CN111869237A - 换能器组件故障检测 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统(MEMS)换能器组件，该MEMS换能器组件包括：换能器，该换能器包括电容麦克风；集成电路，该集成电路电连接至换能器以接收来自换能器的输出电压，其中，集成电路包括测试信号发生器，该测试信号发生器被构造为在换能器中引发测试声响应；以及评估电路，该评估电路被构造为将测试声响应与基线声响应进行比较，以识别换能器中的故障。

Description

换能器组件故障检测
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年12月27日提交的美国临时专利申请No.62/610,798的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及换能器组件以及用于其的方法，并且更具体地涉及对换能器组件(例如，MEMS麦克风组件)进行故障检测。
背景技术
在包括集成麦克风的系统中，可能很难确定系统故障是由于麦克风还是系统的某一其它部件引起的。这样的系统例如包括无线通信手机、膝上型计算机以及智能扬声器等其它装置。这些和其它系统可能包括一个或更多个微机电系统(MEMS)、驻极体或其它麦克风组件。麦克风可能因有缺陷的部件(例如，换能器)、有缺陷的组件、被阻塞的声音端口或者换能器污染等多种其它原因而失效。验证麦克风没有故障的常规技术至少需要对系统进行部分拆卸，从而可能会损坏麦克风或其它系统部件。
发明内容
本文所公开的各个实施方式涉及换能器组件。在一些实施方式中，所述换能器组件包括壳体，所述壳体包括声音端口。在一些实施方式中，所述换能器组件包括设置在所述壳体中的微机电系统(MEMS)换能器。在一些实施方式中，所述换能器组件包括设置在所述壳体中的电路。在一些实施方式中，所述电路电连接至所述MEMS换能器的输出端。在一些实施方式中，所述电路包括信号发生器，所述信号发生器被配置成生成测试信号并将该测试信号施加至所述MEMS换能器。在一些实施方式中，所述测试信号引发来自所述换能器组件的响应，所述响应指示所述换能器组件的健康状况。
在一些实施方式中，所述壳体包括设置在基板上的盖子，所述基板具有外部装置接口，所述外部装置接口具有联接至所述电路的多个触点。
在一些实施方式中，所述信号发生器包括电阻器，其中，所述信号发生器被构造成通过向所述电阻器施加电力在所述壳体内生成热声测试信号。
在一些实施方式中，所述信号发生器包括电输出端，所述电输出端联接至所述MEMS换能器的电输入端，其中，所述信号发生器被构造成向所述MEMS换能器的电输入端施加具有已知特性的电测试信号。
在一些实施方式中，所述MEMS换能器包括背板和振膜，并且所述电路包括具有偏压输出端的偏压电路，所述偏压输出端联接至所述MEMS换能器的偏压输入端。在一些实施方式中，所述信号发生器被构造成经由所述MEMS换能器的偏压输入端向所述MEMS换能器施加所述电测试信号。在一些实施方式中，所述电测试信号具有处于所述换能器组件的带宽内的频率。
在一些实施方式中，所述电测试信号是单一频率AC信号。
在一些实施方式中，所述信号发生器被构造成生成不同的测试信号并将不同的测试信号施加至所述MEMS换能器。
在一些实施方式中，所述不同的测试信号包括具有不同频率的AC信号。
在一些实施方式中，所述电路包括放大器，所述放大器被构造成接收来自所述MEMS换能器的输出信号并且生成经放大的、具有输出电压的信号。在一些实施方式中，所述电路包括测试负载，所述测试负载设置在所述MEMS换能器与所述放大器之间。在一些实施方式中，所述电路包括开关装置，所述开关装置被构造成在闭合状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器以及所述放大器连接起来，并且在打开状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器和所述放大器断开。在一些实施方式中，在连接所述测试负载和将所述测试负载断开时，通过对所述MEMS换能器的响应进行监测来将故障隔离。
在一些实施方式中，所述信号发生器被构造成采用脉冲信号生成电测试信号并施加该电测试信号，所述脉冲信号适于引发来自所述换能器组件的脉冲声响应。
本文所公开的各个实施方式涉及换能器组件。在一些实施方式中，所述换能器组件包括壳体、设置在所述壳体中的微机电系统(MEMS)换能器以及集成电路，所述集成电路设置在所述壳体中并且电连接至所述MEMS换能器的电信号输出端。在一些实施方式中，所述集成电路包括测试信号发生器，所述测试信号发生器具有联接至所述MEMS换能器的输出端，其中，所述测试信号发生器被构造成生成测试信号并将该测试信号施加至所述MEMS换能器。在一些实施方式中，所述集成电路包括评估电路，所述评估电路联接至所述换能器组件的输出端，其中，所述评估电路被构造成将由所述测试信号引发的所述换能器组件的响应与参考信息进行比较，其中，所述比较的结果指示所述换能器组件的可能故障。
在一些实施方式中，所述集成电路包括具有输出端的偏压电路，所述输出端联接至所述MEMS换能器的偏压输入端，其中，所述测试信号发生器的输出端联接至所述MEMS换能器的偏压输入端。在一些实施方式中，所述测试信号发生器被构造成生成电测试信号并将该电测试信号施加至所述MEMS换能器，其中，所述电测试信号被叠加到施加至所述MEMS换能器的电偏压上。在一些实施方式中，所述集成电路包括放大器，所述放大器被构造成接收来自所述MEMS换能器的输出信号并且生成经放大的、具有输出电压的信号。在一些实施方式中，所述集成电路包括测试负载，所述测试负载设置在所述MEMS换能器与所述放大器之间。在一些实施方式中，所述集成电路包括开关装置，所述开关装置被构造成在闭合状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器和所述放大器连接起来，并且在打开状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器和所述放大器断开。在一些实施方式中，在连接所述测试负载和将所述测试负载断开时，通过对所述MEMS换能器的响应进行监测来将故障隔离。
在一些实施方式中，所述测试信号发生器被构造成生成具有单一频率或可变频率的AC电信号并将该AC电信号施加至所述MEMS换能器。
在一些实施方式中，所述评估电路电连接至所述测试信号发生器的输出端，其中，所述评估电路被构造成将所述电测试信号与所述换能器组件的输出信号进行比较以识别故障。
在一些实施方式中，所述测试信号发生器被构造成生成脉冲信号并将该脉冲信号施加至所述MEMS换能器。
在一些实施方式中，所述集成电路包括负载电阻器，所述负载电阻器电连接至所述测试信号发生器，其中，所述测试信号是由所述负载电阻器响应于所述测试信号发生器施加的电力而生成的热声信号。
本文所公开的各个实施方式涉及一种对具有换能器和集成电路的换能器组件进行故障检测的方法，所述换能器和集成电路设置在具有端口的壳体内。在一些实施方式中，所述方法包括：通过向所述换能器组件的换能器施加测试信号引发来自所述换能器组件的响应，其中，所述测试信号具有已知特性。在一些实施方式中，所述方法包括：将所述换能器组件的响应与参考信息进行比较。在一些实施方式中，所述比较的结果指示所述换能器组件是否具有故障。
在一些实施方式中，向所述换能器组件的换能器施加所述测试信号包括：向所述换能器的偏压输入端施加电测试信号，其中，所述电测试信号与偏压信号相叠加。
在一些实施方式中，所述方法还包括：通过在一段时间内向换能器施加测试信号来引发来自所述换能器组件的多个响应，其中，各个响应是以时间间隔分隔开的。在一些实施方式中，所述方法包括：存储所述多个响应，其中，所述多个响应被与参考信息进行比较，以确定所述换能器组件是否具有故障。
在一些实施方式中，向所述换能器组件的换能器施加所述测试信号包括：向所述换能器施加热声测试信号，其中，所述热声测试信号是在所述壳体内施加的。
本文所公开的各个实施方式涉及换能器组件。在一些实施方式中，所述换能器组件包括壳体，所述壳体包括端口，其中，所述壳体包括设置在基板上的盖子，所述基板具有外部装置接口。在一些实施方式中，所述换能器组件包括换能器，所述换能器设置在所述壳体中。在一些实施方式中，所述换能器组件包括电路，所述电路设置在所述壳体中，其中，所述电路电连接至所述换能器的输出端。在一些实施方式中，所述换能器组件还包括多个触点，所述多个触点设置在所述外部装置接口上。在一些实施方式中，所述多个触点电联接至所述电路，其中，所述多个触点中的一个触点是输出信号触点，并且所述多个触点中的另一触点是电联接至所述换能器的测试信号输入触点。在一些实施方式中，向所述测试信号输入触点施加测试信号引发来自所述换能器组件的响应，所述响应是通过所述输出信号触点输出的。
在一些实施方式中，所述换能器组件不具有测试信号发生器。
在一些实施方式中，所述换能器是微机电系统(MEMS)换能器。
在一些实施方式中，所述电路包括偏压电路，其中，所述偏压电路电连接至所述换能器的偏压输入端，其中，所述偏压电路向所述换能器提供偏压电压，并且其中，所述测试信号输入触点电连接至所述偏压输入端。
在一些实施方式中，所述电路包括负载电阻器，所述负载电阻器被构造成生成引发所述响应的热声信号，其中，所述测试信号输入触点电连接至所述负载电阻器。
在一些实施方式中，所述电路包括评估电路，所述评估电路电连接至所述换能器的输出端，其中，所述评估电路被构造成基于来自所述换能器组件的响应来生成误差信号。
在一些实施方式中，所述评估电路电连接至所述测试信号输入触点，其中，所述评估电路包括比较器，所述比较器将来自所述换能器组件的响应与所述测试信号进行比较。
附图说明
图1是微机电系统(MEMS)换能器组件的截面图。
图2是包括内置测试信号发生器的换能器组件的示意图。
图3是作为测试信号幅值的函数的等效声压级(SPL)的图表。
图4是作为测试信号频率的函数的换能器组件响应的图表。
图5是包括具有信号负载的信号发生器的换能器组件的框图。
图6是例示换能器组件对声信号的声响应的图表。
图7是对换能器组件的故障进行检测的方法的流程图。
具体实施方式
下面，附图和示例并不意味着将本实施方式的范围限制成单个实施方式，而是可以通过将所描述或例示的部件中的一些或全部进行互换来实现其它实施方式。此外，在可以使用已知组件部分地或全部地实现本实施方式的某些部件的情况下，将仅描述这种已知组件的对理解本实施方式所必需的那些部分，并且将省略这种已知组件的其它部分的详细描述，以免模糊本实施方式。本领域技术人员显见的是，除非本文另外指定，否则被描述为以软件实现的实施方式应不限于此，而是可以包括以硬件或者软件和硬件的组合来实现的实施方式，反之亦然。在本说明书中，除非本文另外明确地规定，否则示出单个组件的实施方式不应被认为是限制性的；而相反，本公开旨在涵盖包括多个相同组件的其它实施方式。此外，除非同样进行了明确陈述，否则申请人不希望把说明书或权利要求中的任何术语归于不常见或特殊的含义。此外，本实施方式涵盖了针对本文中通过例示的方式提及的已知组件的当前和将来的已知等同物。
本公开涉及包括换能器和电路的换能器组件，以及用于该换能器组件的故障检测机制。在一些实施方式中，换能器组件具有包括信号发生器的内置自测机制，该信号发生器被构造成生成并施加测试信号，该测试信号引发来自换能器组件的响应。另选地，可以通过换能器组件外部的装置来生成测试信号并将该测试信号施加至换能器。可以相对于参考或基线信息来对由测试信号引发的响应进行评定，以确定换能器组件的状况或健康状况。可以将换能器组件构造为麦克风，以单独地检测人类可听频率范围内的声音，或者检测人类可听频率范围与低于或高于人类可听范围的频率(例如，超声频率)的组合内的声音。在其它实施方式中，将换能器组件构造为主要对人类可听频率范围之外的频率进行检测的传感器。
在另一实施方式中，换能器组件包括设置在壳体中的换能器和电路，该壳体包括端口和外部装置接口。多个电触点设置在外部装置接口上并电联接至电路。所述触点中的至少一个触点是输出信号触点，该输出信号触点提供基于由换能器生成的电信号的输出信号，并且所述触点中的另一触点是电联接至换能器的测试信号输入触点。向测试信号输入触点施加(例如，由主机装置)测试信号引发来自换能器组件的响应，该响应通过输出信号触点输出的，其中，可以基于引发的输出信号来评定换能器组件的健康状况。在该实施方式中，换能器组件不具有测试信号发生器。在测试模式下，根据换能器组件的构造，可以重新调整测试信号输入触点的用途，从而消除对专用的测试信号输入触点的需要。
测试信号可以采取各种形式。在一些实施方式中，测试信号包括施加至换能器的电极的电信号。在需要电偏压的换能器中，可以将电信号叠加在所施加的偏压上。另选地，可以将电测试信号施加至换能器的某一其它输入端。
可以使用不同类型的电测试信号或者不同的测试信号的组合来对不同的故障进行检测，本文进一步描述了其示例。在一个实施方式中，电测试信号是具有处于换能器的带宽内的频率的AC信号。在另一实施方式中，电测试信号具有时变频率，该时变频率会引发来自换能器组件的基于频率的响应。在另一实施方式中，电测试信号是分别引发脉冲或阶跃响应的电脉冲信号或阶跃信号。
在其它实施方式中，测试信号是在换能器附近(例如，在所述组件的壳体中)生成的热声信号。可以通过将AC电信号施加至电阻性部件来生成这样的信号。由电阻性部件生成的热导致能够由换能器检测到的压力变化。这样的热声信号引发来自换能器的响应，该响应可以指示组件的健康状况。本文讨论了这些和其它测试信号的生成和施加。
通过将由测试信号引发的响应与参考或基线信息进行比较，可以检测出换能器组件的一个或更多个故障。如本文所描述的，短语“参考或基线信息”是指可以与由测试信号引发的响应进行比较的数据。例如，当认为换能器组件正常起作用时，制造商可以通过对换能器组件(或者另一可供比较的装置)进行测量来提供这样的数据。该响应与参考或基线信息相对的偏差可以指示健康状况。
在一些情况下，识别出换能器组件的特定故障(例如，被阻塞的端口、被污染的换能器、有故障的电路等)是可能的。例如，响应于脉冲信号的减小可以指示声端口的阻塞。所引发的响应的量级降低可以指示灵敏度损失。通过将可变频率信号或扫频信号施加至换能器，可以检测频率响应的变化。本文讨论了故障检测的这些和其它方面。有利地，本文所描述的系统、方法以及设备消除了对执行侵入式测试过程来对换能器组件的健康状况进行评定的需要。
可以在换能器组件或某一其它装置处执行测试信号响应与参考或基线信息的比较。在一些实现中，例如，换能器组件包括经由测试应用编程的处理器，以将响应与在制造期间存储在换能器组件上的预定(例如，基线或参考)标准进行比较。没有故障指示使得用户能够排除换能器组件作为系统故障或错误的来源。另选地，可以将响应移植到另一装置以进行评定或分析。还可以将换能器组件构造成存储在一段时间内施加的测试信号的响应，从而跟踪该换能器组件的健康状况。可以在以后的时间查询所存储的数据。因此，可以在不拆卸的情况下测试和监测换能器的健康状况。
图1是根据示例实施方式的换能器组件100的截面图，该换能器组件包括换能器102和电路104，该电路可以被实现为设置在壳体中的专用集成电路(“ASIC”)，该壳体是由基板106和盖子108形成的。根据换能器类型，换能器102由一根或更多根电引线110联接至电路104。正如通常所知的那样，电路104从换能器接收电信号，并且可以在输出数字或模拟声信号之前对该信号进行放大和调节。电路104还可以包括根据所期望的输出协议的协议接口(未示出)。换能器组件100还可以被构造成准许如本文所描述的对该换能器组件进行编程或查询。示例性协议包括但不限于PDM、PCM、SoundWire、I2C、I2以及SPI等等。
在图1中，示出了换能器102和电路104是设置在基板106的表面上的，但是在其它实施方式中，可以将这些部件中的一个或更多个部件设置在盖子或侧壁上或者相互堆叠地设置。壳体包括端口112，声能可以通过该端口进入壳体。在其它实施方式中，端口可以位于侧壁或盖子上。在一些实施方式中，基板包括外部装置接口，该外部装置接口具有联接至电路(例如，联接至该电路的协议接口)的多个触点。可以将触点具体实施为引脚、焊盘、凸块或球等其它已知的或将来的安装结构。外部装置接口上的触点的功能和数量取决于所实现的协议，并且可以包括电源触点、接地触点、数据触点以及时钟触点等等。外部装置接口准许使用回流焊接或其它组装工艺来将换能器组件与主机装置集成在一起。
在一个实现中，换能器102是被具体实施为电容型换能器的微机电系统(MEMS)换能器，该电容型换能器具有能响应于声压的变化而相对于背板移动的振膜。另选地，MEMS换能器102是压电装置，或者是使用MEMS技术实现的一些其它已知的或将来的电声换能装置。还在其它实现中，换能器102是非MEMS装置，例如，被具体实施为驻极体或其它已知或将来的非MEMS类型的换能装置。这些和其它电声换能装置通常是已知的，并且除了制造和使用本文所公开的实施方式所必需的程度之外，不再加以进一步描述。
在换能器需要电偏压的实施方式中，如图2所示，电路104包括偏压电路，该偏压电路具有输出端，该输出端被联接至换能器的偏压输入端。这种换能器包括但不限于电容型装置，在该电容型装置中，电偏压的量级取决于特定装置的设计。例如，受约束的振膜电容型换能器可能需要大约仅1伏特的电偏压，而具有自由板振膜的电容型换能器可能需要大约10伏特的偏压。其它换能器类型也可能需要电偏压。在一些实施方式中，将偏压电路实现为电荷泵。电荷泵是众所周知的，并且本文没有进一步讨论。在其它实现中，换能器组件包括不需要电偏压的换能器，并因此电路不需要偏压电路。压电换能器和其它换能器可能不需要电偏压。
在所示示例中，将电路104具体实施为ASIC并且包括偏压电路，该偏压电路经由电引线110向第一电极和第二电极施加偏置电压。电路104可以在输入端与输出端之间包括放大器、滤波器、缓冲器等其它组件或者这些的组合。数字换能器组件通常包括模数转换器，并且还可以包括接口协议电路等其它部件。一些换能器组件包括用于执行信号处理的处理器，本文描述了其示例。
在图2中，根据示例实施方式，示出了换能器100的各种部件的示意图。在各种实施方式中，除换能器102外，可以在被示意性地例示为电路104的一个或更多个集成电路上实现参照图2描述的电路的部件。
在图2中，电路104包括偏压电路200，该偏压电路200包括电压基准(例如，电池)和电压调节器，该电压调节器被构造成向振荡器、时钟发生器、电荷泵以及其它电路部件提供电力。正如通常所知的那样，电荷泵生成经由导线202向换能器提供的偏置电压Vbias，以对换能器102的电极进行充电。
在图2中，换能器组件100还包括测试信号发生器206，该测试信号发生器被构造成生成适配为引发来自换能器组件的响应的电测试信号。测试信号发生器206的输出端经由联接器连接至导线202。这样，测试信号在导体202处被叠加到Vbias上。然而，应当清楚，在其它实施方式中，测试信号可以提供给换能器102的其它电输入端。另选地，可以通过换能器组件外部的信号发生器来生成测试信号并将该测试信号提供给换能器。这样的外部信号发生器可以通过外部装置接口联接至换能器组件。例如，在一些实现中，可以通过指定的测试焊盘将外部测试信号注入ASIC。
测试信号发生器206可以根据实现方式采取不同的形式。例如，在一些实施方式中，测试信号发生器206是生成单一频率AC信号的振荡器。在这种实施方式中，可以基于换能器102的构造(例如，背板和振膜的尺寸、前腔容积和后腔体积的量级等)来选择所生成的AC信号的频率。在另一实施方式中，测试信号发生器206被构造成生成可变频率测试信号并将该可变频率测试信号施加至换能器，以测试换能器组件的频率响应。可以由设置在壳体中的处理器(例如，DSP)来生成可变频率测试信号，或者可以在测试模式下，由外部装置经由换能器组件的外部装置接口将可变频率测试信号施加至换能器。
在一些实施方式中，测试信号发生器206包括波形发生器，该波形发生器被构造为根据换能器组件的构造或者根据从主机系统接收到的外部输入，生成许多不同的测试信号中的任一个测试信号。例如，在一些实施方式中，测试信号发生器206包括存储有多个波形参数的内部存储器，并且被构造或编程为在换能器处于测试模式时生成一个或更多个不同的波形并将所述波形施加至换能器。换能器组件可以被构造为在通电时、或者在经由外部装置接口从主机装置接收到测试模式命令等时处于测试模式。例如，主机装置可以包括使得能够根据请求进行测试的软件程序。另选地或者另外地，在换能器通电时，换能器组件被自动地置于测试模式。在另一实施方式中，换能器组件被定期地置于测试模式。在示例中，测试信号发生器可以被构造为生成脉冲信号或阶跃信号，并将该脉冲信号或阶跃信号施加至换能器，以引发脉冲响应或阶跃响应。一些测试信号可能更适于对不同类型的故障进行检测。因此，在一些实施方式中，不同测试信号的电池顺序地施加至换能器102。通常，可以在启动时或者在以其它方式调用测试模式时的任意时间施加一个或更多个测试信号。例如，在一些实施方式中，在换能器组件通电时，测试信号发生器206可以被预编程为首先将脉冲信号施加至换能器、随后以预定的频率连续施加AC信号、然后施加具有扫频的信号等。在其它实施方式中，也可以按顺序施加其它信号。这样，可以在启动时获得对不同的测试信号的响应。如上所述，可以存储这样的信息以用于以后的查询。
在一些实施方式中，电路104包括图2所示的评估电路208。经由测试信号发生器206生成的测试信号被提供给评估电路208。评估电路208被构造为基于从测试信号生成器206接收到的测试信号与响应于该测试信号而生成的输出信号Vout之间的比较，生成误差信号Vtest。误差信号Vtest基于测试信号与输出信号Vout之间的差异。评估电路208可以实现为比较器或者对所引发的信号进行评估的某一其它电路。输出电压Vout与测试信号相对的偏差超过某一阈值可能指示换能器组件中的故障。
在一些实施方式中，评估电路208被具体实施为处理器，该处理器被配置成对响应于在一段时间内由换能器施加的测试信号的输出的特性(例如，幅值、频率响应、脉冲响应等)进行评定。
在图2中，换能器102电连接至被构造为对电压输出进行放大的放大器210。在一个实施方式中，测试负载212被设置在换能器102与放大器210之间。测试负载212经由开关部件204选择性地联接至换能器102，以改变换能器上的负载。例如，在一个实施方式中，开关部件204包括晶体管，该晶体管被配置成在换能器组件100处于测试模式时(例如，在通电时、在主机装置经由外部装置接口提供测试模式命令时等)，将测试负载212联接至换能器102。
测试负载212可以用于帮助确定换能器102内是否存在污染物。在连接至换能器102时，测试负载和换能器102形成分压器，并以输出电压Vout作为输出。这样，在测试信号被施加至换能器102时，换能器102的阻抗的变化将引发所测量到的输出电压Vout的变化。因此，在各种实施方式中，负载212可以包括具有能够与换能器102的基线阻抗相当的阻抗(例如，电容)的任何合适的电气部件。在将测试信号以不同的时间点施加至换能器102之后，可以对输出电压Vout进行测量，以检测阻抗变化。这样的阻抗变化可以指示某些污染物被卡在换能器102中，从而削弱该换能器的工作。在一些实施方式中，评估电路208可以对输出电压Vout进行监测，并且响应于利用开关部件204将测试负载212接入电路和/或与电路断开，对灵敏度的变化进行检测。评估电路208可以基于换能器102对测试负载212的灵敏度的响应，确定是否出现指示换能器102很可能被污染的故障。在一些实现中，不是使用评估电路208，而是可以使用外部电路来对可能存在的污染物和/或出现故障进行检测。
例如，假设图2所示的麦克风100具有低灵敏度。不一定清楚是因放大器210还是换能器102造成了这种低灵敏度。例如，由于静电放电事件或其它问题、换能器102可能被污染、电荷泵的电压可能较低等，放大器210可能具有低增益。如果连接了测试负载212，并且灵敏度降低至在连接测试负载212时所预期的水平以下，那么这将指示问题最可能是换能器102造成的，因为现在将存在由换能器102和测试负载212(该测试负载可以是电容器)组成的电容分压器。对测试负载212进行连接不会影响放大器210的增益。因此，评估电路208可以对Vout进行监测并对换能器102的灵敏度的变化进行检测。在一些实现中，可以利用参考灵敏度水平来对评估电路208进行编程，该参考灵敏度水平可以是在没有污染物的情况下换能器102将正常工作的灵敏度水平。如果灵敏度响应于测试负载212的连接而降低至低于参考灵敏度水平(例如，如果灵敏度低于参考灵敏度水平达至少一个阈值量(诸如5％、10％等))，那么评估电路208可能提出出现了指示换能器102很可能被污染的故障。在一些实现中，如果已知测试负载212的电容(例如，如果测试负载212是微调电容器)，那么换能器102的电容是可测量的。
测试信号发生器206生成一致的电测试信号并将该电测试信号施加至换能器102。通过测量换能器组件对一致的刺激的响应，可以提高故障检测的准确度。对测试信号的响应的一个可测量方面是灵敏度。图3示出了等效的声学SPL(例如，一段时间内的平均声压级)针对输入信号幅值的标绘图。输入信号可以包括具有处于换能器的带宽内的频率的AC信号。因此，对经由测试信号发生器206生成的测试信号的灵敏度的降低指示各种故障(例如，有故障的连接、被阻塞的端口等)。
在一些实施方式中，将测试信号发生器206配置成，每次装置通电时，都向换能器102施加连续的单一频率信号。可以对响应于测试信号的输出电压的变化进行测量，以识别灵敏度的变化。例如，如果灵敏度变化超过阈值量，则可以提供故障指示。
图4示出了例示换能器组件对具有可变频率或扫频的AC测试信号的频率响应的图表。这些信号可以共享幅值，但是具有不同的频率，以便于测量换能器的频率响应。如图所示，频率响应包括大约35kHz的第一峰值和大约48kHz的第二峰值。这样的峰值的位置取决于换能器组件的各个方面(例如，换能器类型、换能器尺寸、几何形状、端口位置等)。另外，这样的峰值的位置与基线值相对的偏差可以指示一个或更多个故障(例如，容积内的碎屑、不良的连接等)。因此，在一些实施方式中，测试信号可以扫过不同的频率，以对换能器的频率响应进行测量，从而识别其中的特征的位置(例如，峰值、局部最大值、局部最小值等)。频率响应的特征与基线特征相对的偏差可以指示故障通知。
在图5中，示出了另一换能器组件500的框图，该另一换能器组件包括电路502(例如，ASIC)和换能器504。电路502可以包括参照图2描述的各种组件(例如，电源、电荷泵等)。如图所示，将偏置电压Vbias提供至换能器504上的引线，以对换能器504进行预充电，从而使得能够对响应于声学信号的电容变化进行测量，但是某些类型的换能器可能不需要偏压。
换能器组件500与参照图1至图4描述的那些换能器组件的不同之处在于测试信号不是电信号。作为代替，在图5中，测试信号是热声信号，该热声信号是经由向壳体内的换能器附近所设置的负载电阻器508施加电力而生成的。经由信号发生器506(例如，以预定的或可调节的频率生成AC信号的振荡器)生成电信号。AC信号也可以具有可调节的幅值。
将电力施加至负载电阻器508会在换能器504附近引发一致的热声信号510。这样，假设换能器组件正常起作用，所测量到的响应Vout应保持一致，并且与正常起作用的其它装置相似。因此，所测量到的响应对声学信号510的变化可以指示缺陷。图6例示了换能器组件500的示例声学响应。如图所示，向负载电阻器508提供交变电流会引发热波动(例如，所示的温度波动)。在图6中，热波动会导致对应的压力波动，从而引发来自换能器组件的响应。因此，热声信号在换能器组件中引发可测量的响应。例如，该响应用作比较基线，用于与以后的测量结果进行比较以进行故障识别。
在一些实施方式中，换能器组件包括参照图2和图5描述的自测机制的组合。在这种实施方式中，换能器组件可以执行本文所描述的自测的任何组合，以对健康状况进行评定或者排除该换能器组件作为系统故障的来源。
现在，参照图7，根据示例实施方式，示出了对换能器组件中的故障进行识别的方法600的流程图。可以经由作为换能器组件的一部分的电路来执行方法600的操作，或者可以经由与换能器组件进行通信的主机装置来执行本文所描述的操作。
在包括需要偏压的换能器的实施方式中，在操作602，将偏压施加至换能器。例如，换能器组件可以包括偏压电路，该偏压电路包括电压调节器和被构造成生成偏置电压的电荷泵。在操作604中，生成测试信号。如本文中更全面讨论的那样，可以将测试信号具体实施为向换能器施加的电信号，或者可以具体实施为在换能器组件的壳体中发射的热声信号。
在操作606中，将测试信号施加至换能器组件，以引发来自该换能器组件的响应。如本文中更全面讨论的那样，向换能器施加测试信号的机制取决于测试信号是电信号还是热声信号。在操作608中，基于由测试信号引发的响应来进行对换能器组件的健康状况的确定。如本文所讨论的，可以将所引发的响应与基线或参考信息进行比较或者以其它方式进行评定。可以由换能器组件来执行这样的评定，或者另选地，可以将所引发的响应移植到主机或其它装置以进行评定。本文描述了换能器组件和用于换能器组件的测试机制。应当理解，所示实施方式仅仅是示例性的，并且不应被视为限制所附权利要求的范围。

Claims (27)

1.一种换能器组件，所述换能器组件包括：
壳体，所述壳体包括声音端口；
微机电系统(MEMS)换能器，所述MEMS换能器设置在所述壳体中；以及
电路，所述电路设置在所述壳体中，所述电路电连接至所述MEMS换能器的输出端，所述电路包括信号发生器，所述信号发生器被构造为生成测试信号并将所述测试信号施加至所述MEMS换能器，
其中，所述测试信号引发来自所述换能器组件的响应，所述响应指示所述换能器组件的健康状况。
2.根据权利要求1所述的换能器组件，其中，所述壳体包括设置在基板上的盖子，所述基板具有外部装置接口，所述外部装置接口具有联接至所述电路的多个触点。
3.根据权利要求1所述的换能器组件，所述信号发生器包括电阻器，其中，所述信号发生器被构造为通过向所述电阻器施加电力来在所述壳体内生成热声测试信号。
4.根据权利要求1所述的换能器组件，所述信号发生器包括电输出端，所述电输出端联接至所述MEMS换能器的电输入端，其中，所述信号发生器被构造为向所述MEMS换能器的电输入端施加具有已知特性的电测试信号。
5.根据权利要求4所述的换能器组件，所述MEMS换能器包括背板和振膜，并且所述电路包括具有偏压输出端的偏压电路，所述偏压输出端联接至所述MEMS换能器的偏压输入端，其中，所述信号发生器被构造为经由所述MEMS换能器的偏压输入端向所述MEMS换能器施加所述电测试信号，其中，所述电测试信号具有处于所述换能器组件的带宽内的频率。
6.根据权利要求4所述的换能器组件，其中，所述电测试信号是单一频率AC信号。
7.根据权利要求4所述的换能器组件，其中，所述信号发生器被构造为生成不同的测试信号并将所述不同的测试信号施加至所述MEMS换能器。
8.根据权利要求7所述的换能器组件，其中，所述不同的测试信号包括具有不同的频率的AC信号。
9.根据权利要求1所述的换能器组件，其中，所述电路包括：
放大器，所述放大器被构造为接收来自所述MEMS换能器的输出信号并且生成具有输出电压的放大信号；
测试负载，所述测试负载设置在所述MEMS换能器与所述放大器之间；以及
开关装置，所述开关装置被构造为在闭合状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器和所述放大器连接起来，并且在打开状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器和所述放大器断开，
其中，在连接所述测试负载时和断开所述测试负载时，通过对所述MEMS换能器的响应进行监测来隔离故障。
10.根据权利要求9所述的换能器组件，其中，所述信号发生器被构造为采用脉冲信号来生成电测试信号并施加所述电测试信号，所述脉冲信号适配为引发来自所述换能器组件的脉冲声响应。
11.一种换能器组件，所述换能器组件包括：
壳体；
微机电系统(MEMS)换能器，所述MEMS换能器设置在所述壳体中；以及
集成电路，所述集成电路设置在所述壳体中并且电连接至所述MEMS换能器的电信号输出端，
所述集成电路包括：
测试信号发生器，所述测试信号发生器具有联接至所述MEMS换能器的输出端，所述测试信号发生器被构造为生成测试信号并将所述测试信号施加至所述MEMS换能器；以及
评估电路，所述评估电路联接至所述换能器组件的输出端，所述评估电路被构造为将由所述测试信号引发的所述换能器组件的响应与参考信息进行比较，其中，所述比较的结果指示所述换能器组件的可能故障。
12.根据权利要求11所述的换能器组件，所述集成电路包括：
具有输出端的偏压电路，该输出端联接至所述MEMS换能器的偏压输入端，所述测试信号发生器的输出端联接至所述MEMS换能器的偏压输入端，所述测试信号发生器被构造为生成电测试信号并将所述电测试信号施加至所述MEMS换能器，其中，所述电测试信号被叠加到施加于所述MEMS换能器的电偏压上；
放大器，所述放大器被构造为接收来自所述MEMS换能器的输出信号并且生成具有输出电压的放大信号；
测试负载，所述测试负载设置在所述MEMS换能器与所述放大器之间；以及
开关装置，所述开关装置被构造为在闭合状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器和所述放大器连接起来，并且在打开状态下将所述测试负载与所述MEMS换能器和所述放大器断开，
其中，在连接所述测试负载时和断开所述测试负载时，通过对所述MEMS换能器的响应进行监测来隔离故障。
13.根据权利要求12所述的换能器组件，其中，所述测试信号发生器被构造为生成具有单一频率或可变频率的AC电信号，并将所述AC电信号施加至所述MEMS换能器。
14.根据权利要求12所述的换能器组件，所述评估电路电连接至所述测试信号发生器的输出端，其中，所述评估电路被构造为将所述电测试信号与所述换能器组件的输出信号进行比较以识别故障。
15.根据权利要求11所述的换能器组件，其中，所述测试信号发生器被构造为生成脉冲信号并将所述脉冲信号施加至所述MEMS换能器。
16.根据权利要求11所述的换能器组件，所述集成电路包括负载电阻器，所述负载电阻器电连接至所述测试信号发生器，其中，所述测试信号是响应于所述测试信号发生器施加的电力由所述负载电阻器生成的热声信号。
17.一种用于换能器组件中的故障检测的方法，所述换能器组件具有换能器和集成电路，所述换能器和集成电路设置在具有端口的壳体内，所述方法包括：
通过向所述换能器组件的换能器施加测试信号，引发来自所述换能器组件的响应，所述测试信号具有已知的特性；以及
将所述换能器组件的响应与参考信息进行比较，
其中，所述比较的结果指示所述换能器组件是否具有故障。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，向所述换能器组件的所述换能器施加所述测试信号包括：向所述换能器的偏压输入端施加电测试信号，其中，所述电测试信号与偏压信号叠加。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：
通过在一段时间内向换能器施加测试信号，引发来自所述换能器组件的多个响应，各个响应是以时间间隔分隔开的；以及
存储所述多个响应，其中，将所述多个响应与参考信息进行比较，以确定所述换能器组件是否具有故障。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，向所述换能器组件的所述换能器施加所述测试信号包括：向所述换能器施加热声测试信号，其中，所述热声测试信号是在所述壳体内施加的。
21.一种换能器组件，所述换能器组件包括：
壳体，所述壳体包括端口，所述壳体包括设置在基板上的盖子，所述基板具有外部装置接口；
换能器，所述换能器设置在所述壳体中；
电路，所述电路设置在所述壳体中，所述电路电连接至所述换能器的输出端；以及
多个触点，所述多个触点设置在所述外部装置接口上，所述多个触点电联接至所述电路，所述多个触点中的一个触点是输出信号触点，所述多个触点中的另一触点是电联接至所述换能器的测试信号输入触点，
其中，向所述测试信号输入触点施加测试信号引发来自所述换能器组件的响应，所述响应是在所述输出信号触点上输出的。
22.根据权利要求21所述的换能器组件，其中，所述换能器组件不具有测试信号发生器。
23.根据权利要求21所述的换能器组件，其中，所述换能器是微机电系统(MEMS)换能器。
24.根据权利要求21所述的换能器组件，其中，所述电路包括偏压电路，其中，所述偏压电路电连接至所述换能器的偏压输入端，其中，所述偏压电路向所述换能器提供偏压电压，并且其中，所述测试信号输入触点电连接至所述偏压输入端。
25.根据权利要求24所述的换能器组件，所述电路包括负载电阻器，所述负载电阻器被构造为生成引发所述响应的热声信号，其中，所述测试信号输入触点电连接至所述负载电阻器。
26.根据权利要求21所述的换能器组件，其中，所述电路包括评估电路，所述评估电路电连接至所述换能器的输出端，所述评估电路被构造为基于来自所述换能器组件的响应来生成误差信号。
27.根据权利要求26所述的换能器组件，其中，所述评估电路电连接至所述测试信号输入触点，其中，所述评估电路包括比较器，所述比较器将来自所述换能器组件的响应与所述测试信号进行比较。
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