CN110366853B - 麦克风和测试麦克风的方法 - Google Patents

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Abstract

一种麦克风，包括壳体(1、2)，壳体(1、2)具有填充有气体的内部容积(12)、壳体的开口(10)、设置在壳体中的声学传感器(3)、位于开口上方的声学传感器的隔膜(13)以及位于内部容积中的加热器(14)。声学传感器尤其可以包括微机电系统。为增加压力并产生声学传感器(3)的相应信号，气体从内部容积内加热。该信号可用于麦克风灵敏度的自校准或用于检查麦克风功能的自诊断。

Description

麦克风和测试麦克风的方法
技术领域
由于生产公差或老化，同一类型麦克风的灵敏度会不同。如果需要精确校准，会使用外部音频源测试和调整麦克风。根据需求可以在不同条件和不同频率范围进行这种测试，尤其是在制造过程结束和/或以指定时间间隔重复进行的时候。
微机电麦克风包括包含微机电系统(MEMS)的声学传感器和可以是专用集成电路(ASIC)的控制部件。声学传感器和控制部件安装在覆盖有形成内部腔室的盖子的基座上。声学传感器设置在基座或盖子的声音端口上方并且与控制部件电连接。
背景技术
US2016/0137486A1公开了一种具有声学传感器的微机电麦克风，该声学传感器包括基板、包含空气通道的背板、隔离层和张力膜。通过在制造过程中施加高温来产生张力。
US 2017/0026729 A1公开了一种带有耦合到压力传感器的集成电路的微机电麦克风，该压力传感器是集成电路的一部分或者安装在形成内部腔室的盖子内部，位于与集成电路相对的位置。
US 2012/0319219 A1公开了CMOS-MEMS麦克风和使用外延生长的硅制造麦克风的方法。标准CMOS工艺中的制造允许将麦克风的机械和电子部件集成在同一半导体芯片中。
US 2017/0044008 A1公开了用于制造CMOS-MEMS器件的系统和方法。保护层沉积在分层结构的顶部表面上以覆盖逻辑区域。在MEMS区域中从底侧执行部分蚀刻以在膜下方形成间隙并且从顶侧执行以去除在膜和背板之间的牺牲层的一部分，从而释放膜。保护层防止逻辑区域中的逻辑部件被蚀刻和损坏。
DE 10 2006 013 345 B4公开了一种没有膜的麦克风。两个相同强度的脉冲光线各自发射到透明板中通过全内反射传播。其中一个板与环境介质具有适于承载声波的边界表面。当在该边界表面处反射时，在该板中传播的光线进入环境介质至大约一个波长的深度，从而发生总反射率的衰减。因此光线的强度被环境介质的密度变化调制，这是由声波造成的。检测调制强度并且与因不暴露于声波而不被调制的作为参考的另一光线的强度进行比较。可以通过差分放大器评估检测到的信号，该差分放大器产生对应于声波的电信号。
本发明的目的是促进麦克风的校准。该目的通过根据本发明的麦克风和测试麦克风的方法来实现。
发明内容
麦克风包括壳体，该壳体具有填充有气体的内部容积、壳体的开口、设置在壳体中的声学传感器、位于开口上方并将内部容积与开口分离的声学传感器的隔膜、以及内部容积中的加热器。声学传感器尤其可以包括微机电系统。隔膜尤其可以是可偏移膜或透明或半透明板。加热器可以集成在声学传感器中。
麦克风的实施例包括壳体中的集成电路芯片和在集成电路芯片和声学传感器之间的电连接。
在麦克风的另一实施例中，加热器集成在集成电路芯片中。
麦克风的另一实施例包括壳体中的加热器芯片，并且加热器集成在加热器芯片中。
麦克风的另一实施例包括在内部容积外部的壳体上的加热器终端和在加热器芯片和加热器终端之间的另外电连接。
麦克风的其他实施例包括在壳体的内部容积中的压力传感器。压力传感器尤其可以集成在声学传感器、集成电路芯片或加热器芯片中。
测试麦克风的方法施加于麦克风，该麦克风具有带有开口的壳体、所述壳体的填充有具有压力的气体的内部容积、以及具有将内部容积与开口分隔开的隔膜的声学传感器。该方法包括从内部容积内加热气体从而增加气体的压力，并且检测由增加的压力产生的输出信号。输出信号尤其可以被测量为电输出信号，可以用于麦克风的自校准或/和自诊断。
在该方法的变型中，输出信号作为可偏移膜的电输出信号被测量。
在该方法的另一变型中，屏障可释放地附接到开口，并且空腔被屏障密封，该空腔被屏障和膜限制，使得膜的偏移在空腔中增加另外压力。在正常操作测试麦克风后移除屏障。
该方法可以包括在加热气体时测量内部容积中的压力。
附图说明
以下是结合附图对所述麦克风和方法的示例的详细描述。
图1是具有集成在声学传感器中的加热器的麦克风的截面图。
图2是根据图1的、具有集成在单独加热器芯片中的加热器的麦克风的截面图。
图3是根据图2的、具有不同布置的声学传感器和芯片的麦克风的截面图。
图4是具有集成在集成电路芯片中的加热器的麦克风的截面图。
图5是根据图4的、具有集成在单独的加热器芯片中的加热器的麦克风的截面图。
图6是根据图5的、具有不同布置的芯片的麦克风的截面图。
图7是根据图4的、具有开口的屏障的麦克风的截面图。
图8是根据图5的、具有开口的屏障的麦克风的截面图。
图9是根据图6的、具有开口的屏障的麦克风的截面图。
图10是根据图4的、具有不同布置的声学传感器的麦克风的截面图。
图11是根据图6的、具有其他传感器的麦克风的截面图。
图12是根据图5的、具有不同类型声学传感器的麦克风的截面图。
具体实施方式
图1是可以特别是微机电麦克风的麦克风的截面图。麦克风的壳体可以包括一个以上的部件，特别可以是例如印刷电路板或基板的载体1，以及可以是例如盖子的罩子2。壳体形成填充有气体的内部容积12。
声学传感器3设置在壳体中位于壳体的开口10上方，其提供对环境介质和外部声音信号的通路。在图1至9、11和12所示的示例中，开口10存在于载体1中，但是也可以替代地形成在罩子2中。声学传感器3可以包括微机电系统，其本身是已知的，故不具体描述。声学传感器3可以包括用于检测和评估传感器信号的电子电路的部件，特别例如CMOS部件。
声学传感器3的膜13将内部容积12和开口10分离开，使得填充内部容积12的气体与环境介质分离。膜13不需要密闭地密封内部容积12。膜13可以包括小孔以允许填充内部容积12的气体的压力适应环境介质的压力。
在声学传感器3和设置在载体1上的导体轨道7之间的电连接可以通过例如接合线6形成。穿过载体1的互连8可以将导体轨道7和载体1的外表面上的接触垫9电连接。
可选的压力传感器15可以设置在声学传感器3上或其中。这在图1中示意性地示出。压力传感器13可以特别地集成在声学传感器3中，并且可以包括类似于膜13的膜。例如，如果声学传感器3是微机电系统，麦克风和压力传感器的膜可以形成在同一结构的层中。
加热器14设置在内部容积12中，使得可以从内部容积12内加热填充内部容积12的气体。在图1所示的示例中，加热器14集成在声学传感器3中。加热器14可以是在半导体技术中本身已知的任何加热装置，特别是例如由导体轨道形成的电阻加热器。
当通过加热器14加热填充内部容积12的气体时，压力增加。增加的气体压力和环境介质的压力之间的差异导致膜13朝向开口10偏移。在图1中由虚线示意性地示出偏移的膜13'。通过使用加热器14，可以产生适合于麦克风测试的膜13的偏移，而不是由来自外部音频源的声信号引起的膜13的偏移。
图2是包括加热器14的另一麦克风的截面图。与根据图1的麦克风的类似元件对应的根据图2的麦克风元件用相同的附图标记表示。在根据图2的麦克风中，加热器14集成在设置在内部容积12内的单独的加热器芯片4中。在图2所示的示例中，加热器芯片4安装在载体1上，特别地，安装在载体1上布置的另外的导体轨道17的层上。
可以在加热器芯片4和另外的接触垫19之间提供用于外部电连接的另外的电连接。例如，该另外的电连接可以包括另外的接合线16、设置在载体1上的另外的导体轨道17、以及穿过载体1的另外的互连18。例如，加热器芯片4可以替代地或附加地通过另外的接合线或另外的导体轨道连接到声学传感器3。
图3是包括加热器14的另一麦克风的截面图。与根据图2的麦克风的类似元件对应的根据图3的麦克风元件用相同的附图标记表示。在根据图3的麦克风中，加热器芯片4安装在声学传感器3上。可以提供另外的接合线16和另外的导体轨道17用于声学传感器3和加热器芯片4之间的电连接。
可以在壳体内部，特别是在内部容积12中，设置单独的集成电路芯片5，用于麦克风的操作和输出信号的评估。集成电路芯片5特别地可以是专用集成电路(ASIC)。
图4是包括加热器14的另一麦克风的截面图。与根据图1的麦克风的类似元件对应的根据图4的麦克风的元件用相同的附图标记表示。在根据图4的麦克风中，加热器14设置在单独的集成电路芯片5中。压力传感器15可以可选地集成在集成电路芯片5中，如图4所示。压力传感器可以替代地或附加地集成在声学传感器3中。
可以例如包括一个或多个接合线的电连接20连接集成电路芯片5和声学传感器3。在集成电路芯片5和/或声学传感器3与接触垫9之间可以提供用于外部电连接的另外的电连接。例如，该另外的电连接可以包括接合线6、设置在载体1上的导体轨道7、以及穿过载体1的互连8。接触垫9可以如图4所示设置在载体1的外表面上。
图5是包括加热器14的另一麦克风的截面图。与根据图2的麦克风的类似元件对应的根据图5的麦克风的元件用相同的附图标记表示。根据图5的麦克风包括设置在壳体的内部空间12内的单独的集成电路芯片5。压力传感器15可以可选地集成在集成电路芯片5中，如图5所示。压力传感器可以替代地或附加地集成在声学传感器3中。可以例如包括一个或多个接合线的电连接20连接集成电路芯片5和声学传感器3。
在根据图5的麦克风中，加热器14集成在设置在内部空间12内的单独的加热器芯片4中。在图5所示的示例中，加热器芯片4安装在载体1上，特别地，安装在载体1上布置的另外的导体轨道17的层上。
图6是包括加热器14的其他麦克风的横截面。与根据图3的麦克风的类似元件对应的根据图6的麦克风的元件用相同的附图标记表示。根据图6的麦克风包括设置在壳体的内部容积12内的单独的集成电路芯片5。压力传感器15可以可选地集成在集成电路芯片5中，如图5所示。压力传感器可以替代地或附加地集成在声学传感器3中。可以例如包括一个或多个接合线的电连接20连接集成电路芯片5和声学传感器3。
在根据图6的麦克风中，加热器14集成在设置在内部容积12内的单独的加热器芯片4中。在图6所示的示例中，加热器芯片4安装在集成电路芯片5上。可以提供另外的接合线16和另外的导体轨道17用于集成电路芯片5和加热器芯片4之间的电连接。集成电路芯片5可以替代地安装在加热器芯片4上，并且在这种情况下加热器芯片4可以安装在载体1上。
图7是根据图4的截面图并示出了可暂时且可释放地附接到开口10的屏障11。屏障11密封开口10并因此形成空腔21，空腔21由屏障11和膜13密封。屏障11将环境介质与膜13分离并因此防止膜13的外表面暴露于环境压力。
只要屏障11就位，当膜13朝向开口10偏移时，空腔21中的压力增加。因为内部容积12中增加的压力至少部分地被空腔21中增加的压力平衡，由此减小了膜13的偏移。因此屏障11允许在测试期间减小麦克风的输出信号。
图8和图9是根据图5和图6的截面图并且示出了为了上面结合图7描述的目的暂时且可释放地附接到开口10的屏障11。类似的屏障可以暂时且可释放地附接到根据图1至图3的麦克风的开口10。
图10是包括加热器14的另一麦克风的截面图。与根据图4的麦克风的类似元件对应的根据图10的麦克风的元件用相同的附图标记表示。在根据图10的麦克风中，给环境介质和外部声音信号提供通路的开口10形成在罩子2中。声学传感器3设置在开口10上方并因此安装到罩子2上。在根据图1至图3、图5至图9、图11和图12的麦克风中，开口10和声学传感器3也可以以与图10所示的类似的布置方式设置。
图11是包括加热器14的另一麦克风的截面图。与根据图6的麦克风的类似元件对应的根据图11的麦克风的元件用相同的附图标记表示。在根据图11的麦克风中，另外的传感器设置在壳体的内部容积12中。该另外的传感器例如可以是温度传感器22。该另外的传感器22可以附加到压力传感器15或代替压力传感器15。
在图11中，该另外的传感器22布置到罩子2，但是该另外的传感器22可以替代地安装在载体1上。可以例如包括一个或多个接合线的电连接20可以用于连接该另外的传感器22与集成电路芯片5和/或声学传感器3。例如，诸如气体传感器的环境或自然环境条件的其他传感器也可以设置在内部空间12中。该另外的传感器也可以设置在根据图1至5、7至10和12的麦克风中。
图12是包括加热器14的另一麦克风的截面图。与根据图5的麦克风的类似元件对应的根据图12的麦克风的元件用相同的附图标记表示。在根据图12的麦克风中，声学传感器5不包括膜。而是采用衰减的总反射率来感测声学现象。
在根据图12的麦克风中，相同强度的两个脉冲光线各自被发射到透明或半透明板23、24中以通过全内反射进行传播。其中一个板23具有朝向开口10的边界表面，并给环境介质提供通路。在该板23中传播的光线的强度被环境介质的密度变化调制。检测调制强度并将其与在另一板24中传播且不暴露于环境介质的其他光线的强度进行比较。
可以通过可以集成在声学传感器3中的差分放大器来评估检测到的信号。根据图12的麦克风的声学传感器3的外壳可以包括通风口25，其允许声学传感器3内的气体在另一板24处的压力适应填充壳体的内部容积12的气体在声学传感器3周围的压力。在根据图1至4和6至11的麦克风中也可以采用没有膜的声学传感器3。
在测试麦克风的方法中，特别地通过使用加热器14，来从内部容积12内加热气体，从而增加内部容积中的压力。在根据图1至11的麦克风中，增加的压力引起膜13的相应偏移。膜13的偏移产生特别是麦克风的电输出信号的输出信号。在根据图12的麦克风中，由在另一板24中传播的光线的强度提供的参考值被压力的增加而改变。该响应可用于麦克风灵敏度的自校准或用于检查麦克风功能的自诊断。
可以由压力传感器15检测内部容积12中的压力。压力值可以用于评估麦克风的灵敏度。
如果在加热过程期间将屏障11暂时施加到麦克风的开口10，膜13的偏移通过增加反压力来抑制并相应地减小输出信号。
声压级是声音的有效压力相对于参考值的对数计量。如果Prms是均方根声压力并且P0是参考值，则以dB为单位测量的相应声压级Lp由Lp(re p0)＝20·log10(prms/p0)dB定义。在空气中声音的参考值P0定义为p0＝20μPa，使得Lp(re 20μPa)＝20·log10(prms/20μPa)dB。例如对于prms＝1Pa，声压级为93.9794dB。因此，具有约12.6mV/Pa的典型灵敏度的微机电麦克风可以通过响应94dB声压级来适当地测试。为此目的，填充内部容积12的气体的温度通常增加约2.7mK。
在加热气体期间膜13的偏移非常小，使得内部容积12保持基本恒定。因为板23可以制成基本上刚性的，在根据图12的麦克风中也是如此。假设气体表现为理想气体，并且认为在加热期间在内部容积12中发生的任何空间温度差异是可忽略的。在这些条件下，温度T和气体的压力P是成比例的：T～P(Amontons定律)。如果T1和P1是加热前的温度和压力，T2和P2是加热后的温度和压力，则升高的温度是T2-T1＝[(p2-p1)/p1]·T1。期望增加的压力是p2-p1＝1Pa。如果假设温度和压力的标准条件最初存在于内部容积12中，即T1＝273.15K，P1＝105Pa，所需升高的温度是10-5·273.15K＝2.7315mK。
所描述的方法具有不需要外部音频源的优点。这允许麦克风具有基本上听不见的自校准和/或自诊断。
附图标记列表
1 载体
2 罩子
3 声学传感器
4 加热器芯片
5 集成电路芯片
6 接合线
7 导体轨道
8 互连
9 接触垫
10 开口
11 屏障
12 内部容积
13 膜
13' 偏移的膜
14 加热器
15 压力传感器
16 另外的接合线
17 另外的导体轨道
18 另外的互连
19 加热器终端
20 电连接
21 空腔
22 另外的传感器
23 板
24 另一板
25 通风口

Claims (15)

1.一种麦克风，包括：
-壳体、所述壳体的填充有气体的内部容积，
-所述壳体的开口，
-所述壳体中的声学传感器，
-位于开口上方的声学传感器的隔膜，所述隔膜将内部容积与开口分隔开，以及
-内部容积中的加热器，所述加热器配置为通过加热来增加所述气体的压力，并因此使得隔膜朝向开口偏移。
2.根据权利要求1所述的麦克风，还包括：
-壳体中的集成电路芯片，以及
-集成电路芯片和声学传感器之间的电连接。
3.根据权利要求1或2所述的麦克风，其中，所述加热器集成在所述声学传感器中。
4.根据权利要求2所述的麦克风，其中，所述加热器集成在所述集成电路芯片中。
5.根据权利要求1或2所述的麦克风，还包括：
位于壳体中的加热器芯片，所述加热器集成在所述加热器芯片中。
6.根据权利要求1或2所述的麦克风，还包括：
位于壳体的内部容积中的压力传感器。
7.根据权利要求1或2所述的麦克风，其中，所述隔膜是可偏移的薄膜。
8.根据权利要求1或2所述的麦克风，其中，所述隔膜是透明或半透明板。
9.根据权利要求1或2所述的麦克风，其中，所述声学传感器是微机电系统。
10.一种测试麦克风的方法，所述麦克风具有带有开口的壳体、所述壳体的填充有具有压力的气体的内部容积，以及具有将内部容积与开口分隔开的隔膜的声学传感器，所述方法包括：
-从内部容积内加热气体，以增加气体的压力，以及
-检测由压力的增加产生的输出信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述输出信号被测量为可偏移的薄膜的电输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将屏障可释放地附接到开口，以及
用屏障密封空腔，所述空腔被屏障和所述薄膜限制，使得所述薄膜的偏移在空腔中增加另外的压力。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在测试麦克风之后移除屏障。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在加热气体时测量内部容积中的压力。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括：
评估由压力的增加产生的输出信号以用于麦克风的自校准或/和自诊断。
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