DE102015217666A1

DE102015217666A1 - System und Verfahren für einen Wandler

Info

Publication number: DE102015217666A1
Application number: DE102015217666.5A
Authority: DE
Inventors: Marc Fueldner; Christian Jenkner; Ulrich Krumbein; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2016-03-17
Also published as: US10200801B2; US20160080879A1; CN105430583A; CN105430583B; KR20160031975A; KR101845589B1; US9942677B2; US20180109892A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform weist ein Wandler ein umwandelndes Element und eine Symmetriedetektionsschaltung auf. Das umwandelnde Element weist eine Signalplatte, eine erste Erfassungsplatte und eine zweite Erfassungsplatte auf. Die Symmetriedetektionsschaltung ist mit einem Differentialausgang des Wandlerelements gekoppelt und ist dafür ausgelegt, basierend auf einer Asymmetrie im Differentialausgang ein Fehlersignal auszugeben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme und Verfahren im Bereich Elektronik und in bestimmten Ausführungsformen ein System und ein Verfahren für einen Wandler.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wandler wandeln Signale aus einem Bereich in einen anderen um und sind oft integrierte Elemente in Sensoren. Ein gängiger Sensor, der einen Wandler aufweist und der im alltäglichen Leben anzutreffen ist, ist ein Mikrofon, das Schallwellen in elektrische Signale umwandelt.
Auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende Sensoren weisen eine Familie von Wandlern auf, die mithilfe von mikromechanischen Verfahren hergestellt werden. MEMS, etwa ein MEMS-Mikrofon, erfassen Informationen aus der Umgebung durch Messen einer Veränderung eines physikalischen Zustands im Wandler und Übertragen eines umgewandelten Signals an Verarbeitungselektronik, die mit dem MEMS-Sensor verbunden ist. MEMS-Vorrichtungen können mithilfe von mikromechanischen Fertigungsverfahren ähnlich denen für integrierte Schaltungen hergestellt werden.
MEMS-Vorrichtungen sind dafür ausgelegt, beispielsweise als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrofone und Mikrospiegel zu fungieren. Viele MEMS-Vorrichtungen verwenden kapazitive Erfassungstechniken zum Umwandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale. In derartigen Anwendungen wird die Änderung der Kapazität im Sensor mithilfe von Schnittstellenschaltungen in ein Spannungssignal umgewandelt.
Eine solche kapazitive Erfassungsvorrichtung ist das MEMS-Mikrofon. Ein MEMS-Mikrofon besitzt in der Regel eine auslenkbare Membran, die um einen kleinen Abstand von einer Rückenplatte getrennt ist. In Reaktion auf eine auf die Membran auftreffende Schalldruckwelle wird die Membran zu der Rückenplatte hin oder von dieser weg ausgelenkt, wodurch sich der trennende Abstand zwischen der Membran und der Rückenplatte verändert. Im Allgemeinen sind Membran und Rückenplatte aus leitfähigem Material gefertigt und bilden „Platten” eines Kondensators. Somit verändert sich, wenn sich der Abstand, der die Membran und die Rückenplatte trennt, in Reaktion auf die auftreffende Schallwelle verändert, die Kapazität zwischen den „Platten” und es wird ein elektrisches Signal erzeugt.
Bei kapazitiven MEMS-Sensoren ist es möglich, dass bei Auftreten eines großen physikalischen Signals oder Stoßes eine der auslenkbaren Platten so weit ausgelenkt wird, dass sie eine benachbarte Platte berührt. In solchen Fällen kann die an die Platten angelegte Spannung ausreichend sein zu bewirken, dass die Platten in Kontakt miteinander bleiben. Dieses Phänomen wird als „Pull-in” („Anziehen”) bezeichnet. Bei kapazitiven MEMS-Sensoren kann sich der Pull-in-Vorgang auf die Leistung des Sensors auswirken.
KURZFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Wandler ein umwandelndes Element und eine Symmetriedetektionsschaltung auf. Das umwandelnde Element weist eine Signalplatte, eine erste Erfassungsplatte und eine zweite Erfassungsplatte auf. Die Symmetriedetektionsschaltung ist mit einem Differentialausgang bzw. Differenzausgang des Wandlerelements gekoppelt und ist dafür ausgelegt, basierend auf einer Asymmetrie im Differentialausgang ein Fehlersignal auszugeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und der damit verbundenen Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen gilt:
1 stellt ein Systemblockschaltbild eines Wandlersystems einer Ausführungsform dar;
2a und 2b stellen Kurven der Empfindlichkeit des Wandlers der Ausführungsform gemäß einem ersten bzw. einem zweiten Szenario dar;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Wandlers einer Ausführungsform mit doppelter Rückenplatte, der das Pull-in-Phänomen aufweist;
4 zeigt eine Differentialausgangswellenform des Wandlers der Ausführungsform mit doppelter Rückenplatte, der das Pull-in-Phänomen aufweist;
5 stellt ein Wellenformdiagramm des Wandlers der Ausführungsform mit doppelter Rückenplatte während des Betriebs dar;
6 zeigt eine schematische Darstellung eines MEMS-Mikrofonsystems einer Ausführungsform;
7a, 7b und 7c stellen Schaltbilder von Pull-in-Detektionsschaltungen einer Ausführungsform dar;
8a, 8b und 8c stellen Schaltbilder von Pull-in-Reparaturschaltungen einer Ausführungsform dar; und
9 stellt ein Blockschaltbild eines Verfahrens einer Ausführungsform zum Betrieb eines Wandlersystems dar.
Gleiche Bezugsziffern und -zeichen in den verschiedenen Figuren bezeichnen im Allgemeinen einander entsprechende Teile, soweit nicht anders angegeben. Die Figuren sind lediglich zur Veranschaulichung der relevanten Aspekte der Ausführungsformen vorgesehen und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen in einer breiten Vielfalt spezifischer Kontexte angewendet werden können. Die besprochenen spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Verdeutlichung der besonderen Wege der Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsformen und sollten nicht als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
Beschreibungen werden in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen in einem bestimmten Kontext gegeben, nämlich Mikrofonwandlern und spezieller MEMS-Mikrofonen. Einige der hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen umfassen beispielsweise MEMS-Wandlersysteme, MEMS-Mikrofonsysteme, MEMS-Mikrofone mit doppelter Rückenplatte, Fehlerdetektion und -reparatur in Wandlern und Pull-in-Detektion und -Reparatur bei kapazitiven MEMS-Sensoren. In anderen Ausführungsformen können die Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, bei denen jede Art von Sensor oder Wandler in beliebiger Art und Weise gemäß dem Stand der Technik beteiligt sein kann.
Bei einem kapazitiven Plattenwandler können nach einem Pull-in-Vorgang aufgrund eines Stoßes oder Signals mit hoher Amplitude Platten des kapazitiven Wandlers in Kontakt miteinander bleiben, wenn die Platten mit einer höheren Spannung als der Pull-out-Spannung vorgespannt sind, wobei die Pull-out-Spannung die Spannung ist, bei der die Platten nach einem Pull-in-Vorgang spontan wieder getrennt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird bei einem kapazitiven Wandler mit doppelter Erfassungsplatte, etwa einem MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte, die Empfindlichkeit jeder Platte und des entsprechenden Differentialausgangs durch den Pull-in-Vorgang verändert. Daher beinhalten die hier beschriebenen Ausführungsformen ein Verfahren und eine Schaltung zum Analysieren des Differentialausgangs eines kapazitiven Wandlers mit doppelter Erfassungsplatte, etwa eines MEMS-Mikrofons mit doppelter Rückenplatte, und zum Identifizieren einer Pull-in-Situation. In verschiedenen Ausführungsformen steuert eine Reparaturschaltung die Ladung der betroffenen Platten, wenn durch eine Pull-in-Detektionsschaltung ein Pull-in-Vorgang erkannt wird, um zu bewirken, dass sich die Pull-in-aufweisenden Platten voneinander lösen und der Wandler wieder in einen unbeeinträchtigten Betriebszustand versetzt wird. In einigen Ausführungsformen wird das MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte mit einer Vorspannung zwischen der Membran und beiden Rückenplatten betrieben, die über der Pull-out-Spannung liegt. In derartigen Ausführungsformen ist das MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte mit einer höheren Vorspannung vorgespannt, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit führt, und wird im Fall eines Pull-in-Vorgangs durch die Reparaturschaltung repariert.
1 stellt ein Systemblockschaltbild eines Wandlersystems 100 einer Ausführungsform dar, das ein MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte 102, einen Verstärker 104, eine Pull-in-Detektionsschaltung 106, eine Reparaturschaltung 108 und eine Vorspannungsschaltung 110 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen empfängt das MEMS-Mikrofon 102 ein akustisches Signal A_in von einer Erfassungsumgebung, etwa durch einen Schalleingang zu einer umliegenden Umgebung, und wandelt das akustische Signal um, um ein elektrisches Differentialsignal an den Verstärker 104 zu liefern, der ein verstärktes Differentialausgangssignal E_out ausgibt.
In verschiedenen Ausführungsformen überwacht eine Pull-in-Detektionsschaltung 106 das Differentialausgangssignal E_out während des Betriebs des Wandlersystems 100 und liefert ein Freigabeaktivierungssignal R_en an die Reparaturschaltung 108, wenn ein Pull-in-Vorgang detektiert wird. In einigen Ausführungsformen kann die Pull-in-Detektionsschaltung 106 den Eingang von Verstärker 104 anstelle von oder zusätzlich zu dem Differentialausgangssignal E_out überwachen. Verschiedene spezifische Ausführungsformen von Pull-in-Detektionsschaltungen und Reparaturschaltungen werden nachstehend näher beschrieben. Die Reparaturschaltung 108 löst eine Freigabe- oder Reparatursequenz aus, die ein Trennreparatursignal R_dis an das MEMS-Mikrofon 102 liefern kann, um die Mikrofonplatten voneinander zu trennen, oder kann ein Vorspannreparatursignal R_bias an die Vorspannschaltung 110 liefern, um die Vorspannung zu ändern, die an wenigstens eine der Platten des MEMS-Mikrofons 102 angelegt wird. In verschiedenen Ausführungsformen liegt die an das MEMS-Mikrofon 102 angelegte Vorspannung V_bias über der Pull-out-Spannung VP_out während des normalen Betriebs und unter der Pull-out-Spannung VP_out während einer Freigabe- oder Reparatursequenz.
In verschiedenen Ausführungsformen können andere Arten von differenziellen Wandlern mit kapazitiven Platten oder Sensoren anstelle des MEMS-Mikrofons 102 verwendet werden, da das MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte lediglich ein Beispiel ist. Beispielsweise können manche Ausführungsformen einen Beschleunigungsmesser mit zwei Platten mit Pull-in-Detektionsschaltung 106 und Reparaturschaltung 108 wie hier beschrieben aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann ein kapazitiver Differentialausgangsdrucksensor die Pull-in-Detektionsschaltung 106 und die Reparaturschaltung 108 wie hier beschrieben aufweisen.
2a und 2b stellen Kurven der Empfindlichkeit des Wandlers der Ausführungsform gemäß einem ersten bzw. einem zweiten Szenario dar. Die Kurven stellen die Empfindlichkeit des Wandlers dar, wie an der senkrechten Achse dargestellt, bezogen auf die Wandlerspannung V_mic, die an die Wandlerplatten angelegt wird, wie an der waagerechten Achse gezeigt. Die gezeigten Spannungen beinhalten eine Pull-in-Spannung VP_in und eine Pull-out-Spannung VP_out. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen stellt 2 ein erstes Charakterisierungsszenario zum Identifizieren eines ersten Betriebspunkts OP1 dar, wie durch die Vorspannung V_bias eingestellt, der niedriger eingestellt ist als die Pull-out-Spannung VP_out.
Die in den 2a und 2b dargestellten Empfindlichkeitskurven werden erzeugt, um das Wandlerverhalten in Bezug auf das Pull-in- und Pull-out-verhalten zu charakterisieren. Um diese Charakterisierung durchzuführen, wird ein schwaches akustisches Signal an den Akustikwandler angelegt, das eine geringe Veränderung der Gesamtauslenkungsdistanz zwischen Rückenplatte und Membran bewirkt. Diese geringe Veränderung ist erheblich geringer als die Gesamtauslenkungsdistanz. Die Wandlerspannung V_mic wird variiert und die Empfindlichkeit wird für jede Spannung gemessen. Auf der Grundlage der aus der ersten Charakterisierung resultierenden Kurve, die in 2a dargestellt ist, wird ein erster Betriebspunkt OP1 bestimmt. Der erste Betriebspunkt OP1 kann garantieren, dass die Membran nach einem akustischen Stoßereignis nicht an der Rückenplatte anhaftet. Falls die Vorspannung V_bias eingestellt ist, um den Wandler an dem ersten Betriebspunkt OP1 (unterhalb der Pull-out-Spannung VP_out) zu betreiben, obwohl ein starkes akustisches Signal die Membran und die Rückenplatte in Kontakt bringen kann, kehrt, sobald das starke akustische Signal aufhört, die Membran in ihre ursprüngliche Position zurück.
In verschiedenen Ausführungsformen, wie in 2a und 2b gezeigt, nimmt die Empfindlichkeit proportional zu der an den Wandler angelegten Spannung zu, bis ein Pull-in-Vorgang auftritt, wenn die Platten des Wandlers in Kontakt miteinander kommen. Kommt es zu einem Pull-in-Vorgang, haften die Platten aneinander, und die Empfindlichkeit des Wandlers nimmt erheblich ab, da sich die Membran nicht mehr frei bewegt. Darüber hinaus wird, wenn die Rückenplatte mit der Membran in Kontakt ist, verglichen mit der anderen Rückenplatte, die die Membran nicht berührt, aufgrund der höheren Kapazität, die durch den geringeren trennenden Abstand hervorgerufen wird, ein stärkeres Signal erzeugt. Wie in 2a gezeigt werden, weil die Vorspannung V_bias niedriger als die Pull-out-SpannungPull-out-Spannung VP_out eingestellt ist, nach einem Stoß die aneinanderhaftenden Platten getrennt und wird der Betrieb wieder an dem ersten Betriebspunkt OP1 fortgesetzt. In derartigen Ausführungsformen ist die Empfindlichkeit des Wandlers vor und nach dem Auftreten von einem Pull-in-Vorgang dieselbe, da der Wandler sowohl vor als auch nach dem Pull-in-Vorgang bei dem ersten Betriebspunkt OP1 betrieben wird.
2b stellt ein zweites Charakterisierungsszenario das, das einen zweiten und einen dritten Betriebspunkt OP2 bzw. OP3 aufweist, die durch die Vorspannung V_bias eingestellt sind, welche höher ist als die Pull-out-Spannung VP_out. Falls der Wandler bei dem zweiten Betriebspunkt OP2 betrieben wird und mit einer höheren Spannung vorgespannt ist, d. h. die Vorspannung V_bias liegt über dem Pull-out-Vorgang, kann die Membran nach einem akustischen Stoßereignis in Kontakt mit der Rückenplatte bleiben. In einem solchen Fall wird der Betriebspunkt vom zweiten Betriebspunkt OP2 zum dritten Betriebspunkt OP3 verschoben, was zu einer verringerten Empfindlichkeit führt wie dargestellt. Wie vorstehend auch, kehrt nach dem Stoß oder dem Signal mit hoher Amplitude die an die Platten des Wandlers angelegte Spannung zur Vorspannung V_bias zurück. Da die Vorspannung V_bias höher eingestellt ist als die Pull-out-Spannung VP_out, werden die aneinanderhaftenden Platten nicht getrennt, und der Betrieb wird zum dritten Betriebspunkt OP3 verschoben, nachdem die an die Platten des Wandlers angelegte Spannung zur Vorspannung V_bias zurückgekehrt ist. Auf diese Weise ist die Empfindlichkeit des Wandlers am zweiten Betriebspunkt OP2 vor Auftreten des Pull-in-Vorgangsgrößer als die Empfindlichkeit des Wandlers am dritten Betriebspunkt OP3 nach Auftreten des Pull-in-Vorgangs, da der Wandler mit einer Spannung oberhalb der Pull-out-Spannung VP_out vorgespannt ist und die aneinanderhaftenden Platten in Kontakt bleiben. Allgemein wird der erste Betriebspunkt OP1 mit einer Sicherheitsmarge gewählt, so dass die Vorspannung V_bias um einen gewissen Betrag unter der Pull-out-Spannung VP_out liegt, um einen Betrieb an dem dritten Betriebspunkt OP3 zu vermeiden. In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt, indem die Vorspannung V_bias höher eingestellt ist als die Pull-out-Spannung VP_out, der MEMS-Wandler stärkere Signale mit erhöhter Empfindlichkeit, wenn er am zweiten Betriebspunkt OP2 betrieben wird. In einigen Ausführungsformen wird der Signal-Rausch-Abstand (Signal-to-Noise Ratio, SNR) vergrößert. Beispielsweise kann der SNR in der in 2 gezeigten Ausführungsform um bis zu 8 dB vergrößert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, die hier weiter beschrieben werden, sind Wandler mit kapazitiven Platten mit einer Spannung oberhalb der Pull-out-Spannung vorgespannt wie in 2b gezeigt, und Detektions- und Reparaturschaltungen der Ausführungsform sind dafür ausgelegt, einen Pull-in-Vorgang zu detektieren und den Wandler zu reparieren, indem die aneinanderhaftenden Platten gelöst werden, um zum ursprünglichen Betriebspunkt zurückzukehren, etwa dem zweiten Betriebspunkt OP2.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Wandlers einer Ausführungsform mit doppelter Rückenplatte 120, der das Pull-in-Phänomen aufweist. Der Wandler mit doppelter Rückenplatte 120 weist eine obere Rückenplatte 122, eine untere Rückenplatte 124 und eine Membran 126 auf. In verschiedenen Ausführungsformen ist die obere Rückenplatte 122 mit einem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt und zeigt eine Spannung V+, die untere Rückenplatte 124 ist mit einem zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt und zeigt eine Spannung V– und die Membran 126 ist mit einer Vorspannungsquelle gekoppelt, etwa einer Vorspannungsschaltung 110 und wird mit einer Vorspannung V_bias versorgt. Das obere Bild eines Wandlers mit doppelter Rückenplatte 120 stellt die Membran 126 in einem nicht ausgelenkten Zustand dar, wenn die Membran 126 nicht das Pull-in-Phänomen zeigt. Das untere Bild des Wandlers mit doppelter Rückenplatte 120 stellt die Membran 126 in einem ausgelenkten Zustand dar, wenn die Membran 126 an der oberen Rückenplatte 122 anhaftet und das Pull-in-Phänomen zeigt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann, in dem Fall, dass die Membran 126 nicht anhaftet, die Empfindlichkeit zwischen der Membran 126 und der oberen Rückenplatte 122 gleich der Empfindlichkeit zwischen der Membran 126 und der unteren Rückenplatte 124 sein und liegt bei einem normalen oder typischen Empfindlichkeitsniveau. In dem Fall, dass die Membran 126 an der oberen Rückenplatte 122 anhaftet, kann die Empfindlichkeit zwischen der Membran 126 und der oberen Rückenplatte 122 auf einem höheren Empfindlichkeitsniveau liegen und liegt die Empfindlichkeit zwischen der Membran 126 und der unteren Rückenplatte 124 auf einem niedrigeren Empfindlichkeitsniveau. Somit kann bei einem Pull-in-Vorgang das Differentialausgangssignal an dem ersten und dem zweiten Anschluss, die mit der oberen Rückenplatte 122 bzw. der unteren Rückenplatte 124 gekoppelt sind, asymmetrisch sein, da die Empfindlichkeit an jedem der Ausgänge während des Pull-in-Vorgangs umgekehrt geändert ist.
4 zeigt eine Differentialausgangswellenform des Wandlers der Ausführungsform mit doppelter Rückenplatte 120, der das Pull-in-Phänomen aufweist, vor der Reparatur. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Spannungen V+ an dem ersten Ausgangsanschluss und V– an dem zweiten Ausgangsanschluss während eines Eingangszeitraums mit einem normalen Schalldruckpegel (Sound Pressure Level, SPL) 130, während eines Stoßzeitraums 132 und während eines Eingangszeitraums mit normalem SPL 134 nach einem Stoß, wenn ein Pull-in-Vorgang aufgetreten ist, dargestellt. Wie gezeigt, sind die Spannungen V+ und V– während des Zeitraums mit normalem SPL 130 vor dem Stoß symmetrisch. Der Stoßzeitraum 132 verursacht einen Pull-in-Vorgang wie unter Bezugnahme auf 3 oben beschrieben. Nach dem Stoß sind die Spannungen V+ und V– während des Zeitraums mit normalem SPL 134 asymmetrisch aufgrund des Pull-in-Phänomens, das die Kapazität und die Signalgröße an dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss des Wandlers mit doppelter Rückenplatte 120 asymmetrisch verändert. Während des Zeitraums mit normalem SPL 134 nach einem Pull-in-Vorgang können die von den aneinanderhaftenden Platten erzeugten Signale größer sein als vor dem Pull-in-Vorgang, wie während Zeitraum 130 gezeigt, da die aneinanderhaftenden Platten aufgrund des geringeren trennenden Abstands zwischen den Platten eine erhöhte Kapazität aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird das Differentialsignal mit den Spannungen V+ und V– an dem ersten und dem zweiten Anschluss überwacht, um dieses asymmetrische Verhalten aufgrund von einem Pull-in-Vorgang zu detektieren. Eine Pull-in-Detektionsschaltung, etwa die Pull-in-Detektionsschaltung 106, überwacht und identifiziert die asymmetrische Veränderung im Differentialausgangssignal und erzeugt ein Reparatur- oder Freigabesignal wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 sowie weiter unten beschrieben.
5 stellt ein Wellenformdiagramm des Wandlers der Ausführungsform mit doppelter Rückenplatte während des Betriebs dar, das das Gleichtaktsignal (Common Mode, CM) und das Freigabesignal R_en aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird das Gleichtaktsignal CM erzeugt, indem der Differentialausgang eines Wandlers überwacht wird, etwa das Differentialsignal mit den Spannungen V+ und V– wie in 3 und 4 gezeigt, und Asymmetriemerkmale des Differentialausgangssignals bestimmt werden. Beispielsweise ist während des Zeitraums mit normalem SPL 130 wie in 4 gezeigt das Gleichtaktsignal CM ein konstanter Wert, beispielsweise etwa null, oder ein sehr kleines Signal verglichen mit den unsymmetrischen Signalen V+ und V– oder der Differenz zwischen V+ und V–, da die Spannungen V+ und V– vollkommen symmetrisch sind. In einigen Ausführungsformen kann das Gleichtaktsignal CM 1/10 oder 1/100 der unsymmetrischen Spannungssignale V+ und V– sein, oder, wenn die Spannungen V+ und V– symmetrisch sind, die Differenz. In weiteren Ausführungsformen kann das Gleichtaktsignal CM sogar kleiner sein als 1/100. Während des Zeitraums mit normalem SPL 134 nach Auftreten von einem Pull-in-Vorgang n sind die Spannungen V+ und V– asymmetrisch und ist das resultierende Gleichtaktsignal CM nicht konstant, sondern variiert im Verhältnis zu der asymmetrischen Differenz zwischen den Spannungen. In derartigen Ausführungsformen ist das Gleichtaktsignal CM nicht mehr 1/10 oder 1/100 der unsymmetrischen Signale V+ und V–, sondern kann stattdessen beispielsweise 1/2 der unsymmetrischen Signale V+ und V– sein. In einer Ausführungsform wird das Gleichtaktsignal CM gemäß der Gleichung CM = ((V+) – (V–)) ÷ 2 erzeugt. In den verschiedenen Ausführungsformen können sich die Spannungen V+ oder V– auf entweder die nicht verstärkten, umgewandelten, elektrischen Signale, die vom Wandler ausgegeben werden, oder auf die verstärkten, umgewandelten, elektrischen Signale, die vom Wandler ausgegeben werden, beziehen. In anderen Ausführungsformen kann das Gleichtaktsignal CM gemäß anderen Gleichungen erzeugt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen wird das Freigabesignal Ren erzeugt, indem das Gleichtaktsignal CM mit einem Schwellenwert verglichen wird, etwa einer Vergleichsspannung V_comp. Wenn das Gleichtaktsignal CM die Vergleichsspannung V_comp übersteigt, wird das Freigabesignal Ren aktiviert, wie in 5 gezeigt. Das Freigabesignal Ren kann eine Freigabe- oder Reparatursequenz auslösen, die bewirkt, dass die Wandlerplatten nicht mehr aneinander haften. In einigen Ausführungsformen wird das Freigabesignal Ren basierend auf einem Absolutwertvergleich zwischen der Vergleichsspannung V_comp und dem Gleichtaktsignal CM ausgelöst. Das Freigabesignal Ren kann gefiltert werden, um eine fälschliche Auslösung der Reparatursequenz zu verhindern.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines MEMS-Mikrofonsystems einer Ausführungsform, das ein MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenwand 202 und eine anwendungsspezifische, integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 203 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen empfängt das MEMS-Mikrofon 202 akustische Signale durch einen (nicht gezeigten) Schalleingang. Die akustischen Signale bewirken, dass die auslenkbare Membran 226 ausgelenkt wird, wodurch die Kapazitäten der parallelen Platten zwischen der Membran 226 und der starren Rückenplatte 222 sowie zwischen der Membran 226 und der starren Rückenplatte 224 verändert werden. Die Veränderung der Kapazität erzeugt ein Differentialsignal, welches die Spannungen V+ und V– beinhaltet, auf Signalleitungen 228 und 230, die mit der ASIC 203 gekoppelt sind. In einigen Ausführungsformen empfängt die Membran 226 eine Vorspannung auf einer Vorspannungsleitung 232 von einer Ladungspumpe 210 in der ASIC 203. Das Differentialsignal mit den Spannungen V+ und V– kann unter manchen Betriebsbedingungen symmetrisch oder annähernd symmetrisch sein. Ähnlich können die Signalleitungen 228 und 230 einen Gleichspannungsversatz („Offset”) von einer „Offset”-Spannungsquelle 214 empfangen, die mit den Signalleitungen 228 und 230 über Impedanzelemente 216 bzw. 218 gekoppelt ist. Die Vorspannung V_bias kann zwischen der Membran 226 und der oberen und unteren Rückenplatte 222 bzw. 224 angelegt werden, durch die Kombination von Ladungspumpe 210 und „Offset”-Spannungsquelle 214.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird das Differentialsignal mit den Spannungen V+ und V– an Verstärker 204a und 204b in der ASIC 203 geliefert, die ein verstärktes Differentialsignal mit den Spannungen AV+ und AV– ausgibt. In verschiedenen Ausführungsformen kann das verstärkte Differentialsignal mit den Spannungen AV+ und AV– an einen weiteren (nicht dargestellten) Prozessor, beispielsweise einen Audio-Prozessor, oder an einen beliebigen anderen Funktionsblock ausgegeben werden.
In verschiedenen Ausführungsformen überwacht eine Gleichtaktmessschaltung 206 das verstärkte Differentialsignal mit den Spannungen AV+ und AV– und erzeugt das Gleichtaktsignal CM, wie unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Das Gleichtaktsignal CM wird von einen Komparator 212 mit der Vergleichsspannung V_comp verglichen. Die Freigabeschaltung 208 empfängt das Freigabeaktivierungssignal R_en von Komparator 212 und regelt die Vorspannung V_bias über das Vorspannungsreparatursignal R_bias basierend auf dem Freigabeaktivierungssignal R_en. Die Freigabeschaltung 208 und die Gleichtaktmessschaltung 206 können jeweils gemäß einer Anzahl verschiedener Ausführungsformen implementiert sein, wie unter Bezugnahme auf 7a–8c beschrieben.
In einigen Ausführungsformen kann das MEMS-Mikrofon 202 mit zwei auslenkbaren Membranen und einer einzelnen starren Rückenplatte, die zwischen den Membranen angeordnet ist, implementiert sein. In derartigen Ausführungsformen kann das Differentialausgangssignal anhand von Verbindungen mit den Membranen erzeugt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind das MEMS-Mikrofon 202 und die ASIC 203 auf demselben Wafer oder demselben Halbleiterchip implementiert. In anderen Ausführungsformen sind das MEMS-Mikrofon 202 und die ASIC 203 auf zwei verschiedenen Halbleiterchips implementiert. In derartigen Ausführungsformen können das Mikrofon 202 und die Verstärker 204a und 204b auf einem ersten Halbleiterchip ausgebildet sein, während die übrigen Komponenten der ASIC 203, mit Ausnahme der Verstärker 204a und 204b, auf einem zweiten Halbleiterchip ausgebildet sein können. Die Herstellung des Halbleiterchips, entweder als zwei separate Halbleiterchips oder als ein integriertes Produkt, kann nach jedem beliebigen, in der Technik bekannten Fertigungsverfahren erfolgen. Das MEMS-Mikrofon 202 und die ASIC 203 können beide mittels derselben Fertigungstechnologie hergestellt werden oder können nach verschiedenen Fertigungstechnologien hergestellt werden.
7a, 7b und 7c stellen Schaltbilder der Pull-in-Detektionsschaltungen 106 oder der Gleichtaktmessschaltung 206 einer Ausführungsform dar. Gemäß einer Ausführungsform stellt 7a Pull-in-Detektionsschaltungen 106 oder die Gleichtaktmessschaltung 206 dar, die einen Widerstandsteiler aus Widerständen R1 und R2 aufweisen, welche zwischen die Ausgänge der Verstärker 204a und 204b gekoppelt sind, die das verstärkte Differentialsignal mit AV+ und AV– ausgeben. In derartigen Ausführungsformen wird das Gleichtaktsignal CM von dem mittleren Knoten des Widerstandsteilers aus den Widerständen R1 und R2 ausgegeben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform stellt 7b Pull-in-Detektionsschaltungen 106 oder die Gleichtaktmessschaltung 206 mit dem Widerstandsteiler aus den Widerständen R1 und R2 dar, die zwischen die Ausgänge der Verstärker 204a und 204b gekoppelt sind wie in 7a, jedoch zusätzlich mit dem Ausgangskondensator C1. In derartigen Ausführungsformen wird das Gleichtaktsignal CM von dem mittleren Knoten des Widerstandsteilers aus den Widerständen R1 und R2 über den Kondensator C1 ausgegeben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform stellt 7c Pull-in-Detektionsschaltungen 106 oder die Gleichtaktmessschaltung 206 mit dem Widerstandsteiler aus den Widerständen R1 und R2, die zwischen die Ausgänge der Verstärker 204a und 204b gekoppelt sind, und mit dem zusätzlichen Ausgangskondensator C1 dar, die jedoch außerdem logarithmische Verstärker- und Addiererschaltungen aufweisen. In derartigen Ausführungsformen fungiert die Gleichtaktmessschaltung 206 als Symmetriedetektionsschaltung zum Vergleichen der Ausgangsspannungen AV+ und AV–, um einen Asymmetriefehler zu detektieren.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Durchführen der Symmetriedetektion beinhalten, ein Verhältnis der Differenz zwischen den Ausgangsspannungen AV+ und AV– und dem Gleichtaktsignal CM zu bestimmen. 7c stellt eine Implementierung einer Ausführungsform dar, die dieses Verhältnis für die Symmetriedetektion nutzt. In 7c wird das Gleichtaktsignal CM von dem mittleren Knoten des Widerstandsteilers aus den Widerständen R1 und R2 über den Kondensator C1 ausgegeben, wie in 7b gezeigt, bevor es in den logarithmischen Verstärker 238 eingespeist wird. Die Differenz zwischen den verstärkten Ausgangsspannungen AV+ und AV– wird im Addierer 234 berechnet und in den logarithmischen Verstärker 236 eingespeist. Die Differenz der Ausgänge des logarithmischen Verstärkers 236 und des logarithmischen Verstärkers 238 wird im Addierer 240 berechnet und als Erfassungsspannungsausgang V_sense bereitgestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Sensorausgangsspannung V_sense gegeben durch die logarithmische Gleichung V_sense = log((AV+) – (AV–)) – log(CM). In anderen Ausführungsformen verhält sich der Erfassungsspannungsausgang V_sense proportional zu der logarithmischen Gleichung. In weiteren Ausführungsformen wird der Erfassungsspannungsausgang V_sense durch die logarithmische Gleichung angenähert. In derartigen Ausführungsformen können die Logarithmusfunktionen das Verhältnis von Ausgangsdifferenz und Gleichtaktsignal implementieren. In einigen Ausführungsformen kann eine Exponentialfunktion angewandt werden, um die Logarithmusfunktion zu entfernen und das echte Verhältnis zu erhalten. Der Erfassungsspannungsausgang V_sense kann in verschiedenen Ausführungsformen an die Freigabeschaltung 208 oder den Komparator 212 gekoppelt sein.
In weiteren Ausführungsformen können in ASIC 203 mehrere Komparatoren eingesetzt werden, um das Gleichtaktsignal CM mit positiven und negativen Schwellenwerten zu vergleichen und zu identifizieren, welche Rückenplatte 222, 224 bei einem Pull-In-Vorgang mit der Membran 226 in Berührung kommt. Alternativ können andere Lösungsansätze genutzt werden, um zu identifizieren, welche Rückenplatte 222, 224 mit der Membran 226 in Berührung kommt. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können die Elemente der 7a, 7b und 7c von Durchschnittsfachleuten auf diesen Gebiet in verschiedenen Kombinationen und mit anderen Komponenten neu zusammengestellt werden. Alle derartigen Varianten werden als in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet.
8a, 8b und 8c stellen Schaltbilder von Pull-in-Reparaturschaltungen 108 bzw. Freigabeschaltung 208 einer Ausführungsform dar. Gemäß der betreffenden Ausführungsform stellt 8a die Reparaturschaltung 108 oder die Freigabeschaltung 208 dar, die als Rücksetzschaltung mit den Schaltern 242a, 242b und 242c implementiert ist, welche zwischen Membran 226 und Erde, Rückenplatte 224 und Erde bzw. Rückenplatte 222 und Erde geschaltet sind und durch das Freigabeaktivierungssignal R_en angesteuert werden. Wenn durch die Gleichtaktmessschaltung 206 oder die Pull-in-Detektionsschaltung 106 wie vorstehend beschrieben ein asymmetrisches Verhalten zwischen den Spannungen AV+ und AV– detektiert wird, wird das Freigabeaktivierungssignal R_en aktiviert, um einen beliebigen oder alle Schalter 242a, 242b und 242c zu schließen. Wenn die Schalter 242a, 242b und 242c geschlossen sind, stellen sie einen Leitweg zu den Erdungsanschlüssen bereit wie dargestellt und leiten die an der Membran 226, der Rückenplatte 222 und der Rückenplatte 224 gespeicherte Ladung ab. Das Entladen der Membran 226, der Rückenplatte 222 und der Rückenplatte 224 senkt die Spannung zwischen der Membran und den beiden Rückenplatten unter die Pull-out-Spannung VP_out und bewirkt, dass sich die aneinanderhaftenden Platten lösen. In anderen Ausführungsformen können die Erdungsanschlüsse durch eine andere Bezugsversorgungsspannung ersetzt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform stellt 8b die Reparaturschaltung 108 oder die Freigabeschaltung 208 dar, die als Ladungskorrektur- oder Ladungsausgleichsschaltung mit den Schaltern 244, 246, 248 und 250 sowie den Kondensatoren C2 und C3 implementiert sind. Jeder der Schalter 244, 246, 248 und 250 kann ein Steuersignal auf Grundlage des Freigabeaktivierungssignals R_en empfangen. Wenn das Freigabeaktivierungssignal R_en aktiviert ist, werden einige oder alle Schalter 244, 246, 248 und 250 geschlossen, um einen Leitweg durch den Kondensator C2 oder C3 zu bilden, der zwischen der Membran 226 und entweder Rückenplatte 222 oder Rückenplatte 224 Strom führt. Wie ähnlich weiter oben unter Bezugnahme auf 8a beschrieben, senkt das Leiten von Ladung zwischen einer der Rückenplatten 222, 224 und der Membran 226 die Spannung zwischen der Membran und jeder der Platten unter die Pull-out-Spannung VP_out und bewirkt, dass sich die aneinanderhaftenden Platten lösen. Somit kann die Kombination der Schalter 244, 246, 248 und 250 und der Kondensatoren C2 und C3 die Ladung an den Platten ausgleichen oder korrigieren, um die aneinanderhaftenden Platten wieder auf einen normalen Betriebspunkt zu reparieren, der symmetrische Ausgangssignale und gleiche Empfindlichkeit zeigt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform stellt 8c die Reparaturschaltung 108 oder die Freigabeschaltung 208 dar, die als Trennschaltung mit den Schaltern 252 und 254 implementiert ist, die zwischen die obere Rückenplatte 222 und den Verstärker 204a bzw. zwischen die untere Rückenplatte 224 und den Verstärker 204b geschaltet sind. Die Schalter 252 und 254 werden auf Grundlage des Freigabeaktivierungssignals R_en angesteuert. In verschiedenen Ausführungsformen wird, wenn das Freigabeaktivierungssignal R_en aktiviert wird, was dem Erkennen eines Pull-in-Vorgangs oder einer Asymmetrie in dem Differentialausgangssignal entspricht, der Schalter 252 oder 254 geöffnet, um die obere Rückenplatte 222 bzw. die untere Rückenplatte 224 vom Verstärker 204a bzw. 204b sowie etwaigen „Offset”-Spannungen (nicht gezeigt, siehe beispielsweise 6) zu trennen. Wenn die obere und untere Rückenplatte 222 bzw. 224 vom Verstärker 204a bzw. 204b getrennt werden, baut sich die Ladung an den aneinanderhaftenden Platten ab, was bewirkt, dass die Spannung zwischen den Platten unter die Pull-out-Spannung sinkt. Somit lösen sich, wenn Schalter 252 oder 254 für eine bestimmte Zeitdauer geöffnet wird, die aneinanderhaftenden Platten, und das MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte kehrt zum normalen Betriebspunkt zurück, der symmetrische Ausgangssignale und gleiche Empfindlichkeit zeigt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Elemente der 8a, 8b und 8c untereinander ausgetauscht oder ersetzt werden. Derartige Modifikationen werden als in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet.
9 stellt ein Blockschaltbild eines Betriebsverfahrens 300 einer Ausführungsform für ein Wandlersystem dar, das Schritte 302, 304, 306 und 308 beinhaltet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 302 das Erzeugen eines Differentialausgangssignals an einem differenziellen, kapazitiven Wandler basierend auf einem erfassten Eingangssignal. Beispielsweise kann der differenzielle, kapazitive Wandler ein MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte sein, und das erfasste Eingangssignal kann ein akustisches Signal sein. In anderen Ausführungsformen kann der differenzielle, kapazitive Wandler zwei auslenkbare Membranen und eine einzelne starre Rückenplatte aufweisen. Das Differentialausgangssignal ist ein elektrisches Differentialsignal. In einigen Ausführungsformen wird das Differentialausgangssignal während des Erzeugens in Schritt 302 verstärkt.
In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 304 das Erzeugen eines Symmetriesignals basierend auf dem Differentialausgangssignal. Wie weiter oben beschrieben, kann das Symmetriesignal in einer Gleichtaktmessschaltung oder einer Symmetriedetektionsschaltung erzeugt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Symmetriesignal ein Gleichtaktsignal oder andere symmetriebezogene Merkmale aufweisen. Schritt 306 beinhaltet das Vergleichen des Symmetriesignals mit einem Fehlerbedingungsmerkmal. Das Fehlerbedingungsmerkmal kann als Alarmstufe oder einfach als Vergleichsspannung V_comp, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Fehlerbedingungsmerkmal einem bestimmten Grad der Asymmetrie im Differentialausgangssignal entsprechen. In einer spezifischen Ausführungsform ist das Fehlerbedingungsmerkmal so eingestellt, dass ein Pull-in-Vorgang kapazitiver Platten im differenziellen, kapazitiven Wandler identifiziert wird. In einigen Ausführungsformen kann das Vergleichen des Symmetriesignals mehrere Vergleiche beinhalten, um eine Polarität der Asymmetrie zu bestimmen und zu identifizieren, an welchen Platten ein Pull-in-Vorgang auftritt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 308 das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers, wenn das Vergleichen eine Fehlerbedingung anzeigt. Wie in Schritt 306 bestimmt, kann eine Fehlerbedingung einem Pull-in-Vorgang der kapazitiven Platten entsprechen. Das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers kann in einigen Ausführungsformen Schritte beinhalten, um die Ladung an den kapazitiven Platten umzuverteilen oder zurückzusetzen. In anderen Ausführungsformen kann das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers das Trennen der kapazitiven Platten von Vorspannungsquellen beinhalten, bis die Ladung an den kapazitiven Platten verringert ist. Das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers kann beinhalten, ein Freigabeprotokoll anzustoßen, um die aneinanderhaftenden Platten zu trennen, indem die Ladung an den aneinanderhaftenden Platten verringert wird. In verschiedenen Ausführungsformen sinkt, wenn die Ladung verringert wird, die Spannung über die aneinanderhaftenden Platten unter die Pull-out-Spannung, und die aneinanderhaftenden Platten lösen sich.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Wandlersystem ein umwandelndes Element und eine Symmetriedetektionsschaltung, die mit einem Differentialausgang des Wandlerelements gekoppelt ist, auf. Das umwandelnde Element weist eine Signalplatte, eine erste Erfassungsplatte und eine zweite Erfassungsplatte auf. Die Symmetriedetektionsschaltung ist dafür ausgelegt, ein Fehlersignal auszugeben, das auf einer Asymmetrie im Differentialausgang basiert.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Signalplatte eine Membran, die erste Erfassungsplatte ist eine erste Rückenplatte und die zweite Erfassungsplatte ist eine zweite Rückenplatte. In anderen Ausführungsformen ist die Signalplatte eine Rückenplatte, die erste Erfassungsplatte ist eine erste Membran und die zweite Erfassungsplatte ist eine zweite Membran. Die erste Erfassungsplatte und die zweite Erfassungsplatte können benachbart zur Signalplatte auf gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sein und sind jede in einem ersten Abstand von der Signalplatte angeordnet.
In verschiedenen Ausführungsformen weist die Symmetriedetektionsschaltung einen Widerstandsteiler auf, der zwischen den positiven und den negativen Anschluss geschaltet ist, die den Differentialausgang liefern. Die Symmetriedetektionsschaltung kann auch ein Filter aufweisen, das mit dem Widerstandsteiler gekoppelt ist. Die Symmetriedetektionsschaltung kann noch ferner einen ersten Addierer aufweisen, der mit dem positiven und dem negativen Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei ein erster logarithmischer Verstärker mit dem Filter gekoppelt ist, ein zweiter logarithmischer Verstärker mit dem ersten Addierer gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, eine erste Differenz zu empfangen, und ein zweiter Addierer mit dem ersten logarithmischen Verstärker und dem zweiten logarithmischen Verstärker gekoppelt ist. In derartigen Ausführungsformen ist der erste Addierer dafür ausgelegt, die erste Differenz aus Signalen an dem positiven und dem negativen Ausgangsanschluss zu berechnen, und der zweite Addierer ist dafür ausgelegt, eine zweite Differenz aus den Ausgängen des ersten logarithmischen Verstärkers und des zweiten logarithmischen Verstärkers zu berechnen.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Wandlersystem ferner eine Reparaturschaltung auf, die mit dem Wandlerelement und der Symmetriedetektionsschaltung gekoppelt ist. Die Reparaturschaltung kann dafür ausgelegt sein, ein Ladungsniveau an der Signalplatte, der ersten Erfassungsplatte oder der zweiten Erfassungsplatte basierend auf dem Fehlersignal zu ändern. In einigen Ausführungsformen weist die Reparaturschaltung auf: einen ersten Rücksetzschalter, der zwischen die Signalplatte und eine niedrige Referenzversorgung gekoppelt ist, einen zweiten Rücksetzschalter, der zwischen die erste Erfassungsplatte und die niedrige Referenzversorgung gekoppelt ist, und einen dritten Rücksetzschalter, der zwischen die zweite Erfassungsplatte und die niedrige Referenzversorgung gekoppelt ist. Der erste, zweite und dritte Rücksetzschalter können basierend auf dem Fehlersignal angesteuert werden. In einigen Ausführungsformen weist die Reparaturschaltung auf: eine erste Ladungsverteilungseinheit mit einem ersten Anschluss, der mit der Signalplatte gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit der ersten Erfassungsplatte gekoppelt ist, sowie eine zweite Ladungsverteilungseinheit mit einem ersten Anschluss, der mit der Signalplatte gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit der zweiten Erfassungsplatte gekoppelt ist. Die erste Ladungsverteilungseinheit ist dafür ausgelegt, das Fehlersignal zu empfangen, und die zweite Ladungsverteilungseinheit ist dafür ausgelegt, das Fehlersignal zu empfangen. In derartigen Ausführungsformen weisen die erste Ladungsverteilungseinheit und die zweite Ladungsverteilungseinheit jeweils einen ersten Schalter, einen Kondensator und einen zweiten Schalter, der zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss der jeweiligen Ladungsverteilungseinheit in Reihe geschaltet ist, auf. Der erste Schalter und der zweite Schalter in der ersten Ladungsverteilungseinheit ebenso wie in der zweiten Ladungsverteilungseinheit können basierend auf dem Fehlersignal geschaltet werden. In einigen Ausführungsformen weist die Reparaturschaltung auf: einen ersten Trennschalter, der zwischen die erste Erfassungsplatte und zusätzliche Verarbeitungsschaltungen gekoppelt ist, und einen zweiten Trennschalter, der zwischen die zweite Erfassungsplatte und die zusätzlichen Verarbeitungsschaltungen gekoppelt ist. Der erste Trennschalter und der zweite Trennschalter werden basierend auf dem Fehlersignal angesteuert.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Wandlersystem auf: eine Vorspannungsschaltung, die mit der Signalplatte gekoppelt ist, einen ersten Verstärker, der zwischen die erste Erfassungsplatte und einen ersten Anschluss des Differentialausgangs gekoppelt ist, und einen zweiten Verstärker, der zwischen die zweite Erfassungsplatte und einen zweiten Anschluss des Differentialausgangs gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen sind das Wandlerelement, der erste Verstärker und der zweite Verstärker auf derselben integrierten Schaltung angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Wandlersystems das Erzeugen eines Differentialausgangssignals an einem differenziellen, kapazitiven Wandler basierend auf einem erfassten Eingangssignal, das Erzeugen eines Symmetriesignals basierend auf dem Differentialausgangssignal, das Vergleichen des Symmetriesignals mit einem Fehlerbedingungsmerkmal und das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers, falls der Vergleich eine Fehlerbedingung anzeigt.
In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers das Koppeln einer kapazitiven Platte des differenziellen, kapazitiven Wandlers mit einen Erdungsanschluss. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers das Anpassen einer Spannung an einer kapazitiven Platte des differenziellen, kapazitiven Wandlers unter eine Pull-out-Spannung. In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers das Trennen einer kapazitiven Platte des differenziellen, kapazitiven Wandlers von einer Ausgangsschaltung.
In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Erzeugen des Symmetriesignals das Erzeugen eines Gleichtaktsignals basierend auf dem Differentialausgangssignal. In derartigen Ausführungsformen kann das Verfahren auch das Filtern des Gleichtaktsignals beinhalten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Erzeugen des Symmetriesignals das Erzeugen eines Differenzsignals zwischen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente des Differentialausgangssignals, das Erzeugen eines Gleichtaktsignals basierend auf dem Differentialausgangssignal und das Bestimmen eines Verhältnisses des Differenzsignals zum Gleichtaktsignal. In einer spezifischen Ausführungsform verhält sich das Symmetriesignal proportional zu der logarithmischen Gleichung log(D1 – D2) – log(CM), wobei D1 die erste Komponente des Differentialausgangssignals ist, D2 die zweite Komponente des Differentialausgangssignals ist und CM das Gleichtaktsignal ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Mikrofonsystem ein MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte und eine Schnittstellenschaltung auf. Das MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte weist auf: eine erste Rückenplatte, eine zweite Rückenplatte, eine zwischen der ersten Rückenplatte und der zweiten Rückenplatte ausgebildete Membran, einen ersten Ausgangsanschluss, der mit der ersten Rückenplatte gekoppelt ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit der zweiten Rückenplatte gekoppelt ist. Die Schnittstellenschaltung weist auf: einen ersten Verstärker, der mit dem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einen zweiten Verstärker, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, eine Symmetriedetektionsschaltung, die mit den Ausgängen des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers gekoppelt ist und einen Symmetriesignalanschluss aufweist, einen Komparator, der mit dem Symmetriesignalanschluss und einem Asymmetrieschwellenwerteingang gekoppelt ist und einen Freigabeaktivierungsausgang aufweist, und eine Freigabeschaltung, die mit dem Freigabeaktivierungsausgang und der Membran gekoppelt ist. Die Freigabeschaltung ist dafür ausgelegt, ein Freigabesteuerungssignal an die Membran bereitzustellen, das auf Signalen basiert, welche von dem Freigabeaktivierungsausgang empfangen werden.
In verschiedenen Ausführungsformen weist die Symmetriedetektionsschaltung einen Widerstandsteiler, der zwischen Ausgänge des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers gekoppelt ist, und einen Kondensator, der mit einem Zwischenknoten des Widerstandsteilers gekoppelt ist, auf. In einigen Ausführungsformen weist die Symmetriedetektionsschaltung auf: einen ersten Addierer, der mit den Ausgängen des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers gekoppelt ist, einen ersten logarithmischen Verstärker, der mit dem Kondensator gekoppelt ist, einen zweiten logarithmischen Verstärker, der mit einem Ausgang des ersten Addierers gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, eine erste Differenz zu empfangen, und einen zweiten Addierer, der mit dem ersten logarithmischen Verstärker und dem zweiten logarithmischen Verstärker gekoppelt ist. Der erste Addierer ist dafür ausgelegt, die erste Differenz aus den Signalen von den Ausgängen des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers zu berechnen, und der zweite Addierer ist dafür ausgelegt, eine zweite Differenz aus den Ausgängen des ersten logarithmischen Verstärkers und des zweiten logarithmischen Verstärkers zu berechnen.
In verschiedenen Ausführungsformen weist die Freigabeschaltung eine Mehrzahl von Schaltern auf, die basierend auf den Signalen angesteuert werden, welche vom Freigabeaktivierungsausgang empfangen werden. In derartigen Ausführungsformen ist jeder Schalter mit der ersten Rückenplatte, der zweiten Rückenplatte oder der Membran gekoppelt, und die Schalter sind dafür ausgelegt, ein Ladungsniveau an der ersten Rückenplatte, der zweiten Rückenplatte oder der Membran anzupassen. In einigen Ausführungsformen sind die erste Rückenplatte, die zweite Rückenplatte, die Membran, der erste Verstärker und der zweite Verstärker auf derselben integrierten Schaltung angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform können Vorteile beinhalten, differenzielle, kapazitive Wandler mit höherer Empfindlichkeit zu betreiben, einfache Detektion von Fehlerbedingungen in differenziellen, kapazitiven Wandlern und einfache Reparatur von Fehlerbedingungen in differenziellen, kapazitiven Wandlern.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, jedoch ist diese Beschreibung nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der beispielhaften Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung sind für Fachleute auf diesem Gebiet der Technik anhand der Beschreibung offenkundig. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Patentansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen abdecken.

Claims

Wandlersystem, umfassend: ein umwandelndes Element, das eine Signalplatte, eine erste Erfassungsplatte und eine zweite Erfassungsplatte umfasst; und eine Symmetriedetektionsschaltung, die mit einem Differentialausgang des Wandlerelements gekoppelt ist, wobei die Symmetriedetektionsschaltung dafür ausgelegt ist, basierend auf einer Asymmetrie im Differentialausgang ein Fehlersignal auszugeben.
Wandlersystem nach Anspruch 1, wobei: die Signalplatte eine Membran ist, die erste Erfassungsplatte eine erste Rückenplatte ist und die zweite Erfassungsplatte eine zweite Rückenplatte ist.
Wandlersystem nach Anspruch 1, wobei: die Signalplatte eine Rückenplatte ist, die erste Erfassungsplatte eine erste Membran ist und die zweite Erfassungsplatte eine zweite Membran ist.
Wandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Erfassungsplatte und die zweite Erfassungsplatte benachbart zur Signalplatte auf gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind und jeweils in einem ersten Abstand von der Signalplatte angeordnet sind.
Wandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Symmetriedetektionsschaltung einen Widerstandsteiler umfasst, der zwischen den positiven und den negativen Ausgangsanschluss geschaltet ist, die den Differentialausgang liefern.
Wandlersystem nach Anspruch 5, wobei die Symmetriedetektionsschaltung ferner ein Filter umfasst, das mit dem Widerstandsteiler gekoppelt ist.
Wandlersystem nach Anspruch 6, wobei die Symmetriedetektionsschaltung ferner umfasst: einen ersten Addierer, der mit dem positiven und dem negativen Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei der erste Addierer dafür ausgelegt ist, eine erste Differenz aus Signalen an dem positiven und dem negativen Ausgangsanschluss zu berechnen; einen ersten logarithmischen Verstärker, der mit dem Filter gekoppelt ist; einen zweiten logarithmischen Verstärker, der mit einem Ausgang des ersten Addierers gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, die erste Differenz zu empfangen; und einen zweiten Addierer, der mit dem ersten logarithmischen Verstärker und dem zweiten logarithmischen Verstärker gekoppelt ist, wobei der zweite Addierer dafür ausgelegt ist, eine zweite Differenz aus den Ausgängen des ersten logarithmischen Verstärkers und des zweiten logarithmischen Verstärkers zu berechnen.
Wandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner eine Reparaturschaltung umfassend, die mit dem Wandlerelement und der Symmetriedetektionsschaltung gekoppelt ist, wobei die Reparaturschaltung dafür ausgelegt ist, ein Ladungsniveau an der Signalplatte, der ersten Erfassungsplatte oder der zweiten Erfassungsplatte basierend auf dem Fehlersignal zu ändern.
Wandlersystem nach Anspruch 8, wobei die Reparaturschaltung umfasst: einen ersten Rücksetzschalter, der zwischen die Signalplatte und eine niedrige Referenzversorgung gekoppelt ist; einen zweiten Rücksetzschalter, der zwischen die erste Erfassungsplatte und die niedrige Referenzversorgung gekoppelt ist; und einen dritten Rücksetzschalter, der zwischen die zweite Erfassungsplatte und die niedrige Referenzversorgung gekoppelt ist, wobei der erste, zweite und dritte Rücksetzschalter basierend auf dem Fehlersignal angesteuert werden.
Wandlersystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Reparaturschaltung umfasst: eine erste Ladungsverteilungseinheit mit einem ersten Anschluss, der mit der Signalplatte gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit der ersten Erfassungsplatte gekoppelt ist, wobei die erste Ladungsverteilungseinheit dafür ausgelegt ist, das Fehlersignal zu empfangen; und eine zweite Ladungsverteilungseinheit mit einem ersten Anschluss, der mit der Signalplatte gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit der zweiten Erfassungsplatte gekoppelt ist, wobei die zweite Ladungsverteilungseinheit dafür ausgelegt ist, das Fehlersignal zu empfangen.
Wandlersystem nach Anspruch 10, wobei die erste Ladungsverteilungseinheit und die zweite Ladungsverteilungseinheit jeweils einen ersten Schalter, einen Kondensator und einen zweiten Schalter, der zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss der jeweiligen Ladungsverteilungseinheit in Reihe geschaltet ist, aufweisen und wobei der erste Schalter und der zweite Schalter in der ersten Ladungsverteilungseinheit ebenso wie in der zweiten Ladungsverteilungseinheit basierend auf dem Fehlersignal geschaltet werden.
Wandlersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Reparaturschaltung umfasst: einen ersten Trennschalter, der zwischen die erste Erfassungsplatte und zusätzliche Verarbeitungsschaltungen gekoppelt ist; und einen zweiten Trennschalter, der zwischen die zweite Erfassungsplatte und die zusätzlichen Verarbeitungsschaltungen gekoppelt ist, wobei der erste Trennschalter und der zweite Trennschalter basierend auf dem Fehlersignal angesteuert werden.
Wandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches ferner umfasst: eine Vorspannungsschaltung, die mit der Signalplatte gekoppelt ist; einen ersten Verstärker, der zwischen die erste Erfassungsplatte und einen ersten Anschluss des Differentialausgangs gekoppelt ist; und einen zweiten Verstärker, der zwischen die zweite Erfassungsplatte und einen zweiten Anschluss des Differentialausgangs gekoppelt ist.
Wandlersystem nach Anspruch 13, wobei das Wandlerelement, der erste Verstärker und der zweite Verstärker auf derselben integrierten Schaltung angeordnet sind.
Verfahren für den Betrieb eines Wandlersystems, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines Differentialausgangssignals an einem differenziellen, kapazitiven Wandler basierend auf einem erfassten Eingangssignal; Erzeugen eines Symmetriesignals basierend auf dem Differentialausgangssignal; Vergleichen des Symmetriesignals mit einem Fehlerbedingungsmerkmal; und Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers, falls der Vergleich eine Fehlerbedingung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers das Koppeln einer kapazitiven Platte des differenziellen, kapazitiven Wandlers mit einem Erdungsanschluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers das Anpassen einer Spannung an einer kapazitiven Platte des differenziellen, kapazitiven Wandlers unter eine Pull-out-Spannung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Reparieren des differenziellen, kapazitiven Wandlers das Trennen einer kapazitiven Platte des differenziellen, kapazitiven Wandlers von einer Ausgangsschaltung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das Erzeugen des Symmetriesignals das Erzeugen eines Gleichtaktsignals basierend auf dem Differentialausgangssignal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner das Filtern des Gleichtaktsignals umfassend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei das Erzeugen des Symmetriesignals umfasst: Erzeugen eines Differenzsignals zwischen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente des Differentialausgangssignals; Erzeugen eines Gleichtaktsignals basierend auf dem Differentialausgangssignal; und Bestimmen eines Verhältnisses des Differenzsignals zum Gleichtaktsignal.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei sich das Symmetriesignal proportional zu einer logarithmischen Gleichung verhält: log(D1 – D2) – log(CM), wobei D1 die erste Komponente des Differentialausgangssignals ist, D2 die zweite Komponente des Differentialausgangssignals ist, und CM das Gleichtaktsignal ist.
Mikrofonsystem, welches umfasst: ein MEMS(mikroelektromechanisches System)-Mikrofon mit doppelter Rückenplatte, umfassend: eine erste Rückenplatte, eine zweite Rückenplatte, eine zwischen der ersten Rückenplatte und der zweiten Rückenplatte ausgebildete Membran, einen ersten Ausgangsanschluss, der mit der ersten Rückenplatte gekoppelt ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit der zweiten Rückenplatte gekoppelt ist; und eine Schnittstellenschaltung, umfassend: einen ersten Verstärker, der mit dem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einen zweiten Verstärker, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, eine Symmetriedetektionsschaltung, die mit den Ausgängen des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers gekoppelt ist und einen Symmetriesignalanschluss aufweist, einen Komparator, der mit dem Symmetriesignalanschluss und einem Asymmetrieschwellenwerteingang gekoppelt ist und einen Freigabeaktivierungsausgang umfasst, und eine Freigabeschaltung, die mit dem Freigabeaktivierungsausgang und der Membran gekoppelt ist, wobei die Freigabeschaltung dafür ausgelegt ist, ein Freigabesteuerungssignal an die Membran bereitzustellen, das auf Signalen basiert, welche von dem Freigabeaktivierungsausgang empfangen werden.
Mikrofonsystem nach Anspruch 23, wobei die Symmetriedetektionsschaltung umfasst: einen Widerstandsteiler, der zwischen Ausgänge des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers gekoppelt ist, und einen Kondensator, der mit einem Zwischenknoten des Widerstandsteilers gekoppelt ist.
Mikrofonsystem nach Anspruch 24, wobei die Symmetriedetektionsschaltung ferner umfasst: einen ersten Addierer, der mit den Ausgängen des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers gekoppelt ist, wobei der erste Addierer dafür ausgelegt ist, eine erste Differenz aus Signalen an den Ausgängen des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers zu berechnen; einen ersten logarithmischen Verstärker, der mit dem Kondensator gekoppelt ist; einen zweiten logarithmischen Verstärker, der mit einem Ausgang des ersten Addierers gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, eine erste Differenz zu empfangen; und einen zweiten Addierer, der mit dem ersten logarithmischen Verstärker und dem zweiten logarithmischen Verstärker gekoppelt ist, wobei der zweite Addierer dafür ausgelegt ist, eine zweite Differenz aus Ausgängen des ersten logarithmischen Verstärkers und des zweiten logarithmischen Verstärkers zu berechnen.
Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die Freigabeschaltung eine Mehrzahl von Schaltern umfasst, die basierend auf den Signalen angesteuert werden, welche vom Freigabeaktivierungsausgang empfangen werden, wobei jeder Schalter mit der ersten Rückenplatte, der zweiten Rückenplatte oder der Membran gekoppelt ist; und wobei die Schalter dafür ausgelegt sind, ein Ladungsniveau an der ersten Rückenplatte, der zweiten Rückenplatte oder der Membran anzupassen.
Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die erste Rückenplatte, die zweite Rückenplatte, die Membran, der erste Verstärker und der zweite Verstärker auf derselben integrierten Schaltung angeordnet sind.