專利名稱：駐極體傳聲器的濾波器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及偵聽(tīng)裝置領(lǐng)域，尤其涉及可與偵聽(tīng)裝置的駐極體傳聲器一起使用的濾 波器電路。背景助聽(tīng)儀(HI)裝置中使用的微型駐極體傳聲器通常包含電子濾波器以取得HI系統(tǒng) 改善的性能。低通濾波器(LPF)能用來(lái)解決HI對(duì)容易使輸入緩沖器飽和的例如風(fēng)和公路 噪聲等高振幅、低頻率干擾的敏感度。高通濾波器(HPF)能用來(lái)排斥較高頻率的干擾，例如 來(lái)自信號(hào)處理器件的超聲波干擾和切換噪聲。替代地，HI裝置的傳聲器可包含機(jī)械濾波器，例如裝置音頻端口內(nèi)提供濾波效果 的濾網(wǎng)或其它結(jié)構(gòu)。一般位于HI裝置的傳聲器輸入端口的物理濾網(wǎng)可用來(lái)對(duì)傳聲器的固 有諧振實(shí)現(xiàn)聲學(xué)衰減。用電子濾波器取代機(jī)械網(wǎng)濾器，通過(guò)減小機(jī)械濾波器所固有的噪聲而提供某些性 能優(yōu)勢(shì)。另外，電子濾波器還允許將濾波器組件集成在助聽(tīng)儀的其它電子器件中。在HI集成電路上集成濾波器器件而不是在電路組件上使用分立器件，對(duì)工藝性、 可靠性和成本來(lái)說(shuō)都是很理想的。在這些器件的體積減小(主要針對(duì)外部片狀電容器)和 集成這些器件所需的面積之間存在折衷。對(duì)于覆蓋面積非常小的傳聲器，使傳聲器內(nèi)部電 路的體積最小化和減小對(duì)輸入造成負(fù)載的寄生電容是重要的。減小輸入的寄生電容負(fù)載也 是最小化傳聲器的靈敏度損失所必需的。為了減小因傳聲器寄生電容引起的靈敏性損失，浮空襯底以這樣一種方法被驅(qū) 動(dòng)，即隔絕在帶電的背極板(緩沖電路的輸入)和芯片襯底中存在的寄生電容。這一配置 示出于共同享有的美國(guó)專利5，466，413，該文獻(xiàn)清楚地援引包含于此。一般來(lái)說(shuō)，芯片的襯 底被接地，而寄生電容在對(duì)地輸入上表現(xiàn)為容性負(fù)載減小電路增益和總傳聲器靈敏度。由 于芯片非?？拷鼈髀暺鞯谋硺O板且驅(qū)動(dòng)緩沖輸入的原動(dòng)電容很小(因?yàn)閭髀暺鞣庋b和制 造公差很小)，這種寄生電容可明顯地降低覆蓋面積非常小的傳聲器的傳聲器靈敏度。原動(dòng) 電容在皮法數(shù)量級(jí)，因此上百飛法數(shù)量級(jí)的寄生電容可能將靈敏度減小一個(gè)分貝(dB)。浮空襯底并用輸入信號(hào)的經(jīng)緩沖復(fù)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)它可能用來(lái)隔絕寄生電容以減小 信號(hào)損失。這種方法的缺陷是由于保護(hù)信號(hào)對(duì)輸入的反饋而增加電路噪聲。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào) 了即使在被隔絕時(shí)也要最小化寄生電容的必要性。這種寄生電容最小化的一種方法是增大 傳聲器的背極板和電路組件之間的間隙。這在微型傳聲器中不容易實(shí)現(xiàn)。另一種方法是減 小集成電路芯片的面積。可使用隔膜電容器或利用p-n結(jié)的耗盡區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)集成濾波電容器。使單位面積電 容最大化幫助設(shè)計(jì)者最小化芯片的面積。集成電路的結(jié)電容已在現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用于接地襯 底設(shè)計(jì)。然而，由于在正常場(chǎng)合或大覆蓋面積微型駐極體傳聲器中使用浮柵襯底結(jié)構(gòu)很少 受益，因此它們尚未在這類場(chǎng)合下使用。附圖簡(jiǎn)述為了更完整理解本公開(kāi)，應(yīng)當(dāng)參照下面的詳細(xì)說(shuō)明和附圖。
3


圖1是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例采用的傳聲器換能器的圖示。圖2是在圖1所示傳聲器電路中納入一個(gè)或多個(gè)濾波器的電路圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的納入一個(gè)或多個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)的硅芯片的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的納入一個(gè)或多個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)的硅芯片的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的納入一個(gè)或多個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)的硅芯片的示意圖。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將會(huì)理解，圖中的要素為簡(jiǎn)單和清晰而示出。還要理解，某些動(dòng) 作和/或步驟可以特定發(fā)生順序說(shuō)明和描述，然而本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將能理解這種針對(duì)順 序的說(shuō)明不是實(shí)際需要的。還應(yīng)理解，本文中采用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)具有與其相應(yīng)學(xué)術(shù)和研究 領(lǐng)域?qū)?yīng)的普通含義，特殊含義在本文中予以描述。詳細(xì)說(shuō)明盡管本發(fā)明可以有各種修改和替代形式，然而在附圖和實(shí)施例中以示例方式給出 的某些實(shí)施例將在本文中詳細(xì)地說(shuō)明。然而應(yīng)當(dāng)理解，這種公布不旨在將本發(fā)明限制于所 描述的具體形式，相反，本發(fā)明旨在覆蓋落在由所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明精神和范圍 內(nèi)的全部修正、替代和等效物。可用于任何數(shù)量將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成這些信號(hào)的電子形式的裝置的微型駐極體傳 聲器可包括作為關(guān)聯(lián)緩沖電路一部分的電子濾波。微型駐極體傳聲器可包含在例如助聽(tīng)器 的助聽(tīng)儀器中，并且濾波/緩沖電路可包含在與助聽(tīng)儀器關(guān)聯(lián)的集成電路芯片中。當(dāng)然，對(duì) 微型駐極體傳聲器的應(yīng)用不存在限制，它們可用于通信裝置、計(jì)算裝置或需要將聲音信號(hào) 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的幾乎任何應(yīng)用場(chǎng)合。 微型駐極體傳聲器的緩沖電路可包括一級(jí)或多級(jí)濾波，例如緩沖電路可包含限定 通頻帶的低通濾波器(LPF)和高通濾波器(HPF)。LPF可配置成排斥容易使緩沖電路飽和 的諸如風(fēng)和公路噪聲等高振幅、低頻率干擾。HPF可配置成排斥諸如來(lái)自信號(hào)處理器件的超 聲干擾和切換噪聲等高頻干擾。較為有利地，HPF可取代設(shè)置在傳聲器進(jìn)口的傳統(tǒng)使用的 物理/聲音網(wǎng)濾器。這種HPF的使用可進(jìn)一步減少或消除輸入網(wǎng)阻噪聲，這提供系統(tǒng)噪聲 的總量減小并減小了制造難度。圖1示出的微型駐極體傳聲器100包含傳聲器殼102和將殼102外部耦合于內(nèi)部 106的進(jìn)口 104。內(nèi)部106由背極板108和隔膜110組件分割成前容積112和后容積114。 如此，傳聲器100是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡管應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明可應(yīng)用于替代性結(jié)構(gòu)。如公知那樣，背 極板108和隔膜110組件形成電容器，其值響應(yīng)隔膜110與背極板108的相對(duì)位置的改變 而改變，而隔膜110與背極板108的相對(duì)位置變化則響應(yīng)于隔膜110上的聲壓。微型駐極體傳聲器100還包括電路組件116，例如印刷電路板或其上設(shè)置或可工 作地耦合有一個(gè)或多個(gè)電路器件的適當(dāng)結(jié)構(gòu)。一種這樣的器件，集成電路118表示為可操 作地耦合于電路組件116。該電路組件116適于通過(guò)例如絲焊120耦合于背極板108，盡管 可使用將背極板108耦合于電路組件116的其它結(jié)構(gòu)。由于背極板108的帶電特性，可能 在背極板108和電路組件116之間建立雜散或寄生電容122。集成電路118除與傳聲器100關(guān)聯(lián)的其它信號(hào)處理電路外還可包括緩沖電路200。 在圖2所示實(shí)施例中，緩沖電路200包括第一緩沖級(jí)202、第二緩沖級(jí)204、包含耦合在輸入 212和輸出214之間的低通濾波器(LPF) 208和高通濾波器(HPF)210的濾波器206。緩沖電 路200還耦合于電源216和地面或基準(zhǔn)面219。第一緩沖級(jí)202可包括第一和第二輸入晶體管220和222、第一和第二輸入二極管224、226和電阻器250，并具有輸出MNOUTl。第一 輸入晶體管220可以是耗盡型NMOS晶體管通過(guò)端子VIN耦合于傳聲器100的背極板108。 輸入212進(jìn)一步通過(guò)反并聯(lián)二極管224、226偏置向地面219。第二緩沖級(jí)204可包括第一 和第二輸出晶體管230、232和電阻器234并具有輸出MN0UT2。第一緩沖級(jí)202和第二緩沖 級(jí)204可由例如帶通濾波器的濾波器206分隔。如圖2所示，濾波器206包括形成通頻帶的LPF 208和HPF 210。LPF 208可位于 第一緩沖級(jí)202或第二緩沖級(jí)204中任何一個(gè)的輸出端。如果電容器是集成的，則將LPF 208設(shè)置在第一緩沖級(jí)202的輸出端是有利的。這是因?yàn)橥ǔＯＭ麄髀暺骶彌_器具有低輸 出阻抗，并且LPF 208的有用轉(zhuǎn)角頻率決定著相對(duì)大電容的使用。設(shè)定HPF 210的轉(zhuǎn)角頻 率也決定著使用相對(duì)大的電容，例如幾百皮法數(shù)量級(jí)的電容。輸入二極管226和220形成 換能器的原動(dòng)電容連接于VIN(未示出)的HPF。二極管直流偏置于地面并具有大約IOT歐 姆的電阻。這是傳聲器緩沖器的正常偏置方案。MNOUTl的偏置電流由第二輸入晶體管222和電阻器250形成的恒流源設(shè)定，該晶 體管222可以是耗盡型NMOS晶體管。第一級(jí)緩沖器的輸出阻抗和電阻器240形成低通濾 波器208的R。C由結(jié)電容242形成。第二緩沖級(jí)204由HPF結(jié)電容246驅(qū)動(dòng)并通過(guò)HPF電阻器244向地面直流偏壓。 HPF電容器246由在VFILTER偏置的襯底一η型隔離層的結(jié)電容形成。襯底連接于第二緩沖 級(jí)204的輸入端并因此向地面直流偏置并在LPF 208輸出端用輸入信號(hào)的緩沖形式驅(qū)動(dòng)。 這是防止來(lái)自連接于VIN和襯底的換能器100的輸出的寄生電容252的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，由 于這允許襯底_隔離結(jié)二極管作為HPF電容器246的一部分。這有助于增加芯片面積利用 率，當(dāng)采用浮空襯底設(shè)計(jì)時(shí)，這樣做有助于最小化寄生反饋電容并因此最小化電子噪聲。較為有利地，濾波器電容可使用許多半導(dǎo)體制造工藝中可用的隔離區(qū)形成的結(jié)型 二極管的電容提供，包括例如多數(shù)模擬雙CMOS工藝可形成這些濾波器電容器中的一個(gè)或 多個(gè)。這些結(jié)型二極管存在于襯底和多個(gè)隔離區(qū)之間。該結(jié)電容器可層疊有線性電容器或 其它電路以使每單位面積的電容最大。在微型駐極體傳聲器100的電阻緩沖電路200中可 將這類結(jié)電容用于浮空襯底設(shè)計(jì)以形成電子濾波器(例如LPF 208和HPF 210)，從而使芯 片覆蓋面積顯著減小。浮空襯底設(shè)計(jì)中結(jié)電容的使用有助于最小化將濾波功能加至集成電路芯片118 時(shí)的芯片面積影響。LPF 208的典型值將轉(zhuǎn)角頻率設(shè)置在12KHz，這與例如傳聲器100的微 型駐極體換能器的典型聲學(xué)諧振頻率對(duì)應(yīng)。由于LPF電阻器240 (包括緩沖器202的輸出 電阻)處于緩沖輸出的信號(hào)路徑上，因此電阻器240 (以及緩沖器202的輸出電阻)應(yīng)當(dāng)最 小化以減小熱噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲的作用。這使較大值電容器242在幾百皮法數(shù)量級(jí)以保持低 的電子噪聲。由于HPF 210可從低值電阻器244(大約5-10M歐姆)獲得良好噪聲特性的 益處，80-100HZ的HPF轉(zhuǎn)角頻率要求HPF電阻器246也需要幾百皮法。在一些應(yīng)用中，例如在微型駐極體傳聲器100中，其中通過(guò)使襯底浮空和最小化 芯片面積而減小經(jīng)過(guò)耦合電容至芯片背部的信號(hào)損失而實(shí)現(xiàn)靈敏度提高，對(duì)濾波器使用結(jié) 電容是有利的。由于緩沖電路200中內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的峰間信號(hào)振幅很小，因此多數(shù)HI應(yīng)用可忍 受這些結(jié)電容的非線性特征。由于緩沖電路200是阻抗緩沖器，因此結(jié)電容可通過(guò)與輸入 信號(hào)同相的信號(hào)偏置，這進(jìn)一步減小了正向偏置集中在濾波器208或210中的任意結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。隨信號(hào)偏壓的變化也可使角頻率偏移。這也能在多數(shù)HI應(yīng)用得到容忍，或在其它應(yīng)用 中得到補(bǔ)償。在傳聲器100的接地襯底設(shè)計(jì)中利用的結(jié)電容不會(huì)給予最小化信號(hào)損失的同樣 優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)榫彌_器-襯底(地面)的輸入上的負(fù)載效果。這種情況下，通過(guò)在接地襯 底中使用結(jié)型二極管而增加芯片面積利用率的優(yōu)點(diǎn)無(wú)法解決容性負(fù)載招致的增益下降。由于電容器的面積將增加芯片面積并增加從輸入至襯底的寄生電容，因此在浮空 襯底設(shè)計(jì)中使用線性電容器也不會(huì)象使用結(jié)電容那么有利。由于無(wú)法使反饋電容減至最 小，這不會(huì)是減小電路噪聲的優(yōu)選方案。浮空襯底設(shè)計(jì)中芯片面積更為有效和較佳的使用應(yīng)使電容器位于隔離區(qū)內(nèi)，該隔 離區(qū)也用作增大該面積利用率的結(jié)電容。要注意，LPF 208和HPF 210也能由并聯(lián)于結(jié)電容布線并包含在與結(jié)電容處于同 一隔離區(qū)內(nèi)以增加每單位面積結(jié)構(gòu)的電容的線性電容器構(gòu)成。圖3示出LPF電容器242的橫截面的示圖。第一級(jí)的輸出阻抗和電阻器240的串 連組合驅(qū)動(dòng)LPF電容器242的陰極，它是圖3所示線性分層電容器312的η型隔離區(qū)306。 該線性電容器312坐落在ρ型阱區(qū)302，其與η型隔離層306的結(jié)電容可充當(dāng)LPF 208或 HPF 210電容器的一部分，這取決于其是否向地面或第二級(jí)的輸入偏置。圖3示出在ρ型襯 底310上生長(zhǎng)ρ型外延層308的雙CMOS工藝。類似結(jié)構(gòu)可用于如圖4所示的η型外延工 藝，其中以4開(kāi)頭的相同附圖標(biāo)記來(lái)表示相似要素。圖3和圖4分別示出層疊的聚電容器 312、412。對(duì)于圖4的結(jié)構(gòu)，聚合-分散電容器是通過(guò)ρ型注入414而不是如圖3所示的η 型注入314制成的。在這種情形下，可通過(guò)如圖5所示添加額外的隔離結(jié)而獲得更大的每 單位面積電容，在圖5中，將ρ型隔離層516添加在η型埋入層506的頂部。要理解，對(duì)上述方法的多種變化是可行的。上述方法的變化例如包括以不同順序 執(zhí)行上述步驟。此外，可將一個(gè)以上的聯(lián)系組件安裝在換能器中。在另一例子中，聯(lián)系組件 可形成為驅(qū)動(dòng)組件的其它器件的一部分。在又一例子中，驅(qū)動(dòng)組件的其它器件可以同樣方 式形成。本文中參引的所有參考文獻(xiàn)——包括公報(bào)、專利申請(qǐng)和專利——援引包含于此， 就象每篇參考文獻(xiàn)單獨(dú)和專門地表示作為參考納入于此并在本文中完全地闡述那樣。本發(fā)明的較佳實(shí)施例描述于此，包括實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明人已知的最佳方式。應(yīng)當(dāng) 理解，所述實(shí)施例僅為示例性的并且不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。
權(quán)利要求
一種用于換能器的緩沖電路，包括含浮空襯底和p n結(jié)的集成電路；以及形成在所述集成電路內(nèi)的濾波器電路，所述濾波器電路包括由所述p n結(jié)形成的電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的緩沖電路，其特征在于，所述濾波器電路包括第一濾波器和第 二濾波器，所述P-n結(jié)包括第一 p-n結(jié)和第二 p-n結(jié)，其中所述第一 p_n結(jié)形成所述第一濾 波器的第一電容器而所述第二 P-n結(jié)形成所述第二濾波器的第二電容器。
3.如權(quán)利要求1所述的緩沖電路，其特征在于，包括耦合于所述換能器的輸出的第一 緩沖級(jí)和提供緩沖電路輸出的第二緩沖級(jí)，所述濾波器電路設(shè)置在所述第一緩沖級(jí)和所述 第二緩沖級(jí)之間。
4.如權(quán)利要求1所述的緩沖電路，其特征在于，所述p-n結(jié)形成在所述集成電路的隔離 區(qū)內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的緩沖電路，其特征在于，包括耦合于所述P-n結(jié)的線性電容器。
6.如權(quán)利要求1所述的緩沖電路，其特征在于，所述電容器是非線性的。
7.如權(quán)利要求1所述的緩沖電路，其特征在于，所述p-n結(jié)與所述換能器的輸出信號(hào)同 相地偏置。
8.—種微型駐極體傳聲器，包括用于所述傳聲器的含聲音進(jìn)口的殼；設(shè)置在所述殼內(nèi)的背板/隔膜組合件，所述組合件具有響應(yīng)于入射到所述隔膜上的聲 壓的輸出；設(shè)置在所述殼內(nèi)的耦合于所述輸出的包含浮空接地襯底和P-n結(jié)的集成電路；以及形成在所述集成電路內(nèi)的濾波器電路，所述濾波器電路包括由所述P-n結(jié)形成的電容ο
全文摘要
一種微型駐極體傳聲器包括輸入緩沖電路。該輸入緩沖電路包括含浮空接地襯底和p-n結(jié)的集成電路。該p-n結(jié)作為電容器耦合于輸入緩沖電路的濾波器電路。
文檔編號(hào)H04R19/01GK101919271SQ200880121192
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者M·詹寧斯 申請(qǐng)人:諾爾斯電子有限公司