MEMS麦克风及其工作控制方法

摘要

本发明涉及麦克风技术领域，尤其涉及一种MEMS麦克风及其工作控制方法，该MEMS麦克风包括第一MEMS麦克风单元、第二MEMS麦克风单元以及ASIC芯片，所述第二MEMS麦克风单元的灵敏度大于所述第一MEMS麦克风单元的灵敏度，ASIC芯片包括第一放大器、第一模数转换器、第二放大器、第二模数转换器以及分别与第一模数转换器和第二模数转换器电连接的输出端。本发明的MEMS麦克风通过设置灵敏度不同的第一MEMS麦克风单元和第二MEMS麦克风单元，得到两路灵敏度不同的电信号，再由两个模数转换器分别将两路电信号转化为两路数字信号，叠加后输出，实现了超大动态范围，在高信噪比的同时还实现了高AOP。

权利要求

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括第一MEMS麦克风单元、第二MEMS麦克风单元以及ASIC芯片，所述第二MEMS麦克风单元的灵敏度大于所述第一MEMS麦克风单元的灵敏度，所述ASIC芯片包括与所述第一MEMS麦克风单元电连接的第一放大器、与所述第一放大器电连接的第一模数转换器、与所述第二MEMS麦克风单元电连接的第二放大器、与所述第二放大器电连接的第二模数转换器以及分别与所述第一模数转换器和所述第二模数转换器电连接的输出端，其中，所述第一模数转换器以第一时钟信号进行工作，所述第二模数转换器以第二时钟信号进行工作，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号周期相同且相位延迟一个或多个所述周期。

2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一MEMS麦克风单元为第一MEMS芯片，所述第二MEMS麦克风单元为第二MEMS芯片。

3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述ASIC芯片还包括用于为所述第一MEMS芯片提供偏置电压的第一偏置电压模块以及为所述第二MEMS芯片提供偏置电压的第二偏置电压模块。

4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一MEMS麦克风单元包括第一振膜，所述第二MEMS麦克风单元包括第二振膜，所述第一MEMS麦克风单元和所述第二MEMS麦克风单元被集成于第三MEMS芯片上。

5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一MEMS麦克风单元的输入端与所述第二MEMS麦克风单元的输入端彼此连接且均接地。

6.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一放大器的第一输入端与所述第一MEMS麦克风单元的输出端连接，所述第一放大器的第二输入端接地；所述第二放大器的第一输入端与所述第二MEMS麦克风单元的输出端连接，所述第二放大器的第二输入端接地。

7.一种MEMS麦克风的工作控制方法，所述MEMS麦克风为权利要求1至6任一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，包括：

第一MEMS麦克风单元和第二MEMS麦克风单元分别将输入到所述MEMS麦克风的声音信号转化为第一电信号和第二电信号，其中，所述第二电信号的灵敏度大于所述第一电信号的灵敏度；

第一模数转换器将经第一放大器处理的第一电信号转化为第一数字信号，第二模数转换器将经第二放大器处理的第二电信号转化为第二数字信号，其中，所述第一模数转换器以第一时钟信号进行工作，所述第二模数转换器以第二时钟信号进行工作，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号周期相同且相位延迟一个或多个所述周期；

将所述第一数字信号和所述第二数字信号进行叠加后输出。

8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风的工作控制方法，其特征在于，所述第一数字信号位于高位范围，所述第二数字信号位于低位范围。

9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风的工作控制方法，其特征在于，所述第一MEMS麦克风单元的灵敏度为‑68dBFS，所述第二MEMS麦克风单元的灵敏度为‑20dBFS，所述第一数字信号和所述第二数字信号的叠加信号的动态范围为‑144dBFS～0dBFS。

10.根据权利要求9所述的MEMS麦克风的工作控制方法，其特征在于，所述第一数字信号和所述第二数字信号的叠加信号的声压为18dBSPL～162dBSPL。

说明书

MEMS麦克风及其工作控制方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及麦克风技术领域，尤其涉及一种MEMS麦克风及其工作控制方法。【背景技术】

[0002] MEMS麦克风主要包括MEMS传感器和ASIC(Application‑Specific Integrated Circuit，专用集成电路)芯片，两者电性连接以实现将声音信号转换成电信号从而实现麦
克风的功能。

[0003] 现有技术的MEMS麦克风大多通过ASIC芯片中的一个放大器对电信号进行放大并输出，无法同时兼顾高信噪比和高AOP(Acoustic Overload Point，声学过载点)。

[0004] 因此，有必要提供一种新的MEMS麦克风以解决上述技术问题。【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风及其工作控制方法，以解决现有技术中MEMS麦克风无法同时兼顾高信噪比和高AOP的技术问题。

[0006] 本发明的技术方案如下：提供一种MEMS麦克风，包括第一MEMS麦克风单元、第二MEMS麦克风单元以及ASIC芯片，所述第二MEMS麦克风单元的灵敏度大于所述第一MEMS麦克
风单元的灵敏度，所述ASIC芯片包括与所述第一MEMS麦克风单元电连接的第一放大器、与
所述第一放大器电连接的第一模数转换器、与所述第二MEMS麦克风单元电连接的第二放大
器、与所述第二放大器电连接的第二模数转换器以及分别与所述第一模数转换器和所述第
二模数转换器电连接的输出端。

[0007] 优选地，所述第一MEMS麦克风单元为第一MEMS芯片，所述第二MEMS 麦克风单元为第二MEMS芯片。

[0008] 优选地，所述ASIC芯片还包括用于为所述第一MEMS芯片提供偏置电压的第一偏置电压模块以及为所述第二MEMS芯片提供偏置电压的第二偏置电压模块。

[0009] 优选地，所述第一MEMS麦克风单元包括第一振膜，所述第二MEMS麦克风单元包括第二振膜，所述第一MEMS麦克风单元和所述第二MEMS麦克风单元被集成于第三MEMS芯片
上。

[0010] 优选地，所述第一MEMS麦克风单元的输入端与所述第二MEMS麦克风单元的输入端彼此连接且均接地。

[0011] 优选地，所述第一放大器的第一输入端与所述第一MEMS麦克风单元的输出端连接，所述第一放大器的第二输入端接地；所述第二放大器的第一输入端与所述第二MEMS麦
克风单元的输出端连接，所述第二放大器的第二输入端接地。

[0012] 本发明的另一技术方案如下：提供一种MEMS麦克风的工作控制方法，所述MEMS麦克风为上述的MEMS麦克风，包括：

[0013] 第一MEMS麦克风单元和第二MEMS麦克风单元分别将输入到所述MEMS 麦克风的声音信号转化为第一电信号和第二电信号，其中，所述第二电信号的灵敏度大于所述第一电
信号的灵敏度；

[0014] 第一模数转换器将经第一放大器处理的第一电信号转化为第一数字信号，第二模数转换器将经第二放大器处理的第二电信号转化为第二数字信号，其中，所述第一模数转
换器以第一时钟信号进行工作，所述第二模数转换器以第二时钟信号进行工作，所述第一
时钟信号和所述第二时钟信号周期相同且相位延迟一个或多个所述周期；

[0015] 将所述第一数字信号和所述第二数字信号进行叠加后输出。

[0016] 优选地，所述第一数字信号位于高位范围，所述第二数字信号位于低位范围。

[0017] 优选地，所述第一MEMS麦克风单元的灵敏度为‑68dBFS，所述第二MEMS 麦克风单元的灵敏度为‑20dBFS，所述第一数字信号和所述第二数字信号的叠加信号的动态范围为‑
144dBFS～0dBFS。

[0018] 优选地，所述第一数字信号和所述第二数字信号的叠加信号的声压为18dBSPL～162dBSPL。

[0019] 本发明的有益效果在于：本发明的MEMS麦克风通过设置灵敏度不同的第一MEMS麦克风单元和第二MEMS麦克风单元，得到两路灵敏度不同的电信号，再由两个模数转换器分
别将两路电信号转化为两路数字信号，叠加后输出，实现了超大动态范围，在高信噪比的同
时还实现了高AOP。
【附图说明】

[0020] 图1为本发明第一实施例的MEMS麦克风的结构示意图；

[0021] 图2为本发明第一实施例的MEMS麦克风的优选实施方式的结构示意图；

[0022] 图3为本发明第一实施例的MEMS麦克风的工作原理图；

[0023] 图4为本发明第二实施例的MEMS麦克风的工作控制方法的流程图；

[0024] 图5为本发明第二实施例的MEMS麦克风的工作控制方法的原理图。【具体实施方式】

[0025] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所
描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻
全面。

[0026] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

[0027] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

[0028] 第一实施例

[0029] 请参阅图1至图3所示，本发明第一实施例提供的MEMS麦克风包括第一MEMS麦克风单元10、第二MEMS麦克风单元20以及ASIC芯片30，所述第二MEMS麦克风单元20的灵敏度大
于所述第一MEMS麦克风单元10的灵敏度，所述ASIC芯片30包括与所述第一MEMS麦克风单元
10电连接的第一放大器31、与所述第一放大器31电连接的第一模数转换器32、与所述第二
MEMS麦克风单元20电连接的第二放大器33、与所述第二放大器33 电连接的第二模数转换
器34以及分别与所述第一模数转换器32和所述第二模数转换器34电连接的输出端35。

[0030] 在本实施例中，第一MEMS麦克风单元10为低灵敏度的麦克风传感器，所转化形成的电信号为低灵敏度电信号；第二MEMS麦克风单元20为高灵敏度的麦克风传感器，所转化
形成的电信号为高灵敏度电信号；第一放大器31对低灵敏度电信号进行放大，第二放大器
33对高灵敏度电信号进行放大；请参阅图3所示，第一模数转换器32将低灵敏度电信号转化
为数字信号，第二模数转换器34将高灵敏度电信号转化为数字信号，第一模数转换器32输
出的数字信号和第二模数转换器34输出的数字信号分别以高位和低位在同一条数据线上
传输，高AOP和高信噪比同时实现。

[0031] 在第一个可选的实施方式中，所述第一MEMS麦克风单元10为第一 MEMS芯片，所述第二MEMS麦克风单元20为第二MEMS芯片。进一步地，第一MEMS芯片和第二MEMS芯片可以采
用相同的MEMS芯片，通过对第一 MEMS芯片和第二MEMS芯片分别提供不同的偏置电压实现
对第一MEMS芯片和第二MEMS芯片灵敏度的调节。于是，请参阅图2所示，在本实施方式中，所
述ASIC芯片30还包括用于为所述第一MEMS芯片提供偏置电压的第一偏置电压模块36以及
为所述第二MEMS芯片提供偏置电压的第二偏置电压模块37。

[0032] 在第二个可选的实施方式中，所述第一MEMS麦克风单元10包括第一振膜，所述第二MEMS麦克风单元20包括第二振膜，其中，第一振膜和第二振膜的结构和尺寸均不相同，以
实现第一MEMS麦克风单元10和第二 MEMS麦克风单元20灵敏度不同，并且，所述第一MEMS麦
克风单元10和所述第二MEMS麦克风单元20可以被集成于同一个MEMS芯片上。

[0033] 请继续参阅图1所示，所述第一MEMS麦克风单元10的输入端11与所述第二MEMS麦克风单元20的输入端21彼此连接且均接地。所述第一放大器31的第一输入端311与所述第
一MEMS麦克风单元10的输出端12连接，所述第一放大器31的第二输入端312接地；所述第二
放大器33的第一输入端331与所述第二MEMS麦克风单元20的输出端22连接，所述第二放大
器33的第二输入端332接地。第一模数转换器32的输入端321与第一放大器31的输出端313
连接，所述第二模数转换器34的输入端341与第二放大器33的输出端333连接，所述第一模
数转换器32的输出端322和所述第二模数转换器34的输出端342均与ASIC芯片30的输出端
35连接。

[0034] 第二实施例

[0035] 本发明实施例提供了一种MEMS麦克风的工作控制方法，应用于第一实施例的MEMS麦克风，请参阅图4所示，该工作控制方法包括如下步骤：

[0036] S101，第一MEMS麦克风单元10和第二MEMS麦克风单元20分别将输入到所述MEMS麦克风的声音信号转化为第一电信号和第二电信号，其中，所述第二电信号的灵敏度大于所
述第一电信号的灵敏度。

[0037] S102，第一模数转换器33将经第一放大器31处理的第一电信号转化为第一数字信号，第二模数转换器34将经第二放大器32处理的第二电信号转化为第二数字信号，其中，所
述第一模数转换器33以第一时钟信号进行工作，所述第二模数转换器34以第二时钟信号进
行工作，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号周期相同且相位延迟一个或多个所述周
期。

[0038] S103，将所述第一数字信号和所述第二数字信号进行叠加后输出。

[0039] 在步骤S101中，第一MEMS麦克风单元10和第二MEMS麦克风单元20 对同一声音信号分别进行处理，得到第一电信号和第二电信号。在步骤 S102中，可以令第一模数转换器
33和第二模数转换器34中其中一个比另一个延迟若干个时钟周期，例如，第一时钟信号的
相位比第二时钟信号延迟一个或多个周期，或者，第二时钟信号的相位比第一时钟信号延
迟一个或多个周期。在步骤S103中，第一数字信号被写入高位，第二数字信号被写入低位，
两路数字信号叠加后由输出端35输出。

[0040] 在本实施例中，当声音较小时，低灵敏度的第一电信号很小，通过第一模数转换器33转换得到的第一数字信号写入高位，高位数据保持为0；高灵敏度的第二电信号通过第二
模数转换器34转换得到的第二数字信号写入低位。当声音较大时，高灵敏度的第二电信号
转化形成的第一数字信号达到满量程，低灵敏度的第一电信号转化形成的第二数字信号写
入高位。

[0041] 具体地，在典型的工作模式下，高位数据为8bit，低位数据为16bit，所述第一MEMS麦克风单元10的灵敏度为‑68dBFS，所述第二MEMS麦克风单元20的灵敏度为‑20dBFS。对于
16位的数字信号，最大值为65536，全分贝刻度(Decibels Full Scale，dBFS)的计算公式为
其中，sample为1～65536，于是，第二数字信号的动态范围为‑
96dBFS～ 0dBFS。类似地，可得第一数字信号的动态范围为‑48dBFS～0dBFS。于是，所述第
一数字信号和所述第二数字信号的叠加信号的动态范围为‑ 144dBFS～0dBFS。所述第一数
字信号和所述第二数字信号的叠加信号的声压为18dBSPL～162dBSPL。

[0042] 以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范
围。