DE102016105923A1 - MEMS microphone and method of operation - Google Patents
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Abstract
Ein MEMS-Mikrofon weist einen ASIC (AS) mit einem programmierbaren internen Speicher (IM) und einem MEMS Sensor (MS) auf. Im internen Speicher sind Betriebsparameter entsprechend einer Mehrzahl an definierter Betriebszustände (M1, M2, M3) für die Ansteuerung des MEMS Sensors (MS) und/oder die Verarbeitung des vom Sensor an den ASIC (AS) geleiteten Signals abspeicherbar. Über eine Ansteuerungsleitung für den ASIC kann das Mikrofon in einen ausgewählten Betriebszustand geschaltet werden.A MEMS microphone has an ASIC (AS) with a programmable internal memory (IM) and a MEMS sensor (MS). In the internal memory operating parameters corresponding to a plurality of defined operating states (M1, M2, M3) for the control of the MEMS sensor (MS) and / or the processing of the sensor to the ASIC (AS) guided signal can be stored. Via a control line for the ASIC, the microphone can be switched to a selected operating state.
Description
MEMS-Mikrofone, die als mikroelektromechanische Systeme ausgebildet sind, werden heutzutage für Handys und akustische Sensoren eingesetzt. Besonders vorteilhaft sind ihre kleine Größe und ihre gute akustische Performance. Ebenso zeichnen sie sich durch ihre Beständigkeit gegenüber den Bedingungen beim Verlöten aus. MEMS microphones, which are designed as microelectromechanical systems, are used today for mobile phones and acoustic sensors. Particularly advantageous are their small size and their good acoustic performance. They are also characterized by their resistance to the conditions of soldering.
Ein bei der Herstellung von MEMS-Mikrofonen auftretendes Problem ist die Sensitivitätsstreuung nach der Herstellung. Produktionstoleranzen sowie Materialschwankungen können zu einer unzulässig hohen Streuung der Mikrofon-Eigenschaften führen. Da für den Einsatz der MEMS Mikrofone jedoch eine nur geringe Toleranz der Eigenschaften tolerabel ist, genügen viele Mikrofone direkt nach der Herstellung den Anforderungen bei modernen Mobiltelefonen nicht. One problem encountered in the fabrication of MEMS microphones is the sensitivity dispersion after fabrication. Production tolerances and material fluctuations can lead to an inadmissibly high dispersion of the microphone characteristics. However, since only a small tolerance of the properties is tolerable for the use of MEMS microphones, many microphones do not meet the requirements of modern mobile phones directly after production.
Stand der Technik ist es daher, MEMS-Mikrofone nach ihrer Herstellung einem Endtest zu unterziehen und anschließend Mikrofone mit stark von den gewünschten Werten abweichenden Eigenschaften durch Veränderung der Betriebsparameter in einen gewünschten Bereich zurückzuführen. Es werden dabei neue Betriebsparameter für das Mikrofon ermittelt und in einem Festspeicher des ASICs, der Bestandteil eines jeden MEMS-Mikrofons ist, abgespeichert. Ein solches Mikrofon ist beispielsweise aus der
Mit Hilfe der Kalibrierung gelingt es, ein Mikrofon optimal auf eine gewünschte Empfindlichkeit einzustellen. Ein Problem bleibt jedoch, dass ein Mikrofon in unterschiedlichen Umgebungen mit unterschiedlichen Schalldrücken oder verschieden starken Hintergrundgeräuschen eigentlich einer jeweils spezifischen Kalibrierung bedarf, um es auf den Betrieb in der jeweiligen Umgebung hin zu optimieren. Durch die bisher praktizierte einheitliche Kalibrierung ist das MEMS Mikrofon aber auf genormte und genau definierte Umgebungsparameter hin optimiert. With the help of the calibration, it is possible to optimally set a microphone to a desired sensitivity. One problem remains, however, that a microphone in different environments with different sound pressures or different levels of background noise actually requires a specific calibration in order to optimize it for operation in the respective environment. Due to the standardized calibration that has been practiced up to now, the MEMS microphone has been optimized for standardized and precisely defined environmental parameters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons anzugeben, welches mit unterschiedlichen äußeren Umgebungsparametern kompatibel ist und auch dort eine gute Signalqualität liefert.Object of the present invention is therefore to provide a microphone and a method for operating a microphone, which is compatible with different external environment parameters and also provides there a good signal quality.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a microphone and a method for operation according to the independent claims. Advantageous embodiments of the invention can be found in the dependent claims.
Ein bekanntes kalibrierbares MEMS-Mikrofon weist bereits einen programmierbaren internen Speicher auf. Dieser ist üblicherweise als OTP-Speicher (One Time Programmable) ausgebildet und erlaubt ein einmaliges Einschreiben der Kalibrierungsparameter, die dann über die gesamte Lebensdauer des MEMS-Mikrofons konstant bleiben.A known calibratable MEMS microphone already has a programmable internal memory. This is usually designed as OTP memory (One Time Programmable) and allows a one-time writing of the calibration parameters, which then remain constant over the entire life of the MEMS microphone.
Die grundlegende Idee der Erfindung ist es nun, diesen Speicher dazu zu nutzen, Betriebsparameter für mehrere definierte Betriebszustände abzuspeichern, so dass das Mikrofon währende des späteren ordnungsgemäßen Betriebs über eine Ansteuerungsleitung in einen gewünschten oder erforderlichen Betriebszustand geschaltet werden kann. The basic idea of the invention is now to use this memory to store operating parameters for several defined operating states so that the microphone can be switched to a desired or required operating state via a control line during later proper operation.
Die Betriebsparameter für die Betriebszustände sind dabei auf das jeweilige MEMS-Mikrofon kalibrierte Werte, die in einem Endtest nach der Herstellung des Mikrofons ermittelt wurden. The operating parameters for the operating states are values calibrated to the respective MEMS microphone, which were determined in a final test after the production of the microphone.
Möglich ist es jedoch auch, Betriebsparameter für einzelne gewünschte Betriebszustände zu einem beliebigen Zeitpunkt neu zu ermitteln und im internen Speicher neu abzuspeichern und so das MEMS Mikrofon neu zu kalibrieren. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das MEMS-Mikrofon einer Alterung, oder einer thermischen oder mechanischen Belastung ausgesetzt wurde, was jeweils zu einer internen Verspannung der Membran des MEMS-Mikrofons führen kann und nicht zuletzt einen Drift der Mikrofoneigenschaften zur Folge haben kann.However, it is also possible to redetermine operating parameters for individual desired operating states at any time and to re-store them in the internal memory and thus to recalibrate the MEMS microphone. This is particularly advantageous when the MEMS microphone has been subjected to aging, or thermal or mechanical stress, which in each case can lead to an internal strain on the membrane of the MEMS microphone and not least can result in a drift in the microphone characteristics.
Das neu Einprogrammieren von Betriebsparametern sowie die Auswahl gespeicherter Betriebszustände können über dieselbe Ansteuerungsleitung erfolgen, die das Mikrofon mit einem äußeren Anschluss verbindet. The re-programming of operating parameters and the selection of stored operating states can be done via the same control line that connects the microphone to an external terminal.
Vorzugsweise erfolgt die Programmierung durch Eingabe von Signalen bei einer Spannung, die auch im Normalbetrieb des MEMS-Mikrofons zur Verfügung steht. Möglich ist es z.B., über die Ansteuerungsleitung eine Bit-Folge einzugeben, die entweder einen Programmierbefehl oder einen Datensatz umfasst. The programming is preferably carried out by inputting signals at a voltage which is also available during normal operation of the MEMS microphone. For example, it is possible to input a bit sequence via the drive line, which comprises either a programming command or a data record.
Alternativ ist es möglich, einen für einen Betriebszustand vorgesehenen Spannungspegel an die Ansteuerungsleitung anzulegen, um die jeweils dem Spannungspegel zugeordneten Betriebsparameter für den gewünschten Betriebszustand einzustellen.Alternatively, it is possible to apply a voltage level intended for an operating state to the drive line in order to set the respective operating state associated with the voltage level for the desired operating state.
Ein Betriebsparameter, der erfindungsgemäß für einen Betriebszustand abgespeichert werden kann, ist ein Gain – Faktor, der ein Maß für die Verstärkung durch einen im ASIC integrierten Verstärker (Pre-Amplifier) darstellt. An operating parameter, which according to the invention can be stored for an operating state, is a gain factor, which represents a measure of the amplification by an amplifier integrated in the ASIC (pre-amplifier).
Als weiterer Betriebsparameter kann eine für einen Betriebszustand typische BIAS-Spannung abgespeichert sein. Über die Bias-Spannung kann die Sensitivität, bzw. das SNR Level oder THD Verhalten des Mikrofons bei höheren Schalldrücken beeinflusst werden. Über den Betriebszustand kann die Sensitivität so eingestellt werden, dass sie einem in der Umgebung herrschenden Schallpegel entspricht. As a further operating parameter, a BIAS voltage typical for an operating state can be stored. The bias voltage can be used to influence the sensitivity or SNR level or THD behavior of the microphone at higher sound pressure levels. The operating state allows the sensitivity to be set to correspond to a prevailing noise level in the environment.
Die verschiedenen einstellbaren Betriebszustände können für verschiedene Umgebungsparameter vorgesehen sein. Neben einer lauten oder leisen Umgebung, einer geforderten hohen oder niedrigen Dynamik, einem hohen oder niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), oder auszufilternden hoch- oder niederfrequenten Störsignalen können die jeweiligen auszuwählenden Betriebszustände noch verschiedene andere Umgebungsbedingungen berücksichtigen und ein optimales Mikrofonverhalten garantieren. The various adjustable operating states can be provided for different environmental parameters. In addition to a noisy or quiet environment, a demanded high or low dynamics, a high or low signal-to-noise ratio (SNR), or high or low frequency interference signals to be filtered out, the respective operating states to be selected can take into account various other ambient conditions and guarantee optimum microphone behavior.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das MEMS-Mikrofon außerdem dazu ausgebildet, äußere Umgebungsparameter und/oder Eigenschaften der akustischen Signale zu erfassen. In a particular embodiment, the MEMS microphone is also designed to detect external environmental parameters and / or properties of the acoustic signals.
Aus der absoluten Höhe, dem Dynamikbereich und/oder der Frequenzlage der der vom Mikrofon aufzuzeichnenden Signale, sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur wird mittels eines Algorithmus ein dazu passender abgespeicherter Betriebszustand ausgewählt und selbsttätig eingestellt.From the absolute height, the dynamic range and / or the frequency position of the signals to be recorded by the microphone, and optionally as a function of the ambient temperature, a matching stored operating state is selected and set automatically by means of an algorithm.
Möglich ist es auch, dass das MEMS-Mikrofon einen optimierten Betriebszustand errechnet und vorschlägt, der dann manuell von einem User eingestellt werden kann. Die Einstellwerte sind wieder die gespeicherten Betriebszustände, beziehungsweise die Betriebsparameter, die den jeweiligen gespeicherten Betriebszustand definieren. It is also possible that the MEMS microphone calculates and suggests an optimized operating state, which can then be set manually by a user. The setting values are again the stored operating states, or the operating parameters that define the respective stored operating state.
Das MEMS-Mikrofon weist in der Regel eine Anzahl von Kontakten auf, die sowohl zur Befestigung des Mikrofons, beispielsweise durch Verlöten, als auch als elektrische Anschlüsse des Mikrofons dienen. Einer der Kontakte kann mit der Ansteuerungsleitung verbunden sein. The MEMS microphone usually has a number of contacts, which serve both for fastening the microphone, for example by soldering, and as electrical connections of the microphone. One of the contacts may be connected to the drive line.
Möglich ist es jedoch auch, einen bereits vorhandenen Kontakt zu nutzen, z.B. den für die Erstkalibrierung, um Betriebsparameter für verschiedene Betriebszustände abzuspeichern, um einen Betriebszustand auszuwählen und einzustellen oder auch um die Betriebsparameter für die Betriebszustände neu zu kalibrieren. Möglich ist es natürlich auch, weitere Kontakte vorzusehen, über die erfindungsgemäß Betriebszustände eingespeichert oder ausgewählt werden können.However, it is also possible to use an existing contact, e.g. for the initial calibration to store operating parameters for various operating conditions, to select and set an operating condition, or to recalibrate the operating parameters for the operating conditions. Of course, it is also possible to provide further contacts via which operating states according to the invention can be stored or selected.
Die Betriebsparameter für die Betriebszustände können wie gesagt einmalig in einem Endtest ermittelt und im internen Speicher des MEMS-Mikrofons abgespeichert werden. Möglich ist es jedoch auch, eine Neukalibrierung nach bestimmten Ereignissen durchzuführen. Möglich ist es weiterhin, eine Neukalibrierung in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführen. Für eine Kalibrierung ist in der Regel eine normierte akustische Umgebung erforderlich, um mit normierten akustisches Signalen eine gewünschte Mikrofoneigenschaft einzustellen, wobei die normierten akustischen Signale als Maßstab dienen.As already stated, the operating parameters for the operating states can be determined once in a final test and stored in the internal memory of the MEMS microphone. However, it is also possible to recalibrate after certain events. It is also possible to carry out a recalibration at regular intervals. For a calibration, a normalized acoustic environment is usually required in order to set a desired microphone characteristic with standardized acoustic signals, the standardized acoustic signals serving as a benchmark.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und daher nicht maßstabsgetreu dargestellt. In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the associated figures. The figures are only schematic and therefore not drawn to scale.
Es zeigen:Show it:
Es können auch andere Aufbauvarianten verwendet werden. Anstelle von Flip-Chip Technologie können z.B. die Chips auch aufgeklebt werden und die elektrische Verbindungen durch Bonddrähte vorgenommen werden.Other design variants can also be used. Instead of flip-chip technology, e.g. the chips are also glued and the electrical connections are made by bonding wires.
Am kapazitiven Element des Mikrofon-Sensors MS liegt eine BIAS-Spannung an, die von einem BIAS-Spannungsgenerator BS erzeugt wird. Am kapazitiven Element wird nun im Betrieb des Mikrofons die Kapazität bestimmt, im ASIC in eine Spannung umgewandelt, mittels eines Verstärkers AMP verstärkt und als Messsignal an einem Ausgang OUT ausgegeben. At the capacitive element of the microphone sensor MS is applied to a BIAS voltage from a BIAS voltage generator BS is generated. At the capacitive element, the capacitance is now determined during operation of the microphone, converted into a voltage in the ASIC, amplified by an amplifier AMP and output as a measuring signal at an output OUT.
Das Mikrofon MIC kann als digitales oder analoges Mikrofon ausgeführt sein. Ein analoges Mikrofon weist darüber hinaus als Aus- und Eingänge dienende Kontakte für die Versorgungsspannung VDD, für Masse GND sowie für einen Schreib-/Lesezugriff W/R auf. The microphone MIC can be designed as a digital or analog microphone. An analog microphone also has as outputs and inputs serving contacts for the supply voltage VDD, for ground GND and for a read / write access W / R.
Für ein digitales Mikrofon ist zumindest ein Eingang für Clock CLK vorgesehen. Darüber hinaus weist der ASIC AS einen internen Speicher IM auf. Im internen Speicher sind die Betriebsparameter für beispielsweise drei oder mehr verschiedene auswählbare Betriebszustände M1, M2, M3 des Mikrofons MIC abgespeichert. For a digital microphone at least one input for Clock CLK is provided. In addition, the ASIC AS has an internal memory IM. In the internal memory, the operating parameters for example, three or more different selectable operating states M1, M2, M3 of the microphone MIC are stored.
Zur Abspeicherung der Daten im internen Speicher IM kann der Schreib-/Lese-Eingang W/R verwendet werden. Über diesen Eingang kann auch der Betriebszustand Mn ausgewählt werden. To store the data in the internal memory IM, the read / write input W / R can be used. The operating state M n can also be selected via this input.
Möglich ist es jedoch auch, zur Auswahl des Betriebszustands einen Schreib-/Lese-Eingang W/R verschiedenen Hilfseingang AI vorzusehen, der ebenfalls mit dem internen Speicher IM verbunden ist.However, it is also possible to provide a read / write input W / R different auxiliary input AI to select the operating state, which is also connected to the internal memory IM.
Je nach ausgewähltem Betriebszustands M werden die entsprechenden Betriebsparameter aus dem internen Speicher IM an den BIAS-Spannungsgenerator BS und/oder an den Verstärker AMP geleitet und damit die Eigenschaften des Mikrofons passend zum gewünschten Betriebszustand eingestellt.Depending on the selected operating state M, the corresponding operating parameters are routed from the internal memory IM to the BIAS voltage generator BS and / or to the amplifier AMP and thus set the properties of the microphone to match the desired operating state.
In der dargestellten Ausführungsform sind MEMS-Sensor MS und ASIC AS mit einer Polymerfolie gegen die Oberfläche des Substrats abgedichtet. Auf dem Substrat ist weiterhin eine Abdeckkappe MC, beispielsweise eine Metallkappe, aufgesetzt, die gegen das Substrat abdichtet und einen Hohlraum unter sich einschließt, in dem Mikrofon-Sensor MS und ASIC AS angeordnet sind. Über der Membran MM und der Rückelektrode BP ist die Polymerfolie entfernt, so dass die Membran MM mit dem Hohlraum unter der Abdeckung MC kommunizieren kann. In the illustrated embodiment, MEMS sensor MS and ASIC AS are sealed with a polymeric film against the surface of the substrate. On the substrate, a cap MC, such as a metal cap, is placed, which seals against the substrate and includes a cavity below, are arranged in the microphone sensor MS and ASIC AS. Above the membrane MM and the rear electrode BP, the polymer film is removed, so that the membrane MM can communicate with the cavity under the cover MC.
Unterhalb der Membran ist eine Schallöffnung SO durch das Substrat SU vorgesehen, über die die Membran mit der äußeren Umgebung kommunizieren kann und Schallwellen bis zur Membran vordringen können. Membran MM und Polymerfolie PF trennen ein akustisches Frontvolumen unterhalb der Membran und ein akustisches Rückvolumen oberhalb der Membran und unter der Abdeckung MC voneinander ab.Below the membrane, a sound opening SO is provided through the substrate SU, through which the membrane can communicate with the external environment and sound waves can penetrate to the membrane. Membrane MM and polymer film PF separate an acoustic front volume below the membrane and an acoustic back volume above the membrane and below the cover MC.
MEMS-Sensor MS und ASIC AS können über Lötverbindungen, die beispielsweise in Form von Bumps BU ausgeführt sind, auf dem Substrat montiert sein. MEMS sensor MS and ASIC AS can be mounted on the substrate via solder connections, which are embodied, for example, in the form of bumps BU.
Über die interne Verdrahtung innerhalb des mehrschichtigen Substrats SU oder über auf der Oberfläche des Substrats SU verlaufende Leiterbahnen ist der ASIC mit dem Mikrofon-Sensor MS beziehungsweise dessen Membran MM und Rückelektrode BP verbunden. Dargestellt ist ein kapazitiver Mikrofon-Sensor mit zwei Rückelektroden BP, welcher ein differenzielles Signal mit einer höheren Signalqualität liefert. Möglich ist es jedoch auch, nur eine einzelne Rückelektrode gegen die Membran zu schalten.The ASIC is connected to the microphone sensor MS or its membrane MM and back electrode BP via the internal wiring within the multilayer substrate SU or via conductor tracks running on the surface of the substrate SU. Shown is a capacitive microphone sensor with two back electrodes BP, which provides a differential signal with a higher signal quality. However, it is also possible to switch only a single return electrode against the membrane.
Aus der
In ähnlicher Weise sind über die beiden Betriebsparameter auch andere Mikrofoneigenschaften einstellbar, die sich in Form von Kombinationen von Betriebsparametern definieren lassen. Beispielsweise kann das Signal-Rausch-Verhältnis SNR eingestellt werden.Similarly, other microphone characteristics can be set via the two operating parameters, which can be defined in the form of combinations of operating parameters. For example, the signal-to-noise ratio SNR can be set.
Auf Grund von Produktionstoleranzen streuen die Eigenschaften von Mikrofonen innerhalb einer Charge und insbesondere von Charge zu Charge.
Eine erste Verteilung
Die dargestellte Verteilung
Die Verteilung
In entsprechender Weise wie hier dargestellt die Empfindlichkeit lässt sich beispielsweise auch das Signal-Rausch-Verhalten und andere Eigenschaften des Mikrofons über geeignete Betriebsparameter einstellen. Da die Betriebszustände für jedes Mikrofon einzeln kalibriert sind, ergibt sich auch für die unterschiedlichen Betriebszustände über eine Vielzahl Mikrofone eine nur geringe Abweichung vom Zielwert, wie beispielsweise aus der
Obwohl die Erfindung nur an einem Ausführungsbeispiel erläutert wurde, ist sie jedoch nicht auf dieses beschränkt. Die Erfindung ist vorzugsweise auf ein kapazitiv arbeitendes MEMS-Mikrofon optimiert, ist jedoch nicht auf kapazitive Mikrofone beschränkt. Bei Mikrofonen mit anderem Sensorprinzip können gegebenenfalls andere Betriebsparameter eingestellt werden.Although the invention has been explained only in one embodiment, it is not limited to this. The invention is preferably optimized for a capacitive MEMS microphone, but is not limited to capacitive microphones. For microphones with a different sensor principle, other operating parameters may possibly be set.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- erste Verteilung first distribution
- 22
- zweite Verteilung second distribution
- 33
- dritte Verteilung third distribution
- AIAI
- Hilfseingang auxiliary input
- AMPAMP
- Verstärker amplifier
- ASAS
- ASIC ASIC
- BPBP
- Rückelektrode back electrode
- BSBS
- BIAS Spannungsgenerator BIAS voltage generator
- BUBU
- Lötstelle soldered point
- BVBV
- BIAS Spannung BIAS tension
- CLKCLK
- Clock Clock
- GFGF
- Verstärkungsfaktor gain
- GNDGND
- Masse Dimensions
- IMIN THE
- interner Speicher Internal memory
- M1M1
- erster Betriebszustand/Modus first operating mode / mode
- M2M2
- zweiter Betriebszustand/Modus second operating state / mode
- M3M3
- dritter Betriebszustand/Modus third operating state / mode
- MCMC
- Abdeckkappe cap
- MICMIC
- MEMS Mikrofon MEMS microphone
- MMMM
- Membran membrane
- MSMS
- MEMS Sensor MEMS sensor
- OUTOUT
- Mikrofonausgang microphone output
- PFPF
- Polymerfolie polymer film
- SMSM
- Dichtmittel sealant
- SOSO
- Schallöffnung sound hole
- SUSU
- Substrat substratum
- VDDVDD
- Versorgungsspannung supply voltage
- W/RW / R
- Schreib-/Leseeingang Read / write input
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1906704 A1 [0003] EP 1906704 A1 [0003]
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R082 | Change of representative |
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