CN109565637B - Mems麦克风和用于mems麦克风的自校准的方法 - Google Patents

Abstract

在电容性工作的MEMS麦克风中，通过改变偏置电压确定吸合点并且在此确定当前的吸合电压和在膜片与背电极之间的相应的吸合电容。由当前的吸合点与第一吸合点的在最终测试之后所确定的并且被保存在MEMS麦克风的内部存储器中的值和在第一工作点处的同样被保存的值的偏差确定并设定被重新校准的偏置电压，并且由此使灵敏度又逼近在原始第一工作点处的灵敏度。

Description

MEMS麦克风和用于MEMS麦克风的自校准的方法

背景技术

电容性工作的MEMS麦克风具有MEMS传感器，所述MEMS传感器的记录声音的膜片与一个或两个相邻的背电极构成电容。该电容根据偏转而变化。由所测量到的电容变化在ASIC中计算并放大电压，所述电压是声信号的度量。

为了设定所期望的灵敏度，在MEMS传感器处在膜片与背电极之间施加偏置（BIAS）电压，以便以电学的方式对膜片预加应力。偏置电压也可以被用于使MEMS麦克风与确定的环境或那里存在的条件匹配。

由于制造公差，MEMS麦克风可能具有其固有特性的偏差。对于高品质的MEMS麦克风而言，因此MEMS麦克风的校准是绝对必要的。

可是甚至良好地被校准的MEMS麦克风也可能具有老化，在老化的情况下灵敏度根据环境影响、尤其机械、热力和湿气作用即使在偏置电压未改变的情况下也变化。这可能达到与所期望的值的不允许的偏差。

然而，至今，用于重新校准这样老化的MEMS麦克风并且重新设定所期望的灵敏度的方法是未知的，因为这需要已知的声环境和被校准的参考麦克风。这在麦克风在用户处正常运行中或在安装到设备或其他电路环境中不可用。

发明内容

本发明的任务因此是，说明一种MEMS麦克风，利用该MEMS麦克风可以执行用于在任意环境中的事后校准的方法。

该任务根据本发明通过根据两个独立权利要求所述的MEMS麦克风和用于自校准的方法来解决。本发明的有利的设计方案由其他权利要求得知。

本发明的基本思想是，将MEMS传感器的在膜片与背电极之间施加的电容用作麦克风的灵敏度的度量。相同的原理虽然利用其他变换类型（电容、电压、电流、电荷）也起作用，然而有利地使用电容变化。

通常仅仅在限定的声环境中实现由电容确定MEMS麦克风的灵敏度的绝对值。

然而，利用相对简单的装置可能的是，在任何时刻确定MEMS传感器的吸合电压。这是如下电压，在该电压的情况下膜片和背电极通过电预应力和因此还有机械预应力逼近到如下程度，即发生直接接触。这要么导致短路要么导致在吸合点处电容的明显增加。

为了重新校准现在提出，比较在吸合点处的测量值与最初在最终测试中确定的针对第一吸合点和原始吸合点的测量值的偏差。由此得出不仅吸合电压、即偏置电压（在该电压的情况下出现吸合）的漂移，而且得出在吸合点处所测量到的电容或在直到现在的偏置设定与直接在吸合之前的偏置设定之间的电容变化的偏差。

这些测量值和所存储的来自最终测试的值现在用于确定新的工作点，在该工作点处吸合点关于吸合电压和确定的吸合电容的漂移被补偿。

作为第一补偿分量可以使用吸合电压的绝对漂移。该漂移被增加到直到现在的工作电压上。

在吸合电容的漂移方面，如下电压差用作第二加性补偿分量，该电压差应是必要的，以便补偿吸合点在最终测试的时刻所测量到的电容漂移，所述最终测试在限定的声环境中直接在制造MEMS麦克风之后被执行。

为了确定该电压差，因此动用在最终测试中所存储的针对第一吸合点和第一工作点的测量值。由示出电容与施加的偏置电压的依赖性的曲线图的斜率现在内推到老化的MEMS传感器的特性。斜率可以由连接第一吸合点和第一工作点的直线来确定。用于补偿电容漂移的电压差用作其他加性补偿分量。因此，针对新工作点被重新校准的偏置电压通过将直到现在的工作电压和两个补偿分量相加来获得。

为了精确地执行该方法，逐步地提高在MEMS麦克风处施加的偏置电压，直至达到当前的吸合点并且确定了MEMS麦克风的当前的吸合电压V_pa和相应的当前的吸合电容C_pa。这两个测量值可以在任意时刻并且在任意位置处并且因此在MEMS麦克风运行期间在任意阶段中可靠地被确定。

当前的吸合点的这些值现在与固定地在ASIC的内部存储器中存放的来自最终测试的测量值进行比较。所存储的测量值至少包括原始吸合电压、吸合电容以及在工作点处的偏置电压（第一工作电压V_S1）和相关的工作电容（第一工作电容C_S1）。由这些已知的值现在确定：施加的偏置电压必须如何被改变，以便实现吸合电容与第一工作电容之间的电容差。

紧接着，将施加的第一工作电压VS₁提高（或必要时降低）校正值并且设定为新的工作电压VS_neu。

吸合例如借助灵敏度测量来证实。不断地提高偏置电压并且针对每个点确定灵敏度。在吸合的情况下，这得出灵敏度跃变（即使在其他麦克风转换器类型：电容、电流、电压、电荷的情况下也存在这种跃变）。在跃变中所测量到的灵敏度和偏置电压可以与所期望的灵敏度和偏置电压一起被用于校准。

为了检验该方法的效率或精确性，在一系列老化的麦克风中执行根据本发明的方法。与之并行地，通过在标准化的声环境中的测试来检验实际灵敏度。在该测试中表明：关于所有被测试的麦克风最初所设定的灵敏度从最初所测量到的-38+/-0.05 dBV/Pa由于老化而改变并且灵敏度现在散布在-38+/-1.97 dBV/Pa的范围中。与所设定的灵敏度的偏差或这样的测量值公差明显太高。

在借助所提到的灵敏度测量执行根据本发明的自校准算法之后，与所期望的灵敏度的偏差明显被减小并且现在仅还为-38+/-0.31 dBV/Pa。虽然不再获得原始灵敏度或与所期望的灵敏度的原始的小的偏差，但明显减小与所期望的灵敏度的偏差。因此证明根据本发明的方法的有效性。

麦克风的成功校准的前提是在MEMS麦克风的ASIC中所保存的在限定的条件下所执行的最终测试的值。在最终测试期间，确定第一吸合电压V_P1，其方式是：在以限定的步长提高偏置电压期间，不断地确定MEMS传感器处的电容。与之并行地，经由标准化的测量环境确定灵敏度。由测量值识别，针对所期望的灵敏度应设定哪个工作电压。在所期望的灵敏度的情况下所确定的电容值（第一工作电容C_S1）被取作所期望的灵敏度的替代值并且被存放在ASIC的内部存储器中。相应地，保存在吸合点处的电容和偏置电压。由在最终测试期间在工作点与吸合点之间的测量曲线的斜率获得如下值，所述值被需要用于补偿在吸合点处被改变的电容（当前的吸合电容）。

用于自校准的方法可以任意多次地被重复。然而在此始终动用所存储的来自最终测试的第一值，以便进行相应的重新校准。可以丢弃来自先前进行的重新校准的相应的测量值。

适合于重新逼近所期望的灵敏度的被重新校准的偏置电压VS_neu例如可以根据如下公式来计算：

V_Sneu=V_S1 - (V_P1 - V_P2) + (C_P1 - C_P2) x (V_P1 - V_P2) / (C_P1 - C_P2)

在此，值（V_P1 - V_P2）对应于吸合点的电压漂移，而值（C_P1 - C_P2）对应于吸合点的电容漂移。由（V_P1 - V_P2）和（C_P1 - C_P2）构成的商在此对应于来自最终测试的测量曲线的斜率，所述斜率说明确定的电容与施加的偏置电压的依赖性。

如果校准方法代替电容值而利用灵敏度、电感、电流、电压或电荷，则该公式类似地被变形。

重新校准或自校准可以被执行多次。作为用于重新校准的触发器可以使用确定的规则，所述规则检测确定的声或热应力负荷的达到。然而，也可能的是，以固定的时间间隔执行重新校准。替代地，当然随时都可以由用户触发重新校准。如果麦克风遭受强机械负荷或强热负荷并且可以预料到特性漂移，那么这将被指明。当使用易失性存储器时，重新校准或自校准可以替代地或附加地在每次重新启动设备时被执行，于是最后的校准的值从该易失性存储器中被删除。

不仅在最终测试中而且在每次重新校准期间，逐步地提高施加在MEMS传感器处的偏置电压，直至达到吸合点。在每个步骤之后，确定相应的电容。因为在达到吸合点的情况下在通常具有epsilon > 1的绝缘体/电介质处于膜片与对应电极之间时MEMS传感器的电容跃变到非常大的值，因此必要的是，使用直接在达到吸合之前的分别在前的电容值作为可用于该方法的吸合电容，该电容值直接在达到吸合点之前发生。优选地，偏置电压不仅在最终测试时而且在重新校准时以恒定的步长被升高。然而，也可能的是，只要吸合点的达到还未直接被预料到，就使用不同的级。

根据本发明的具有自校准设备的MEMS麦克风包括电容性工作的MEMS传感器和与该MEMS传感器连接的ASIC。在MEMS传感器处可以施加偏置电压。为了能够执行用于自校准的方法，ASIC被设计用于如下步骤：

a）逐级地提高在MEMS传感器处施加的偏置电压

b）确定在此分别在MEMS传感器处构成的电容或电容变化

c）经由电容测量确定当前的吸合点

d）在ASIC的非易失性内部存储器中保存在吸合点处的偏置电压VP₁和相关的电容CP₁或电容变化的测量值

e）在使用当前所确定的测量值和已经保存的来自最终测试的测量值的情况下执行用于通过计算被重新校准的偏置电压VS_neu来重新校准的算法

f）将被重新校准的偏置电压VS_neu施加到MEMS传感器上。

因为即使利用已经已知的MEMS麦克风在限定的声环境中的首次校准也是可能的，所以已知的MEM麦克风也已经包括用于改变施加的偏置电压的装置。至少该值在已知的MEMS麦克风中也被存放在ASIC的内部存储器中。对于根据本发明的MEMS麦克风而言，现在仅仅扩展的存储器、以及在ASIC中存放的将当前的测量值和所保存的测量值相应地转换的算法是必要的，以便针对被重新计算的工作点确定新的所计算的偏置电压。最后，在MEMS麦克风中设定被重新确定的工作电压，以此结束重新校准。也可能的是，将新的校准值持久地存储在ASIC或例如还有电话的存储器中，该麦克风被安装到该电话中。

附图说明

在下文中，按照实施例和相关的图更详细地解释本发明。

图1示出根据本发明的具有自校准的MEMS麦克风的示意性结构，

图2示出在执行最终测试和自校准的情况下的示意性方法流程，

图3以图表示出在最终测试之后和在老化之后MEMS传感器的电容与所施加的偏置电压的依赖性，

图4针对五个不同的MEMS麦克风示出在最终测试之后所设定的灵敏度以及在焊接之后和在重新校准之后所确定的灵敏度。

具体实施方式

图1示出根据本发明的MEMS麦克风MIC的示意性结构。该MEMS麦克风包括MEMS传感器MS和ASIC AS，这两者被构成为芯片器件并且优选地可以并排地或相叠地布置在共同的载体上。MEMS麦克风MIC的核心件是MEMS传感器MS，该MEMS传感器被构成为具有一个可移动的电极（膜片）和一个或两个固定电极的微型化电容。MEMS传感器MS的电容C或电容变化delta C经由用于电容测量CM的设备来检测并且被转换成电压，该电压是膜片的偏转的度量并且因此是所接收的声信号的强度的度量。

借助偏置电压发生器BS产生例如在8-16V之间的所期望的偏置电压并且在MEMS传感器MS中施加在膜片与固定电极之间。合适的偏置电压例如为大约12伏特。在MEMS传感器MS的电极处所截取的信号、例如电容或电容变化和由此在ASIC中生成的电压信号经由放大器AMP被输送给MEMS麦克风MIC的输出端OUT。

此外，ASIC包括用于自校准SC的设备，该设备例如被构成为可编程的逻辑电路。该逻辑电路处理由电容测量CM提供的数据并且将这些数据与存放在内部存储器IM中的数据进行比较。

作为自校准的结果，获得被重新校准的偏置电压VS_neu，其中MEMS麦克风的灵敏度又逼近目标值。在新工作点处的测量值紧接着同样可以被存放在内部存储器IM中。在任何情况下，在针对最优工作点重新校准时所确定的偏置电压VS_neu被引导到偏置电压发生器BS，该偏置电压发生器产生该偏置电压并且在MEMS传感器MS处相应地设定该偏置电压。

该ASIC被构成为集成电路并且例如基于硅CMOS技术或砷化镓来实施。然而，为了实现ASIC的所期望的功能，其他技术也是可能的。

图2示出根据本发明的MEMS麦克风的自校准如何能够被执行的示意性方法流程。在自校准之前是最终测试ET，所述最终测试直接在制造MEMS传感器MS之后在限定的声环境中被执行。当然也可能的是，在任意的以后的时刻进行该最终测试或首次校准，必要时甚至在将麦克风安装到所期望的设备、例如移动电话之后才进行该最终测试或首次校准。

在最终测试ET中，根据施加的偏置电压测量MEMS传感器MS的灵敏度。执行测量直至达到吸合点（Pull-in-Punkt）PI，在该测量中所测量的灵敏度（或电容或电容变化）进行已经提及的跃变或至少经历强的扰动。所期望的灵敏度/电容和尤其为此必要的第一工作电压VS₁被存放在内部存储器IM中，在工作点处所测量的MEMS传感器的第一工作电容CS₁也同样。相应的数据针对吸合点被确定和保存。假定：电容是灵敏度的度量。

借助这些被存放在内部存储器IM中的数据和在图1中示例性呈现的装置现在实现自校准SC。在此，首先借助电压发生器VS逐级地升高在MEMS传感器MS处施加的偏置电压。在每一级中，执行电容测量CM或其变化的测量。在逻辑电路中，现在按照借助所设定的偏置电压所测量的电容/电容变化来检查，是否达到了吸合点PI。如果还未达到吸合点（N），则在偏置电压发生器VS中将偏置电压重新提高一级。如果逻辑电路得出：在施加的偏置电压的情况下达到了吸合（Y），则将这些值馈入到自校准算法SCA中。将这些值与存放在内部存储器IM中的来自最终测试的数据进行比较，所述数据同样是自校准算法的参数。作为自校准的结果，被重新校准的工作电压VS_neu被获得，被存放在内部存储器IM中并且只要没有执行重新校准，就为了MEMS麦克风的进一步运行被用作不可改变的偏置电压。

在预先给定的时间之后和/或在达到确定的条件之后和/或根据麦克风用户的请求，可以重新执行自校准。在此，又针对当前的吸合点测量数据并且经由自校准算法与来自最终测试ET的相应的数据进行比较，并且被重新校准的偏置电压被确定并且为了MEMS麦克风的进一步运行被作为基础。

图3示出在最终测试中所确定的（以dBV/Pa测量的）麦克风灵敏度与（以伏特测量的）施加的偏置电压的依赖性。以三角形示出的测量点在该图中得出上面的曲线。

现在设定所期望的目标灵敏度，其例如位于-38dBV/Pa处。为了设定该灵敏度，这里例如大约11.1伏特的偏置电压是必要的。与实际灵敏度并行地在最终测试期间也确定MEMS传感器的与其成比例的电容/电容变化，所述电容/电容变化在第一工作电压VS₁的情况下在所设定的第一工作点中具有第一工作电容CS₁。但在为了清楚起见在当前的图表中舍弃相应的电容标度的示出。

在MEMS麦克风的热负荷或机械负荷或其他老化之后，例如在将麦克风焊接到电路环境中之后，现在执行第一自校准。为此，利用在图2中示意性示出的方法确定MEMS麦克风的当前的吸合点。该吸合点位于当前的吸合电容CP_a处，该吸合电容在当前的工作电压VP_a的情况下出现。该吸合点与第一工作吸合点不仅关于为此必要的偏置电压而且关于在此所测量的当前的吸合电容不同。偏差针对电压为ΔX并且针对电容/电容变化为ΔY。

为了重新校准，现在必须补偿两个偏差ΔX和ΔY。为此，首先将施加的偏置电压移动直接可读的值ΔX。为了补偿Y漂移ΔY，假定：MEMS麦克风的灵敏度根据在老化之后施加的偏置电压（下面的曲线）与在最终测试中精确确定的上面的曲线类似地表现。

现在如下步骤的数量被取得（hergenommen），所述步骤在将电压提高恒定值时是必要的，以便从第一工作电压VS₁的值直至达到在第一吸合电压VP₁的情况下实现吸合。对应于该数量的电压差现在被用作其他加数，用于确定被重新校准的工作电压。目标是，设定工作电压，使得尽可能精确地又达到所期望的这里为-38 dBV/Pa的目标灵敏度。自校准算法在此仅仅是近似法，因为所达到的结果、即在重新校准之后实际设定的灵敏度虽然较好地逼近目标值，但还总是可能偏离该目标值。但麦克风的灵敏度的精确的确定在自校准的情况下是不可能的。

为了检验自校准的成功，多个、这里五个不同的MEMS麦克风被取得并且经受最终测试和首次校准。在到所期望的第一工作点上的该首次校准之后，所有五个麦克风几乎具有-38 dBV/Pa的相同目标灵敏度。偏差在此仅为0.05 dBV/Pa。线1连接五个麦克风的所设定的实际灵敏度并且仅仅不显著地偏离水平直线。

在将MEMS麦克风焊接到电路环境中之后，在所设定的第一工作电压的情况下执行麦克风灵敏度的新的精确的测定。线2连接五个麦克风的测量点。可以清楚地看出，线2明显地偏离所设定的麦克风灵敏度的理想线或原始分布1。针对五个麦克风得出+/-1.97 dBV/Pa的灵敏度的偏差。这样的偏差对于高功率麦克风而言是不可接受的。

在所有五个麦克风处现在分别执行根据本发明的自校准。在此，针对相应的麦克风确定被重新校准的工作电压并且施加在MEMS传感器处。针对这样被重新校准的五个麦克风现在重新执行灵敏度测量。线3连接五个被重新校准的麦克风的测量点。表明了：被重新校准的灵敏度又良好地逼近最初所确定的和所设定的灵敏度。所达到的偏差平均仅还为+/-0.31 dBV/Pa。纯粹视觉上，这也可以从图形中识别出曲线2逼近原始曲线1。利用箭头4示出了改善的程度，即灵敏度通过根据本发明的重新校准朝着所期望的方向能够多强地被改变。这示出根据本发明的方法的成功。

尽管仅按照实施例描述了本发明，但本发明并不限于该实施例。利用根据本发明的方法可以校准不仅模拟的而且数字的、电容性工作的MEMS麦克风，其中校准可以自动地和/或应用户的请求执行。为了实现根据本发明的自校准方法，仅仅ASIC架构的不显著的扩展是必要的，使得根据本发明的MEMS麦克风仅仅需要不显著地提高的硬件耗费。因此，不仅根据本发明的麦克风仅仅不显著地被提高价格，而根据本发明的自校准方法可以自动化地并且快速地被执行，并且同样不需要更大的时间上的或与能量有关的额外耗费。

附图标记列表

MIC MEMS麦克风

VP1 第一吸合电压

BS 偏置电压发生器

VS₁ 在第一工作点处的第一工作电压

CS₁ 第一工作电容

CP₁ 在第一吸合点处的第一吸合电容

VP₁ 第一吸合电压

IM 内部存储器

VP_a 当前的吸合电压

CP_a 当前的吸合电容

VS_neu 被重新校准的偏置电压

MS MEMS传感器

AS ASIC

AMP 放大器

CM 电容测量

SC 自校准

OUT 麦克风输出端

VDD 供给电压

GND 地

CLK 时钟

W/R 写/读输入端

VS 电压改变

PI 吸合

1 所期望的灵敏度

2 在焊接之后的灵敏度

3 在自校准之后的灵敏度

4 灵敏度的移动

ΔX 吸合点的X漂移

ΔY 吸合点的Y漂移。

Claims (6)

1.用于重新校准电容性工作的MEMS麦克风（MIC）的方法，

其中直接在制造所述MEMS麦克风（MIC）之后执行最终测试，包括：

- 确定第一吸合电压VP₁，

- 通过将偏置电压改变到第一工作电压VS₁，根据所述MEMS麦克风的所期望的灵敏度设定工作点，

- 在所述第一吸合电压VP₁的情况下确定所述MEMS麦克风的第一吸合电容CP₁并且在所述第一工作电压VS₁的情况下确定第一工作电容CS₁或替代地确定所观测的值的相应的变化，在吸合点处的与所述偏置电压的当前的提高相联系的电容变化，

- 将值CS₁、VS₁、CP₁和VP₁存储在所述MEMS麦克风的内部存储器（IM）中，

其中在将所述MEMS麦克风安装到电路环境中之后执行首次重新校准，

其中逐步地提高在所述MEMS麦克风处施加的偏置电压，以便确定在所述MEMS麦克风的吸合点处的当前的吸合电压VP_a和相应的吸合电容CP_a或与所述偏置电压的当前的提高相联系的电容变化，

其中由当前的吸合点与被保存在所述MEMS麦克风的内部存储器（IM）中的第一吸合点的值和第一工作点的值CS₁、VS₁的偏差确定并且设定被重新校准的偏置电压VS_neu，以便由此使灵敏度又逼近最初在所述第一工作点处所设定的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中在限定的声环境中确定所期望的灵敏度以及所述第一工作点和所述第一吸合点的值。

3.根据权利要求1-2之一所述的方法，

其中多次执行所述重新校准，其中作为参考分别使用在所述最终测试之后所确定的值CS₁、VS₁、CP₁和VP₁。

4.根据权利要求3所述的方法，

其中

- 自动地按照确定的规则根据所述MEMS麦克风的声或热应力负荷，和/或

- 如果确定的时间间隔过去了，那么自动地，和/或

- 当由用户手动地触发重新校准时，和/或

- 在设备每次重新起动之后，其中所述麦克风被安装到所述设备中，

所述MEMS麦克风执行重新校准。

5.根据权利要求1-2之一所述的方法，

其中所述偏置电压不仅在所述最终测试中而且在所述重新校准中逐步地被提高，直至达到所述吸合点，并且其中在每个步骤中确定相应的电容或电容变化，其中在达到所述吸合点时所述MEMS麦克风的电容采取高的值或进行跃变，并且作为吸合电压VP_a和吸合电容CP_a或吸合电容变化，使用并存储在达到所述吸合点之前分别最后的值。

6.具有自校准设备的MEMS麦克风，

- 具有电容性工作的MEMS传感器（MS），在所述MEMS传感器处能够施加偏置电压，以及

- 具有与所述MEMS传感器连接的ASIC（AS）

- 其中所述ASIC被设计用于执行根据权利要求1-5之一所述的方法。

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