換能器系統(tǒng)與方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明總地涉及電子系統(tǒng)和方法，并且，在特定的實施例中，涉及換能器的系統(tǒng)與方法。
【背景技術】
[0002]換能器將信號從一個域轉換至另一個域，并且經(jīng)常是感測器中的整體組件。包括日常能看見的換能器的一個通常感測器是麥克風，其將聲波轉換為電信號。
[0003]基于微機電系統(tǒng)(Microelectromechanical system, MEMS)的感測器包括使用微機械技術生產(chǎn)的多個換能器。MEMS (譬如MEMS麥克風)通過測量換能器中的物理狀態(tài)的變化來搜集來自環(huán)境的信息，并且將所環(huán)能的信號傳送至連接至該MEMS感測器的處理電路。MEMS設備可以使用類似于用于集成電路的組裝技術的微機械組裝技術來制造。
[0004]MEMS設備可以被設計用作例如振蕩器、諧振器、加速器、陀螺儀、壓強感測器、麥克風以及微反射鏡。很多MEMS設備使用電容感測技術以將物理現(xiàn)象轉換為電信號。在該些應用中，感測器中的電容的變化被通過接口電路轉換為電壓信號。
[0005]—個該類的電容感測設備是MEMS麥克風。MEMS麥克風通常具有可偏轉的薄膜，該薄膜與硬性背板之間以一小距離分開。響應于入射在該薄膜上的聲壓波，該薄膜向該背板偏轉或偏離，從而改變該薄膜與背板之間的間隔距離。通常地，該薄膜和背板由導電材料制造并且形成電容器的“板”。因此，由于將該薄膜與背板分離的距離響應于該入射的聲波而改變，產(chǎn)生了該“板”和電信號之間的電容變化。
[0006]對于電容的MEMS感測器，當存在很大的物理信號或沖擊時，該些可偏轉的板中的一個可能偏轉直到接觸鄰近的板。在該情況中，被施加至該板的電壓可以足夠大以導致該板保持與另一個接觸。該現(xiàn)象可以被稱為“吸入(pull-1n)”。在電容的MEMS感測器中，吸入可能影響感測器的性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]根據(jù)一實施例，換能器系統(tǒng)包括換能元件和對稱檢測電路。該換能元件包括信號板、第一感測板以及第二感測板。該對稱檢測電路被耦接至該換能元件的差分輸出，并被配置為基于該差分輸出中的不對稱來輸出誤差信號。
【附圖說明】
[0008]為了更全面地理解本發(fā)明以及本發(fā)明的優(yōu)點，請結合附圖參考下面的描述，其中:
[0009]圖1示出了換能器系統(tǒng)實施例的系統(tǒng)模塊圖；
[0010]圖2a和2b分別示出了依據(jù)第一和第二操作場景的換能器實施例的靈敏度的示意圖；
[0011]圖3示出了呈現(xiàn)吸入現(xiàn)象的雙背板換能器實施例的原理圖；
[0012]圖4示出了呈現(xiàn)吸入現(xiàn)象的雙背板換能器實施例在修復前的差分輸出波形；
[0013]圖5示出了在操作期間的雙背板換能器的波形圖；
[0014]圖6示出了 MEMS麥克風系統(tǒng)的實施例的原理圖；
[0015]圖7a、7b和7c示出了吸入檢測電路實施例的電路圖；
[0016]圖8a、8b和8c示出了吸入修復電路實施例的電路圖；
[0017]圖9示出了用于換能器系統(tǒng)的操作的實施例方法的模塊圖。
[0018]在不同圖中的一致的數(shù)字和符號通常指向一致的部件，除非另外指出。附圖被繪制以清楚地示出實施例的相關方面，并且不必按比例地繪制。
【具體實施方式】
[0019]多個實施例的制作和使用在下面被詳細地討論。然而，可以理解的是，這里所描述的不同實施例在各種語境下均可以應用。所描述的特定的實施例僅僅描述特定方式以制作和使用不同的實施例，并且不應被解釋有限的范圍。
[0020]在特定的語境中結合不同的實施例進行說明，命名為麥克風換能器，并且更特別的是MEMS麥克風。本文描述的一些不同的實施例包括例如MEMS換能器系統(tǒng)、MEMS麥克風系統(tǒng)、雙背板MEMS麥克風、換能器中的誤差檢測和修復，以及用于電容MEMS感測器的吸入檢測和修復。在其它實施例中，依據(jù)本領域的任何已知的方式，本發(fā)明還可以被用在其它采用任何類型的感測器或換能器的應用中。
[0021]在電容板換能器中，在由沖擊或大幅值信號引起的吸入后，如果電容換能器的一些板被大于拉出(pull-out)電壓的電壓偏置時，該些板可以保持與另一板接觸，其中，在吸入后，當處于該拉出電壓時該些板將自發(fā)地分離。依據(jù)不同的實施例，在雙感測板電容換能器(譬如，雙背板MEMS麥克風)中，每個板和對應的差分輸出的的靈敏度通過吸入來改變。因此，本文描述的實施例包括用于分析雙感測板電容換能器(譬如，雙背板MEMS麥克風)并且識別吸入情形的方法與電路。在不同的實施例中，修復電路控制受影響的板上的電荷，當吸入被通過吸入檢測電路而被檢測到時，使得該呈現(xiàn)吸入的板釋放并且使得該換能器被返回至未受影響的操作條件。在一些實施例中，雙背板MEMS麥克風以薄膜和兩個背板之間的、大于拉出電壓的電壓來操作。在該實施例中，雙背板MEMS麥克風被以更高的偏置電壓偏置，實現(xiàn)了提升的靈敏度，并且在吸入時被該修復電路所修復。
[0022]圖1示出了換能器系統(tǒng)實施例的系統(tǒng)模塊圖，該換能器系統(tǒng)100包括雙背板MEMS麥克風102、放大器104、吸入檢測電路106、修復電路108和偏置電路110。依據(jù)不同的實施例，MEMS麥克風102接收來自檢測環(huán)境中聲信號A_in，譬如通過連接至外部環(huán)境的聲音端口，并且將轉換該聲信號轉換以提供差分電信號至放大器104，該放大器輸出放大的差分輸出信號E_out。
[0023]在不同的實施例中，吸入檢測電路106在換能器系統(tǒng)100的操作中監(jiān)測差分輸出信號E_out，并且當吸入被檢測到時提供釋放使能信號R_en至修復電路108。在一些實施例中，吸入檢測電路106可以監(jiān)測放大器104的輸入而不是差分輸出信號E_out，或是除了差分輸出信號E_out以外還監(jiān)測放大器104的輸入。不同特定的實施例的吸入檢測電路和修復電路在下面做進一步描述。修復電路108觸發(fā)釋放或修復序列，該序列可以提供隔離修復信號R_dis至MEMS麥克風102以斷開麥克風板或可以提供偏置修復信號R_bias至偏置電路110以改變施加至MEMS麥克風102的至少一個板的偏置電壓。在不同的實施例中，被施加至MEMS麥克風102的偏置電壓V_bias在正常操作期間大于拉出電壓VP_out并且在釋放或修復序列期間低于拉出電壓VP_out。
[0024]在不同的實施例中，其它類型的差分電容板換能器或感測器可以被用來替換MEMS麥克風102，因為雙背板MEMS麥克風僅僅是一個示例性的實施例。例如，如本文所述的，一些實施例可以包括具有吸入檢測電路106和修復電路108的雙板加速器。在另一個實施例中，本文處所述的，差分輸出電容壓強感測器可以包括吸入檢測電路106和修復電路108。
[0025]圖2a和2b分別示出了依據(jù)第一和第二操作場景的換能器實施例的靈敏度圖示。該圖描述了如在縱軸上所顯示的換能器的靈敏度，其與如在橫軸上所顯示的施加至換能器板的換能器電壓V_mic相對。所顯示的電壓包括吸入電壓VP_in和拉出電壓VP_out。依據(jù)不同的實施例，圖2a示出了用于識別第一操作點0P1的第一描述場景，由于其由偏置電壓V_bias設置，第一操作點0P1被設置為低于拉出電壓VP_out。
[0026]圖2a和2b中所示出的靈敏度圖示被生成以特性化關于吸入和拉出行為的換能器行為。為了執(zhí)行該特性化，小的聲信號被施加至聲換能器，該聲換能器導致在背板和薄膜之間的總位移距離中的小的變化。該小的變化遠小于該總位移距離。該換能器電壓V_mic是變化的并且對于每個電壓該靈敏度被測量。基于圖2示出的第一特性化所該生成的圖示，第一操作點0P1被確定。第一操作點0P1可以確保該薄膜將不會隨著聲沖擊事件而附著于背板。如果偏置電壓V_bias被設置為在第一操作點0P1(低于拉出電壓VP_out)操作該換能器，雖然很大的聲信號可能使得薄膜和背板相接觸，一旦該很大的聲信號消失了，該薄膜返回至其原始位置。
[0027]在不同的實施例中，如圖2a和2b所示，靈敏度與施加至該換能器上的電壓成比例地增加，直到當換能器的板互相接觸時的吸入產(chǎn)生。當吸入產(chǎn)生，該板附著在一起并且由于該換能器無法再自由地移動，換能器的靈敏度實質上地減少了。另外，由于較小的分離距離產(chǎn)生更大的電容，因此，相較于其他沒有與該薄膜接觸的背板，與該薄膜接觸的背板將產(chǎn)生更大的信號。如圖2a所示，由于偏置電壓V_bias被設置為低于拉出電壓VP_out，該附著板分離并且該操作返回在一個沖擊后返回至第一操作點0P1。在該實施例中，該換能器在吸入發(fā)生前后均是在第一操作點0P1處操作的，因此，換能器的靈敏度在吸入發(fā)生前后是相同的。
[0028]圖2b不出了包括由大于拉出電壓VP_out的偏置電壓V_bias所設置的第二和第三操作點0P2和0P3的第二特征場景。如果換能器通過被以較大的電壓(即，偏置電壓V_bias大于拉出電壓)偏置而工作在第二操作點0P2，該薄膜可以在聲沖擊事件之后保持與背板接觸。如圖示，在該情形下，該操作點自第二操作點0P2移動至第三操作點0P3，這導致了減少的靈敏度。如前述，在該沖擊或大幅值信號后，施加至換能器板的電壓返回至偏置電壓V_bias。由于偏置電壓V_bias被設置為大于拉出電壓VP_out，該附著的板并不分離并且該操作在施加至換能器的板的電壓返回至偏置電壓V_bias后移動至第三操作點0P3。因此，該換能器在第二操作點0P2處的靈敏度(在吸入發(fā)生前)大于換能器在第三操作點處的靈敏度(在吸入產(chǎn)生后)，因為該換能器被偏置為大于拉出電壓VP_out并且附著的板保持接觸。通常地，該第一操作點0P1被選擇為具有安全邊限，從而該偏置電壓V_bias略低于拉出電壓VP_out，從而避免在第三操作點0P3處操作。在不