一种自校准硅麦克风装置和校准方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅麦克风领域，具体而言，涉及一种自校准硅麦克风装置和校准方法。
技术介绍
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r>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US2013/0136267A1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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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，所述校准正弦信号
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

\t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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丽娜，杨少军，
申请(专利权)人：北京卓锐微技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11