本申請(qǐng)要求在2014年5月1日提交的并且題為“FREQUENCY MODULATED MICROPHONE SYSTEM”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.61/987,198的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用并入該臨時(shí)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容。

背景技術(shù)：

本發(fā)明的實(shí)施例涉及使用頻率調(diào)制的麥克風(fēng)感測(cè)音頻的系統(tǒng)和方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)的音頻感測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一些實(shí)施方式中，除其他事物之外，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例還提供一種麥克風(fēng)系統(tǒng)。麥克風(fēng)系統(tǒng)包括MEMS麥克風(fēng)、鎖相環(huán)和控制器。MEMS麥克風(fēng)包括可動(dòng)電極和固定電極?？蓜?dòng)電極具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)?？蓜?dòng)電極被配置成使得作用在可動(dòng)電極的第一側(cè)和第二側(cè)上的聲學(xué)壓力引起可動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)。固定電極被定位在可動(dòng)電極的第一側(cè)上。鎖相環(huán)包括壓控振蕩器和相位檢測(cè)器。壓控振蕩器耦合到MEMS麥克風(fēng)。壓控振蕩器接收控制信號(hào)。壓控振蕩器基于控制信號(hào)和可動(dòng)電極與固定電極之間的電容來(lái)生成振蕩信號(hào)。相位檢測(cè)器耦合到壓控振蕩器。相位檢測(cè)器接收振蕩信號(hào)和參考信號(hào)。相位檢測(cè)器檢測(cè)振蕩信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差。相位檢測(cè)器還基于相位差來(lái)生成控制信號(hào)?？刂破黢詈系芥i相環(huán)?？刂破鞅慌渲贸山邮湛刂菩盘?hào)，并基于控制信號(hào)來(lái)確定音頻信號(hào)。

在其他實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了利用MEMS麥克風(fēng)感測(cè)音頻的方法。MEMS麥克風(fēng)包括可動(dòng)電極和固定電極?？蓜?dòng)電極具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)。可動(dòng)電極被配置成使得作用在可動(dòng)電極的第一側(cè)和第二側(cè)上的聲學(xué)壓力引起可動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)。固定電極被定位在可動(dòng)電極的第一側(cè)。該方法包括利用壓控振蕩器接收控制信號(hào)。該方法還包括利用壓控振蕩器基于控制信號(hào)和可動(dòng)電極與固定電極之間的電容來(lái)生成振蕩信號(hào)。該方法還包括利用相位檢測(cè)器接收振蕩信號(hào)和參考信號(hào)。該方法還包括利用相位檢測(cè)器檢測(cè)振蕩信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差。該方法還包括利用相位檢測(cè)器基于相位差來(lái)生成控制信號(hào)。該方法還包括利用控制器接收控制信號(hào)。該方法還包括利用控制器基于控制信號(hào)來(lái)確定音頻信號(hào)。

本發(fā)明的其他方面將通過(guò)考慮詳細(xì)描述和附圖變得清楚。

附圖說(shuō)明

圖1是MEMS麥克風(fēng)的橫截面?zhèn)纫晥D。

圖2是鎖相環(huán)的框圖。

圖3是在圖2的鎖相環(huán)中的相位檢測(cè)器的框圖。

圖4是環(huán)形振蕩器的框圖。

圖5是在圖4的環(huán)形振蕩器中的CMOS反相器的框圖。

圖6是麥克風(fēng)系統(tǒng)的框圖。

圖7是圖1的MEMS麥克風(fēng)和圖5的CMOS反相器的框圖。

圖8是圖1的MEMS麥克風(fēng)和圖5的CMOS反相器的框圖。

具體實(shí)施方式

在詳細(xì)解釋本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不在其應(yīng)用中被限制到在以下描述中闡述或在附圖中所圖示的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠有其他實(shí)施例并且以各種方式被實(shí)踐或?qū)嵭小?/p>

而且，要理解，這里使用的措辭和術(shù)語(yǔ)是為了描述的目的，且不應(yīng)被視為限制。在此使用“包括”、“包含”或“具有”及其變體意指涵蓋其后列出的項(xiàng)目及其等效物以及附加項(xiàng)目。術(shù)語(yǔ)“安裝的”、“連接的”和“耦合的”被寬泛地使用并且涵蓋直接和間接的安裝、連接和耦合。此外，“連接的”和“耦合的”不局限于物理或機(jī)械連接或耦合，且可包括電連接或耦合，無(wú)論是直接還是間接的。而且，電子通信和通知可以使用其他已知的手段（包括直接連接、無(wú)線連接等）進(jìn)行執(zhí)行。

還應(yīng)當(dāng)指出的是，多個(gè)基于硬件和軟件的設(shè)備以及多個(gè)不同的結(jié)構(gòu)部件可被利用于實(shí)施本發(fā)明。此外，并且如在隨后的段落中所描述，在各圖中圖示的具體的配置旨在舉例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。替代配置是可能的。

在一些實(shí)施方式中，除其他部件外，MEMS麥克風(fēng)100還包括：具有第一側(cè)107和第二側(cè)108的可動(dòng)電極105（例如，膜）、固定電極110，和阻擋物115，如圖中1所圖示的。固定電極110被定位在可動(dòng)電極105的第一側(cè)107上。阻擋物115隔離MEMS麥克風(fēng)100的第一側(cè)120和第二側(cè)125。

在一些實(shí)施方式中，可動(dòng)電極105被保持在參考電壓處，并且偏置電壓被施加到固定電極110，以生成可動(dòng)電極105和固定電極110之間的電感應(yīng)場(chǎng)130。電感應(yīng)場(chǎng)130在圖1中圖示為多個(gè)垂直破折號(hào)。在其他實(shí)施方式中，固定電極110被保持在參考電壓處，并且偏置電壓被施加到可動(dòng)電極105以生成電感應(yīng)場(chǎng)130。在一些實(shí)施方式中，參考電壓是接地參考電壓（即，約0伏特）。在其他實(shí)施方式中，參考電壓為非零電壓。

作用在可動(dòng)電極105的第一側(cè)107和第二側(cè)108上的聲學(xué)和環(huán)境壓力引起可動(dòng)電極105在箭頭135和140方向上的偏轉(zhuǎn)?？蓜?dòng)電極105的偏轉(zhuǎn)對(duì)在可動(dòng)電極105和固定電極110之間的電感應(yīng)場(chǎng)130進(jìn)行調(diào)制?？蓜?dòng)電極105和固定電極110之間的電容基于電感應(yīng)場(chǎng)130變化。

鎖相環(huán)200是生成其相位與輸入信號(hào)的相位相關(guān)的輸出信號(hào)的控制系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，除了其他部件之外，鎖相環(huán)200還包括壓控振蕩器205、參考時(shí)鐘210和相位檢測(cè)器215，如圖2中所圖示的。

壓控振蕩器205接收控制信號(hào)并基于該控制信號(hào)生成振蕩信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，控制信號(hào)是電壓信號(hào)。振蕩信號(hào)是在兩個(gè)不同的電壓電平之間振蕩的電壓信號(hào)。振蕩信號(hào)的頻率與控制信號(hào)部分地互相關(guān)。在一些實(shí)施方式中，除其他部件之外，壓控振蕩器205還包括電子振蕩器。

參考時(shí)鐘210生成參考信號(hào)。參考信號(hào)是在兩個(gè)不同的電壓電平之間交替（即，振蕩）的電壓信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，參考信號(hào)的頻率基本上是恒定的。在一些實(shí)施方式中，除其他部件之外，參考時(shí)鐘210還包括電子振蕩器。

相位檢測(cè)器215接收振蕩信號(hào)和參考信號(hào)，并生成控制信號(hào)。相位檢測(cè)器215基于振蕩信號(hào)和參考信號(hào)的比較來(lái)生成控制信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，相位檢測(cè)器215通過(guò)比較振蕩信號(hào)的相位與參考信號(hào)的相位來(lái)生成控制信號(hào)。振蕩信號(hào)的相位與振蕩信號(hào)的頻率互相關(guān)。同樣地，參考信號(hào)的相位與參考信號(hào)的頻率互相關(guān)。相位檢測(cè)器215調(diào)整控制信號(hào)以將振蕩信號(hào)的相位與參考信號(hào)的相位同步對(duì)齊。當(dāng)相位匹配時(shí)控制信號(hào)基本上是恒定的。該控制信號(hào)基于振蕩信號(hào)的相位是否超前或滯后于參考信號(hào)的相位而上下偏移。在一些實(shí)施方式中，參考信號(hào)的頻率基本上是恒定的，并且控制信號(hào)與振蕩信號(hào)的頻率直接互相關(guān)。

在一些實(shí)施方式中，除其他部件之外，相位檢測(cè)器215還包括相位頻率檢測(cè)器300、電荷泵305以及低通濾波器310，如圖3中所圖示的。相位頻率檢測(cè)器300接收振蕩信號(hào)和參考信號(hào)。相位頻率檢測(cè)器300將振蕩信號(hào)的相位與參考信號(hào)的相位進(jìn)行比較。相位頻率檢測(cè)器300基于振蕩信號(hào)的相位是滯后還是超前于參考信號(hào)的相位（即，相位差）來(lái)生成上信號(hào)和下信號(hào)（例如，高和低電壓信號(hào)）。電荷泵305將上信號(hào)和下信號(hào)轉(zhuǎn)換為單個(gè)未濾波信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，除其他部件之外，電荷泵305還包括DC至DC轉(zhuǎn)換器，所述DC至DC轉(zhuǎn)換器使用電容器作為能量存儲(chǔ)元件來(lái)創(chuàng)建較高或較低電壓源。低通濾波器310將未濾波信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)。

在一些實(shí)施方式中，除其他部件之外，壓控振蕩器205還包括環(huán)形振蕩器400。除其他部件之外，環(huán)形振蕩器400還包括多個(gè)反相器405A-405C和偏置電路410，如圖4中所圖示的。多個(gè)反相器405A-405C被配置在串聯(lián)電路配置中。偏置電路410接收控制信號(hào)，并生成基于控制信號(hào)的偏置信號(hào)。偏置電路410提供偏置電壓到多個(gè)反相器405A-405C中的每個(gè)。在多個(gè)反相器405A-405C中的每一個(gè)反相器耦合到參考節(jié)點(diǎn)415（例如，接地）。

為了使振蕩信號(hào)振蕩，環(huán)形振蕩器400需要奇數(shù)個(gè)反相器。例如，圖4中所圖示的環(huán)形振蕩器400包括三個(gè)反相器。每個(gè)反相器向反相器的鏈貢獻(xiàn)一定量的傳播延遲量。傳播延遲是響應(yīng)于系統(tǒng)的輸入中的改變而改變系統(tǒng)的輸出所需的時(shí)間長(zhǎng)度。振蕩信號(hào)的頻率與多個(gè)反相器405A-405C中的每個(gè)的傳播延遲的總和部分互相關(guān)。表＃1圖示了由多個(gè)不同反相器傳播延遲引起的環(huán)形振蕩器400的示例性傳播延遲。在表＃1中的傳播延遲的值以微秒（μS）計(jì)。

振蕩信號(hào)的頻率被控制信號(hào)和環(huán)形振蕩器400的傳播延遲影響。多個(gè)反相器405A-405C中的每個(gè)包括電容性元件（例如，負(fù)載電容器），其具有影響其傳播延遲的負(fù)載電容。改變?cè)诃h(huán)形振蕩器400中的多個(gè)反相器405A-405C中的至少一個(gè)的負(fù)載電容改變振蕩信號(hào)的頻率。

在一些實(shí)施方式中，多個(gè)反相器405A-405C中的每個(gè)是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）反相器500。除其他部件之外，CMOS反相器500還包括： P型金屬氧化物半導(dǎo)體（PMOS）晶體管505、N型金屬氧化物半導(dǎo)體（NMOS）晶體管510、負(fù)載電容器515、輸入節(jié)點(diǎn)520、輸出節(jié)點(diǎn)525、高電壓節(jié)點(diǎn)530以及低電壓節(jié)點(diǎn)535，如圖5中所圖示的。PMOS晶體管505包括柵極節(jié)點(diǎn)540、漏極節(jié)點(diǎn)545和源極節(jié)點(diǎn)550。NMOS晶體管510包括柵極節(jié)點(diǎn)555、漏極節(jié)點(diǎn)560和源極節(jié)點(diǎn)565。PMOS晶體管505的柵極節(jié)點(diǎn)540和NMOS晶體管510的柵極節(jié)點(diǎn)555耦合到輸入節(jié)點(diǎn)520。PMOS晶體管505的漏極節(jié)點(diǎn)545和NMOS晶體管510的漏極節(jié)點(diǎn)560耦合到輸出節(jié)點(diǎn)525。PMOS晶體管505的源極節(jié)點(diǎn)550耦合到高電壓節(jié)點(diǎn)530。NMOS晶體管510的源極節(jié)點(diǎn)565耦合到低電壓節(jié)點(diǎn)535。負(fù)載電容器515耦合在輸出節(jié)點(diǎn)525和低電壓節(jié)點(diǎn)535之間。

CMOS反相器500在輸入節(jié)點(diǎn)520處接收輸入信號(hào)（例如，輸入電壓信號(hào)），并且在輸出節(jié)點(diǎn)525處生成輸出信號(hào)（例如，輸出電壓信號(hào)）。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)在高電壓值和低電壓值之間交替。當(dāng)輸入信號(hào)在低電壓處時(shí)輸出信號(hào)在高電壓值處，并且在輸入信號(hào)在高輸入值時(shí)輸出信號(hào)在低電壓值處。高電壓值由偏置信號(hào)調(diào)節(jié)并且低電壓值由參考節(jié)點(diǎn)415的電壓（例如，約0伏）調(diào)節(jié)。CMOS反相器500的傳播延遲是響應(yīng)于輸入信號(hào)中的改變而改變輸出信號(hào)所需的時(shí)間長(zhǎng)度。CMOS反相器500的傳播延遲與在低電壓值和高電壓值之間對(duì)負(fù)載電容器515充電和放電所需的時(shí)間互相關(guān)。

在一些實(shí)施方式中，除其他部件之外，麥克風(fēng)系統(tǒng)600還包括MEMS麥克風(fēng)100、鎖相環(huán)200和控制器605，如圖6中所圖示的?？蓜?dòng)電極105和固定電極110耦合到壓控振蕩器205，使得它們之間的電容充當(dāng)用于壓控振蕩器205的負(fù)載電容。如上所解釋的，可動(dòng)電極105和固定電極110之間的電容基于作用在可動(dòng)電極105上的聲學(xué)和環(huán)境壓力而改變。而且，如上所解釋的，控制信號(hào)與振蕩信號(hào)的頻率互相關(guān)。如在下面進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，振蕩信號(hào)的頻率與可動(dòng)電極105和固定電極110之間的電容部分地相關(guān)。因此，控制信號(hào)基于作用在可動(dòng)電極105上的聲學(xué)和環(huán)境壓力而改變。

控制器605包括軟件和硬件的組合，除其他事項(xiàng)外，所述軟件和硬件的組合可操作來(lái)基于可動(dòng)電極105和固定電極110之間的電容來(lái)確定音頻信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制器605包括填充有向麥克風(fēng)系統(tǒng)600提供功率、操作控制和保護(hù)的多個(gè)電氣和電子部件的印刷電路板（PCB）。在一些實(shí)施方式中，PCB包括例如處理單元610（例如，微處理器，微控制器，或另一合適的可編程器件）、存儲(chǔ)器615和總線?？偩€連接PCB的各種部件，包括將存儲(chǔ)器615連接至處理單元610。存儲(chǔ)器615包括例如只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）、閃速存儲(chǔ)器、硬盤，或另一合適的磁性、光學(xué)、物理或電子存儲(chǔ)設(shè)備。處理單元610連接到存儲(chǔ)器615并執(zhí)行軟件，該軟件能夠被存儲(chǔ)在RAM中（例如，在執(zhí)行期間）、ROM中（例如，在一般永久的基礎(chǔ)上）、或諸如另一存儲(chǔ)器或盤的另一非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中。附加地或可替代地，存儲(chǔ)器615包括在處理單元610中?？刂破?05還包括輸入/??輸出（I/O）單元620，輸入/??輸出（I/O）單元620包括用于在控制器605內(nèi)的部件和麥克風(fēng)系統(tǒng)600的其他部件或麥克風(fēng)系統(tǒng)600外部的部件之間傳送信息和電氣信號(hào)的例程。

包括在麥克風(fēng)系統(tǒng)600的一些實(shí)施方式中的軟件存儲(chǔ)在控制器605的存儲(chǔ)器615中。該軟件包括例如固件、一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序、程序數(shù)據(jù)、一個(gè)或多個(gè)程序模塊和其他可執(zhí)行指令?？刂破?05被配置成除其他部件之外還從存儲(chǔ)器615檢索并執(zhí)行與在此描述的控制過(guò)程和方法有關(guān)的指令。在一些實(shí)施方式中，控制器605包括附加的、更少的或不同的部件。

除其他部件之外，PCB還包括多個(gè)附加的無(wú)源和有源部件，如電阻器、電容器、電感器、集成電路和放大器。這些部件被布置并連接以提供多個(gè)電氣功能給PCB，除其他事項(xiàng)外，所述電氣功能還包括濾波、信號(hào)修整或電壓調(diào)節(jié)。為了描述性目的，PCB和填充在PCB上的電氣部件被統(tǒng)稱為控制器605。

控制器605耦合到鎖相環(huán)200并且接收控制信號(hào)。控制器605基于該控制信號(hào)來(lái)確定音頻信號(hào)。如上所解釋的，控制信號(hào)基于作用在可動(dòng)電極105上的聲學(xué)和環(huán)境壓力而改變。因此，控制器605使用控制信號(hào)來(lái)基于作用在可動(dòng)電極105上的聲學(xué)和環(huán)境壓力來(lái)確定音頻信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，控制器605測(cè)量控制信號(hào)的參數(shù)（例如，電壓，電流），并基于所測(cè)量的參數(shù)來(lái)確定音頻信號(hào)。

圖7圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的MEMS麥克風(fēng)100和在壓控振蕩器205中的CMOS反相器500的示例性配置。固定電極110耦合到CMOS反相器500的輸出節(jié)點(diǎn)525并且可動(dòng)電極105耦合到參考節(jié)點(diǎn)415。MEMS麥克風(fēng)100提供負(fù)載電容給CMOS反相器500。CMOS反相器500的負(fù)載電容根據(jù)作用在可動(dòng)電極105上的聲學(xué)和環(huán)境壓力而改變。這繼而使CMOS反相器500的傳播延遲改變。改變CMOS反相器500的傳播延遲對(duì)振蕩信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)制。因此，振蕩信號(hào)的頻率與可動(dòng)電極105和固定電極110之間的電容部分地互相關(guān)。

圖8圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的MEMS麥克風(fēng)100和在壓控振蕩器205中的CMOS反相器500的示例性配置?？蓜?dòng)電極105耦合到CMOS反相器500的輸出節(jié)點(diǎn)525并且固定電極110耦合到參考節(jié)點(diǎn)415。

耦合可動(dòng)電極105和固定電極110到CMOS反相器500不需要高壓泵并且降低對(duì)在MEMS麥克風(fēng)100中的氧化物的阻抗要求。這允許在MEMS麥克風(fēng)100上的更低吸合電壓要求、更大的工藝靈活性，以及??麥克風(fēng)系統(tǒng)600的更低功耗。

因此，除其他的事項(xiàng)之外，本發(fā)明提供了利用其頻率由MEMS麥克風(fēng)100調(diào)制的鎖相環(huán)200感測(cè)音頻的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的各種特征以及優(yōu)點(diǎn)在所附權(quán)利要求中闡述。