DE102014202009A1

DE102014202009A1 - Verfahren und Mittel zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements

Info

Publication number: DE102014202009A1
Application number: DE102014202009.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Northemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-08-06
Also published as: KR20160117590A; KR102239080B1; US9838767B2; US20160360304A1; CN105981407A; WO2015117690A1; CN105981407B

Abstract

Es werden Maßnahmen zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements vorgeschlagen. Dazu wird eine Grundspannung an den Messkondensator angelegt und so geregelt, dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektrodenseiten des Messkondensators der Soll-Spannung entspricht. Erfindungsgemäß wird die Grundspannung in einem Niederspannungsbereich geregelt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Mittel zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements, bei dem eine Grundspannung an den Messkondensator angelegt wird, und bei dem diese Grundspannung dann so geregelt wird, dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektrodenseiten des Messkondensators der Soll-Spannung entspricht.
Von besonderer Bedeutung ist die Regelung der elektrischen Vorspannung am Mess- bzw. Mikrofonkondensator von MEMS-Mikrofonen. Diese umfassen in der Regel eine schalldruckempfindliche Membran und ein feststehendes Gegenelement. Membran und Gegenelement fungieren als Träger für die flächigen Elektroden des Mikrofonkondensators, so dass die schalldruckbedingten Änderungen des Abstands zwischen Membran und Gegenelement als Kapazitätsschwankungen des Mikrofonkondensators erfassbar sind. Zur Erhöhung der Sensitivität derartiger MEMS-Mikrofone wird die Membran mit einer mechanischen Vorspannung beaufschlagt, indem eine Gleichspannung an den Mikrofonkondensator angelegt wird. Dadurch wird die Membran elektrostatisch gegen das Gegenelement gezogen, wobei die elektrostatische Kraft der Gleichspannung der Federkraft der Membran entgegenwirkt. Diese Gleichspannung kann nur bis zum sogenannten Pull-in-Punkt erhöht werden, an dem die elektrostatische Kraft genauso groß ist wie die Federkraft der Membran. Bei Überschreitung der Pull-in-Spannung schnappt die Membran schlagartig gegen das Gegenelement, wodurch der Mikrofonkondensator kurzgeschlossen wird. Da sich die Membran am Pull-in-Punkt im Kräftegleichgewicht befindet, führt jegliche externe Krafteinwirkung zu einer Membranauslenkung, der keine bzw. nur eine sehr geringe Federkraft entgegenwirkt. Dementsprechend ist die Sensitivität der Membran im Pull-in-Punkt am höchsten. Wenn ein MEMS-Mikrofon im Bereich höchster Sensitivität betrieben werden soll, muss die elektrische Vorspannung am Mikrofonkondensator kontinuierlich überwacht und auf die Pull-in-Spannung geregelt werden. Die Pull-in-Spannung von MEMS-Mikrofonen liegt typischerweise im Bereich von 5V bis 8V. Zur Regelung der elektrischen Vorspannung von MEMS-Mikrofonen werden daher in der Praxis Regler eingesetzt, deren Ausgangsstufe Spannungen dieser Größenordnung regeln können.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Grundspannung, die an den Messkondensator angelegt wird, in einem Niederspannungsbereich zu regeln. Dadurch kann auf einen Hochvoltausgangstreiber verzichtet werden. Dementsprechend reduzieren sich der Strombedarf der Schaltung sowie die für die Schaltung erforderliche ASIC-Fläche.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für eine solche Regelung der Grundspannung am Messkondensator sowie für deren schaltungstechnische Umsetzung.
In einer ersten Verfahrensvariante wird an die eine Elektrodenseite des Messkondensators ein vorgegebenes und nicht variierbares Grundpotential in der Größenordnung der Soll-Spannung angelegt. An die andere Elektrodenseite des Messkondensators wird ein regelbares Gegenpotential angelegt, das im Vergleich zum Grundpotential niedrig ist. Dieses Gegenpotential wird dann so geregelt, dass die Potentialdifferenz am Messkondensator der Soll-Spannung entspricht.
Diese erste Verfahrensvariante kann einfach in analoger Schaltungstechnik mit Standard-Transistoren realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements in diesem Fall eine erste Spannungsquelle, die eine Spannung in der Größenordnung der Soll-Spannung liefert und als vorgegebenes Grundpotential n₁ an die eine erste Elektrodenseite des Messkondensators angeschlossen ist, eine zweite Spannungsquelle, die eine im Vergleich dazu niedrige Spannung liefert und als Gegenpotential n₂ an die andere zweite Elektrodenseite des Messkondensators angeschlossen ist, einen Operationsverstärker A, dessen invertierender Eingang mit der zweiten Elektrodenseite des Messkondensators verbunden ist und dessen Ausgang über eine definierte Kapazität C_int auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, und einen dem Ausgang des Operationsverstärkers A nachgeschalteten Regler, dessen zweiter Eingang mit der ersten Spannungsquelle als Referenzspannung n₁ verbunden ist und dessen Ausgang auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A rückgekoppelt ist. Auf diese Weise wird das am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A anliegende Gegenpotential n₂ an der zweiten Elektrodenseite des Messkondensators über das Ausgangssignal des Reglers geregelt.
Grundsätzlich können bei dieser Ausführungsform ganz unterschiedliche Regler zum Einsatz kommen. Jedoch erweist sich ein analoger PI-Regler als besonders geeignet mit einer vorgeschalteten Verarbeitungslogik. Ein solcher PI-Regler umfasst mindestens einen Operationsverstärker A_PI, der über eine definierte Kapazität C₁ und einen Widerstand R2 rückgekoppelt ist, und dessen invertierenden Eingang ein Widerstand R1 vorgeschaltet ist.
Eine andere Verfahrensvariante für die erfindungsgemäße Regelung der Grundspannung am Messkondensator sieht vor, die Differenz zwischen der Kapazität des Messkondensators und einer Referenzkapazität zu bestimmen, wobei die Referenzkapazität der Kapazität des Messkondensators bei Anliegen der Soll-Spannung entspricht. Die am Messkondensator anliegende Grundspannung wird dann in Abhängigkeit von der bestimmten Kapazitätsdifferenz geregelt.
Diese zweite Verfahrensvariante lässt sich vorteilhafterweise einfach mit Hilfe von Schaltungsmitteln zur Digitalisierung des Ausgangssignals realisieren. So umfassen die Mittel zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator in einer bevorzugten schaltungstechnischen Umsetzung dieser Verfahrensvariante eine Spannungsquelle, die als Spannungsversorgung für eine Wheatstone’sche Brücke dient. In dieser Wheatstone’schen Brücke ist der Messkondensator zusammen mit einer Referenzkapazität C_ref und zwei weitere Kapazitäten C₁ und C₂ verschaltet, und zwar so, dass das Ausgangssignal der Wheatstone’schen Brücke der Abweichung der Potentialdifferenz am Messkondensator von der Soll-Spannung entspricht. Das Ausgangssignal der Wheatstone’schen Brücke wird einem Operationsverstärker A zugeführt, dem ein Filter und ein Quantisierer nachgeschaltet sind. Das Ausgangssignal des Quantisierers wird an die Wheatstone’sche Brücke rückgeführt, so dass die Potentialdifferenz am Messkondensator über den Bitstrom des Quantisierers geregelt wird.
Schaltungstechnisch besonders einfach ist es, wenn die Referenzkapazität C_ref im Wesentlichen der Kapazität des Messkondensators bei Anliegen der Soll-Spannung entspricht und die beiden Kapazitäten C₁ und C₂ im Wesentlichen identisch sind.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäßen Regelung grundsätzlich eine beliebige Sollspannung zugrunde gelegt werden kann. Die Einstellung bzw. Regelung der Pull-in-Spannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements stellt lediglich eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen dar. Diese können grundsätzlich bei jedem stressempfindlichen kapazitiven Sensorelements zum Einsatz kommen, auch wenn sie sich in Verbindung mit MEMS-Mikrofonen als besonders vorteilhaft erweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
1 zeigt den schaltungstechnischen Aufbau eines MEMS-Mikrofons mit einer ersten Schaltungsvariante zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Mikrofonkondensator C_MIC,
2 zeigt das Schaltbild eines Reglers 10 für die in 1 dargestellte Schaltungsvariante und
3 zeigt den schematischen Aufbau eines MEMS-Mikrofons mit einer zweiten Schaltungsvariante zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Mikrofonkondensator C_MIC.
Ausführungsformen der Erfindung
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich jeweils auf ein MEMS-Mikrofon mit einem Mikrofonkondensator C_MIC zur Signalerfassung, der zur Steigerung der Mikrofonempfindlichkeit mit einer elektrischen Vorspannung beaufschlagt wird. Diese Vorspannung soll auf die Pull-in-Spannung des MEMS-Mikrofonbauelements geregelt werden. Dazu wird bei beiden Ausführungsbeispielen eine Grundspannung an den Mikrofonkondensator C_MIC angelegt und so geregelt, dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektrodenseiten des Mikrofonkondensators C_MIC der Pull-in-Spannung entspricht. Erfindungsgemäß wird diese Regelung der Grundspannung im Niederspannungsbereich realisiert.
Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird die Grundspannung am Mikrofonkondensator C_MIC mit Hilfe von zwei Spannungsquellen realisiert, die jeweils mit einer Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC verbunden sind. Die eine Spannungsquelle liefert eine Spannung in der Größenordnung der Soll-Spannung, also der Pull-in-Spannung, und ist als vorgegebenes nicht variierbares Grundpotential n1 an die eine Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC angeschlossen. Die andere Spannungsquelle liefert eine im Vergleich dazu niedrige Spannung und ist als Gegenpotential n2 an die andere Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC angeschlossen. Die Grundspannung am Mikrofonkondensator C_MIC ergibt sich also als Differenz zwischen Grundpotential und Gegenpotential (n1–n2). Zumindest das Grundpotential n1 wird in Form einer Modulationsspannung angelegt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Rechteckspannung handeln, die einfach durch zwei Spannungen und einen Auswahlschalter realisierbar ist.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird die Grundspannung (n1–n2) auf die Pull-in-Spannung geregelt, indem die erste Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC auf dem hohen Grundpotential n1 gehalten wird, während das niedrige Gegenpotential n2 an der zweiten Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC entsprechend geregelt wird. Die Pull-in-Spannung liegt bei MEMS-Mikrofonen üblicherweise im Bereich von 5V bis 8V. Dementsprechend hoch muss die an der ersten Elektrodenseite anliegende Spannung n1 sein.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Regelung des niedrigeren Gegenpotentials n2 mit Hilfe eines als Ladungsintegrator dienenden Operationsverstärkers A und eines Reglers 10, dessen schaltungstechnische Umsetzung in Verbindung mit 2 näher erläutert wird. Die zweite Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A verbunden, so dass hier also das Gegenpotential n2 anliegt. Der Ausgang n3 des Operationsverstärkers A ist zum einen über eine definierte Integrationskapazität C_int auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt. Zum anderen wird der Ausgang n3 des Operationsverstärkers A dem einen Eingang des Reglers 10 zugeführt. Der zweite Eingang des Reglers 10 ist mit der ersten Spannungsquelle als Referenzspannung verbunden. An diesem Eingang liegt also das feste Grundpotential n1 an, auf dem die erste Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC gehalten wird. Der Ausgang n4 des Reglers 10 wird zurückgeführt auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A. Da die Differenz der Eingänge des Operationsverstärkers A zu Null geregelt wird, folgt der invertierende Eingang dem nicht invertierenden Eingang. Auf diese Weise lässt sich das Gegenpotential n2 an der zweiten Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC über das Ausgangssignal n4 des Reglers 10 steuern und damit auch die am Mikrofonkondensator C_MIC anliegende Grundspannung (n1–n2).
2 stellt eine Ausführungsvariante für den Regler 10 dar. Kernstück ist ein PI-Regler, bestehend aus einem Verstärker API, einer Kapazität C1 und zwei Widerständen R1 und R2. Der Widerstand R1 ist dem invertierenden Eingang des Verstärkers API vorgeschaltet. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers API ist an ein Referenzpotential V_ref angeschlossen, das im hier dargestellten Ausführungsbeispiel 0V entspricht. Der Ausgang n4 des Verstärkers API ist über den Widerstand R2 und die Kapazität C1 auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt. Dem Widerstand R1 sind drei Subtrahierer S₁, S₂, S₃ und ein Faktor N bzw. 1/N vorgeschaltet, so dass am Ausgang des Subtrahierers S₃ eine Null ausgegeben wird, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: C_MIC = N·C_int·C_MIC bezeichnet hier die Kapazität des Mikrofonkondensators. Dessen Kapazität im Pull-in-Punkt lässt sich einfach dadurch bestimmen, dass bei der Kapazitätsberechnung der Grundabstand der Kondensatorelektroden auf 2/3 reduziert wird. Da die Integrationskapazität C_int des Operationsverstärkers A bekannt ist, kann der Faktor N einfach berechnet und schaltungstechnisch entsprechend realisiert werden. Dann liefert der Verstärker API eine Ausgangsspannung n4, mit der das Gegenpotential n2 an der einen Elektrodenseite des Mikrofonkondensators C_MIC so eingestellt wird, dass die Grundspannung (n1–n2) der Pull-in-Spannung des Mikrofonkondensators C_MIC entspricht.
Bei dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Mikrofonkondensator C_MIC zusammen mit einer Referenzkapazität C_ref und zwei weitere Kapazitäten C₁ und C₂ in einer Wheatstone’schen Brücke verschaltet. Diese Brückenschaltung wird von einer eigenen festen Spannungsquelle U₀ gespeist, die eine Spannung in der Größenordnung des Doppelten der Pull-in-Spannung liefert. Die Referenzkapazität C_ref und die weiteren Kapazitäten C₁ und C₂ sind so gewählt und verschaltet, dass das Ausgangssignal der Wheatstone’schen Brücke der Abweichung der am Mikrofonkondensator C_MIC anliegenden Spannung von der Pull-in-Spannung entspricht. Im einfachsten Fall entspricht die Referenzkapazität C_ref der Kapazität des Mikrofonkondensators C_MIC bei Anliegen der Pull-in-Spannung und die beiden Kapazitäten C₁ und C₂ sind im Wesentlichen identisch.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird die am Mikrofonkondensator C_MIC anliegende Grundspannung nicht direkt geregelt, sondern indirekt, indem die an der Wheatstone’schen Brücke anliegende Spannung in Abhängigkeit von deren Ausgangssignal geregelt wird. Dazu wird das Ausgangssignal der Wheatstone’schen Brücke einem Operationsverstärker A zugeführt. Diesem sind ein Filter F und ein Quantisierer Q nachgeschaltet. Dabei handelt es sich vorteilhafterweise um einen Delta-Sigma-Modulator zur Digitalisierung des Ausgangssignals. Das digitalisierte Ausgangssignal wird an die Wheatstone’sche Brücke rückgeführt, so dass U_Wheat = U₀ + ΔU_Q, wobei ΔU_Q dem Bitstrom des Quantisierers Q entspricht. Dadurch wird die Spannung U_Wheat an der Wheatstone’schen Brücke so geregelt, dass die Kapazität des Mikrofonkondensator C_MIC der Referenzkapazität C_ref entspricht. D.h., dass die Potentialdifferenz am Mikrofonkondensator C_MIC über den Bitstrom ΔU_Q des Quantisierers Q auf die Pull-in-Spannung geregelt wird. Dazu wird die Pulsdichte des Bitstroms ΔU_Q so angepasst, dass im Mittel die Spannung erzeugt wird, die für den Pull-in-Betrieb des Mikrofonkondensators C_MIC benötigt wird. Da der Spannungsbeitrag des Bitstroms ΔU_Q sehr klein ist im Vergleich zu U₀ und auch zur Grundspannung am Mikrofonkondensator C_MIC, erfolgt also auch hier die Regelung der Grundspannung am Mikrofonkondensator C_MIC in einem Niederspannungsbereich.

Claims

Verfahren zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements, bei dem eine Grundspannung an den Messkondensator angelegt wird, und bei dem diese Grundspannung dann so geregelt wird, dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektrodenseiten des Messkondensators der Soll-Spannung entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Grundspannung in einem Niederspannungsbereich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass an die eine Elektrodenseite des Messkondensators ein vorgegebenes und nicht variierbares Grundpotential in der Größenordnung der Soll-Spannung angelegt wird und • dass an die andere Elektrodenseite des Messkondensators ein regelbares im Vergleich zum Grundpotential niedriges Gegenpotential angelegt wird, das so geregelt wird, dass die Potentialdifferenz am Messkondensator der Soll-Spannung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass die Differenz zwischen der Kapazität des Messkondensators und einer Referenzkapazität bestimmt wird, wobei die Referenzkapazität der Kapazität des Messkondensators bei Anliegen der Soll-Spannung entspricht, und • dass die am Messkondensator anliegende Grundspannung in Abhängigkeit der bestimmten Kapazitätsdifferenz geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Soll-Spannung die Pull-in-Spannung des Messkondensators gewählt wird.
Mittel zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mindestens umfassend • eine erste Spannungsquelle, die eine Spannung in der Größenordnung der Soll-Spannung liefert und als vorgegebenes Grundpotential an die eine erste Elektrodenseite des Messkondensators angeschlossen ist, • eine zweite Spannungsquelle, die eine im Vergleich dazu niedrige Spannung liefert und als Gegenpotential an die andere zweite Elektrodenseite des Messkondensators angeschlossen ist, • einen Operationsverstärker A, dessen invertierender Eingang mit der zweiten Elektrodenseite des Messkondensators verbunden ist und dessen Ausgang über eine definierte Kapazität C_int auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, und • einen dem Ausgang des Operationsverstärkers A nachgeschalteten Regler (10), dessen Ausgang auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A rückgekoppelt ist, so dass das am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers anliegende Gegenpotential an der zweiten Elektrodenseite des Messkondensators über das Ausgangssignal des Reglers (10) geregelt wird.
Regelungsmittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Regler (10) um einen analogen PI-Regler mit einer vorgeschalteten Verarbeitungslogik handelt und dass der PI-Regler mindestens einen Operationsverstärker API umfasst, der über eine definierte Kapazität C1 und einen Widerstand R2 rückgekoppelt ist und dessen invertierendem Eingang ein Widerstand R1 vorgeschaltet ist.
Mittel zum Regeln der elektrischen Vorspannung am Messkondensator eines MEMS-Sensorelements gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, mindestens umfassend • eine Spannungsquelle U₀, die als Spannungsversorgung für eine Wheatstone’sche Brücke dient, in der der Messkondensator verschaltet ist, • eine Referenzkapazität C_ref und zwei weitere Kapazitäten C₁ und C₂, die mit dem Messkondensator in der Wheatstone’schen Brücke verschaltet sind, wobei die Referenzkapazität C_ref und die weiteren Kapazitäten C₁ und C₂ so gewählt und verschaltet sind, dass das Ausgangssignal der Wheatstone’schen Brücke der Abweichung der Potentialdifferenz am Messkondensator von der Soll-Spannung entspricht, • einen Operationsverstärker A für das Ausgangssignal der Wheatstone’schen Brücke, • einen dem Ausgang des Operationsverstärkers A nachgeschalteten Filter F und • einen dem Filter F nachgeschalteten Quantisierer Q, dessen Ausgangssignal ΔU_Q an die Wheatstone’sche Brücke rückgeführt wird, so dass die Potentialdifferenz am Messkondensator über den Bitstrom des Quantisierers ΔU_Q geregelt wird.
Regelungsmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkapazität C_ref im Wesentlichen der Kapazität des Messkondensators bei Anliegen der Soll-Spannung entspricht und dass die beiden Kapazitäten C₁ und C₂ im Wesentlichen identisch sind.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und von Mitteln nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zum Einstellen der Pull-in-Spannung am Mikrofonkondensator eines Mikrofonbauelements oder zum Einstellen der Pull-in-Spannung am Messkondensator eines Beschleunigungssensorelements.