專利名稱：校準(zhǔn)微機(jī)電話筒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及校準(zhǔn)話筒，具體而言，涉及包括存儲(chǔ)器的微機(jī)電話 筒，所述存儲(chǔ)器具有用于設(shè)置話筒的電學(xué)參數(shù)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
在正常操作期間，通常在振動(dòng)膜與底板結(jié)構(gòu)之間對微機(jī)電("MEMS")話筒提供固定DC偏壓。在EP 1599607 A2中，提出和 公開了在話筒缺省條件下，與所謂的振動(dòng)膜塌陷相結(jié)合，用于去除或 減少振動(dòng)膜與底板之間靜電引力的DC偏壓特定操作。US 2006/062406 Al披露了一種電容式話筒，其包括用于話筒電 容換能器的可編程DC偏壓和用于存儲(chǔ)DC偏壓設(shè)置值的存儲(chǔ)器。 WO 01/78446 Al披露了一種駐極體話筒，其包括連接在駐極體換能 器與緩沖器放大器之間的可變靈敏度/可變增益電路。關(guān)于校準(zhǔn)話筒系統(tǒng)和方法的其他參考文獻(xiàn)有US 4，631，749， US 5,051,799， US 5，029，215, US 2003/0198354 Al，和US 2005/0175190 Al。在以高產(chǎn)量制造MEMS電容式話筒中的明顯問題是，MEMS話 筒振動(dòng)膜的柔性或張力隨難以精確控制的多個(gè)制造參數(shù)而變化。硅晶 片的物理或機(jī)械參數(shù)(例如，機(jī)械硬度、電阻、晶體管跨導(dǎo))的絕對 值會(huì)很容易地變化+/-20%或更多。這對于4艮好控制MEMS話筒制造 而言是很不利的。MEMS話筒的其他物理參數(shù)也會(huì)變化，例如，振動(dòng)膜區(qū)、空氣間 隙高度，即振動(dòng)膜與底板之間的距離。與標(biāo)準(zhǔn)"宏觀 (macroscopic)，，話筒(其中，空氣間隙高度高于30或50nm )相 比，MEMS換能器中的空氣間隙高度通常為5-10nm或甚至更小。 MEMS話筒的小尺度嚴(yán)重限制了如何調(diào)節(jié)DC偏壓以補(bǔ)償非標(biāo)稱聲 靈敏度。將DC偏壓調(diào)節(jié)到較高值可導(dǎo)致塌陷閾值(以dB SPL為單 位)移動(dòng)到不可接受的低值。在集成半導(dǎo)體電路(例如，CMOS電路)的制造過程中遇到的電 學(xué)部件可變參數(shù)的影響，對MEMS話筒的性能和一致性而言通常樹: 不足道。然而，對諸如放大器增益和阻抗之類的性能參數(shù)具有一定影 響。在大音量、低成本的MEMS話筒(其中，低復(fù)雜性放大器拓樸 對于保持模片區(qū)的成本較低至關(guān)重要)中很難消除該影響。因此，補(bǔ) 償這些性能參數(shù)變化將會(huì)有益。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一方面涉及包括話筒外殼的MEMS話筒組件，所述 話筒組件包括 -聲音入口；- MEMS換能器元件，具有底板和相對于底板可更換的振動(dòng)膜； -可控偏壓發(fā)生器，用于在振動(dòng)膜與底板之間提供DC偏壓； -存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)信息；-可控放大器，用于接收來自MEMS換能器元件的電信號，以 及提供輸出信號，所述可控放大器用于根據(jù)放大器增益設(shè)置將來自 MEMS換能器的電信號放大；-處理器，用于從存儲(chǔ)器檢索信息，以及用于-根據(jù)來自存儲(chǔ)器的放大器增益設(shè)置信息，控制放大器的增益，和-根據(jù)來自存儲(chǔ)器的信息，控制偏壓發(fā)生器以提供DC偏壓。在本發(fā)明的上下文中，基于MEMS的換能器是完全或至少部分 地通過施加Micro Mechanical System Technology制造的換食fe器元 件。小型換能器元件可包括諸如硅或砷化鎵之類半導(dǎo)體材料與導(dǎo)電和 /或絕緣材料，如氮化硅、多晶硅、氧化硅和玻璃相組合。或者，換
能器元件可僅包括導(dǎo)電材料，如鋁、銅等，可選性地與絕緣材料(如玻璃和/或氧化硅)相組合。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的MEMS話筒組件 是小型或超小型部件，諸如，其在振動(dòng)膜平面中具有小于7.0 mm x5.0mm或小于5.0 mm x4.0mm (如3.5 mm x3.5mm )或最好是小于 3.0 mm x3.0mm的延伸部分。這些尺寸適于將MEMS話筒組件集成 到廣泛的便攜式通信設(shè)備(例如，移動(dòng)終端、移動(dòng)電話、監(jiān)聽設(shè)備、 耳機(jī)、有源噪聲保護(hù)設(shè)備等)中。根據(jù)本發(fā)明，DC偏壓調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)的組合允許提供具有良好 定義塌陷閾值的MEMS話筒組件，同時(shí)保持所需預(yù)定或標(biāo)稱聲靈敏 度。優(yōu)選地，MEMS換能器元件從底板到振動(dòng)膜(在非偏置狀態(tài))具 有l(wèi)-lOpm (例如，2-5nm)的距離，通常稱為空氣間隙高度。此 外，用于MEMS換能器的可控偏壓發(fā)生器通常用于生成區(qū)間在5-20V的DC偏壓。本存儲(chǔ)器可包括任何類型的存儲(chǔ)器電路，例如，RAM、 PROM、 EPROM、 EEPROM、閃存，且通常是非易失性的。尤其是，感興趣 的存儲(chǔ)器類型為一次可編程存儲(chǔ)器，例如，基于熔絲連接技術(shù)的存儲(chǔ) 器。優(yōu)選地，這樣的存儲(chǔ)器在話筒組件中安裝時(shí)可進(jìn)行編程。放大器可包括可操作地與MEMS換能器元件相連的話筒預(yù)放大 器。優(yōu)選地，通過改變與放大器相連的電路部件(如反饋鏈路部件) 的電學(xué)參數(shù)(如電阻和電容)可調(diào)節(jié)增益。放大器可僅僅為單個(gè)晶體 管放大器或緩沖器，優(yōu)選地，基于CMOS晶體管，或者，可以是更 復(fù)雜的電路，例如多級運(yùn)算放大器。DC偏壓發(fā)生器優(yōu)選地是這樣的電路類型，即適用于通過電壓除 法或電壓乘法或電壓調(diào)節(jié)提供基本固定的DC電壓?？墒褂孟耠姵毓?電線路那樣簡單的配置以及可調(diào)節(jié)電壓除法器，或者可與適用的電壓 調(diào)節(jié)器一道使用放大器的饋電裝置。優(yōu)選地，電壓乘法器實(shí)施例包括 眾所周知的Dickson電荷泵。在一個(gè)實(shí)施例中，處理器包括放大器，處理器根據(jù)來自存儲(chǔ)器的信息提供輸出信號。從而，同樣的處理器負(fù)責(zé)兩方面操作。另一優(yōu)點(diǎn)在于更緊湊的配置，這使得很容易將所有元件安裝到單 個(gè)組件中，例如，通過使用芯片級封裝，這使得可能以潛在的高產(chǎn)量 極其緊湊地制作該高度可調(diào)節(jié)話筒。DC偏壓的編程可基于對實(shí)際MEMS換能器元件或?qū)υO(shè)置在與實(shí) 際MEMS換能器元件處于同一晶片上的樣品MEMS換能器元件(或 樣品集合)的特性測量。由于MEMS換能器通常在半導(dǎo)體晶片上成批制成，已知的方法 是對單個(gè)晶片的所有元件的參數(shù)，或可包括多個(gè)獨(dú)立晶片(例如， 10-48個(gè)獨(dú)立晶片)的整批晶片所有元件的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)?？舍娪眠@ 樣的方式測量或估計(jì)空氣間隙高度以及振動(dòng)膜的柔性/硬度等，從 而，可為該批所有換能確定出合適的DC偏壓。通過使用可編程DC偏壓發(fā)生器，可增加MEMS話筒的生產(chǎn)產(chǎn) 量，而同時(shí)可使單個(gè)話筒的靈敏度最大化。作為示例，根據(jù)振動(dòng)膜的硬度，可將MEMS換能器元件的DC 偏壓控制在5和10伏之間。此外，可4吏DC偏壓最大，而不會(huì)在正 常操作條件期間承擔(dān)振動(dòng)膜塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。這將導(dǎo)致MEMS話筒組件 有更好靈敏度和更低噪聲。通常不會(huì)連續(xù)地改變DC偏壓，但偶爾或 甚至僅一次(即，在話筒制造期間)改變。通過將增益和偏壓的調(diào)節(jié)進(jìn)行組合，通過使用內(nèi)部校準(zhǔn)裝置來獲 得更好和更一致的話筒產(chǎn)品，例如，使電聲靈敏度變化更小和/或信 噪比更佳，有可能補(bǔ)償話筒和集成電路的生產(chǎn)變化。此外，可校準(zhǔn)DC偏壓和(預(yù))放大器增益校準(zhǔn)給出在全規(guī)模 (full-scale)生產(chǎn)期間可用于提高產(chǎn)量的生產(chǎn)管理者可調(diào)節(jié)參數(shù)。在另一實(shí)施例中，處理器還可用于基于存儲(chǔ)器中的信息調(diào)節(jié)一個(gè) 或多個(gè)其它電學(xué)參數(shù)。這樣的參數(shù)可為來自振動(dòng)膜/MEMS換能器元件的信號的參數(shù)、輸出信號，或話筒的其他電學(xué)參數(shù)，例如，關(guān)于話 筒內(nèi)部操作的參數(shù)。這樣參數(shù)的變化可為參數(shù)的任何變化，例如，基于內(nèi)部或外部電
源或電學(xué)部件的變化，例如，添加、去除或改變內(nèi)部電阻、電容、阻 抗、電感等。根據(jù)信息進(jìn)行的變化可采用任何方式執(zhí)行。信息本身可描述該變 化，或者，它可描述所需參數(shù)，并且是在變化本身由處理器確定之 后。描述變化的模型變化可在話筒中內(nèi)部提供，或者從外部源端提 供。另一選項(xiàng)是，通過改變模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路(諸如，采樣和/或反饋電 容器)的電子部件的值，對例如話筒組件的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)。校準(zhǔn)數(shù) 據(jù)的編程還可在最后檢測階段進(jìn)行，后面對其進(jìn)行進(jìn)一步描述。重新編程可作為感興趣的選項(xiàng)，這可需要額外的系統(tǒng)連接以便對 處理器輸入擦除信號?？赏ㄟ^再次對編程脈沖連接施加"寫入電平，，脈 沖，來觸發(fā)重新編程(在擦除之后)。重新編程可用于系統(tǒng)的現(xiàn)場校 準(zhǔn)，但它可能再次需要聲音參考信號。一般而言，與安裝在話筒外殼內(nèi)部的存儲(chǔ)器和/或處理器的通信 (最好在諸如印刷電路板或陶瓷襯底之類的合適載體之上)可通過使用任何所需已知或新數(shù)據(jù)通信接口和協(xié)議(例如，I2C或I2S)獲 得。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括如在US 2004/0116151 Al中描述的低 功率、同步、雙向串行通信總線，或者M(jìn)IPI聯(lián)盟所提出的有關(guān) SLIMbusTM。存儲(chǔ)器可有益地包括采用字母數(shù)字形式，或任何其他合 適編碼的、例如關(guān)于制造商模型和類型表示的換能器識別信息，格式 如"Sonion 8002 microphone"。此外或備選地，部件制造專用信息， 如生產(chǎn)批次或批次編號、制造日期和地點(diǎn)、惟一產(chǎn)品ID等，可存儲(chǔ) 在存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器可額外地或代之以包括關(guān)于換能器機(jī)械設(shè)計(jì)或電 和/或聲性能信息參數(shù)的信能信息，諸如，先前描述的放大器增益設(shè) 置信息和DC偏壓設(shè)置信息。這將允許外部處理器(例如，類似移動(dòng) 電話和監(jiān)聽設(shè)備的便攜式通信設(shè)備的DSP或微處理器)通過數(shù)據(jù)通 信接口，例如，結(jié)合自舉或加電進(jìn)程，讀取MEMS話筒識別信息。 DSP或微處理器將能夠檢查MEMS話筒是否屬于合適/可兼容類型。 一旦DSP或微處理器讀取了換能器的身份或性能信息，它可因此通 過合適的程序和軟件例程，改變其操作。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然 知道，其他類型的微型電聲或磁換能器，例如，移動(dòng)線團(tuán)或移動(dòng)電樞 揚(yáng)聲器和接收器、助聽拾音線圏等，將能夠從集成有用于存儲(chǔ)換能器 識別和/或換能器制造專用信息的存儲(chǔ)器中收獲相應(yīng)益處。 一組特別 有益的換能器實(shí)施例包括可表面安裝的換能器外殼，其中，所有外部 可接入焊接或連接端設(shè)置在換能器外殼的基本平面的外表面上。對于 可表面安裝的換能器，實(shí)際可設(shè)置有許多外部可接入焊接或連接端，例如，4-8個(gè)端，這是由于無需人工焊接操作。根據(jù)本發(fā)明的MEMS 話筒在模擬或數(shù)字電容式話筒生產(chǎn)期間可具有以下優(yōu)點(diǎn)*降低因MEMS和ASIC晶片生產(chǎn)造成對半導(dǎo)體工藝變化的影 響，以便使最終MEMS話筒產(chǎn)品的產(chǎn)品參數(shù)變化最小*使得MEMS晶片的容差更高 使得在ASIC偏壓發(fā)生器電平的容差更高 使得ASIC預(yù)放大器增益的容差更高 使得話筒靈敏度的均一性最大*使最終產(chǎn)品的變化得以縮減*使生產(chǎn)產(chǎn)量最大*使MEMS和ASIC面積最小。本發(fā)明的另一方面涉及校準(zhǔn)MEMS話筒組件的方法，所述方法 包括步驟-測量或估計(jì)MEMS換能器元件的塌陷電壓， -基于測量或估計(jì)的塌陷電壓，確定MEMS換能器元件的DC 偏壓，以及-將關(guān)于所確定的DC偏壓的信息寫入到存儲(chǔ)器。 當(dāng)然，可采用多種方式估計(jì)或確定塌陷電壓。 一種方式是，逐漸 增加單個(gè)MEMS換能器的底板與振動(dòng)膜之間DC電壓，確定該 MEMS換能器的塌陷電壓作為底板和振動(dòng)膜實(shí)際接觸或粘合的DC 電壓。另一方法涉及對檢測結(jié)構(gòu)執(zhí)行同樣的進(jìn)程，表示MEMS換能 器作出關(guān)于晶片上一個(gè)或多個(gè)MEMS換能器的塌陷電壓的間接確
定。優(yōu)選地，對共同晶片上MEMS換能器的子集(例如，5-100個(gè) MEMS換能器)執(zhí)行該進(jìn)程，其中確定出子集的每個(gè)MEMS換能器 的塌陷電壓。之后，由該子集確定的值導(dǎo)出單個(gè)代表性塌陷電壓，例 如，平均值或均值或加權(quán)值。確定塌陷電壓的另一方式是，其中測量/估計(jì)步驟包括步驟-對MEMS換能器元件施加DC偏壓，-對MEMS換能器元件施加預(yù)定聲壓，-在施加DC偏壓和預(yù)定聲壓期間，測量MEMS換能器元件的 聲靈敏度，以及-基于測量的靈敏度和所施加DC偏壓確定塌陷電壓。MEMS換 能器元件的的聲靈敏度取決于其振動(dòng)膜張力，其進(jìn)而涉及到塌陷電 壓?；趯?shí)驗(yàn)收集的對于預(yù)定DC偏壓情形MEMS換能器元件的聲 靈敏度與塌陷電壓之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建查詢表。確定塌陷電壓的另 一方式是，其中測量/估計(jì)步驟包括步驟-在監(jiān)測底板與振動(dòng)膜之間電容值的同時(shí)，增加在MEMS換能 器元件的底板與振動(dòng)膜之間提供的DC電壓，直至在第一電壓處檢測 出電容值的預(yù)定增加，然后-基于第一電壓估計(jì)塌陷電壓。當(dāng)增大DC電壓時(shí)，底板與振動(dòng)膜之間的距離或空氣間隙高度將 減小，從而在此之間的電容將增大。換能器電容的這種增大并不是線 性地取決于空氣間隙高度i，當(dāng)看到電容對于DC電壓曲線的斜率增 大時(shí)，關(guān)閉塌陷電壓。從而，可由斜率超出預(yù)定斜率或達(dá)到預(yù)定斜率 處的電壓，確定或估計(jì)塌陷電壓。一般而言，可根據(jù)多個(gè)不同的方法確定DC偏壓。可將DC偏壓 確定為塌陷電壓的預(yù)定百分比或塌陷電壓減去預(yù)定電壓。此外，還有 可能存在其他方式，下面將對此進(jìn)行描述。當(dāng)然，在MEMS話筒組件正常操作期間應(yīng)避免MEMS換能器元 件的塌陷，即使當(dāng)經(jīng)受指定最大可接受聲壓也是如此。因此，當(dāng)經(jīng)受 指定最大可允許聲壓時(shí)，可基于塌陷電壓減去與MEMS換能器元件所生成的峰值A(chǔ)C電壓相對應(yīng)的DC電壓，確定DC偏壓。這是由于這樣的事實(shí)，即，在信號檢測期間，振動(dòng)膜所經(jīng)過的距 離可通過在底板與振動(dòng)膜之間提供電壓來模擬。由于通常期望話筒能 夠正確測量直至給定最大值的聲壓，該運(yùn)動(dòng)應(yīng)是有可能的，而不管所 施加的任何DC偏壓。從而，確定或估計(jì)出模擬該運(yùn)動(dòng)的電壓(例 如，因120-130dB聲信號/聲壓所導(dǎo)致)，并從塌陷電壓中將其減 去。隨后，可從計(jì)算結(jié)果電壓(塌陷電壓減去與預(yù)定聲壓相對應(yīng)的電 壓)中減去另一電壓，例如，安全余量電壓。 一般而言，第二方面的方法還可包括步驟 -對MEMS換能器元件施加與所確定DC偏壓相對應(yīng)的電壓， 一對MEMS換能器元件施加預(yù)定聲壓，-在放大器中，根據(jù)聲壓，將MEMS換能器元件的信號輸出放 大，并輸出放大信號，-基于放大信號和預(yù)定信號參數(shù)，確定放大器增益設(shè)置，以及 一將關(guān)于所確定的放大器增益設(shè)置的信息寫入到存儲(chǔ)器。 從而如以上所描述的，不僅實(shí)際MEMS換能器的靈敏度得以校 準(zhǔn)，而且，對于該組件的放大信號輸出也是如此。優(yōu)選地，該方法還包括，在執(zhí)行確定放大器增益設(shè)置的步驟之 前，將MEMS換能器元件與放大器在公共襯底載體上永久性電互連 的步驟。以此方式，在校準(zhǔn)之后該互連不會(huì)發(fā)生變化，否則，這將降 低校準(zhǔn)精度?；蛘?，可將MEMS換能器元件、放大器，以及可選性 的存儲(chǔ)器和DC偏壓發(fā)生器集成在單個(gè)半導(dǎo)體電路片中。這將允許直 接執(zhí)行確定放大器增益設(shè)置和將相應(yīng)信息寫到存儲(chǔ)器而不涉及組件步 驟的步驟。對于兩種方法，在組裝MEMS話筒組件上執(zhí)行放大器增 益設(shè)置中存在眾多優(yōu)點(diǎn)，這是由于適當(dāng)考慮了外殼的聲影響和互連接 以及阻抗的電影響?？蓪塎EMS換能器有益地執(zhí)行確定塌陷電壓的步驟，這 允許直接訪問底板和振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)，以便從晶片檢測器施加DC電壓?；蛘?，在確定坍塌電壓的步驟中，將利用可控偏壓發(fā)生器，該可控偏壓發(fā)生器通常用于為MEMS話筒組件提供DC偏壓。這將通過一個(gè) 循環(huán)獲得，其中通過多個(gè)步驟對MEMS話筒組件重新編程，以逐漸 增大穿過振動(dòng)膜與底板上的DC偏壓。從而優(yōu)選地，對包括多個(gè)MEMS換能器的MEMS換能器晶片執(zhí) 行測量或估計(jì)MEMS換能器元件的塌陷電壓的步驟。而且，可由多個(gè)MEMS話筒的MEMS話筒子集，對MEMS換 能器元件的塌陷電壓進(jìn)行估計(jì)。本發(fā)明的第三以及最后的方面涉及對多個(gè)MEMS話筒組件進(jìn)行 校準(zhǔn)的方法，所述方法包括-自單批或單個(gè)晶片提供多個(gè)MEMS換能器元件，-在每個(gè)話筒組件中提供MEMS換能器元件，-根據(jù)本發(fā)明的第二方面校準(zhǔn)多個(gè)MEMS話筒組件的子集，以 及由此獲得DC偏壓信息，-至少將獲得的DC偏壓信息寫入到多個(gè)MEMS話筒組件的其 余話筒組件的對應(yīng)存儲(chǔ)器。從而，假設(shè)生產(chǎn)參數(shù)和MEMS換能器的參數(shù)在批次或晶片上以 微不足道地變化，其中批次可包括l， 2， 3， 4，或更多，例如12或 更多晶片，從而，可對所有組件施加由子集所確定出的DC偏壓。當(dāng)然，方法隨后還可包括，如關(guān)于第二方面所述的，對每個(gè)組件 的放大器的增益進(jìn)行校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)可作為對每個(gè)組件的不同校準(zhǔn)，或 是從組件子集(同一或另一子集)再次導(dǎo)出的校準(zhǔn)，另外，此后將由 此導(dǎo)出的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被傳輸?shù)剿薪M件的存儲(chǔ)器。如果對兩個(gè)或多個(gè)組件的子集執(zhí)行DC偏壓和/或放大器增益的校 準(zhǔn)，則可釆用任何方式根據(jù)從校準(zhǔn)獲得的哪些值導(dǎo)出電壓/增益，諸 如，導(dǎo)出從校準(zhǔn)獲得的電壓/增益的均值、加權(quán)值，從而得出最終電 壓/增益值，或者，其中丟棄明顯錯(cuò)誤的結(jié)果(來自測量或源自制造 組件)。在校準(zhǔn)期間，還可判定最初批次/晶片的變化對于同 一校準(zhǔn)所涉及 的所有組件是否足夠小。若否，則可將批次/晶片劃分成晶片的更小 批次/部分，在其內(nèi)部可將校準(zhǔn)傳輸?shù)狡渌M件。從而，校準(zhǔn)可僅在 源自晶片部分或僅批次的某些晶片的組件之間發(fā)生，基于該區(qū)域/晶 片處生產(chǎn)的組件(或更切確而言換能器/放大器)對其他部分/晶片進(jìn) 行校準(zhǔn)。一般而言，應(yīng)該注意，在本說明書和權(quán)利要求中，術(shù)語"話筒外 殼"具有廣泛意義。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，話筒外殼包括以聲密封方式安裝到襯底載體的導(dǎo)電蓋。MEMS換能器元件附著于襯底載 體，并通過倒裝芯片安裝和導(dǎo)線焊接與襯底導(dǎo)體電連接。可將聲入口 設(shè)置在蓋或襯底載體或二者中，以形成直接話筒組件。在本發(fā)明的另 一實(shí)施例中，通過MEMS換能器元件的外表面、襯底載體，以及可 選性地通過ASIC模片，接合在一起構(gòu)成所謂超小型芯片級封裝 (CSP)，從而構(gòu)成話筒外殼，其中外殼成為MEMS換能器元件和 村底載體的整體部件。


下面，將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖l表示本發(fā)明的話筒優(yōu)選實(shí)施例的重要元件的一般視圖；以及圖2表示出確定偏壓方式。
具體實(shí)施方式
才艮據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的話筒10包括，MEMS電容式話筒12 以及集成電路部分14、集成電路部分14包括話筒(預(yù))放大器16、 DC偏壓發(fā)生器18，且被內(nèi)置于話筒外殼/封裝20中。此外，話筒具有電壓源11和輸出15。放大器16包括，用于調(diào)整其增益的數(shù)據(jù)輸入22、偏壓發(fā)生器18 包括二級管配置26和具有用于調(diào)節(jié)發(fā)生器18的電壓輸出的數(shù)據(jù)輸入 28的DickSon泵24 (詳細(xì)描述例如參見EP-A-1 599 067 ) Dickson 泵的操作是將M位的信息直接轉(zhuǎn)換成電壓。
通過使用在MEMS電容式話筒10制造過程中最初檢測步驟期間 載入到、并存儲(chǔ)在集成電路14的非易失性存儲(chǔ)器30中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 22，調(diào)節(jié)話筒預(yù)放大器16的增益。另外，將用于發(fā)生器18中的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30的另一部分中。優(yōu)選地，非易失性存儲(chǔ)器30包括一次可編程(OTP)存儲(chǔ)器， 例如，EPROM、基于熔絲的存儲(chǔ)器或相似類型的電存儲(chǔ)器。然而， 在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，特別是如果在集成電路上該類型存儲(chǔ)器設(shè) 備已用于其他目的的情形，可使用多種可編程存儲(chǔ)器類型，例如， EEPROM和/或閃存。MEMS電容式話筒10的編程過程實(shí)際可按以下步驟進(jìn)行對各個(gè)封裝話筒施加預(yù)定級別(例如，94dB SPS/lkHz正弦波) 的良好定義聲壓，同時(shí)測量MEMS電容式話筒12的電輸出信號?？?將MEMS電容式話筒IO有益地設(shè)置在聲檢測箱中合適檢測夾具中。在根據(jù)圖1的優(yōu)選實(shí)施例中，通過改變耦接作為話筒預(yù)放大器配 置的反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻器組或電容器組的比率，對話筒預(yù)放大器16的 增益進(jìn)行調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)。反饋話筒預(yù)放大器16可以是單個(gè)終端式 (single-ended )或差分式的。通過調(diào)節(jié)DC偏壓的值，來調(diào)節(jié)MEMS換能器組件的靈敏度 (參看以下關(guān)于圖2的描述)。在本發(fā)明中，測量MEMS換能器組件10的靈敏度、在檢測計(jì)算 機(jī)中將其記錄和跟蹤到最后話筒組件的階段，并檢測在何處執(zhí)行本校 準(zhǔn)過程?；贛EMS換能器組件10的已知靈敏度，通過檢測計(jì)算機(jī) 確定/計(jì)算對于DC偏壓的合適值，之后通過選擇合適的代碼，例 如，通過預(yù)存儲(chǔ)的查詢表，編程到OTP存儲(chǔ)器30中。圖2表示估計(jì)或確定MEMS換能器12的預(yù)期偏壓的特別有益方 式。在MEMS換能器12的底板與振動(dòng)膜之間設(shè)置可變電壓，從而， 空氣間隙高度(振動(dòng)膜與底板之間距離)將發(fā)生變化?？苫谶@些元 件之間建立起的電容，估計(jì)該高度。然而，該電容值與距離并非呈線 性，而是當(dāng)距離接近零時(shí)將迅速增大。零距離是振動(dòng)膜接觸底板的所
謂塌陷。圖2表示出電容C作為施加在振動(dòng)膜與底板之間電壓V的函 數(shù)?？梢钥闯觯?dāng)V接近塌陷電壓Vcollapse (使底板與振動(dòng)膜接觸 所需的最低電壓)時(shí)，C迅速增大。從而，根據(jù)該曲線圖，即便不將底板與振動(dòng)膜之間施加的電壓V 設(shè)置到Vcollapse，也可對Vcollapse進(jìn)行估計(jì)。然而，使用接近Vcollapse的偏壓將不會(huì)提供所預(yù)期的話筒10靈 敏度，這是由于， 一旦聲壓對振動(dòng)膜起作用，這將迫使振動(dòng)膜朝向底 板，并可導(dǎo)致塌陷。從而在理論上，最大偏壓將是，Vcollapse減去 與話筒應(yīng)能檢測到的、因最大聲壓(或其他現(xiàn)象，例如，使話筒下降 所導(dǎo)致的加速度)導(dǎo)致振動(dòng)膜與底板之間距離最大變化相對應(yīng)的電 壓。該變化如變化曲線所示，該曲線示出對聲音(例如，可為120-130dB)所導(dǎo)致變化進(jìn)行模擬所需的電壓變化。從而，應(yīng)從Vcollapse減去該Vp-p的一半，優(yōu)選地，還減去余量 電壓Vmargin，以便確保在正?；蝾A(yù)期操作期間不會(huì)遇到塌陷。作為該分析的結(jié)果，可將Vbias確定為Vcollapse減去Vmargin 和Vp-p的一半。一旦以適當(dāng)代碼對OTP存儲(chǔ)器30編程，則優(yōu)選使檢測過程暫停 短暫時(shí)刻，以允許在對DC偏壓編程之后將話筒輸出信號設(shè)置到其正 確偏壓點(diǎn)。之后，測量MEMS電容式話筒靈敏度，基于所測靈敏度和預(yù)存 儲(chǔ)的參考靈敏度計(jì)算目標(biāo)及合適的預(yù)放大器增益。最后，根據(jù)目標(biāo)預(yù) 放大器增益，確定合適代碼，并將其編程到相應(yīng)OTP存儲(chǔ)器區(qū)。或 者，可執(zhí)行這樣的最后校準(zhǔn)進(jìn)程步驟，即，包括對MEMS電容式話 筒的靈敏度重新測量，以確認(rèn)實(shí)際測量值處在預(yù)期靈敏度范圍內(nèi)，該 預(yù)期靈敏度范圍可在標(biāo)稱靈敏度值附近具有+/-1或2dB的邊帶。非易失性存儲(chǔ)器30的編程可通過非常簡單的串行數(shù)據(jù)接口 32實(shí) 現(xiàn)，該接口可包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號或具有合成數(shù)據(jù)/時(shí)鐘信號(可在 話筒組件10的各個(gè)外部編程引腳上進(jìn)行訪問)的單個(gè)信號線。在集
成電路14內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)適于將輸入數(shù)據(jù)流解碼，并負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)器數(shù) 據(jù)寫入到OTP存儲(chǔ)器30。在數(shù)字話筒組件的情形中，可與諸如左/右信號或其他數(shù)字信號之 類已設(shè)置的數(shù)字輸入/輸出引腳共享外部編程引腳32。對于封裝在 SMD可拆卸封裝中的MEMS話筒10，附加外部編程引腳所需的外 部空間和焊料連接是次要事情。對于模擬話筒組件，通常需要對已存在的外部引腳添加外部編程 引腳32。然而，這樣的添加可在基本無需添加額外成本的條件下實(shí) 現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種MEMS話筒組件，包括話筒外殼，所述話筒組件包括-聲音入口；-MEMS換能器元件，具有底板和相對于所述底板可更換的振動(dòng)膜；-可控偏壓發(fā)生器，用于在所述振動(dòng)膜與所述底板之間提供DC偏壓；-存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)信息；-可控放大器，用于接收來自所述MEMS換能器元件的電信號，以及提供輸出信號，所述可控放大器用于根據(jù)放大器增益設(shè)置，將來自所述MEMS換能器的電信號放大；-處理器，用于從所述存儲(chǔ)器檢索信息，以及用于-根據(jù)來自所述存儲(chǔ)器的放大器增益設(shè)置信息，控制所述放大器的增益，和-根據(jù)來自所述存儲(chǔ)器的信息，控制所述偏壓發(fā)生器以提供DC偏壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的MEMS話筒組件，其中所述MEMS換能 器元件從所述底板到所述振動(dòng)膜具有l(wèi)-10pm，例如2-5^im的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的MEMS話筒組件，其中所述可控偏壓發(fā)生 器用于生成區(qū)間在5-20V的DC偏壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的MEMS話筒組件，其中所述存儲(chǔ)器包括類 型屬于由以下類型組成的組的存儲(chǔ)器電路RAM、 PROM、 EPROM、 EEPROM、閃存、 一次可編程存儲(chǔ) 器、以及存基于熔絲連接技術(shù)的存儲(chǔ)器。
5. —種對包括MEMS換能器元件的MEMS話筒組件進(jìn)行校準(zhǔn) 的方法，所述方法包括步驟-測量或估計(jì)所迷MEMS換能器元件的塌陷電壓，-基于所述測量或估計(jì)的塌陷電壓，確定所述MEMS換能器元 件的DC偏壓，以及-將關(guān)于所述確定的DC偏壓的信息寫入到所述話筒組件的存儲(chǔ)
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述測量/估計(jì)步驟包括步驟 -對所述MEMS換能器元件施加DC偏壓， -對所述MEMS換能器元件施加預(yù)定聲壓，-在施加DC偏壓和預(yù)定聲壓期間，測量所述MEMS換能器元 件的聲靈敏度，以及-基于所述測量的靈敏度和所述施加DC偏壓確定所述塌陷電
7. 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述測量/估計(jì)步驟包括步驟 -在監(jiān)測底板與振動(dòng)膜之間電容值的同時(shí)，增加在所述MEMS換能器元件的底板與振動(dòng)膜之間提供的DC電壓，直至在第一電壓處 檢測出所述電容值的預(yù)定增加，-基于所述第 一電壓估計(jì)所述塌陷電壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，還包括步驟-對所述MEMS換能器元件施加與所述確定DC偏壓相對應(yīng)的 DC電壓，-對所述MEMS換能器元件施加預(yù)定聲壓，-在放大器中，響應(yīng)于所述聲壓，將所述MEMS換能器元件的 信號輸出放大，并輸出放大后的信號，-基于所述放大后的信號和預(yù)定信號參數(shù)，確定放大器增益設(shè)置，以及-將關(guān)于所述確定的放大器增益設(shè)置的信息寫入到所述存儲(chǔ)器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括在執(zhí)行確定所述放大器增益設(shè)置的步驟之前，將所述MEMS換 能器元件與所述放大器在公共襯底載體上永久性電互連的步驟。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中對于包括多個(gè)MEMS話筒的 MEMS話筒晶片，執(zhí)行所述測量或估計(jì)MEMS換能器元件的塌陷電 壓的步驟。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中根據(jù)所述多個(gè)MEMS換能器 的MEMS換能器子集，對所述MEMS換能器元件的塌陷電壓進(jìn)行估 計(jì)。
12. —種對多個(gè)MEMS話筒組件進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述方法包括-自單批晶片或單個(gè)晶片提供多個(gè)MEMS換能器元件，—在每個(gè)話筒組件中提供MEMS換能器元件，-根據(jù)權(quán)利要求5的方法校準(zhǔn)所述多個(gè)MEMS話筒組件的子 集，并且由此導(dǎo)出DC偏壓信息，-至少將所述導(dǎo)出的DC偏壓信息寫入到所述多個(gè)MEMS話筒 組件的剩余話筒組件的對應(yīng)存儲(chǔ)器。
全文摘要
一種包括MEMS換能器以及可控偏壓發(fā)生器的MEMS話筒，所述MEMS換能器具有底板和振動(dòng)膜，所述可控偏壓發(fā)生器在底板與振動(dòng)膜之間提供DC偏壓。所述話筒還具有帶有增益可控的放大器和存儲(chǔ)用于確定由所述偏壓發(fā)生器提供的偏壓以及所述放大器增益的信息的存儲(chǔ)器。
文檔編號H04R29/00GK101155442SQ200710161208
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月26日
發(fā)明者卡斯坦·法萊森, 延斯·K.·波爾森, 拉斯·J.·斯坦博格, 約澤夫·J.·G.·博世 申請人:桑尼奧公司