風(fēng)系統(tǒng)響應(yīng)于聲壓的能力(即，麥克風(fēng)的靈敏度)可能在低頻處顯著下降。
[0004]以下描述的系統(tǒng)和方法提供用于調(diào)節(jié)和控制麥克風(fēng)在各種頻率下的響應(yīng)的機(jī)制。更具體地，以下描述的系統(tǒng)和方法提供定位為緊鄰麥克風(fēng)膜片/膜的一系列出氣口。單獨(dú)出氣口可以受控地打開或閉合以控制能夠通往背面容積的空氣量(即聲壓)。通過控制打開或閉合出氣口的數(shù)目，可以調(diào)節(jié)麥克風(fēng)響應(yīng)于給定頻率下的聲壓的能力。
[0005]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于控制MEMS麥克風(fēng)的低頻響應(yīng)的麥克風(fēng)系統(tǒng)。麥克風(fēng)系統(tǒng)包括MEMS麥克風(fēng)、控制器和非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器。MEMS麥克風(fēng)包括膜和多個(gè)出氣口。膜具有第一面和第二面，并且膜配置為使得作用在膜上的聲壓造成膜的運(yùn)動(dòng)。多個(gè)出氣口定位為緊鄰所述膜。該多個(gè)出氣口中的每個(gè)出氣口配置為選擇性地定位于打開位置或閉合位置?？諝饪梢赃\(yùn)動(dòng)通過膜的第一面與第二面之間的打開的出氣口?？刂破黢詈现炼鄠€(gè)出氣口。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令，指令在由控制器執(zhí)行時(shí)使控制器確定要布置在閉合位置的出氣口的整數(shù)數(shù)目，以及生成使該整數(shù)數(shù)目的出氣口布置在閉合位置并且使任何剩余出氣口布置在打開位置的信號(hào)。
[0006]在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供調(diào)節(jié)MEMS麥克風(fēng)的低頻響應(yīng)的方法。MEMS麥克風(fēng)包括膜和多個(gè)出氣口。膜具有第一面和第二面，并且配置為使得作用在膜上的聲壓造成膜的運(yùn)動(dòng)。多個(gè)出氣口定位為緊鄰所述膜。該多個(gè)出氣口中的每個(gè)出氣口配置為選擇性地定位于打開位置或閉合位置?？諝饪梢赃\(yùn)動(dòng)通過膜的第一面與第二面之間的打開的出氣口。耦合至多個(gè)出氣口的控制器確定要布置在閉合位置的出氣口的整數(shù)數(shù)目?？刂破鬟€生成使該整數(shù)數(shù)目的出氣口布置在閉合位置并且使任何剩余出氣口布置在打開位置的信號(hào)。
[0007]在一些實(shí)施例中，在未施加功率時(shí)，多個(gè)出氣口的缺省位置是打開。這允許最多空氣流繞過膜并且使MEMS結(jié)構(gòu)在制造期間對(duì)于高壓吹氣應(yīng)力更加魯棒。
[0008]通過考慮詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的其他方面將變得清楚。
【附圖說明】
[0009]圖1是諸如圖2A和2B中示出的MEMS麥克風(fēng)的可調(diào)節(jié)低頻響應(yīng)的曲線圖。
[0010]圖2A是MEMS麥克風(fēng)的截面仰視圖。
[0011]圖2B是圖2A的MEMS麥克風(fēng)的截面?zhèn)纫晥D。
[0012]圖3A是圖2A和2B的MEMS麥克風(fēng)的單個(gè)出氣口處于打開狀況的截面?zhèn)纫晥D。
[0013]圖3B是圖3A的單個(gè)出氣口處于閉合狀況的截面?zhèn)纫晥D。
[0014]圖4是用于圖2A和2B的MEMS麥克風(fēng)的控制系統(tǒng)的方框圖。
[0015]圖5是用于圖2A和2B的MEMS麥克風(fēng)的另一控制系統(tǒng)的方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在詳細(xì)地解釋本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)理解，本發(fā)明在其應(yīng)用上不限于以下描述中闡述或者附圖中示出的構(gòu)造的細(xì)節(jié)以及組件的布置。本發(fā)明能夠有其他實(shí)施例并且能夠以各種方式實(shí)踐或?qū)嵤?br>[0017]另外，應(yīng)理解，在此使用的措辭和術(shù)語用于描述目的并且不應(yīng)認(rèn)為是限制性的。所使用的“包括”、“包含”或“具有”及其在此的變形意味著包括此后列出的項(xiàng)目和其等同物以及附加項(xiàng)目。術(shù)語“安裝”、“連接”以及“耦合”被寬泛地使用并且包括直接和間接的安裝、連接和耦合。此外，“連接”和“耦合”不限于物理或機(jī)械連接或耦合，并且可以包括電連接或耦合，不管是直接的還是間接的。另外，電子通信和通知可以使用包括直接連接、無線連接等的其他已知手段來執(zhí)行。在有關(guān)出氣口的狀況使用時(shí)對(duì)術(shù)語“打開”的使用意味著出氣口處于允許出氣口能夠提供的最大可能量的空氣泄漏的狀況。另外，在有關(guān)出氣口的狀況使用時(shí)對(duì)術(shù)語“閉合”的使用意味著出氣口處于不允許空氣泄漏的狀況。
[0018]還應(yīng)注意，多個(gè)基于硬件和軟件的器件，以及多個(gè)不同結(jié)構(gòu)的組件可以用于實(shí)施本發(fā)明。此外，并且如在后續(xù)段落中描述的，在附圖中示出的具體配置旨在例示本發(fā)明的實(shí)施例。替代配置是可能的。
[0019]麥克風(fēng)的響應(yīng)和靈敏度可能對(duì)于不同頻率而變化。麥克風(fēng)膜片/膜的位移幅度(以及麥克風(fēng)響應(yīng)于聲壓的能力)跨一頻率范圍對(duì)于類似強(qiáng)度的聲壓保持相當(dāng)?shù)睾愣āＨ欢?，麥克風(fēng)的靈敏度在聲音頻率太高或太低時(shí)受損。
[0020]麥克風(fēng)的低頻響應(yīng)性能——以及特別是，響應(yīng)性能的漸變下降的開始頻率——與可運(yùn)動(dòng)膜后面的空氣的背面容積以及通過膜的有效空氣泄漏路徑有關(guān)(即，空氣/聲壓能夠從膜的頂表面運(yùn)動(dòng)到麥克風(fēng)的背面容積的量和速率)。然而，由于MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)在的制造工藝和封裝容差，這些參數(shù)在統(tǒng)計(jì)上遭受顯著變化性。在許多情況下，低頻響應(yīng)性能的變化性可能相對(duì)大并且超過產(chǎn)品要求。此外，諸如溫度、環(huán)境壓力以及濕度的附加因素也可能影響MEMS麥克風(fēng)的低頻響應(yīng)性能。
[0021]圖1是麥克風(fēng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的曲線圖。麥克風(fēng)系統(tǒng)的總體頻率響應(yīng)和更具體的低頻拐角基于多個(gè)因素，諸如麥克風(fēng)系統(tǒng)中使用的電子器件和膜。圖1示出電子器件和膜的原生的低頻拐角。麥克風(fēng)系統(tǒng)的低頻拐角高于原生的電子器件和膜的低頻拐角。該差異允許麥克風(fēng)系統(tǒng)的低頻拐角被調(diào)節(jié)。
[0022]MEMS麥克風(fēng)的低頻響應(yīng)可以通過為空氣提供用于在膜的前部/頂部與背面容積之間流動(dòng)的出氣口(即，輔助空氣泄漏路徑)來調(diào)節(jié)。通過出氣口的空氣泄漏的量可以通過調(diào)節(jié)單個(gè)出氣口的可運(yùn)動(dòng)構(gòu)件相對(duì)于遍及出氣口的總體范圍的連續(xù)體上的特定位置的位移(即，有效打開維度)而以模擬方式控制。然而，這樣的模擬控制將需要精確的、可調(diào)節(jié)的電壓施加至出氣口的可運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。還將需要可運(yùn)動(dòng)構(gòu)件響應(yīng)于靜電力的線性力學(xué)的知識(shí)。換言之，由于制造工藝變化性，給定電壓可能在不同麥克風(fēng)系統(tǒng)中不產(chǎn)生相同位移。
[0023]在此描述的發(fā)明提供數(shù)字電路和MEMS系統(tǒng)，其允許在產(chǎn)品制造工藝之后由銷售者或顧客/終端用戶對(duì)于低頻響應(yīng)進(jìn)行精密標(biāo)度范圍的調(diào)節(jié)。這一制造后測(cè)量和后續(xù)校正可以產(chǎn)生遠(yuǎn)比當(dāng)前制造能力更加嚴(yán)格的低頻響應(yīng)的最終容差。以下描述的系統(tǒng)使得用戶能夠在終端系統(tǒng)(例如，移動(dòng)電話麥克風(fēng))中的麥克風(fēng)操作期間調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)。此外，麥克風(fēng)控制器可以編程為檢測(cè)低頻空氣脈沖壓力事件并且自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)以保持主聲學(xué)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。這允許提高終端用戶產(chǎn)品軟件算法的性能的優(yōu)良線性。
[0024]此外，一旦向組件施加功率，具有低-3DB拐角頻率的麥克風(fēng)通常要花費(fèi)較長時(shí)間段，以使得MEMS膜片/膜安置于其最終穩(wěn)態(tài)位置。為了減輕這一性能折中，可控制的空氣泄漏路徑能夠?qū)崿F(xiàn)一上電系統(tǒng)就更加快速地安置并且隨后切換到所期望的_3db拐角頻率。
[0025]圖2A是MEMS麥克風(fēng)200，其中輔助空氣泄漏路徑的有效尺寸通過完全打開或完全閉合整數(shù)數(shù)目的出氣口而以數(shù)字方式控制。MEMS麥克風(fēng)200包括圓形的可運(yùn)動(dòng)膜205、定位于膜205的外周周圍的16個(gè)出氣口 210-225、靜止背板230以及支撐結(jié)構(gòu)235。圖2B從截面?zhèn)冉嵌仁境鰣D2A的相同的MEMS麥克風(fēng)。如圖2B中所示，膜205具有正面206和背面208。背面容積209存在于膜205與背板230之間。作用于膜205上的聲壓造成膜205在箭頭240和箭頭245的方向上的運(yùn)動(dòng)。膜205相對(duì)于背板230的運(yùn)動(dòng)造成膜205與背板230之間的電容的變化。這一變化的電容生成指示作用在膜205上的聲壓的電信號(hào)。出氣口 210-225允許膜205的正面206與背面208之間的可控制的空氣泄漏量。空氣能夠運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)或多個(gè)打開的出氣口并且空氣運(yùn)動(dòng)受到一個(gè)或多個(gè)閉合的出氣口的限制。通過膜205本身的空氣泄漏與總體聲壓相比相對(duì)較小。因此，MEMS麥克風(fēng)200的低頻響應(yīng)主要由該多個(gè)出氣口 210-225中的這些輔助空氣泄漏路徑?jīng)Q定。更具體地，MEMS麥克風(fēng)200的低頻響應(yīng)通過控制打開和閉合的出氣口的整數(shù)數(shù)目來調(diào)節(jié)?？烧{(diào)節(jié)的范圍由每個(gè)出氣口的維度來確定，而系統(tǒng)的分辨率由系統(tǒng)中可控制的出氣口的數(shù)目來掌控。這些參數(shù)可以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)期間確定和定義。
[0026]圖3A和3B是用于單獨(dú)的出氣口的控制機(jī)構(gòu)300的截面?zhèn)纫晥D。控制機(jī)構(gòu)300包括聚乙烯(poly)層305、金屬層310、硅層315、氧化物層320以及保護(hù)覆蓋(“PO”)氧化物層325。聚乙稀層305由下方的娃層315支撐。氧化物層320定位于聚乙稀層305與金屬層310之間以便電隔離這兩個(gè)層。PO氧化物層325定位于金屬層310上方。在該示例中，金屬層310是M4。
[0027]雖然聚乙烯層305是固定和不可運(yùn)動(dòng)的，但是金屬層310是可運(yùn)動(dòng)的，并且在一些構(gòu)造中是可變形的。聚乙烯層305保持在地電壓電位(S卩，O伏特)并且金屬層310的電壓由數(shù)字控制信號(hào)掌控。為了閉合出氣口，電壓Vx施加至金屬層310。電壓Vx限定為大于吸合電壓。吸合電壓是金屬層310與聚乙烯層305之間的用于克服將金屬層310保持到位的機(jī)械阻力的靜電吸引所必需的電壓。當(dāng)吸合電壓被超過時(shí)，金屬層310猛然下降并