专利名称：电容式麦克风及其控制系统和控制方法
技术领域：
本发明涉及麦克风领域，特别是涉及一种电容式麦克风及其控制系统和控制方法。
背景技术：
在电容式麦克风中，通过使用随声音信号变化的电容来检测输入的声音信号。图1 为电容的结构示意图。如图1所示，电容由两块极板构成，这两块极板各有唯一的极板面， 并且这两块极板的极板面是相对的。在使用时，两个极板面之间保持一定的间距101相对放置，这样，该电容就能储存和释放电荷。图2为电容的力学结构示意图。如图2所示，电容的两块极板在分别偏置了一定量的正电荷或负电荷、即极板间存在一偏置电压之后，由于极板间电场所产生的静电力的作用，两块极板会有吸合的趋势，同时，由于极板的组成材料具有一定的弹性，使极板在产生位移时又有抗拒这种吸合的弹性恢复力，位移越大，弹性恢复力也越大，这种抗拒作用可以等效为一个弹簧，如图2所示，用弹簧201表示产生这种弹性力的等效因素的图例。一般条件下，极板间的弹性恢复力正比于极板的位移大小。但是极板间的静电力吸引力的大小则反比于极板距离的平方。因此，当极板间存在电压从而产生静电力的吸合作用，极板会有一个吸合趋势的位移来产生抵消静电力的一个弹性恢复力。极板位移达到临界位移时，如果极板位移继续增加，则静电力增加的速度大于弹性恢复力增加的速度，此时则弹性力将无法抗拒这种吸合作用，此时，两块极板将在静电力的作用下完全吸合，极板间的距离101变为0。这里，将极板的位移达到临界状态时的静电力被称为临界静电力。本发明中，将电容两极板间的静电力等于临界静电力的稳定状态称为电容的临界状态，临界状态的电容两极板的极板面之间的距离称为临界距离；将静电力低于临界静电力的稳定状态称为该电容的亚临界状态，将静电力高于临界静电力的稳定状态称为该电容的超临界状态。电容的两极板之间存在一定的电压时，由于静电力和极板弹性恢复力的共同作用，该电压与两极板间的距离存在一定的关系。图3为电容极板间的电压与极板间距的关系图。如图3所示，横坐标为极板间的电压V，纵坐标为稳定时的极板间距d与极板间没有电压时的初始间距Cltl的比值，图3中，当极板间距d恰好为初始间距Cltl的三分之二时，电容工作在临界状态301，此时极板间的电压达到最大值Vtl，将恰好为初始间距Cltl的三分之二的极板间距称为临界间距；当极板间距d大于初始间距Cltl的三分之二时，电容工作在亚临界状态，极板间距与极板间电压的关系如图中的实线所示，此时弹性力足以抗拒静电力的作用，保证两极板不吸合；当极板间距d小于初始间距Cltl的三分之二时，电容工作在超临界状态，极板间距与极板间电压的关系如图中的虚线所示，此时弹性力不足以抗拒静电力的作用，需要外加力量作用于极板，使二者不吸合且能达到静态平衡。由图3可看出，在亚临界状态和超临界状态下，电容两极板间的电压都小于最大值Vtl，且对于每个小于Vtl的电压，在超临界状态和亚临界状态各有一个静态平衡的间距d与其相对应。
电容式麦克风利用电容来接收声音信号，使极板产生振动，然后将该振动通过电荷的储存和释放转换为音频信号输出，该音频信号的幅度和相位分别与电容接收的声音信号的幅度和相位成正比，这样来保证麦克风的输出信号与输入信号之间的对应关系。同时， 麦克风需要有较高的灵敏度，即对于给定的输入声音信号，麦克风的输出信号较强。而电容式麦克风输出信号的强弱与麦克风电容的电荷变化量有关，为满足灵敏度需求，现有技术提供的麦克风有两种方式可以采用，第一种方式为增大电容两极板间的电压；第二种方式为减小极板标准间距，或者增大极板的振动范围，以得到更大的相对振动，即极板随声音信号位移振动范围和极板标准间距的比值，从而使得电容大小的变化程度更剧烈。上述两种方式均可使得麦克风电容极板在该过程中储存或释放的电荷量更大，从而提高麦克风的灵敏度。但是，上述两种方式都是受到电容工作状态的限制的，现有技术为了防止电容的两极板吸合碰撞，在设计制造麦克风时，要求其电容的工作点位于亚临界状态，即无论麦克风是否有声音信号输入，麦克风中由两块极板组成的电容都必须处于亚临界状态，其极板间的电压必须远远小于临界状态时的最大电压，极板间距必须大于极板上没有电荷时的初始间距Cltl的三分之二，这限制了麦克风的灵敏度，也限制了电容麦克风所能达到的最高信噪比。
发明内容
本发明所要解决的技术间题是提供一种电容式麦克风及其控制系统和控制方法， 能使其中的电容工作在超临界状态。本发明解决上述技术间题的技术方案如下一种电容式麦克风的控制系统，所述电容式麦克风包括由两个极板构成的用于接收声音信号的电容，输出音频信号的输出装置，该控制系统包括间距检测装置、控制装置和供电装置；其中，所述间距检测装置用于，检测所述电容的两个极板的极板面之间的距离，并将其发送到所述控制装置；所述控制装置用于，将所述电容的两个极板的极板面之间的距离与标准距离进行比较，得到距离差；生成与所述距离差相对应的控制信号，并将所述控制信号发送到所述供电装置；所述供电装置用于，根据所述控制信号，向所述电容的任一极板发送电信号，该电信号用于改变所述电容的两个极板之间的电压，使接收该电信号的极板沿垂直于另一极板的极板面的方向移动，从而使所述电容的两个极板的极板面之间的距离变为标准距离，其中，所述标准距离小于所述电容的两个极板的极板面之间的临界距离。本发明的有益效果是本发明中，由于间距检测装置能够检测出电容两极板的极板面之间的距离，供控制装置将该距离与标准距离进行比较，得到距离差，并生成与该距离差相对应的控制信号，供电装置根据该控制信号得到电信号输出至电容的任一极板，从而使该极板能够按照电信号的要求，在与另一极板的极板面垂直的方向移动，最终使两极板的极板面之间的距离变为标准距离，并且，该标准距离小于两极板的极板面之间的临界距离，即该标准距离小于电容工作在临界状态时的极板间距，因此，本发明能够使麦克风中的电容工作在超临界状态，从而可以得到更高的麦克风灵敏度，更大的麦克风电容值，更高的麦克风信噪比。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进CN 102547520 A
进一步，所述供电装置根据所述控制信号，向所述电容的任一极板发送的电信号为电流信号或电压信号。进一步，所述间距检测装置包括探针、场发射电流检测电路，其中，所述探针位于所述电容的任一极板的极板面上；所述探针的最高点与探针所在极板的极板面之间的距离小于所述电容的两个极板的极板面之间的标准距离；所述场发射电流检测电路用于，检测探针所在极板的相对极板与所述探针之间的场发射电流；根据所述场发射电流，得到所述电容的两个极板的极板面之间的距离。进一步，所述间距检测装置包括两个检测板、电容检测电路，其中，所述两个检测板位于所述电容的同一极板的极板面上，所述两个检测板的板面位于同一平面且均与自身所在极板的极板面平行；所述两个检测板的板面的总面积小于自身所在极板的极板面的面积；所述电容检测电路用于，检测所述两个检测板之间的电容；根据所述两个检测板之间的电容量，得到所述电容的两个极板的极板面之间的距离。进一步，所述电容、间距检测装置、控制装置、供电装置、输出装置中的全部或者一部分位于同一集成电路上；或，所述电容、间距检测装置、控制装置、供电装置、输出装置为不同的电路。进一步，所述电容的任一极板由半导体材料制成。进一步，所述电容、间距检测装置、控制装置和供电装置构成的环路的带宽小于所述声音信号的带宽；所述声音信号使所述电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化； 其中，所述电容的任一极板向所述输出装置发送输出电信号，所述输出电信号的幅度与所述声音信号使所述两个极板的极板面之间距离的变化量成正比；所述输出装置用于，输出音频信号，所述音频信号的幅度和相位分别与所述输出电信号的幅度和相位成正比。进一步，所述电容、间距检测装置、控制装置和供电装置构成的环路的带宽大于或等于声音信号的带宽；所述声音信号使所述电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化；其中，所述输出装置输出的音频信号的幅度和相位分别与所述供电装置向所述电容的任一极板发送的电信号的幅度和相位成正比。进一步，所述输出装置进一步用于，对所述音频信号进行模数转换，得到数字音频信号；输出所述数字音频信号。另外，本发明还提出了一种电容式麦克风，该麦克风包括电容、输出装置和控制系统，其中，所述电容由两个极板构成，用于接收声音信号；所述输出装置用于输出音频信号；所述控制系统为上述任一种控制系统。另外，本发明还提出了一种电容式麦克风的控制方法，该方法包括电容接收声音信号，该声音信号使所述电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化；输出装置输出音频信号，所述音频信号的幅度和相位分别与所述声音信号的幅度和相位成正比；检测所述电容的两个极板的极板面之间的距离，并将其与标准距离进行比较，得到距离差；生成与所述距离差相对应的控制信号；根据所述控制信号，向所述电容的任一极板发送电信号，该电信号用于改变所述电容的两个极板之间的电压，从而使所述电容的两个极板的极板面之间的距离变为标准距离，其中，所述标准距离小于所述电容的两个极板的极板面之间的临界距离。
图1为电容的结构示意图；图2为电容的力学结构示意图；图3为电容极板间的电压与极板间距的关系图；图4为本发明提出的电容式麦克风的控制系统的结构图；图5为本发明提出的间距检测装置第一实施例的结构图；图6为本发明提出的间距检测装置第二实施例的结构图；图7为为本发明提供的电容式麦克风的控制系统第一实施例的结构图；图8为为本发明提供的电容式麦克风的控制系统第二实施例的结构图；图9为本发明提供的电容式麦克风的控制方法流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。图4为本发明提出的电容式麦克风的控制系统的结构图。如图4所示，该电容式麦克风包括由两个极板构成的用于接收声音信号的电容，这两个极板如图4中的标号401 和402所示，以及图4中未画出的用于输出音频信号的输出装置，另外，该控制系统包括间距检测装置403、控制装置404、供电装置405，这里，间距检测装置403、控制装置404、供电装置405以及电容可以构成一个环路，该环路可用于将电容的两个极板的极板面之间的距离稳定在标准距离；其中，各部分的功能如下所述间距检测装置403用于，检测电容的两个极板401、402的极板面之间的距离，并将其发送到所述控制装置404 ；控制装置404用于，将电容的两个极板401、402的极板面之间的距离与标准距离进行比较，得到距离差；生成与距离差相对应的控制信号，并将该控制信号发送到供电装置 405 ；供电装置405用于，根据控制信号，向电容的任一极板，即401或者402，发送电信号，该电信号用于改变电容的两个极板401、402之间的电压，使接收该电信号的极板沿垂直于另一极板的极板面的方向移动，从而使电容的两个极板401、402的极板面之间的距离变为标准距离，其中，标准距离小于电容的两个极板401、402的极板面之间的临界距离。这里，由两个极板401和402组成的电容即为本发明提供的电容式麦克风所使用的电容，其两块极板的极板面可以是平面，也可以不是平面，只要其组成的电容能够实现本发明所述的功能，都在本发明的保护范围之内。
间距检测装置403、控制装置404、供电装置405以及电容共同组成了一个控制极板面间距为标准距离的环路，该环路可以通过负反馈的方式，实现在麦克风工作条件下，对电容两极板的极板面之间距离的控制，达到使两个极板的极板面之间的距离稳定在标准距离的目的。本发明所提供的麦克风中的电容，其两个极板的功能可以互换，即接收声音信号的可以是极板401，也可以是极板402，接收供电装置提供的电信号的极板既可以为极板 401，也可以是极板402，这些情况都在本发明的保护范围之内。由于对一个电容来说，当在两极板间偏置一定的电压时，两极板的极板面上就分布了一定量的正负电荷，从而在两极板面之间形成一定的电场，该电场的强度与偏置电压的方向无关，而仅与偏置电压大小和电容量的大小有关，电容量越大，则两块极板的极板面上分布的电荷量就越多，电场也就越强，反之，电容量越小，则电场也就越弱，因此，本发明中两个极板401和402上所偏置的电压的方向是不做要求的，即无论在极板401还是402 上偏置正电压还是偏置负电压，都在本发明的保护范围之内。当有声音信号输入时，可以是极板401随声音信号而振动从而改变电容的电容值来检测声音，也可以是极板402随声音信号而振动从而改变电容的电容值来检测声音，这两种方式均在本发明的保护范围之内。本发明中，标准距离为小于电容两极板的极板面之间临界距离的长度，如果两极板401和402的极板面之间的距离为标准距离，则意味着该电容工作在超临界状态。本发明中的控制系统就是利用上述的环路来保证电容工作在超临界状态的。当极板401的极板面和极板402的极板面之间的距离不等于标准距离时，控制装置控制供电装置405产生电信号，用于改变两极板间的电压，从而改变两极板间的静电力，这样，就可以控制接收电信号的极板，如图4中的极板401，发生移动，从而使两极板401和402之间的距离恢复为标准距离。由此可以看出，本发明中，由于间距检测装置能够检测出电容两极板的极板面之间的距离，供控制装置将该距离与标准距离进行比较，得到距离差，并生成与该距离差相对应的控制信号，供电装置根据该控制信号得到电信号输出至电容的任一极板，从而使该极板能够按照电信号的要求，在与另一极板的极板面垂直的方向移动，最终使两极板的极板面之间的距离变为标准距离，并且，该标准距离小于两极板的极板面之间的临界距离，即该标准距离小于电容工作在临界状态时的极板间距，因此，本发明能够使麦克风中的电容工作在超临界状态，从而可以得到更高的麦克风灵敏度，更大的麦克风电容值，更高的麦克风信噪比。本发明提供的控制系统使两极板401和402所构成的电容稳定工作在超临界状态，意味着该电容式麦克风的正常工作状态为其电容工作于超临界状态。并且，相对于两极板401和402的极板面之间的标准距离来说，声音信号对极板的压力作用所造成的极板在垂直于极板面的方向上发生的位移量极小，几乎可以忽略，因此，虽然声音信号作用于极板使其发生位移，但该位移对于极板401和402组成的电容的工作点的影响很小，该电容一直工作于超临界状态。由于本发明能使麦克风中的电容极板稳定工作在超临界状态，因此，本发明中两极板401和402的极板面之间的标准距离可以超出现有技术的限制，使标准距离小于初始最大间距Cltl的三分之二。并且，由于麦克风灵敏度与该标准距离成反比，因此，本发明可以有效提高麦克风的灵敏度。同时，在电容量相同的情况下，由于该标准距离远小于现有技术中两极板间的距离，因此，本发明中极板401和402的极板面的面积可以远小于现有技术， 从而有效降低电容式麦克风的生产成本。同样，由于本发明可以保证两极板的极板面之间的距离可以保持为标准距离基本不变，因此，相对于现有技术对两个极板的极板面的距离等制作工艺的绝对值、公差等因素要求很高，以保证麦克风性能的一致性的情况，本发明降低了对极板制作工艺的要求，这也降低了麦克风的生产成本。供电装置405根据控制装置发送的控制信号，向电容的任一极板，即极板401或 402，发送的电信号可以为电压信号，也可以为电流信号，通过这种方式来改变极板401和 402之间的电压，可以改变这两个极板间的静电力，这样就可以控制接收供电装置405所发送的电信号的极板在向着或者远离另一极板的极板面的方向上发生位移，从而使两极板的极板面之间的距离变为标准距离。在实际应用中，供电装置405可以既向电容的极板输出电压信号，又向其输出电流信号，即供电装置405可以并用两种方式来实现对极板的位移控制。例如，如果极板401 与402的极板面之间的间距超过最大间距Cltl的三分之二，即电容处于亚临界工作状态，为了使极板位移至使电容处于超临界工作状态的位置，供电装置405可首先向极板输出电压信号，使极板逐渐移动至临界位置，即使两极板的极板面之间的间距为临界距离，电容到达临界工作状态，此时，两极板之间的电压也达到了图3中的临界电压Vtl，然后，供电装置405 向极板输出的电信号切换为电流信号，继续使极板位移，从而使两极板的极板面之间的距离沿着图3中的虚线所示逐渐减小至标准距离，在该过程中，两极板之间的电压也在逐渐减小，最终，供电装置405通过向极板输出电压信号和电流信号，控制极板位移至使电容达到超临界工作状态的位置。这里所说的接收供电装置405发送的电压信号和电流装置的极板，可以为电容的任一极板。本发明中，检测两极板401和402的极板面之间距离的间距检测装置403可以有多种实现方式。图5为本发明提出的间距检测装置第一实施例的结构图。如图5所示，该间距检测装置包括探针501、场发射电流检测电路502，其中，探针501位于电容的任一极板的极板面上；探针501的最高点与该探针所在极板的极板面之间的距离小于电容的两个极板的极板面之间的标准距离；场发射电流检测电路502用于，检测探针所在极板的相对极板与探针501之间的场发射电流；根据场发射电流，得到电容的两个极板的极板面之间的距离。这里，探针501可以为导电器件，其电位与其所在极板的极板面的电位相同。电容的两个极板之间电压的存在，会在探针尖端和探针所在极板的相对极板之间产生场发射电流，该场发射电流的大小是与探针和上述相对极板之间的距离具有已知的指数关系的，通过测量该场发射电流的大小，即可获得探针针尖与其所在极板的相对极板之间的距离，从而利用探针针尖相对其所在极板的极板面的高度，以及探针针尖与其所在极板的相对极板之间的距离，检测得到两极板的极板面之间的距离。图5所示的检测装置实施例中，探针501可以为一个以上的探针，设置多个探针，能够增加该距离检测装置的可靠性。图6为本发明提出的间距检测装置第二实施例的结构图。如图6所示，该间距检测装置包括两个检测板601和602、电容检测电路603，其中，检测板601和602位于电容的同一极板的极板面上，两个检测板601和602的板面位于同一平面且均与自身所在极板的极板面平行；两个检测板601和602的板面所覆盖的总面积小于自身所在极板的极板面的面积；电容检测电路603用于，检测两个检测板601和602之间的电容；根据两个检测板 601和602之间的电容量，得到电容的两个极板的极板面之间的距离。本发明中，由于两个检测板601和602的板面所覆盖的总面积小于自身所在极板的极板面的面积，因此，两个检测板601和602的存在，不会影响电容的两个极板所构成的电容的声音检测的功能。两个检测板601和602组成一个新的检测板对电容，该检测板对电容的电容量与极板401和402的极板面之间的距离具有已知的指数关系，通过检测该检测板对电容的电容量，即可确定出极板401和402的极板面之间的距离。本发明提供的电容式麦克风的控制系统，能够使电容稳定工作在超临界状态，相对于现有技术，其电容中的极板的振动范围扩大了，因而具有广泛的应用前景。进一步地，本发明中，电容的任一极板，即极板401和/或402，可以由半导体材料制成，例如由硅等半导体材料制成。图7为为本发明提供的电容式麦克风的控制系统第一实施例的结构图。如图7所示，该麦克风包括由两个极板701和702组成的用于接收声音信号的电容、输出装置706、 间距检测装置703、控制装置704、供电装置705。其中，电容与间距检测装置703、控制装置 704、供电装置705组成一个环路，并且该环路的带宽小于声音信号的带宽，声音信号可使电容的两个极板701和702的极板面之间的距离发生变化；其中的环路用于，在麦克风工作时，将电容中的两个极板的极板面之间的距离稳定在标准距离；声音信号使得电容中的任一极板在垂直于其极板面的方向发生位移；电容的任一极板向输出装置706发送输出电信号，该输出电信号的幅度与声音信号使两个极板的极板面之间距离的变化量成正比；输出装置706用于，输出音频信号，该音频信号的幅度和相位分别与输出电信号的幅度和相位成正比；这样，输出装置706输出的音频信号的幅度和相位就与电容所接收的声音信号的幅度和相位具有相关性了。间距检测装置703用于，检测电容的两个极板701和702的极板面之间的距离，并将该距离发送到控制装置704 ；控制装置704用于，将电容的两个极板701和702的极板面之间的距离与标准距离进行比较，得到距离差；生成与该距离差相对应的控制信号，并将该控制信号发送到供电装置705 ；供电装置705用于，根据控制信号，向电容的任一极板发送电信号，该电信号用于改变电容的两个极板之间的电压，使接收该电信号的极板沿垂直于另一极板的极板面的方向移动，从而使电容的两个极板的极板面之间的距离变为标准距离，其中，该标准距离小于电容的两个极板的极板面之间的临界距离。这里，控制信号即作为提供给电容的任一极板的反馈信号，可以使该极板移动至一个特定的位置，当极板移动至该特定位置时，电容的两极板701和702的极板面之间的距离就变为标准距离，这样，前述的环路也就起到了稳定电容的静态工作点的目的。这里，电容的任一极板都可以用于接收声音信号，并随该声音信号振动，从而改变电容两极板的极板面之间的距离，并因此改变电容的电容量，这样，分布于电容两极板的极板面上的正负电荷也就会相应地增加或减少，从而在电容的任一极板上形成一个信号，该信号可送至输出装置706，供其输出音频信号。图7中的供电装置705具有向电容的两极板701和702提供偏置电压的功能，该功能可由电荷泵来实现。图7中的环路用来保证电容两极板的极板面的间距持续为小于临界距离的标准距离，从而稳定工作在超临界状态，这样，利用图7所示的控制系统的电容式麦克风可以提供更加优异的性能，或者在具有与现有技术相同性能的前提下具有更低的成本。图7中的输出装置706可以具有对音频信号的放大作用；同时，输出装置706中还可以对模拟的音频信号进行模数转换，得到数字音频信号，并输出该数字音频信号，从而实现音频信号的数字化输出。这样，输出装置706中就可以包括模数转换器件，该模数转换器件可以为Sigma-Delta调制器，也可以为其他能实现模数转换的器件。如图7所示，电容在接收声音信号从而使任一极板，如极板701，发生位移之后，可由极板702将输出电信号发送到输出装置706，从而输出音频信号。由于声音信号的的带宽高于环路的带宽，因而音频信号的带宽也就高于环路的环路带宽，这样，从声音信号输入该麦克风到产生的音频信号从该麦克风输出的这一条信号通路上没有形成闭环，这是一个开环系统。图7中是极板702向输出装置发送输出电信号的，同样也可以由极板701向输出装置发送输出电信号，该输出电信号的强度与电容的极板随声音信号振动的位移量成正比。在这种情况下，其余的装置的功能不变，同样也能使电容工作在超临界状态，达到本发明的目的。图8为为本发明提供的电容式麦克风的控制系统第二实施例的结构图。如图8所示，该麦克风包括由两个极板801和802构成的用于接收声音信号的电容、间距检测装置 803、控制装置804、供电装置805以及输出装置806，其中，电容与间距检测装置803、控制装置804、供电装置805构成了一个环路，该环路的带宽大于或等于声音信号的带宽；其中，电容接收的声音信号使得任一极板在与极板面相垂直的方向发生音频误差位移， 从而使电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化；输出装置806输出的音频信号的幅度和相位分别与供电装置805向电容的任一极板发送的电信号的幅度和相位成正比。这样，上述的环路就可以生成与该音频误差位移对应的控制信号，从而使电容的任一极板移动至满足两极板的极板面之间的距离为标准距离的条件的位置；具体来说间距检测装置803用于，检测电容的两个极板801和802的极板面之间的距离，并将其发送到控制装置804 ；控制装置804用于，将电容的两个极板801和802的极板面之间的距离与标准距离进行比较，得到距离差；生成与距离差相对应的控制信号，并将控制信号发送到供电装置 805 ；
供电装置805用于，根据控制信号，向电容的任一极板发送电信号，该电信号用于改变电容的两个极板801和802之间的电压，使接收该电信号的极板沿垂直于另一极板的极板面的方向移动，从而使电容的两个极板801和802的极板面之间的距离变为标准距离， 其中，标准距离小于电容的两个极板801和802的极板面之间的临界距离。这样，无论是在电容加电加载电荷的过程中，还是在电容接收声音信号的过程中， 电容的任一极板都可以根据供电装置805发送给自身的电信号，在与另一极板的极板面垂直的方向发生位移，从而使两极板的极板面之间的距离变为标准距离，该标准距离小于两极板的极板面之间的临界距离。本实施例中的输出装置806也可以进一步具有模数转换功能，对模拟的音频信号进行模数转换，得到数字音频信号，然后再输出该数字音频信号。输出装置806还可以具有放大功能，对输出的模拟的音频信号或数字音频信号进行放大。本实施例中，环路的带宽大于或等于声音信号的带宽，意味着该环路的反应速度不低于电容极板随声音信号振动的速度，因此，每当极板在声音信号的作用下发生一定的位移时，环路能立即对其进行反馈修正，使两极板的极板面之间的距离恢复为标准距离，这样，相对于图7所示的实施例，本实施例中极板的恢复速度更快。与图7中的输出装置的位置不同，图8所示的实施例中，供电装置805利用控制装置804提供的控制信号，向电容的任一极板，如极板801，提供电信号，以控制该极板进行位移，从而使极板和802的极板面之间的距离恢复为标准距离，同时，又将该电信号，以电压信号或电流信号的形式，发送给输出装置806，以令输出装置806输出幅度和相位分别与电信号的幅度和相位成正比的音频信号，从而实现音频输出功能。这样，声音信号被电容接收，引起其极板的位移，从而改变了极板801与802的极板面之间的距离，间距检测装置803 检测到该距离之后，将其提供给控制装置804，由控制装置804将其与标准距离进行对比， 产生与距离差相对应的控制信号，该控制信号就由供电装置805反馈给电容的任一极板， 控制其发生位移，该位移能够使两极板的极板面之间的距离恢复为标准距离，同时，输出装置806还输出强度与控制信号的强度成正比的音频信号，由此可见，从声音信号输入该麦克风，到输出装置806输出音频信号，这是一个闭环回路，因而该麦克风为闭环音频输出系统。图8所示的实施例中，电容的任一极板随声音信号发生音频误差位移，其原理为极板受到声音信号的压力，在与极板面垂直的方向发生音频误差位移，并且该音频误差位移的位移量与声音信号的压强成正比。图7和图8提供的两个实施例中，极板的静态位移范围远远大于现有技术，因此， 在声音信号的强度发生单位变化的情况下，这两个实施例所输出的音频信号的强度变化远大于现有技术，在外界噪声不变的情况下，本发明大大提高了麦克风的信噪比。图7和图8这两个实施例中，电容、间距检测装置、控制装置、供电装置、输出装置中的全部或者一部分可以位于同一集成电路上，也可以分立设置，即电容、间距检测装置、 控制装置、供电装置、输出装置为不同的电路。在图7所示的实施例中，声音信号引起极板振动，振动的范围小于标准距离，因而该振动不会影响整个麦克风的工作。同样，图8所示的实施例中，由于环路的反馈作用非常迅速，因而声音信号所引起的极板的音频误差位移要比图7实施例中的振动幅度更小，这样，极板的音频误差位移量也小于标准距离，该音频误差位移也不会影响麦克风的工作。另外，本发明还提出了一种电容式麦克风，该麦克风包括电容、输出装置和控制系统，其中，所述电容由两个极板构成，用于接收声音信号；所述输出装置用于输出音频信号；所述控制系统为上述的控制系统。由此可见，该麦克风中，由两块极板构成的用来接收声音信号的电容，受到了控制系统的控制，能够稳定工作在超临界状态，使两块极板间的距离保持为小于极板间临界距离的标准距离，因此，相对于现有技术中的麦克风，本发明提供的电容式麦克风具有更高的麦克风灵敏度，更大的麦克风电容值，更高的麦克风信噪比。图9为本发明提供的电容式麦克风的控制方法流程图。如图9所示，该方法包括步骤901 :电容接收声音信号，该声音信号使电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化；输出装置输出音频信号，音频信号的幅度和相位分别与声音信号的幅度和相位成正比。步骤902 检测电容的两个极板的极板面之间的距离，并将其与标准距离进行比较，得到距离差；生成与距离差相对应的控制信号。步骤903 根据控制信号，向电容的任一极板发送电信号，该电信号用于改变电容的两个极板之间的电压，从而使电容的两个极板的极板面之间的距离变为标准距离，其中， 标准距离小于电容的两个极板的极板面之间的临界距离。该方法中的各步骤没有时间上的先后顺序，步骤901可以与步骤902、903同时进行，从而使在电容接收声音信号、输出装置输出音频信号的同时，进行极板面间距检测、生成控制信号以及利用控制信号发送电信号，从而使极板面间距恢复为标准距离，最终实现电容稳定工作在超临界状态。由此可见，本发明具有以下优点(1)本发明中，由于间距检测装置能够检测出电容两极板的极板面之间的距离，供控制装置将该距离与标准距离进行比较，得到距离差，并生成与该距离差相对应的控制信号，供电装置根据该控制信号得到电信号输出至电容的任一极板，从而使该极板能够按照电信号的要求，在与另一极板的极板面垂直的方向移动，最终使两极板的极板面之间的距离变为标准距离，并且，该标准距离小于两极板的极板面之间的临界距离，即该标准距离小于电容工作在临界状态时的极板间距，因此，本发明能够使麦克风中的电容工作在超临界状态，从而可以得到更高的麦克风灵敏度，更大的麦克风电容值，更高的麦克风信噪比。(2)由于本发明能够保证麦克风中的电容稳定工作在超临界状态，因此，本发明中的电容的静态工作点很稳定，极板的位移量可以超出现有技术的限制，使两极板的极板面的间距小于初始最大间距的三分之二，而且本发明可以有效提高麦克风的灵敏度。(3)由于本发明可以保证两极板的极板面之间的距离稳定为标准距离基本不变， 因此，在电容的电容量相同的前提下，本发明中两极板的极板面的面积可以远小于现有技术，从而有效降低电容式麦克风的生产成本。(4)本发明中，间距检测装置中的探针可以为一个以上的探针，从而提高本发明的
可靠性。
(5)相对于现有技术必须通过提高极板制作工艺、减小加工误差的方式来提高麦克风灵敏度的方式，本发明中，麦克风的灵敏度可以通过电学方式来提高，因而降低了对极板制作工艺的要求，同时也简化了提高麦克风灵敏度的方法。(6)现有技术中，麦克风中的电容工作在亚临界状态，因而其输出的音频信号的功率较小，而本发明则显著提高了麦克风电容极板上输出音频信号的功率，因此，本发明具有广泛的应用范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电容式麦克风的控制系统，所述电容式麦克风包括由两个极板构成的用于接收声音信号的电容，输出音频信号的输出装置，其特征在于，该控制系统包括间距检测装置、控制装置和供电装置；其中，所述间距检测装置用于，检测所述电容的两个极板的极板面之间的距离，并将其发送到所述控制装置；所述控制装置用于，将所述电容的两个极板的极板面之间的距离与标准距离进行比较，得到距离差；生成与所述距离差相对应的控制信号，并将所述控制信号发送到所述供电装置；所述供电装置用于，根据所述控制信号，向所述电容的任一极板发送电信号，该电信号用于改变所述电容的两个极板之间的电压，使接收该电信号的极板沿垂直于另一极板的极板面的方向移动，从而使所述电容的两个极板的极板面之间的距离变为标准距离，其中，所述标准距离小于所述电容的两个极板的极板面之间的临界距离。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述供电装置根据所述控制信号，向所述电容的任一极板发送的电信号为电流信号或电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述间距检测装置包括探针、场发射电流检测电路，其中，所述探针位于所述电容的任一极板的极板面上；所述探针的最高点与探针所在极板的极板面之间的距离小于所述电容的两个极板的极板面之间的标准距离；所述场发射电流检测电路用于，检测探针所在极板的相对极板与所述探针之间的场发射电流；根据所述场发射电流，得到所述电容的两个极板的极板面之间的距离。
4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述间距检测装置包括两个检测板、电容检测电路，其中，所述两个检测板位于所述电容的同一极板的极板面上，所述两个检测板的板面位于同一平面且均与自身所在极板的极板面平行；所述两个检测板的板面的总面积小于自身所在极板的极板面的面积；所述电容检测电路用于，检测所述两个检测板之间的电容；根据所述两个检测板之间的电容量，得到所述电容的两个极板的极板面之间的距离。
5.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述电容、间距检测装置、控制装置、供电装置、输出装置中的全部或者一部分位于同一集成电路上；或，所述电容、间距检测装置、控制装置、供电装置、输出装置为不同的电路。
6.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述电容的任一极板由半导体材料制成。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电容、间距检测装置、控制装置和供电装置构成的环路的带宽小于所述声音信号的带宽；所述声音信号使所述电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化；其中，所述电容的任一极板向所述输出装置发送输出电信号，所述输出电信号的幅度与所述声音信号使所述两个极板的极板面之间距离的变化量成正比；所述输出装置用于，输出音频信号，所述音频信号的幅度和相位分别与所述输出电信号的幅度和相位成正比。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电容、间距检测装置、控制装置和供电装置构成的环路的带宽大于或等于声音信号的带宽；所述声音信号使所述电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化；其中，所述输出装置输出的音频信号的幅度和相位分别与所述供电装置向所述电容的任一极板发送的电信号的幅度和相位成正比。
9.根据权利要求7或8所述的麦克风，其特征在于，所述输出装置进一步用于，对所述音频信号进行模数转换，得到数字音频信号；输出所述数字音频信号。
10.一种电容式麦克风，其特征在于，该麦克风包括电容、输出装置和控制系统，其中，所述电容由两个极板构成，用于接收声音信号； 所述输出装置用于输出音频信号；所述控制系统为权利要求1至9任一权利要求所述的控制系统。
11.一种电容式麦克风的控制方法，其特征在于，该方法包括电容接收声音信号，该声音信号使所述电容的两个极板的极板面之间的距离发生变化；输出装置输出音频信号，所述音频信号的幅度和相位分别与所述声音信号的幅度和相位成正比；检测所述电容的两个极板的极板面之间的距离，并将其与标准距离进行比较，得到距离差；生成与所述距离差相对应的控制信号；根据所述控制信号，向所述电容的任一极板发送电信号，该电信号用于改变所述电容的两个极板之间的电压，从而使所述电容的两个极板的极板面之间的距离变为标准距离， 其中，所述标准距离小于所述电容的两个极板的极板面之间的临界距离。
全文摘要
本发明涉及一种电容式麦克风及其控制系统和控制方法。该麦克风包括由两极板构成的接收声音信号的电容，输出音频信号的输出装置，该控制系统包括检测电容两极板的极板面间距，将其送到控制装置的间距检测装置；将极板面间距与标准距离比较，得到距离差；生成与距离差对应的控制信号，并将控制信号发送到供电装置的控制装置；根据控制信号向电容任一极板发送电信号，改变电容两极板间的电压，使接收电信号的极板沿垂直于另一极板极板面的方向移动，从而使电容两极板的极板面间距变为标准距离的供电装置；其中，标准距离小于电容两极板的极板面之间的临界距离。利用本发明的技术方案，能使其中的电容工作在超临界状态。
文档编号H04R3/00GK102547520SQ20101060254
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者杨少军 申请人:北京卓锐微技术有限公司