CN105491492B - 一种自校准硅麦克风装置和校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自校准硅麦克风装置和校准方法，该自校准方法包括：将一校准正弦电压施加在MEMS器件的偏置端，同时控制电荷泵输出电压即MEMS器件偏置端的直流电压V1等于0，此时检测到放大器的输出信号幅度为OUT1；控制电荷泵的输出电压为V2，其中V2大于0且小于MEMS器件的吸合电压值一定范围，此时检测得到放大器的输出信号幅度为OUT2；根据OUT1和OUT2计算得出MEMS器件的最优工作电压Vop；控制电荷泵的输出电压为Vop，同时关闭校准正弦电压，此时给入麦克风标准声音信号，得到放大器的输出信号幅度OUT3；比较OUT3和目标灵敏度之间的差值，并根据该差值调整放大器的增益，使得麦克风的灵敏度达到目标值。

Description

一种自校准硅麦克风装置和校准方法

技术领域

本发明涉及硅麦克风领域，具体而言，涉及一种自校准硅麦克风装置和校准方法。

背景技术

硅麦克风具有体积小，可回流焊表面贴装等优点而被广泛应用于手机、笔记本电脑、平板电脑等消费电子领域。硅麦克风由硅麦克风器件和放大器芯片两部分组成。硅麦克风器件的制造是由淀积，光刻，刻蚀，释放等一系列硅微机械加工工艺组成，每个硅片上可以有成千上万只麦克风器件。由于加工工艺过程的非一致性以及同一硅片上由于空间分布导致的不均匀性，加工出的硅麦克风器件其最优偏置电压和灵敏度都有较大的离散。如果放大器芯片使用同样的偏置电压和放大增益，则最终得到的硅麦克风灵敏度就会有更大的离散，导致成品率和信噪比的降低。

硅麦克风微机械加工的工艺波动有很多方面，其中振动膜和背极的薄膜应力，空气间隙和防碰撞结构的高度等因素通过影响初始电容大小和机械刚度，进而改变麦克风的吸合电压和灵敏度。通过优化结构设计降低麦克风器件对工艺波动的敏感性和提高工艺一致性可以减小麦克风性能的离散度。但受限于当前的技术能力和工艺水平，麦克风性能的离散度仍然不容小觑。如何降低硅麦克风器件性能的离散对成品率和信噪比的影响仍然是本领域技术工作人员亟需解决的问题。

目前公知的做法是对圆片级的麦克风器件进行CV(电容电压)测试。利用精密的电容测量探针台，扫描一系列偏置电压(最高电压要高于设计的吸合电压一定范围)，得到该偏置电压下的静态电容。偏置电压越高，由于静电力的吸引，电容两极板的间距越小，静态电容越大。当偏置电压达到吸合电压后，麦克风吸合，静态电容随偏置电压增大的速度变缓。低于吸合电压的两个偏置点电容值的差与灵敏度正相关。综合以上理论基础，分析大概四，五个偏置点的电容数据，就可以得到吸合电压和灵敏度的相关信息。根据一定的标准，对圆片级的麦克风器件进行分bin标记。不同的分bin对应于麦克风放大器不同的偏置电压和放大增益，这样就能降低最终麦克风灵敏度的离散程度，同时得到较优的信噪比。这种校准方法实施起来比较灵活，麦克风放大器的设计比较简单。但问题在于这种精密电容测量探针台对寄生电容敏感，电容测量的误差会引起分bin的偏差，使得灵敏度设定不准。另外探针台的成本高，效率低，大大提高了校准测试的成本。美国专利文献US 2013/0136267 A1给出了一种更高效的麦克风装置和麦克风校准方法。如图1所示。该硅麦克风由硅麦克风器件110，AC偏置电压模块130和DC偏置电压模块160，放大器120和数字控制模块140组成。数字控制模块140可以控制AC偏置电压模块，改变AC偏置电压，也可以控制放大器120，改变其放大增益，还可以检测麦克风输入端的信号，得到吸合电压和释放电压。校准时，保持DC偏置电压恒定，逐渐增加AC偏置电压的直流成分直到麦克风芯片110的两个基板112和114吸合，测到吸合电压；再逐渐降低AC偏置电压的直流成分，测到释放电压。根据释放和吸合电压，数字控制模块140计算得到麦克风的工作电压。之后将AC偏置电压设定到一定工作电压，给入标准的声音信号测试灵敏度，根据目标灵敏度和所得灵敏度的差设定放大器的增益，这样就可以将麦克风调整到目标灵敏度。该方法相比于探针台CV测试的方法成本大大降低，效率也提高很多，是一种非常有吸引力的测试校准方法。但是该方法要先测到吸合电压和释放电压，测量点较多，在一定程度上影响了测试效率。

发明内容

本发明提供一种自校准硅麦克风装置和校准方法，用以提高硅麦克风的成品率和信噪比。

为达到上述目的，本发明提供了一种硅麦克风装置的自校准方法，包括：

将一校准正弦电压施加在MEMS器件的偏置端，同时控制电荷泵输出电压V1等于0，此时检测得到放大器的输出信号幅度为OUT1，其中电荷泵输出电压为MEMS器件偏置端的直流电压；

控制所述电荷泵的输出电压为V2，其中V2大于0且小于所述MEMS器件的吸合电压值一定范围，此时检测得到所述放大器的输出信号幅度为OUT2；

根据OUT1和OUT2计算得出所述MEMS器件的最优工作电压Vop；

控制所述电荷泵的输出电压为Vop，将MEMS器件偏置于最优工作状态，同时关闭所述校准正弦电压，此时给入麦克风标准声音信号，得到所述放大器的输出信号幅度OUT3；

比较OUT3和目标灵敏度之间的差值，并根据该差值调整所述放大器的增益，使得麦克风的灵敏度达到目标值。

进一步地，所述校准正弦信号的频率大于MEMS器件的机械谐振频率的2倍。

为达到上述目的，本发明还提供了一种自校准硅麦克风装置，包括硅麦克风和数字控制模块，所述硅麦克风包括MEMS器件、放大器、AC校准电压模块、电荷泵、和数字接口模块，其中：

所述电荷泵的输出端与所述MEMS器件的偏置端相连，用于产生直流偏置电压，将所述MEMS器件偏置于不同的工作点；

所述放大器的输入端与所述MEMS器件的输入端相连，所述放大器的输出端与所述数字控制模块相连，用于将MEMS器件的电容变化转换为电压信号并进行放大，其中所述放大器的输出端也是麦克风装置的输出端；

所述AC校准电压模块的输出端通过一耦合电容与所述MEMS器件的偏置端相连，用于产生校准正弦电压；

所述数字接口模块的输入端与所述数字控制模块相连，用以接收数字控制模块的串行指令；所述数字接口模块的输出端与所述AC校准电压模块、所述电荷泵和所述放大器相连，用以根据所接收的串行指令控制所述电荷泵的输出电压、所述AC校准电压模块输出的正弦电压和所述放大器的增益；

其中，所述数字控制模块通过一双向接口与所述放大器和所述数字接口模块相连，所述数字控制模块一方面控制麦克风的工作于校准模式或正常工作模式，另一方面在校准模式下首先接收所述放大器的输出信号，再根据所述放大器的输出信号幅度发送操作指令给所述数字接口模块，控制所述电荷泵的输出电压、所述AC校准电压模块输出的正弦电压和所述放大器的增益。

进一步地，在校准模式下，所述数字控制模块控制所述AC校准电压模块产生一定幅度的正弦信号，通过校准电容耦合到所述MEMS器件的偏置端，其中所述正弦信号的频率大于所述MEMS器件的机械谐振频率的2倍；同时控制所述电荷泵调整其输出电压，将所述MEMS器件偏置于不同的工作点，根据所述MEMS器件偏置于不同工作点时所述放大器的输出信号幅度计算出所述MEMS器件的最优工作电压。

进一步地，在校准模式下，所述数字控制模块根据给入麦克风标准声音信号时所述放大器的输出信号幅度与目标灵敏度之间的差值，调整所述放大器的增益，使得麦克风的灵敏度达到目标值。

进一步地，所述硅麦克风为模拟麦克风，所述数字控制模块设置在所述硅麦克风外。

进一步地，所述硅麦克风为数字麦克风，所述数字控制模块集成于所述硅麦克风的接口电路内部或置于所述麦克风外。

本发明用简单的装置和简单的方法实现了麦克风的自校准测试，将麦克风器件偏置在最优工作电压，而且保证了最终的灵敏度达可以校准到目标灵敏度±1dB的范围内，提高了批量生产麦克风时的良率和信噪比，提高了硅麦克风装置的自校准效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为相关技术中的麦克风装置示意图；

图2为本发明一个实施例的自校准硅麦克风装置示意图；

图3是图2实施例中校准模式时信号检测通路的简图；

图4是图3实施例中静电力和机械力与电容两极板间距的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图2所示，该自校准硅麦克风00包括MEMS器件10，放大器14，AC校准电压20，电荷泵19和数字接口模块21。对于模拟麦克风，麦克风***外的数字控制模块22用以检测输出信号幅度，计算麦克风的偏置电压，通过麦克风内的数字接口模块21改变麦克风的偏置电压即电荷泵19的输出电压和放大器14的增益。对于数字麦克风，数字控制模块22被集成于电路内部，置于麦克风内。电荷泵19的输出端与MEMS器件10的BIAS(偏置)端11相连，作用是产生不同的直流电压，将MEMS器件偏置于不同的工作点。在校准模式下，电荷泵19的输出电压受数字控制模块22控制，将MEMS器件10偏置于不同的工作点；在工作模式下，电荷泵19输出固定的偏置电压，将MEMS器件10偏置于最优工作点。为了减小电荷泵19输出的电压纹波和噪声，电荷泵负载电容Cbias 17(本实施例中大约100pF)连接在MEMS器件10的BIAS端11。在校准模式下，数字控制模块22控制AC校准电压模块20产生一定幅度的正弦信号，通过校准电容Ccal 18耦合到MEMS器件10的BIAS端11，Ccal 18和Cbias 12的比例决定了最终耦合到BIAS端11的交流信号幅度；在工作模式下，数字控制模块22控制AC校准电压模块20的输出为零。MEMS器件10的INPUT端10与放大器14的输入端相连，寄生电容Cp 15代表放大器14的输入电容，INPUT焊盘的寄生电容和压焊金线的寄生电容的总和。放大器14的输出16与麦克风外的数字控制模块22相连(以模拟麦克风为例)。

图2实施例中自校准硅麦克风装置的自校准方法如下：

第一步，数字控制模块22发出指令通过输出端16进入数字接口模块21，控制AC校准电压模块20产生校准正弦电压，同时控制电荷泵19的输出电压为U1＝0，此时数字控制模块22得到放大器14的输出信号幅度OUT1；

第二步，数字控制模块22控制电荷泵19的输出电压为U2(U2>0，且小于经验的吸合电压值一定范围，保证在工艺波动范围内MEMS器件10不会吸合)，得到放大器14的输出信号幅度OUT2；

第三步，数字控制模块22根据OUT1和OUT2计算得出MEMS器件10的最优工作电压Vop；

第四步，数字控制模块22控制电荷泵19的输出电压为最优工作电压Vop，同时关闭AC校准电压模块20的输出，此时麦克风给入标准声音信号(本实施例中为94dBSPL)，得到放大器14的输出信号幅度OUT3；

第五步，数字控制模块22比较OUT2和目标灵敏度之间的差异，然后调整放大器14的增益，使得灵敏度到达目标值。至此，自校准步骤完成。

图3是图2实施例中校准模式时信号检测通路的简图。输入信号Vin的交流分量是一定幅度的AC校准正弦信号，直流分量是不同的偏置电压；Cmic201代表不同偏置电压下麦克风的电容；Cp 202代表芯片输入端寄生电容，不随Cmic变化而变化；放大器203的增益为A，放大器203的输入直流电压设定为零。偏置电压越高，麦克风器件两极板的静电力越大，Cmic也越大。偏置电压为零时，两极板的静电力为零，麦克风的可动极板处于初始位置，Cmic最小。由于Vin的交流分量也会产生静电力，处于麦克风的谐振频率f0附近的交流静电力会影响Cmic的值，因此我们设定交流信号的频率大于麦克风的谐振频率f0的2倍，使得这部分静电力产生的位移尽量小，从而不影响Cmic的值。交流输出信号电压的计算公式为

其中，Vout，Vin和A可以由仪器直接测量出，再用标准电容校准测试装置，即可得到Cp。这样我们就可以得到偏置电压为0和偏置电压为U1(U1>0,且小于经验的吸合电压值一定范围，保证在工艺波动范围内MEMS器件10不会吸合)时的麦克风电容值Cmic0和Cmic1。再根据电容的计算公式，

其中，ε代表空气介电常数，S代表两极板正对面积，d代表两极板间距，可以得到偏置电压为0时麦克风可动极板初始位置X₀和偏置电压为U1时的麦克风可动极板位置X₁。

图4是图3实施例中静电力和机械力与电容两极板间距的关系示意图。在不施加静电力时，极板停在初始位置X₀，此时机械回复力也是零。图中直线代表机械回复力|Fmechanical|随着极板位置线性变化的关系，|Fmechanical|＝km*(X₀-x)，km为机械弹簧的刚度，x为两极板间距。两条曲线代表不同偏置电压下静电力|Felectrical|随极板位置的非线性变化关系，其中ε代表空气介电常数，S代表两极板正对面积，V代表偏置电压，x代表两极板间距。在平衡位置，机械回复力等于静电力，即图中两者交点的水平坐标即是可动极板的平衡位置。在偏置电压为U1时，两条线有两个交点，其中靠近初始位置X₀的点才是稳定的点，另一点是非稳定点，即偏置电压为U1时，平衡位置为X₁。随着偏置电压的升高，平衡位置也跟着向极板间距减小的方向移动，直到偏置电压升高到Up，此时静电力|Felectrical|的曲线与机械回复力|Fmechanical|的直线相切，非稳定的交点消失。若再继续升高偏置电压，两极板会迅速吸合直到两者接触到一起，这一现象就是吸合，Up就是吸合电压。出于稳定性考虑，一般将的电压作为最优偏置电压。本发明的核心在于已知X₀，X₁和U1，可以得出Uop。由静电力的表达式可知，如果已知X₁和U1，ε和S又是设计时的已知量，就可以得到偏置电压为U1时的静电力。因为静电力等于机械力，由|Fmechanical|＝km*(X₀-x)我们就可以确定机械弹簧的刚度km。偏置电压为Up时|Felectrical|的曲线与机械回复力|Fmechanical|的直线相切，即|Felectrical|对x的导数等于|Fmechanical|直线的斜率。根据这一点，可以求得Up，进一步可得Uop。

综上，本发明用简单的装置和简单的方法实现了麦克风的自校准测试，将麦克风器件偏置在最优工作电压，而且保证了最终的灵敏度达可以校准到目标灵敏度±1dB的范围内，提高了批量生产麦克风时的良率和信噪比，提高了硅麦克风装置的自校准效率。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种硅麦克风装置的自校准方法，其特征在于，包括：

将一校准正弦电压施加在MEMS器件的偏置端，同时控制电荷泵输出电压V1等于0，此时检测得到放大器的输出信号幅度为OUT1，其中电荷泵输出电压为MEMS器件偏置端的直流电压；

控制所述电荷泵的输出电压为V2，其中V2大于0且小于所述MEMS器件的吸合电压值一定范围，此时检测得到所述放大器的输出信号幅度为OUT2；

根据OUT1和OUT2计算得出所述MEMS器件的最优工作电压Vop；

控制所述电荷泵的输出电压为Vop，将MEMS器件偏置于最优工作状态，同时关闭所述校准正弦电压，此时给入麦克风标准声音信号，得到所述放大器的输出信号幅度OUT3；

比较OUT3和目标灵敏度之间的差值，并根据该差值调整所述放大器的增益，使得麦克风的灵敏度达到目标值。

2.根据权利要求1所述的自校准方法，其特征在于，所述校准正弦电压的频率大于MEMS器件的机械谐振频率的2倍。

3.一种自校准硅麦克风装置，其特征在于，包括硅麦克风和数字控制模块，所述硅麦克风包括MEMS器件、放大器、AC校准电压模块、电荷泵、和数字接口模块，其中：

所述电荷泵的输出端与所述MEMS器件的偏置端相连，用于产生直流偏置电压，将所述MEMS器件偏置于不同的工作点；

所述放大器的输入端与所述MEMS器件的输入端相连，所述放大器的输出端与所述数字控制模块相连，用于将MEMS器件的电容变化转换为电压信号并进行放大，其中所述放大器的输出端也是麦克风装置的输出端；

所述AC校准电压模块的输出端通过一耦合电容与所述MEMS器件的偏置端相连，用于产生校准正弦电压；

所述数字接口模块的输入端与所述数字控制模块相连，用以接收数字控制模块的串行指令；所述数字接口模块的输出端与所述AC校准电压模块、所述电荷泵和所述放大器相连，用以根据所接收的串行指令控制所述电荷泵的输出电压、所述AC校准电压模块输出的正弦电压和所述放大器的增益；

其中，所述数字控制模块通过一双向接口与所述放大器和所述数字接口模块相连，所述数字控制模块一方面控制麦克风的工作于校准模式或正常工作模式，另一方面在校准模式下首先接收所述放大器的输出信号，再根据所述放大器的输出信号幅度发送操作指令给所述数字接口模块，控制所述电荷泵的输出电压、所述AC校准电压模块输出的正弦电压和所述放大器的增益。

4.根据权利要求3所述的自校准硅麦克风装置，其特征在于，在校准模式下，所述数字控制模块控制所述AC校准电压模块产生一定幅度的正弦信号，通过校准电容耦合到所述MEMS器件的偏置端，其中所述正弦信号的频率大于所述MEMS器件的机械谐振频率的2倍；同时控制所述电荷泵调整其输出电压，将所述MEMS器件偏置于不同的工作点，根据所述MEMS器件偏置于不同工作点时所述放大器的输出信号幅度计算出所述MEMS器件的最优工作电压。

5.根据权利要求4所述的自校准硅麦克风装置，其特征在于，在校准模式下，所述数字控制模块根据给入麦克风标准声音信号时所述放大器的输出信号幅度与目标灵敏度之间的差值，调整所述放大器的增益，使得麦克风的灵敏度达到目标值。

6.根据权利要求3所述的自校准硅麦克风装置，其特征在于，所述硅麦克风为模拟麦克风，所述数字控制模块设置在所述硅麦克风外。

7.根据权利要求3所述的自校准硅麦克风装置，其特征在于，所述硅麦克风为数字麦克风，所述数字控制模块集成于所述硅麦克风的接口电路内部或置于所述麦克风外。