一种自校准硅麦克风装置和校准方法
一种自校准硅麦克风装置和校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及娃麦克风领域，具体而言，涉及一种自校准娃麦克风装置和校准方法。
【背景技术】
[0002] 娃麦克风具有体积小，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。娃麦克风由娃麦克风器件和放大器芯片两部分组成。娃麦 克风器件的制造是由淀积，光刻，刻蚀，释放等一系列娃微机械加工工艺组成，每个娃片上 可W有成千上万只麦克风器件。由于加工工艺过程的非一致性W及同一娃片上由于空间分 布导致的不均匀性，加工出的娃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，则最终得到的娃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。
[0003] 娃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W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 离散度仍然不容小厕。如何降低娃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。
[0004] 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W上理论基础，分析大概 四，五个偏置点的电容数据，就可W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，送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。送种 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。但问题在于送种精密电容测 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。该娃麦克风由娃麦 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W控制AC偏置电压模块，改变AC偏置电压，也可W控制放 大器120,改变其放大增益，还可W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，送样就可W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】
[0005] 本发明提供一种自校准娃麦克风装置和校准方法，用W提高娃麦克风的成品率和 信噪比。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供了一种娃麦克风装置的自校准方法，包括：
[0007] 将一校准正弦电压施加在MEMS器件的偏置端，同时控制电荷泉输出电压VI等于 0,此时检测得到放大器的输出信号幅度为0UT1，其中电荷泉输出电压为MEMS器件偏置端 的直流电压；
[000引控制所述电荷泉的输出电压为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0UT2 ;
[0009] 根据0UT1和0UT2计算得出所述MEMS器件的最优工作电压Vop ;
[0010] 控制所述电荷泉的输出电压为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 0UT3 ；
[0011] 比较0UT3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。
[0012] 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。
[0013] 为达到上述目的，本发明还提供了一种自校准娃麦克风装置，包括娃麦克风和数 字控制模块，所述娃麦克风包括MEMS器件、放大器、AC校准电压模块、电荷泉、和数字接口 模块，其中：
[0014] 所述电荷泉的输出端与所述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；
[0015] 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；
[0016] 所述AC校准电压模块的输出端通过一禪合电容与所述MEMS器件的偏置端相连， 用于产生校准正弦电压；
[0017] 所述数字接口模块的输入端与所述数字控制模块相连，用W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、所述电荷泉和所述放大器 相连，用W根据所接收的串行指令控制所述电荷泉的输出电压、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；
[0018] 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，控制所述电荷泉的输出电压、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。
[0019] 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，通过校准电容禪合到所述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；同时控制所述电荷泉调整其输出电压，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。
[0020] 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。
[0021] 进一步地，所述娃麦克风为模拟麦克风，所述数字控制模块设置在所述娃麦克风 外。
[0022] 进一步地，所述娃麦克风为数字麦克风，所述数字控制模块集成于所述娃麦克风 的接口电路内部或置于所述麦克风外。
[0023] 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W校准到目标灵敏度±1地的范围内， 提高了批量生产麦克风时的良率和信噪比，提高了娃麦克风装置的自校准效率。
【附图说明】
[0024] 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W 根据送些附图获得其他的附图。
[00巧]图1为相关技术中的麦克风装置示意图；
[0026] 图2为本发明一个实施例的自校准娃麦克风装置示意图；
[0027] 图3是图2实施例中校准模式时信号检测通路的简图；
[002引图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】
[0029] 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。
[0030] 如附图2所示，该自校准娃麦克风00包括MEMS器件10,放大器14, AC校准电压 20,电荷泉19和数子接口板块21。对于板拟麦克风，麦克风系统外的数子虹制板块22用W 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 的偏置电压即电荷泉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。电荷泉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， 电荷泉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，电荷泉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 荷泉19输出的电压纹波和噪声，电荷泉负载电容Cbias 17(本实施例中大约10化巧连接 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禪合到MEMS器件10的BIAS端ll，Ccal 18和Cbias 12的比例决定了最终禪合到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（W 模拟麦克风为例）。
[0031] 图2实施例中自校准娃麦克风装置的自校准方法如下：
[0032] 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，同时控制电荷泉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0UT1 ;
[0033] 第二步，数字控制模块22控制电荷泉19的输出电压为U2扣2〉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0UT2 ;
[0034] 第Η步，数字控制模块22根据0UT1和0UT2计算得出MEMS器件10的最优工作电 压 Vop ;
[0035] 第四步，数字控制模块22控制电荷泉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94地SPL)，得 到放大器14的输出信号幅度0UT3 ;
[0036] 第五步，数字控制模块22比较0UT2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。
[0037] 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fO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fO的2 倍，使得送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
[0038]
[0039] 其中，Vout，Vin和A可W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。送样我们就可W得到偏置电压为0和偏置电压为111扣1〉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CmicO和 Cmicl。再根据电容的计算公式，
[0040]
[00川其中，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w得到 偏置电压为0时麦克风可动极板初始位置X。和偏置电压为U1时的麦克风可动极板位置Xi。
[0042] 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X。，此时机械回复力也是零。图中直线代表机械回复力 Fmechanicall随着极板位置线性变化的关系，|Fmechanical| =虹1*狂。-分，虹1为机械弹 黃的刚度，X为两极板间距。两条曲线代表不同偏置电压下静电力iFelectricall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X。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Xi。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化，此时静电力IFelectricall的曲线与机 械回复力iFmechanicall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，送一现象就是吸合，化就是吸合电压。出于稳定性考 虑，一般将
的电压作为最优偏置电压。本发明的核必在于已知X。，Xi和U1， 可W得出化P。由静电力的表达式
巧知，如果已知Xi和U1，ε和 S又是设计时的已知量，就可W得到偏置电压为U1时的静电力。因为静电力等于机械力， 由IFmechanicall =虹1*狂。-分我们就可W确定机械弹黃的刚度km。偏置电压为化时 li^lectricall的曲线与机械回复力IFmechanicall的直线相切，即li^lectricall对X的 导数等于IFmechanicall直线的斜率。根据送一点，可W求得化，进一步可得化P。
[0043] 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W校准到目标灵敏度±1地的范 围内，提高了批量生产麦克风时的良率和信噪比，提高了娃麦克风装置的自校准效率。
[0044] 本领域普通技术人员可W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。
[0045] 本领域普通技术人员可W理解；实施例中的装置中的模块可W按照实施例描述分 布于实施例的装置中，也可W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W合并为一个模块，也可W进一步拆分成多个子模块。
[0046] 最后应说明的是；W上实施例仅用W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W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； 而送些修改或者替换，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。
【主权项】
1. 一种娃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VI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0UT3 ; 比较0UT3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，所述校准正弦信号的频率大于 MEMS器件的机械谐振频率的2倍。3. -种自校准娃麦克风装置，其特征在于，包括娃麦克风和数字控制模块，所述娃麦克 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所述的自校准娃麦克风装置，其特征在于，所述娃麦克风为模拟麦 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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H04R19/04, H04R29/00
【公开号】CN105491492
【申请号】CN201410490133
【发明人】孙丽娜, 杨少军
【申请人】北京卓锐微技术有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月23日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及娃麦克风领域，具体而言，涉及一种自校准娃麦克风装置和校准方法。
【背景技术】
[0002] 娃麦克风具有体积小，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。娃麦克风由娃麦克风器件和放大器芯片两部分组成。娃麦 克风器件的制造是由淀积，光刻，刻蚀，释放等一系列娃微机械加工工艺组成，每个娃片上 可W有成千上万只麦克风器件。由于加工工艺过程的非一致性W及同一娃片上由于空间分 布导致的不均匀性，加工出的娃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，则最终得到的娃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。
[0003] 娃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W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 离散度仍然不容小厕。如何降低娃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。
[0004] 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W上理论基础，分析大概 四，五个偏置点的电容数据，就可W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，送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。送种 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。但问题在于送种精密电容测 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。该娃麦克风由娃麦 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W控制AC偏置电压模块，改变AC偏置电压，也可W控制放 大器120,改变其放大增益，还可W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，送样就可W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】
[0005] 本发明提供一种自校准娃麦克风装置和校准方法，用W提高娃麦克风的成品率和 信噪比。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供了一种娃麦克风装置的自校准方法，包括：
[0007] 将一校准正弦电压施加在MEMS器件的偏置端，同时控制电荷泉输出电压VI等于 0,此时检测得到放大器的输出信号幅度为0UT1，其中电荷泉输出电压为MEMS器件偏置端 的直流电压；
[000引控制所述电荷泉的输出电压为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0UT2 ;
[0009] 根据0UT1和0UT2计算得出所述MEMS器件的最优工作电压Vop ;
[0010] 控制所述电荷泉的输出电压为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 0UT3 ；
[0011] 比较0UT3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。
[0012] 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。
[0013] 为达到上述目的，本发明还提供了一种自校准娃麦克风装置，包括娃麦克风和数 字控制模块，所述娃麦克风包括MEMS器件、放大器、AC校准电压模块、电荷泉、和数字接口 模块，其中：
[0014] 所述电荷泉的输出端与所述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；
[0015] 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；
[0016] 所述AC校准电压模块的输出端通过一禪合电容与所述MEMS器件的偏置端相连， 用于产生校准正弦电压；
[0017] 所述数字接口模块的输入端与所述数字控制模块相连，用W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、所述电荷泉和所述放大器 相连，用W根据所接收的串行指令控制所述电荷泉的输出电压、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；
[0018] 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，控制所述电荷泉的输出电压、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。
[0019] 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，通过校准电容禪合到所述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；同时控制所述电荷泉调整其输出电压，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。
[0020] 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。
[0021] 进一步地，所述娃麦克风为模拟麦克风，所述数字控制模块设置在所述娃麦克风 外。
[0022] 进一步地，所述娃麦克风为数字麦克风，所述数字控制模块集成于所述娃麦克风 的接口电路内部或置于所述麦克风外。
[0023] 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W校准到目标灵敏度±1地的范围内， 提高了批量生产麦克风时的良率和信噪比，提高了娃麦克风装置的自校准效率。
【附图说明】
[0024] 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W 根据送些附图获得其他的附图。
[00巧]图1为相关技术中的麦克风装置示意图；
[0026] 图2为本发明一个实施例的自校准娃麦克风装置示意图；
[0027] 图3是图2实施例中校准模式时信号检测通路的简图；
[002引图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】
[0029] 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。
[0030] 如附图2所示，该自校准娃麦克风00包括MEMS器件10,放大器14, AC校准电压 20,电荷泉19和数子接口板块21。对于板拟麦克风，麦克风系统外的数子虹制板块22用W 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 的偏置电压即电荷泉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。电荷泉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， 电荷泉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，电荷泉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 荷泉19输出的电压纹波和噪声，电荷泉负载电容Cbias 17(本实施例中大约10化巧连接 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禪合到MEMS器件10的BIAS端ll，Ccal 18和Cbias 12的比例决定了最终禪合到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（W 模拟麦克风为例）。
[0031] 图2实施例中自校准娃麦克风装置的自校准方法如下：
[0032] 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，同时控制电荷泉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0UT1 ;
[0033] 第二步，数字控制模块22控制电荷泉19的输出电压为U2扣2〉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0UT2 ;
[0034] 第Η步，数字控制模块22根据0UT1和0UT2计算得出MEMS器件10的最优工作电 压 Vop ;
[0035] 第四步，数字控制模块22控制电荷泉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94地SPL)，得 到放大器14的输出信号幅度0UT3 ;
[0036] 第五步，数字控制模块22比较0UT2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。
[0037] 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fO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fO的2 倍，使得送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
[0038]
[0039] 其中，Vout，Vin和A可W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。送样我们就可W得到偏置电压为0和偏置电压为111扣1〉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CmicO和 Cmicl。再根据电容的计算公式，
[0040]
[00川其中，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w得到 偏置电压为0时麦克风可动极板初始位置X。和偏置电压为U1时的麦克风可动极板位置Xi。
[0042] 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X。，此时机械回复力也是零。图中直线代表机械回复力 Fmechanicall随着极板位置线性变化的关系，|Fmechanical| =虹1*狂。-分，虹1为机械弹 黃的刚度，X为两极板间距。两条曲线代表不同偏置电压下静电力iFelectricall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X。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Xi。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化，此时静电力IFelectricall的曲线与机 械回复力iFmechanicall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，送一现象就是吸合，化就是吸合电压。出于稳定性考 虑，一般将
的电压作为最优偏置电压。本发明的核必在于已知X。，Xi和U1， 可W得出化P。由静电力的表达式
巧知，如果已知Xi和U1，ε和 S又是设计时的已知量，就可W得到偏置电压为U1时的静电力。因为静电力等于机械力， 由IFmechanicall =虹1*狂。-分我们就可W确定机械弹黃的刚度km。偏置电压为化时 li^lectricall的曲线与机械回复力IFmechanicall的直线相切，即li^lectricall对X的 导数等于IFmechanicall直线的斜率。根据送一点，可W求得化，进一步可得化P。
[0043] 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W校准到目标灵敏度±1地的范 围内，提高了批量生产麦克风时的良率和信噪比，提高了娃麦克风装置的自校准效率。
[0044] 本领域普通技术人员可W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。
[0045] 本领域普通技术人员可W理解；实施例中的装置中的模块可W按照实施例描述分 布于实施例的装置中，也可W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W合并为一个模块，也可W进一步拆分成多个子模块。
[0046] 最后应说明的是；W上实施例仅用W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W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； 而送些修改或者替换，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。
【主权项】
1. 一种娃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VI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0UT3 ; 比较0UT3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，所述校准正弦信号的频率大于 MEMS器件的机械谐振频率的2倍。3. -种自校准娃麦克风装置，其特征在于，包括娃麦克风和数字控制模块，所述娃麦克 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所述的自校准娃麦克风装置，其特征在于，所述娃麦克风为模拟麦 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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H04R19/04, H04R29/00
【公开号】CN105491492
【申请号】CN201410490133
【发明人】孙丽娜, 杨少军
【申请人】北京卓锐微技术有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月23日
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