专利名称：选择性微机电麦克风读出电路与其读出方法
技术领域：
本发明有关于 一种微机电麦克风读出电路，且特别是有关于 一种综合的 选择性微机电麦克风读出电路与其读出方法。
背景技术：
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,底下简称MEMS)技术 是一以微小化机械结构为出发点的设计。在众多的微机电技术中，主要应用 在制作微传感器(Micro sensor)、；徵致动器(Micro actuator)、与微结构 (Micro structure)元件等三大领域里。其中，微传感器由于可以使用相关 半导体制造工艺技术，进而言之可以实现与集成电路的综合，因此，提升了 该技术的竟争力，也普遍较受到重视。微传感器是一种具有传感器特性的微 元件，将外界物理或化学的状态量(如光、热、磁、声音、压力、位置等)转 换成电信号以供任何信号的处理，通常为电压或电流等容易控制与处理的信 号。微传感器利用微机电系统制造工艺，除了具有传统检测元件的功能外， 甚至对于传统检测元件所无法达到的检测功能，却可藉由微小化的微检测元 件而达到。目前已有许多微传感器利用微机电系统制造工艺技术来制作，如压力传 感器 (Pressure sensor )、加速度计(Accelerometer)、红外线传感器(IR sensor)、温度传感器 (Temperature sensor)、化学传感器 (Chemical sensor)、流量传感器 (Flow sensor)及声音传感器(Acoustic sensor) 等 皆已纷纷具体实现了。微机电麦克风元件的出现，发展出许多的新类型的应用。由于该类型的 麦克风的出现，具有缩小化的特性，且易于与IC芯片综合信号处理，增加了 人类对于声音传感的多样化，例如以阵列形式完成的麦克风，可以使麦克风 具有方向性的判别。例如多样化检测单元(multi-sensor)，可以增加检测机 制的使用功能等。微机电麦克风，在现今的使用中，区分为两大类，第一类是驻极体式微机电麦克风(Electret condenser microphone,底下简称为ECM)，另一类电 容式微机电麦克风(Condenser Microphone)。该驻极体式4敛机电麦克风的结 构，是将一材料层，如特弗龙(Teflon)植入为驻极体类型的麦克风之中，由 于该村料层有着可以累积电荷的功能，因此，该种类型的麦克风不需要额外 的偏置，便可以直接感受声压的变化，进而转换电气信号以供后续信号处理 的使用。而另一类的电容式微机电麦克风，该种类型的麦克风，即是不具备驻极 体材料而得名的，换句话说，在使用该类型的麦克风时，需要施以一外加偏 置，通常需要12V以上的电压，因此，该类型的麦克风在与后续电路配合上， 整体芯片的功率消耗会提高。但由于该种类型的结构具备有较佳的传感灵敏 度与对温度反应较低的特性，因此，成为研究发展的主要目标。在图1中，所示的为一种公知的电容式微机电麦克风(MEMS Condenser Microphone)检测读出电路100。电路在初始状态下，电容式微机电麦克风元 件110在端点Nl通过电源供应源VDD经过偏置电阻120提供所需的偏置，而 电容式微机电麦克风元件110的另一端会连接到地端GND。偏置电阻120与 电容麦微机电克风元件110可以形成滤波器，用以阻隔不必要的噪声信号与 提供音频所需的频带的信号。当声压传递至电容式微机电麦克风元件110时， 电容上的位移产生变化，因此累积在电容上的电荷产生变化，进而产生了信 号的变化，通过直流阻隔电容130后输入至前级緩沖放大器140的输入端， 进而将信号放大后传递至输出端Vout完成信号的获取。在图2中所示为一公知的驻极体微机电麦克风(MEMS ECM)读出电路200。 在读出电路200中，该驻极体式微机电麦克风元件210为一内建累积电荷层 的元件，在不提供外加偏置下，便可以产生累积电荷的功能。驻极体式微机 电麦克风元件210通过端点N2直接连接到直流阻隔电容230的一端，而另一 端则是通过端点N2连接到接地端GND。而在端点Nl与N2之间加上电阻220， 可以形成滤波器用以阻隔不必要的噪声信号与提供音频所需的频带的信号。 驻极体式微机电麦克风元件210内累积电荷层的材料，多半为特氟龙 (Teflon)。当声压传递至驻极体式微机电麦克风元件210时，便会产生累积 电荷量的改变，进而改变信号的大小。信号会经由直流阻隔电容230传递至 前级緩冲放大器240的输入端，进而将信号传递至输出端Vout。然而，在现今的微机电麦克风使用当中，根据应用环境的不同而需要不同规格的麦克风配合。例如低功率的使用环境下，多半会使用微机电驻极体 式微机电麦克风，在高灵敏度的环境下多半会使用电容式微机电麦克风。由 于该两种类型的麦克风的搡作方式不尽相同，因此，若有一信号读出电路可 以同时处理该两种类型的麦克风，将可以提高微机电麦克风的应用环境，也 可以提高该种麦克风的使用效率。发明内容本发明提供一种综合微机电麦克风读出电路的综合型电路与其读出方 法。该综合型电路可以根据运用环境而切换读取驻极体式微机电麦克风或电 容式微机电麦克风的输出信号。本发明提供一种综合微机电麦克风读出电路的综合型电路与其读出方 法，可配合使用功率与灵敏度等要求，切换读取驻极体式微机电麦克风或电 容式微机电麦克风的输出信号。本发明的微机电麦克风的读出电路，包括电容式微机电麦克风元件、驻 极体式微机电麦克风元件、第一到第四开关与偏置电阻。本发明的微机电麦 克风的读出电路选择性地形成第 一 电流路径与第二电流路径其中之 一 。而第 一电流路径形成于第一开关与第三开关导通时，而此时第二开关与第四开关 关断，并且所述第 一 电流路径让电容式微机电麦克风元件经由偏置电阻从电 压源取得偏置，以让电容式微机电麦克风元件进行传感一声波信号，作为所 述微机电麦克风的读出电路的输出。而第二电流路径形成于第二开关与第四 开关导通时，而此时第一开关与第三开关关断，并且第二电流路径让驻极体 式微机电麦克风元件传感声波信号的结果得以输出，作为微机电麦克风的读 出电路的输出。所述微机电麦克风的读出电路中，第一开关、第二开关、第三开关与第 四开关可由多个金属氧化物半导体晶体管或双极结型晶体管组成，并且可将 所有电路综合于单一芯片上，由互补式金氧金属半导体制造工艺制作。所述的微机电麦克风的读出电路，可由电容式微机电麦克风分立元件、 驻极体式孩W几电麦克风分立元件、开关分立元件组成。本发明提的微机电麦克风的读出方法，其中微机电麦克风包括一电容式 微机电麦克风元件、 一驻极体式微机电麦克风元件、 一偏置电阻与多个开关。 该方法包括输入一控制信号，其中当所述控制信号为逻辑一时，则形成一第一电流路径，当所述控制信号为逻辑零时，则形成一第二电流路径。而当形 成第 一 电流路径时，让电容式微机电麦克风元件经由偏置电阻从电压源取得 偏置，以让电容式微机电麦克风元件进行传感声波信号，并输出为一传感信 号。当形成第二电流路径时，让驻极体式微机电麦克风元件传感声波信号的 结果得以输出作为传感信号。根据传感信号输出作为微机电麦克风的读出电 路的传感结果。为让本发明的所述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较 佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1是说明公知的电容式微机电麦克风检测读出电路。图2是说明公知的驻极体微机电麦克风读出电路。图3是说明本发明综合微机电麦克风读出电路实施例的选择性微机电麦 克风读出电路示意图。图4是说明图3的综合微机电麦克风读出电路详细电路示意图。 主要元件符号说明100:电容式微才几电麦克风(MEMS Condenser Microphone)检测读出电路 110:电容式微机电麦克风元件 120:偏置电阻 130:直流阻隔电容 140:緩冲放大器200:驻极体微机电麦克风(MEMS ECM)读出电路210:驻极体式微机电麦克风元件220:电阻230:直流阻隔电容240:緩冲放大器300:微机电麦克风读出电路310:电容式微机电麦克风元件320:驻极体式微机电麦克风元件330:偏置电阻315、 325 、 340与350:开关360:直流阻隔电容 370:緩冲放大器 380:反相器341、 351: NMOS晶体管342 、 352: PM0S晶体管具体实施方式
在许多的应用环境中，往往会根据所需要的目的与需求而决定规格的要 求。例如移动装置像在手机系统中的麦克风，应当会以低功率消耗为主要的 需求点。在精细的信号检测上如助听器，则往往需要高灵敏度(sensitivity) 的元件提供。以现今两种微机电麦克风而言，各有其优点与缺点。例如驻极体式微机 电麦克风对于功率的消耗较低，另外在电容式微机电麦克风上，则是其灵敏 度较佳。也由于结构上的不同，因此，所配合的电路结构也有所不同。因此， 若能由一个电路结构，具备可以读取驻极体式微机电麦克风元件的信号，也 可读取电容式微机电麦克风元件的信号，则可以将该单一元件的应用更完广 泛，并增加该元件的使用度。本发明提供一种综合微机电麦克风读出电路的综合型电路。该综合型电 路可以根据运用环境而切换读取微机电驻极体式微机电麦克风或电容式微机 电麦克风的输出信号。例如可配合使用功率与灵敏度等要求，切换读取驻极 体式微机电麦克风或电容式微机电麦克风的输出信号。该综合微机电麦克风 读出电路的综合型电路，可在低功率消耗环境或是高灵敏度要求的环境下， 切换使用具有不同特性需求的麦克风输出，此将可使微机电麦克风的运用更 为广泛。在本发明所提供综合微机电麦克风读出电路的综合型电路具体实施例 中，请参照图3所示，为选择性微机电麦克风读出电路的示意图。该微机电 麦克风读出电路300的结构包含电容式微机电麦克风元件310、驻极体式微 机电麦克风元件320、可以选取麦克风元件的四个开关315、 325、 330与340、 以及偏置电阻330。该偏置电阻330可与电容式微机电麦克风元件310或驻 极体式微机电麦克风元件320形成滤波器，用以阻隔不必要的噪声信号与提 供音频所需的频带的信号。另外，该微机电麦克风读出电路300在输出部分还包括直流阻隔电容360以及前级的緩冲放大器370。在该实施例的微机电麦克风读出电路300中，当声压信号传递于微机电 麦克风元件时，该读出电路300结构可以选择所需使用的微机电麦克风元件， 进而引导出所检测的信号。在该实施例中，运用控制开关315、 325 、 340与 350选取所需类型的麦克风元件。当开关315与开关340导通(Turned ON)时， 电容式微机电麦克风元件310从端点N2到N3,通过偏置电阻330从电压源 VDD获得所需的偏置，且微机电面容式麦克风元件310的另一端则通过端点 Nl连接到接地端GND。当声波信号获得检测时，则将声波信号通过微机电电容式电容式麦克风 元件310转换成电气信号，并经由直流阻隔电容360传递于前级緩冲放大器 电路370,并进而传递至输出端Vout。同理，当所需的元件为驻极体式微机 电微机电麦克风元件320时，则需要使开关325与开关350导通，之后的操 作，则是与上面所述大致上相同，而不同点则是因为不需要电压源，因此通 过端点N3连接到接地端GND。在所述实施例中，开关315与325，或是开关340与350最好是互补式 切换开关，当开关315导通时，则开关325则关断，而当开关325导通时， 则开关315则关断。该互补式切换开关可以选择电容式微机电麦克风元件310 或驻极体式微机电麦克风元件320当成微机电麦克风元件。另外，当开关340 导通时，则开关350则关断，而当开关350导通时，则开关340则关断，则 可根据是否需要提供电压源切换选择。在本发明所提供综合微机电麦克风读出电路的综合型电路具体实施例 中，请参照图4所示，为图3的综合微机电麦克风读出电路300详细电路图 示，相同元件以相同号码标示，并不再冗述。在本实施例中，开关315、 325 、 340与350是以逻辑门(Logic Gate)为控制的开关，用以选择所需要的麦克 风结构类型。而该逻辑门是以 P型金属氧化物半导体 (metal-oxide-semiconductor,底下称为MOS)晶体管与N型金属氧化物半导 体(画OS)晶体管组合。此外，在该电路结构中，在输入信号端Vin之后加入 反相器380,而其输出则分别连接到开关315、 325 、 340与350的逻辑门(Logic Gate)。在另外一选择实施例中，该微机电麦克风读出电路300系统可以使用双 才及结型晶体管(Bipolar-junction-effect transistor,底下称为BJT)亏支术制作，并非受限于M0S晶体管组成。在该实施例中，输入信号端V i n经由端点N5连接到反相器3 8 0的输入端， 还有端点N9与NIO。其中端点N9连接到开关340的PM0S晶体管342的栅极 与开关350的丽0S晶体管351的栅极，用以控制其导通与关断。而端点NIO 连接到开关315的PM0S晶体管栅极与开关325的應0S晶体管栅极，用以控 制其导通与关断。同样地，反相器380的输出则通过端点N6连接到端点N7 与N8。其中端点N7连接到开关340的丽0S晶体管341的栅极与开关350的 PM0S晶体管352的栅极，用以控制其导通与关断。而端点N8连接到开关315 的画0S晶体管栅极与开关3"的PM0S晶体管栅极，用以控制其导通与关断。 在该实施例中，开关315与325，或是开关340与350为互补式切换开关， 当开关315导通时，则开关325则关断，而当开关325导通时，则开关315 则关断。当开关340导通时，则开关350则关断，而当开关350导通时，则 开关340则关断，如此则可根据是否需要提供电压源切换选择。在一实施例中，当输入信号端Vin输入的信号为逻辑1时，驻极体式微 机电麦克风元件320将会被选取，因为开关325与开关350将会被同时打开， 则以驻极体式微机电麦克风元件320为主体的偏置电路会配合使用，进而可 以检测所需的声音信号。同理，当输入信号端Vin输入的信号为逻辑0时， 电容式微机电麦克风元件310将会^C选取，因为开关315与开关340将会被 同时打开，则以电容式微机电麦克风310为主体的偏置电路将会配合使用， 进而可以检测所需的声音信号。综上的所述，本发明的微机电麦克风选择性读出电路设计，可达成将两 种类型的麦克风元件综合使用于相同的读出电路上。例如可使用互补式金氧 金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 底下称为 CMOS) 制造工艺，将所有的电路综合化，并将驻极体式微机电麦克风综合于其中。 该CMOS制造工艺是一种可将所有电路综合化的集成电路制造工艺，也就是在 硅芯片上制作出PM0S和画0S元件，由于PMOS与丽0S在特性上为互补性， 因此称为CMOS。 CMOS制造工艺具有只需在晶体管需要切换启闭时才需耗能的 优点，因此非常省电且发热少。另外，本发明的微机电麦克风选择性读出电路设计，可以使用单一芯片 但同时具备有两种类型的麦克风的优点，如驻极体式微机电麦克风的低功率 消耗与电容式微机电麦克风的高灵敏度特性等。除此之外，本发明的微机电麦克风选择性读出电路设计，可以采用分立电路元件(Discrete Circuit Component)设计，由各电子电路IP设计公司所 提供的元件加以组合即可完成本发明的选择性读出电路。而这些分立电路元 件可通过例如印刷电路的连线封装(Wire-bonding)即可运用在不同的产品 上。例如本发明的微机电麦克风选择性读出电路设计，可选择IP公司所提供 的电容式微机电麦克风分立元件、驻极体式微机电麦克风分立元件与多个开 关分立元件组成，以更加节省设计开发的成本。本发明的微机电麦克风选择性读出电路设计，可以增加产品的使用范围 与领域，如移动装置或是助听器等，并增加产品的竟争性。综上所述，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本 发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围 的情况下，可进行各种更动与修改。因此，本发明的保护范围以所提出的权 利要求的范围为准。
权利要求
1. 一种选择性微机电麦克风的读出电路，包括一电容式微机电麦克风元件；一驻极体式微机电麦克风元件；一第一开关与一第二开关，分别与所述电容式微机电麦克风元件与所述驻极体式微机电麦克风元件连接；一偏置元件，具有一第一端连接到所述第一开关与所述第二开关；以及一第三开关与一第四开关，分别连接到所述偏置元件的一第二端，并且分别连接到一电压源与一接地电位，其中选择性地形成一第一电流路径与一第二电流路径其中之一，其中所述第一电流路径形成于所述第一开关与所述第三开关导通时，而此时所述第二开关与所述第四开关关断，并且所述第一电流路径让所述电容式微机电麦克风元件经由所述偏置元件从所述电压源取得一偏置电压，以让所述电容式微机电麦克风元件进行传感一声波信号，作为所述微机电麦克风的读出电路的输出，所述第二电流路径形成于所述第二开关与所述第四开关导通时，而此时所述第一开关与所述第三开关关断，并且所述第二电流路径让所述驻极体式微机电麦克风元件传感所述声波信号的结果得以输出，作为所述微机电麦克风的读出电路的输出。
2、 如权利要求1所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中，还包括 一直流阻隔电容，具有一第一端连接到所述偏置元件的第一端；以及 一緩沖放大器，连接到所述直流阻隔电容的一第二端，其中，经由所述直流阻隔电容可作为所述电容式微机电麦克风元件或所述驻极体式微机电麦 克风元件所传感的所述声波信号的结果移除直流部分，而经由所述緩沖放大 器放大后输出传感的结果。
3、 如权利要求1所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中所述偏置 元件，可以由一电阻、 一晶体管或一可形成电压偏置的元件组合而成。
4、 如权利要求1所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中所述第一 开关、第二开关、第三开关与第四开关可由多个金属氧化物半导体晶体管组 成，并且电容式微机电麦克风元件、所述驻极体式微机电麦克风元件与所述第一开关、第二开关、第三开关与第四开关与所述偏置元件可综合于一单一 芯片上，由互补式金氧金属半导体制造工艺制作。
5、 如权利要求1所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中所述第一 开关、第二开关、第三开关与第四开关可由多个双极结型晶体管组成，并且 电容式微机电麦克风元件、所述驻极体式微机电麦克风元件与所述第一开关、 第二开关、第三开关与第四开关与所述偏置元件可综合于一单一芯片上，由双极结型晶体管制造工艺制作。
6、 如权利要求1所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中，所述第一开关、第二开关、第三开关与第四开关分别由逻辑门组成。
7、 如权利要求6所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中，所述第 一开关与第二开关，以及所述第三开关与第四开关分别为互补式切换开关， 由 一输入信号所控制导通或关断。
8、 如权利要求6所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中所述第一 开关、第二开关、第三开关与第四开关由一 P型金属氧化物半导体晶体管与 一 N型金属氧化物半导体晶体管组合。
9、 如权利要求6所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中所述第一 开关、第二开关、第三开关与第四开关由两个双极结型晶体管组成。
10、 —种选择性微机电麦克风的读出电路，包括 一电容式樣i才几电麦克风分立元件； 一驻极体式微机电麦克风分立元件；一第一开关分立元件与一第二开关分立元件，分别与所述电容式微机电麦克风分立元件与所述驻极体式微机电麦克风分立元件连接；一偏置元件，具有一第一端连接到所迷第一开关与所述第二开关；以及 一第三开关分立元件与一第四开关分立元件，分别连接到所述偏置元件 的一第二端，并且分别连接到一电压源与一接地电位，其中一第一电流路径形成于所述第一开关分立元件与所述第三开关分立元件 导通时，而此时所述第二开关分立元件与所述第四开关分立元件关断，并且 所述第一电流路径让所述微容式微机电麦克风分立元件经由所述偏置元件从 所述电压源取得一偏置电压，以让所述电容式微机电麦克风分立元件进行传 感一声波信号，作为所述微机电麦克风的读出电路的输出，一第二电流路径形成于所述第二开关分立元件与所述第四开关分立元件导通时，而此时所述第一开关分立元件与所述第三开关分立元件关断，并且 所述第二电流路径让所述驻极体式微机电麦克风分立元件传感所述声波信号 的结果得以输出，作为所述微机电麦克风的读出电路的输出。
11、 如权利要求10所述的选择性微机电麦克风的读出电路，其中，还包括一直流阻隔电容，具有一第一端连接到所述偏置元件的第一端；以及 一緩冲放大分立元件，连接到所述直流阻隔电容的一第二端，其中，经机电麦克风元件所传感的所述声波信号的结果移除直流部分，而经由所述緩 冲放大分立元件放大后输出传感的结果。
12. —种选择性微机电麦克风的读出方法，其中选择性微机电麦克风包 括一电容式微机电麦克风元件、 一驻极体式微机电麦克风元件、 一偏置元件 与多个开关，该方法包括；输入一控制信号，其中当所述控制信号为逻辑一时，则形成一第一电流 路径，当所述控制信号为逻辑零时，则形成一第二电流路径，其中当形成所述第一电流路径时，让所述电容式微机电麦克风元件经由所述 偏置元件从一 电压源取得一偏置电压，以让所述电容式微机电麦克风元件进 行传感一声波信号，并输出为一传感信号，当形成第二电流路径时，让所述驻极体式微机电麦克风元件传感所述声 波信号的结果得以输出作为所述传感信号；以及根据所述的传感信号输出作为所述微机电麦克风的读出电路的传感结果。
全文摘要
一种选择性微机电麦克风读出电路与其读出方法。该型式的电路可以读取驻极体式微机电麦克风和电容式微机电麦克风的输出信号。由于微机电麦克风的使用要求不一，如驻极体微机电麦克风具备较低的功率消耗，而电容式微机电麦克风则是具有较高的灵敏度等。通过一个电路，可以配合两种类型的微机电麦克风检测元件的方式，将可以提高微机电麦克风的使用灵活性，且该电路也可以适应在各种电容式检测元件的应用与设计当中。
文档编号H04R19/00GK101222790SQ20071000066
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月12日 优先权日2007年1月12日
发明者周文介, 徐煜淳 申请人:财团法人工业技术研究院