DE112009000702B4

DE112009000702B4 - Mikrofonbaugruppe mit integrierter Selbsttestschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE112009000702B4
Application number: DE112009000702.3T
Authority: DE
Inventors: Per F. Hövesten; Jens Kristian Poulsen; Gino Rocca
Original assignee: Epcos Pte Ltd
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: US8675895B2; WO2009127568A1; KR20110009150A; JP5410504B2; KR101524900B1; DE112009000702T5; US20110110536A1; JP2011517917A

Abstract

Kondensatormikrofonbaugruppe, umfassend: – ein elektroakustisches Wandlerelement, das eine Membran und eine Rückplatte umfasst; – eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die operativ mit dem elektroakustischen Wandlerelement verbunden ist, um von dem elektroakustischen Wandlerelement generierte Signale zu verarbeiten; und – eine Moduseinstellungsschaltungsanordnung zum selektiven Einstellen der Kondensatormikrofonbaugruppe in einem Testmodus oder einem Arbeitsmodus, – wobei eine DC-Biasspannung als eine DC-Spannungsdifferenz an Membran und Rückplatte des elektroakustischen Wandlerelements angelegt wird, – mit einer nullifizierenden Schaltungsanordnung, die im Testmodus die am elektroakustischen Wandlerelement anliegende DC-Biasspannung auf 0 V reduziert, so dass eine elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Testmodus mindestens 40 dB niedriger ist als die entsprechende elektroakustische Empfindlichkeit der Baugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus und ein elektrisches Ausgangssignal vom elektronischen Rauschen der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung bestimmt ist, so dass ein Testen der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung in Form einer Rauschmessung unabhängig von vom elektroakustischen Wandlerelement erzeugten Signalen erfolgen kann.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Miniaturmikrofonbaugruppe und ein Verfahren zum Messen ausgewählter Leistungsparameter einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung einer derartigen Miniaturmikrofonbaugruppe. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Miniaturmikrofonbaugruppe, die eine integrierte Diagnose- oder Testschaltungsanordnung zum Trennen von von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung generierten elektrischen Signalen von von einem elektroakustischen Wandlerelement, das operativ mit der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung verbunden ist, generierten Signalen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Wegen elektromagnetischer und akustischer rauschbehafteter und rauer Fabrikationsumgebungen ist es im Allgemeinen schwierig, empfindliche Analogschaltungen wie etwa rauscharme Miniaturmikrofonvorverstärker während der Waferherstellung zu testen. Es ist deshalb vorteilhaft, Leistungsparameter einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung während eines Endtests der montierten Mikrofonbaugruppe zu messen. Aufgrund der Variabilität während der Produktion von Miniaturmikrofonbaugruppen für tragbare Terminals und Hörgeräte ist es außerdem vorteilhaft, Leistungsparameter an der montierten Mikrofonbaugruppe zu messen, um die Einhaltung von elektrischen und/oder elektroakustischen Spezifikationen sicherzustellen. Die elektroakustische Empfindlichkeit (Volt/Pascal) und der elektrische Ausgangsrauschpegel eines rauscharmen Miniaturmikrofonvorverstärkers sind Beispiele für solche Leistungsparameter.
Messungen der Leistungsparameter werden jedoch in der Regel durch eine Wechselwirkung und Kombination von von einem elektroakustischen Mikrofonwandlerelement der Baugruppe generierten Signalen und von einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung mit Schaltungsanordnungen wie etwa Vorverstärkern, Spannungsreglern, Spannungsvervielfachern usw. generierten Signalen beeinflusst. Um Leistungsparameter der Baugruppe zu messen, müssen die von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung verarbeiteten oder generierten Signale von von dem elektroakustischen Mikrofonwandlerelement generierten Signalen getrennt werden.
Das Dokument EP 1 599 067 A2 beschreibt eine Mikrofonanordnung, bei der ein zu hoher auf die Membran des Mikrofons einwirkender Schallpegel erkannt und in Folge dessen die DC Dias Spannung zwischen Membran und Rückplatte reduziert wird.
WO 01/78446 A1 offenbart, wie die Empfindlichkeit eines Mikrofons während des Normalbetriebs eingestellt werden kann und regelt diese durch Anpassung der Verstärkerleistung.
Somit kann es als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine integrierte Diagnose- oder Testschaltungsanordnung zum Trennen der durch die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung generierten Signale von von dem elektroakustischen Mikrofon generierten Signalen bereitzustellen. Dadurch ist eine präzise Identifikation einer ausfallenden Komponente oder eines ausfallenden Teils einer zurückgewiesenen Miniaturmikrofonbaugruppe möglich, und die ausfallende Komponente kann gegebenenfalls neu entworfen oder modifiziert werden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die oben erwähnte Aufgabe wird durch eine Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13 erfüllt.
Es wird in einem ersten Aspekt eine Kondensatormikrofonbaugruppe bereitgestellt, die ein elektroakustisches Wandlerelement, eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und eine Moduseinstellungsschaltungsanordnung umfasst. Das elektroakustische Wandlerelement umfasst eine Membran und eine Rückplatte. Die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung ist operativ mit dem elektroakustischen Wandlerelement verbunden, um von dem elektroakustischen Wandlerelement generierte Signale zu verarbeiten. Die Moduseinstellungsschaltungsanordnung stellt selektiv die Kondensatormikrofonbaugruppe in einen Testmodus oder einen Arbeitsmodus ein. Eine elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe ist bei Betrieb im Testmodus mindestens 40 dB niedriger als die entsprechende elektroakustische Empfindlichkeit der Baugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus.
Der Testmodus der Baugruppe erleichtert, dass digitale oder analoge Miniaturkondensatormikrofonbaugruppen in verschiedene Gruppen sortiert werden können, wie etwa beispielsweise „genehmigt”, „zurückgewiesen”, „A-Qualität” und „B-Qualität”. Der Testmodus ermöglicht präzise und schnelle Messungen des Ausgangsrauschpegels in einer industriellen Umgebung mit hohen Umgebungsrauschpegeln. Somit besteht gemäß der vorliegenden Erfindung keine Notwendigkeit für hallfreie Testumgebungen. Auf diese Weise können automatisierte Tests der Rauschleistung auf schnelle und kosteneffektive Weise in Verbindung mit normalen elektrischen Tests durchgeführt werden.
Der Testmodus gestattet eine selektive Messung und Beurteilung von von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung generierten Signalen ohne Einfluss von von dem elektroakustischen Wandlerelement generierten Signalen. Dadurch wird diese präzise Identifikation einer ausfallenden Komponente oder eines ausfallenden Teils einer zurückgewiesenen Miniaturmikrofonbaugruppe erleichtert. Wie später ausführlicher erläutert wird, erleichtert der Testmodus Messungen der Leistung oder der elektrischen Charakteristiken der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, in der Regel auf einem Halbleiter-Die in der Form eines ASIC angeordnet, auf der fertig gestellten Kondensatormikrofonbaugruppe.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen elektroakustische kapazitive Wandlerelemente von den Nicht-Elektret-Typen (Dieser Typ erfordert eine externe DC-Biasspannung).
Bevorzugt ist das elektroakustische Wandlerelement ein MEMS-Mikrofonwandlerelement.
Die Kondensatormikrofonbaugruppe weist bei Betrieb im Testmodus bevorzugt eine elektroakustische Empfindlichkeit auf, die mindestens 50 dB, wie etwa 60 dB, wie etwa 70 dB, wie etwa 80 dB, niedriger ist als die elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus.
Die Kondensatormikrofonbaugruppe kann weiterhin einen Spannungsvervielfacher zum Generieren einer DC-Biasspannung umfassen. Die DC-Biasspannung wird als eine DC-Spannungsdifferenz zwischen der Membran und der Rückplatte angelegt. Der Spannungsvervielfacher kann als eine Dickson-Spannungspumpe implementiert werden, die eine DC-Biasspannung im Bereich 5–20 V wie etwa zwischen 8–12 V, wie etwa 10 V, generiert.
Bevorzugt werden die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die Moduseinstellungsschaltungsanordnung und der Spannungsvervielfacher auf einem gemeinsamen Halbleiter-Die oder Substrat beispielsweise in Form eines CMOS-, Bipolar- oder BiC-MOS-ASIC bereitgestellt. Optional kann der Halbleiter-Die weiterhin ein MEMS-hergestelltes elektroakustisches Wandlerelement umfassen, um eine Einzeldie-MEMS-Kondensatormikrofonbaugruppe bereitzustellen.
Die Moduseinstellungsschaltungsanordnung der Kondensatormikrofonbaugruppe kann einen elektronischen Schalter umfassen, der dafür ausgelegt ist, das elektroakustische Wandlerelement elektrisch von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung zu trennen. Zudem kann ein Kondensator vorgesehen sein, der elektrisch mit der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung verbunden ist, wenn die Kondensatormikrofonbaugruppe im Testmodus betrieben wird. Bevorzugt besitzt der vorgesehene Kondensator eine Kapazität, die im Wesentlichen gleich einer Kapazität ist, die durch Membran und die Rückplattenstrukturen des elektroakustischen Wandlerelements gebildet wird. Der Kondensator ist bevorzugt auf eine Weise an die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung gekoppelt, die eine Signalquellkapazität, wie durch die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung im Testmodus „gesehen”, im Wesentlichen identisch mit der Wandlerkapazität im Arbeitsmodus hält. Dies gestattet das Testen von Leistungscharakteristiken der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, beispielsweise eines Vorverstärkers, unter realistischen Arbeitsbedingungen, das heißt, mit einer Signalquellimpedanz, die mit der des Arbeitsmodus im Wesentlichen identisch ist.
Die Moduseinstellungsschaltungsanordnung der Kondensatormikrofonbaugruppe kann weiterhin eine nullifizierende Schaltungsanordnung umfassen, die dafür ausgelegt ist, die DC-Biasspannung zwischen der Membran und der Rückplatte auf 0 Volt zu setzen. Um diesem zu entsprechen, kann die nullifizierende Schaltungsanordnung ein kurzschließendes Bauelement umfassen, das dafür ausgelegt ist, einen Augangsport des mit der Membran oder der Rückplatte des elektroakustischen Wandlerelements verbundenen Spannungsvervielfachers elektrisch zu erden.
Zudem kann die Moduseinstellungsschaltungsanordnung der Kondensatormikrofonbaugruppe eine nullifizierende Schaltungsanordnung umfassen, die dafür ausgelegt ist, die DC-Biasspannung als Reaktion auf ein an den Spannungsvervielfacher geliefertes Steuersignal auf null zu setzen. Das Steuersignal umfasst bevorzugt ein Taktsignal oder ein DC-Eingangssignal oder eine Kombination davon, das an den Spannungsvervielfacher angelegt wird.
Die Kondensatormikrofonbaugruppe erleichtert es, dass ein Versorgungsspannungspegel und/oder Stromversorgungspegel an der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von einer Moduseinstellung der Baugruppe im Wesentlichen unabhängig sein kann. Insbesondere kann ein Versorgungsspannungspegel oder ein Stromversorgungspegel an einer Vorverstärkerschaltungsanordnung der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von einer Moduseinstellung der Baugruppe im Wesentlichen unabhängig sein. Somit kann eine im Wesentlichen konstante Versorgungsspannung und/oder ein im Wesentlichen konstanter Strom sowohl im Testmodus als auch im operationellen Modus an die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung angelegt werden. Dies gestattet das Testen der Leistungscharakteristiken der Vorverstärkerschaltungsanordnung unter realistischen Arbeitsbedingungen, d. h. mit Versorgungsspannungs- und -stromeinstellungen, die im Wesentlichen denen des Arbeitsmodus identisch sind.
Bei einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Leistungsparameters einer innerhalb eines Gehäuses einer Kondensatormikrofonbaugruppe montierten Signalverarbeitungsschaltungsanordnung. Die Kondensatormikrofonbaugruppe umfasst ein elektroakustisches Wandlerelement mit einer Membran und einer Rückplatte, eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die operativ mit dem elektroakustischen Wandlerelement verbunden ist, um von dem elektroakustischen Wandlerelement generierte Signale zu verarbeiten, und eine Moduseinstellungsschaltungsanordnung zum selektiven Einstellen eines Arbeitsmodus der Kondensatormikrofonbaugruppe. Das Verfahren umfasst die Schritte des Einstellens der Kondensatormikrofonbaugruppe in dem Testarbeitsmodus und des Lieferns von Testdaten an die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung der Kondensatormikrofonbaugruppe. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Bestimmen eines Leistungsparameters der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung der Kondensatormikrofonbaugruppe auf der Basis der gelieferten Testdaten, während die Kondensatormikrofonbaugruppe im Testmodus betrieben wird. Die Kondensatormikrofonbaugruppe weist bei Betrieb im Testmodus eine elektroakustische Empfindlichkeit auf, die mindestens 40 dB niedriger ist als die entsprechende elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus.
Wieder weist die Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Testmodus bevorzugt eine elektroakustische Empfindlichkeit auf, die mindestens 50 dB, wie etwa 60 dB, wie etwa 70 dB, wie etwa 80 dB, niedriger ist als die elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus.
Der Schritt des Einstellens der Kondensatormikrofonbaugruppe in den Testmodus kann das elektrische Trennen des elektroakustischen Wandlerelements von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung beinhalten. Zudem kann der Schritt des Einstellens der Kondensatormikrofonbaugruppe im Testmodus weiterhin den Schritt des elektrischen Verbindens der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung mit einem Kondensator mit einer Kapazität umfassen, die im Wesentlichen gleich einer Kapazität ist, die durch die Membran und die Rückplatte des elektroakustischen Wandlerelements gebildet wird.
Der Schritt des Einstellens der Kondensatormikrofonbaugruppe in den Testmodus kann beinhalten, eine zwischen der Membran und der Rückplatte angelegte Biasspannung auf null zu setzen. Die Biasspannung kann auf null gesetzt werden, indem ein Ausgangsport eines Spannungsvervielfachers elektrisch mit Masse verbunden wird. Alternativ kann die Biasspannung als Reaktion auf ein an einen Spannungsvervielfacher geliefertes Steuersignal auf null gesetzt werden.
Das Verfahren erleichtert, dass ein Versorgungsspannungspegel an der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von einer Moduseinstellung der Baugruppe im Wesentlichen unabhängig sein kann. Insbesondere kann ein Versorgungsspannungspegel an einer Vorverstärkerschaltungsanordnung der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von einer Moduseinstellung der Baugruppe im Wesentlichen unabhängig sein. Somit kann eine im Wesentlichen konstante Versorgungsspannung und/oder ein im Wesentlichen konstanter Strom sowohl im Testmodus als auch im operationellen Modus an die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung angelegt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren in weiteren Details beschrieben. Es zeigen:
1 eine Miniaturmikrofonbaugruppe (Kondensatormikrofonbaugruppe) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Miniaturmikrofonbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 eine Miniaturmikrofonbaugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Während die Erfindung sich für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignet, sind in den Zeichnungen beispielhaft spezifische Ausführungsformen gezeigt und werden im Detail hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Formen beschränkt sein soll. Vielmehr soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Gedanken und Schutzbereich der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft in ihrem breitesten Aspekt eine Miniaturmikrofonbaugruppe und ein assoziiertes Verfahren, durch das die Miniaturmikrofonbaugruppe in einen Testmodus eingestellt werden kann, indem Daten, wie etwa digitale Daten, durch eine Moduseinstellungsschnittstelle der Miniaturmikrofonbaugruppe übertragen werden. Die digitalen Daten können von externen Mitteln wie etwa einem Testcomputer geliefert werden.
Die elektroakustische Empfindlichkeit der Miniaturmikrofonbaugruppe ist im Testmodus mindestens 40 dB niedriger als die entsprechende elektroakustische Empfindlichkeit der Baugruppe bei Betrieb in einem Arbeitsmodus.
Der Testmodus ermöglicht es, die Leistung oder elektrischen Charakteristiken der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die in der Regel einen ASIC beinhaltet, an einer fertig gestellten Miniaturmikrofonbaugruppe selektiv zu messen. Indem die Baugruppe in den Testmodus versetzt wird, können Leistungsparameter der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung nach ihrer Montage in einem Mikrofongehäuse oder einem Mikrofonbaustein gemessen werden. Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung auch Leistungstests von Rauschpegeln von Miniaturmikrofonbaugruppen in einer nicht hallfreien Umgebung. Dies ist ein Vorteil, da hallfreie Umgebungen in einer auf die Massenproduktion ausgerichteten industriellen Umgebung sehr unpraktisch zu implementieren sind.
Ein elektrisches Ausgangssignal von einem elektroakustischen Wandlerelement eines Nicht-Elektret-Kondensatormikrofons hängt von einer DC-Biasspannung ab, die zwischen einer Membran und einer Rückplatte, die zusammen einen Wandlerkondensator bilden, angelegt ist. Falls zwischen der Membran und der Rückplatte keine DC-Biasspannung angelegt ist, wird die elektroakustische Empfindlichkeit auf angelegte Schallsignale so gut wie null sein. Unter diesen Bedingungen wird das elektrische Ausgangssignal von einer Miniaturmikrofonbaugruppe größtenteils durch elektronisches Rauschen von der operativ mit dem elektroakustischen Wandlerelement verbundenen Signalverarbeitungsschaltungsanordnung bestimmt. In dieser Situation ist es möglich, den intrinsischen Rauschpegel des elektroakustischen Wandlerelements und den Rauschbeitrag durch die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung selbst zu bestimmen, ohne dass die Miniaturmikrofonbaugruppe in einer akustisch isolierten Umgebung wie etwa in einer hallfreien/schalldichten Akustikkammer platziert wird. Um die Zuverlässigkeit und Präzision der Rauschmessung weiter zu verbessern, kann die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung für Testzwecke auf eine stärkere Kleinsignalverstärkung programmiert oder eingestellt werden als die Kleinsignalverstärkung des Arbeitsmodus, wie etwa eine zusätzliche Verstärkung von 10–40 dB.
Es sei angemerkt, dass es zusätzlich zu dem elektronischen Rauschen der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung einen akustoelektrischen Rauschbeitrag des elektroakustischen Wandlerelements gibt. Die Größe dieses akustoelektrischen Rauschens kann jedoch (entweder auf der Basis von Messungen oder unter Verwendung eines Mittelwerts) geschätzt werden, und somit kann ein zuverlässiger Schätzwert des ausgegebenen Rauschpegels der fertig gestellten Miniaturmikrofonbaugruppe selbst in einer akustisch rauschbehafteten industriellen Produktionsumgebung erhalten werden.
Zusätzlich zu dem Bestimmen des Rauschpegels der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung ist es auch möglich, die Kleinsignal- oder AC-Verstärkung der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung zu bestimmen, indem ein wohldefiniertes AC-Signal mit niedrigem Pegel in den Signalweg eingeführt wird, wenn die DC-Biasspannung zwischen der Membran und der Rückplatte nullifiziert worden ist.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird ein vereinfachtes Schemadiagramm einer digitalen Miniaturmikrofonbaugruppe 1 dargestellt, die unter anderen Elementen eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung umfasst. Die Baugruppe umfasst einen programmierbaren elektronischen Schalter 2, beispielsweise in der Form von einem oder mehreren MOS- oder CMOS-Transistoren, zwischen dem Eingang eines rauscharmen Mikrofonvorverstärkers/Puffers 8 und einem elektroakustischen Wandlerelement 3 eingesetzt, und einem zweiten programmierbaren Schalter 4, zwischen dem Eingangsanschluss des Vorverstärkers/Puffers 8 und AC-Masse eingesetzt. Ein dritter programmierbarer Schalter 5 wird bereitgestellt, um eine DC-Biasspannung von der Dickson-Pumpe 6 zu nullifizieren. Dieser dritte programmierbare elektronische Schalter 5 wird auch von einer Kollapsdetektionsschaltungsanordnung 7 gesteuert, die das Auftreten einer permanenten Haftreibung zwischen einer Mikrofonwandlermembran und Rückplattenstrukturen aufgrund von nichtlinearen elektrostatischen Anziehungskräften detektiert und/oder verhindert.
Das in 1 gezeigte elektroakustische Wandlerelement ist ein MEMS-Mikrofonwandlerelement vom Nicht-Elektret-Typ.
Einer der programmierbaren Schalter 4 ist so ausgelegt, dass er den Eingangsanschluss des Vorverstärkers/Puffers 8 durch einen Kondensator Cmike 9 an AC-Masse koppelt, während die anderen programmierbaren Schalter 2 so ausgelegt sind, dass sie den Eingang des rauscharmen Mikrofonvorverstärkers/Puffers 8 von dem MEMS Mikrofonwandlerelement 3 trennen. Die Kapazität des Kondensators Cmike 9 ist bevorzugt im Wesentlichen identisch mit der Kapazität des MEMS Mikrofonwandlerelements. Wenn die Miniaturmikrofonbaugruppe von 1 in dem Testmodus betrieben wird, wird somit ein Rauschbeitrag von dem MEMS-Mikrofon im Wesentlichen eliminiert, indem entweder die Verbindung zwischen dem MEMS Mikrofonwandlerelement und dem Eingangsknoten der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung ausgeschaltet wird, indem ein dazwischen positionierter Durchgangsgatterschalter 2 deaktiviert wird oder indem der Eingangsknoten der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung an AC-Masse angeschlossen wird. Letzteres kann bewerkstelligt werden, indem der Eingangsknoten an Kleinsignal- oder AC-Masse gekoppelt wird, beispielsweise durch Koppeln des Eingangsknotens an einen Masseanschluss oder DC-Versorgungsspannungsanschluss durch den oben erwähnten Kondensator Cmike. Auf diese Weise wird ein Anschluss von Cmike an Kleinsignal- oder AC-Masse gekoppelt. Cmike kann vorteilhafterweise eine Nennkapazität aufweisen, die im Wesentlichen identisch mit der Kapazität des MEMS Mikrofonwandlerelements ist. Als eine Alternative kann Cmike eine Nennkapazität innerhalb von +/–25% der Kapazität des MEMS Mikrofonwandlerelements aufweisen. Je nach dem Nennwert der Kapazität des MEMS Mikrofonwandlerelements liegt die Kapazität von Cmike bevorzugt zwischen 0,5 pF und 20 pF für Miniaturkondensatormikrofonbaugruppen, die sich zur Verwendung in mobilen Terminals und Hörprothesen eignen. Der Kondensator Cmike kann vorteilhafterweise zusammen mit der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und der Moduseinstellungsschaltungsanordnung auf einem Halbleiter-Die oder Chip integriert sein und kann einen Poly-Poly-Kondensator umfassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Moduseinstellungsschaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Kollapsdetektionsschaltungsanordnung kombiniert, die in der gleichzeitig anhängigen EP-Anmeldung Nr. EP 1 599 067 des Anmelders beschrieben ist, die in ihrer Gänze durch Bezugnahme aufgenommen ist. Diese letztere Schaltungsanordnung detektiert und/oder verhindert das Auftreten einer permanenten Haftreibung zwischen einer MEMS-Mikrofonmembran und Rückplattenstrukturen aufgrund von nichtlinearen elektrostatischen Anziehungskräften. Die Kollapsdetektionsschaltungsanordnung umfasst bevorzugt eine DC-Biasspannung-Nullifizierungsfunktion, die dafür ausgelegt ist, die nichtlinearen elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen der Membran und Rückplattenstrukturen zu eliminieren und somit Haftreibungsprobleme zu vermeiden. Die DC-Biasspannung-Nullifizierungsfunktion ist in 1 als ein programmierbarer MOS-Schalter 5 implementiert, der einen Ausgang der Dickson-Pumpe und den DC-Biasspannungskondensator kurzschließen kann. Die Nullifizierungsfunktion 5 der Kollapsdetektionsschaltungsanordnung kann die DC-Biasspannung nullifizieren, d. h. die DC-Biasspannung im Wesentlichen sehr schnell auf null Volt bringen.
Die DC-Biasspannung-Nullifizierungsfunktion kann bei dieser bestimmten Ausführungsform der Miniaturmikrofonbaugruppe zwei verschiedenen Zwecken dienen. Ein Zweck ist eine Kollapsdetektions/-verhinderungsfunktion. Ein weiterer Zweck ist eine Anordnung, um die Baugruppe in einen Testmodus zu bringen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 ist ein A/D-Wandler 10 in der Form eines Sigma-Delta-Wandlers bereitgestellt, um das analoge Vorverstärkersignal in ein digitales Ausgangssignal von der Baugruppe umzuwandeln. Ein Paar kreuzgekoppelter Dioden 11 mit einer Impedanz im TΩ- oder GΩ-Bereich ist zwischen den Ausgangsknoten der Dickson-Pumpe 6 und der Rückplatten- oder Membranstruktur des MEMS Mikrofonwandlerelements 3 eingesetzt, um einen im Wesentlichen konstanten Ladezustand des elektroakustischen Wandlerelements zu liefern.
Die dargestellte Programmierungsschnittstelle umfasst Daten-, Takt- und Masseleitungen, und es kann sich um eine kundenspezifische/proprietäre Programmierungschnittstelle oder um eine Schnittstelle vom Industrienormtyp handeln. Die Programmierungsschnittstelle ist bevorzugt eine bidirektionale Schnittstelle wie etwa eine bidirektionale IIC-Busschnittstelle, die die Übertragung von Daten von dem A/D-Wandler 10 und den Empfang von Daten unterstützt, die an die Baugruppe beispielsweise von einem Testcomputer übertragen werden, der dafür ausgelegt ist, die Baugruppe für einen Testmodusbetrieb zu konfigurieren. Die Programmierungsschnittstelle kann alternativ eine Ein-Leiter-Digitaldatenschnittstelle mit einer einzelnen Datenleitung und Masseleitung umfassen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Programmierungsschnittstelle einen SLIMbus^TM (Serial Low-power Inter-Chip Media Bus) gemäß der Spezifikation der MIPI-Allianz.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform generiert die Dickson-Pumpe 6 eine DC-Biasspannung von etwa 10 V, die über das Paar von kreuzgekoppelten Dioden 11 als eine Spannungsdifferenz zwischen der Membran und der Rückplatte des MEMS Mikrofonwandlerelements 3 angelegt wird. Im Fall eines nicht erfindungsgemäßen Elektret-Mikrofonwandlerelements mit integrierten Ladungen zum Generieren der erforderlichen Spannungsdifferenz zwischen der Membran und der Rückplatte lassen sich die programmierbaren Schalter 2, die zwischen dem Eingang eines rauscharmen Mikrofonvorverstärkers/Puffers 8 und dem Mikrofonwandlerelement 3 eingesetzt sind, und der programmierbare Schalter 4, der zwischen dem Eingangsanschluss des Vorverstärkers/Puffers 8 und AC-Masse eingesetzt ist, dafür anwenden, eine Elektret-Miniaturmikrofonbaugruppe in einen Testmodus zu bringen.
Wenn die in 1 gezeigte Miniaturmikrofonbaugruppe in den Testmodus eingestellt worden ist, werden von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung erzeugte Signale von von dem MEMS Mikrofonwandlerelement generierten Signalen getrennt. Auf diese Weise können ausfallende Miniaturmikrofonbaugruppen präzise identifiziert werden, indem entsprechende Datensignale durch die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung der Baugruppe geschickt werden.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 2 ist eine analoge Miniaturmikrofonbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Baugruppe von 2 nutzt ein Nicht-Elektret-Mikrofonwandlerelement 12, das eine Membran und eine Rückplatte, operativ mit einer Dickson-Pumpe 13 verbunden, umfasst. Die Dickson-Pumpe 13 generiert eine Biasspannung von etwa 10 V, die über ein Paar kreuzgekoppelte Dioden 14 als eine Spannungsdifferenz zwischen der Membran und der Rückplatte des MEMS Mikrofonwandlerelements 12 angelegt wird. Das elektrische Ausgangssignal des elektroakustischen Wandlerelements wird durch einen Puffer 15 und einen rauscharmen Vorverstärker 16 geschickt, bevor es einen Ausgangsknoten der Baugruppe erreicht.
Eine Kollapsdetektionsschaltungsanordnung 17 zum Detektieren und/oder Verhindern des Auftretens einer permanenten Haftreibung zwischen der Membran und Rückplattenstrukturen wird bereitgestellt. Die Kollapsdetektionsschaltungsanordnung umfasst eine DC-Biasspannung-Nullifizierungsfunktion 18, die dafür ausgelegt ist, die nichtlinearen elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen der Membran und Rückplattenstrukturen zu eliminieren und somit Haftreibungsprobleme zu vermeiden. Somit ist die DC-Biasspannung-Nullifizierungsfunktion 18 dafür ausgelegt, die DC-Biasspannung von der Dickson-Pumpe 13 an Masse zu legen und dadurch die Spannungsdifferenz zwischen der Membran und der Rückplatte zu nullifizieren. Die Nullifizierungsfunktion 18 der Kollapsdetektionsschaltungsanordnung kann die DC-Biasspannung nullifizieren, d. h. die DC-Biasspannung sehr schnell auf null bringen.
wenn Miniaturmikrofonbaugruppen, wie in 2 gezeigt, durch Kurzschließen der Dickson-Pumpe in den Testmodus gebracht werden, können versagende Baugruppen präzise identifiziert werden, indem entsprechende Daten-/Testsignale durch die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung der Baugruppen geschickt werden.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 ist eine digitale Miniaturmikrofonbaugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Baugruppe von 3 verwendet ein Nicht-Elektret-Mikrofonwandlerelement 19, das eine Membran und eine Rückplatte, operativ an eine Dickson-Pumpe 20 angeschlossen, umfasst. Die Dickson-Pumpe 20 generiert eine Biasspannung von etwa 10 V. die über ein Paar von kreuzgekoppelten Dioden 21 als eine Spannungsdifferenz zwischen der Membran und der Rückplatte des MEMS Mikrofonwandlerelements 19 angelegt wird. Das elektrische Ausgangssignal des elektroakustischen Wandlerelements wird durch einen Puffer 22 und einen rauscharmen Vorverstärker 23 geschickt, bevor es einen A/D-Wandler 24 in der Form eines Sigma-Delta-Wandlers erreicht.
Die Ausgangsspannung der Dickson-Pumpe wird gesteuert, indem entweder ihr Taktsignal entfernt wird oder indem eine DC-Eingangsspannung reduziert wird, die an die Dickson-Pumpe angelegt ist. Somit kann zum Nullifizieren der DC-Biasspannung der Dickson-Pumpe, um die Miniaturmikrofonbaugruppe von 3 in einen Testmodus zu bringen, das Taktsignal oder die DC-Eingangsspannung der Dickson-Pumpe entfernt werden. Wenn Baugruppen, wie in 3 gezeigt, in den Testmodus gebracht worden sind, können ausfallende Baugruppen präzise identifiziert werden, indem entsprechende Daten-/Testsignale durch die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung der Baugruppen geschickt werden.
Bei einer beliebigen der in 1–3 dargestellten Ausführungsformen kann die Kleinsignal- oder AC-Verstärkung der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung gemessen oder bestimmt werden, indem die DC-Biasspannung blockiert wird und ein wohldefiniertes Signal mit niedrigem Pegel an der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung angelegt wird. Dieses Signal mit einem niedrigen Pegel kann erzeugt werden, indem eine Referenzspannung (bevorzugt eine 1,2 V Bandlückenspannung) mit einer geeigneten Frequenz ein-/ausgeschaltet wird. Die geeignete Frequenz kann beispielsweise durch Herunterskalieren eines Master- oder Haupttaktsignals erhalten werden. zudem kann die Referenzspannung auf eine geeignete Größe skaliert werden, indem entweder resistive und/oder kapazitive Skalierungsschaltungen verwendet werden, die trotz Halbleiterprozessvariation eine hohe Präzision aufrechterhalten können. Dies kann für den Selbsttest oder während des Produktionstests verwendet werden, um die absolute Empfindlichkeit des Mikrofons aufzufinden.
Außerdem erleichtern Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass ein oder mehrere der folgenden Tests ausgeführt werden können:

1. Mikrofonkapazität-Biasspannungstest
2. Mikrofonbiastest
3. Eingangslecktest
4. Die 1 kHz-Verstärkung/Empfindlichkeit

Mikrofonkapazität-Spannungstest
Das Ziel dieses Tests ist, einen Kollaps der Membran und der Rückplatte der Miniaturmikrofonbaugruppe zu vermeiden. Falls die Ladepumpe/Dickson-Pumpe als eine schnell ausregelnde, über Rückkopplung geregelte Pumpe ausgelegt ist, kann ihre Referenzspannung vom Äußeren der Miniaturmikrofonbaugruppe her zugänglich gemacht werden, so dass die interne Ladepumpenspannung durch eine externe analoge Spannung übersteuert werden kann. Dadurch kann die zum Vorspannen des Mikrofonelements verwendete interne Ladepumpenspannung auf gesteuerte Weise über einen vorbestimmten Bereich von Spannungen hinweg kontinuierlich variiert werden. Falls die Empfindlichkeit des Mikrofons für verschiedene Ladepumpenspannungen gemessen wird (durch eine extern eingestellte Referenzspannung gesteuert), kann eine Beziehung Empfindlichkeit-Referenzspannung/Biasspannung für die Miniaturmikrofonbaugruppe bestimmt werden. Diese Beziehung kann, falls gewünscht, in eine Beziehung Kapazität-Biasspannung umgewandelt werden.
Die Referenzspannung an der Ladepumpe kann auch durch ein OTP-Bitmuster (One Time Programming) eingestellt werden, das einen Bereich von festen, aber verschiedenen Referenzspannungen liefert. Diese Ausführungsform ersetzt eine zusätzliche externe Verbindung für das Anlegen einer Referenzspannung, wobei angenommen wird, dass OTP-Einrichtungen bereits implementiert sind.
Mikrofonbiastest
Das Ziel dieses Tests besteht darin, Informationen über den Leckstrom zu erhalten, der um den Wandler der Miniaturmikrofonbaugruppe herum auftritt. Eine in Sperrrichtung vorgespannte Diodenkette, die als ein Spannungsteiler wirkt, kann den Ausgang der Ladepumpe/Dickson-Pumpe abgreifen. Die unterteilte Ausgangsspannung kann auf einem speziellen Pin für eine externe Überwachung durch einen analogen Puffer mit Tera-Ohm-Eingangsimpedanz herausgeführt oder durch einen einfachen A/D-Wandler in ein geeignetes digitales Format umgewandelt und als ein serieller digitaler Bitstrom auf dem Mikrofonbaugruppendatenausgabepin ausgegeben werden, wenn durch die OTP-Einstellung ermöglicht.
Eingangslecktest
Der Eingangsleckpegel kann durch eine chipinterne Messung der Spannungsdifferenz getestet werden, die an den über den letzten Ausgangstiefpassfiltern kreuzgekoppelten Reihendioden, an der Ladepumpe angebracht, auftritt. Der Diodenspannungsabfall ist insofern logarithmisch als er der folgenden Formel folgt
Wegen des logarithmischen Verhaltens von V_t ist die Empfindlichkeit der Miniaturmikrofonbaugruppe gegenüber sehr kleinen Leckströmen hoch. Die Diodenspannungsdifferenz kann entweder durch einen Tera-Ohm-Eingangsimpedanzpuffer aus der Miniaturmikrofonbaugruppe herausgebracht oder durch einen einfachen A/D-Wandler umgewandelt und durch den Datenausgang herausgebracht werden, wenn OTP- ermöglicht.
Der 1 kHz-Verstärkungs-/Empfindlichkeitstest
Das Ziel dieses Tests ist, Informationen über die Verstärkung des ASIC der Miniaturmikrofonbaugruppe zu erhalten. Ein interner bandbreitenbegrenzter Rechteckwellengenerator, der sein Signal mit der Systemtaktdifferenz dividiert, etwa durch
und mit einem wohldefinierten mV-Pegel skaliert, durch eine Widerstandsteilung der internen Referenzspannung VDD ausgibt, kann auf der Membranseite des elektroakustischen Wandlerelements über einen chipinternen VDD-Regler eingesetzt werden. Die entsprechende Systemausgabe ist dann ein Maß der Gesamtsignalwegverstärkung.

Claims

Kondensatormikrofonbaugruppe, umfassend: – ein elektroakustisches Wandlerelement, das eine Membran und eine Rückplatte umfasst; – eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die operativ mit dem elektroakustischen Wandlerelement verbunden ist, um von dem elektroakustischen Wandlerelement generierte Signale zu verarbeiten; und – eine Moduseinstellungsschaltungsanordnung zum selektiven Einstellen der Kondensatormikrofonbaugruppe in einem Testmodus oder einem Arbeitsmodus, – wobei eine DC-Biasspannung als eine DC-Spannungsdifferenz an Membran und Rückplatte des elektroakustischen Wandlerelements angelegt wird, – mit einer nullifizierenden Schaltungsanordnung, die im Testmodus die am elektroakustischen Wandlerelement anliegende DC-Biasspannung auf 0 V reduziert, so dass eine elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Testmodus mindestens 40 dB niedriger ist als die entsprechende elektroakustische Empfindlichkeit der Baugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus und ein elektrisches Ausgangssignal vom elektronischen Rauschen der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung bestimmt ist, so dass ein Testen der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung in Form einer Rauschmessung unabhängig von vom elektroakustischen Wandlerelement erzeugten Signalen erfolgen kann.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Testmodus eine elektroakustische Empfindlichkeit aufweist, die mindestens 50 dB, wie etwa 60 dB wie etwa 70 dB, wie etwa 80 dB, niedriger ist als die elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen Spannungsvervielfacher zum Generieren der DC-Biasspannung.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 3, wobei die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die Moduseinstellungsschaltungsanordnung und der Spannungsvervielfacher auf einem gemeinsamen Halbleiter-Die bereitgestellt ist.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 4, wobei der Halbleiter-Die weiterhin das elektroakustische Wandlerelement umfasst.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Moduseinstellungsschaltungsanordnung einen elektronischen Schalter umfasst, der dafür ausgelegt ist, das elektroakustische Wandlerelement elektrisch von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung zu trennen.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen Kondensator, wobei der Kondensator elektrisch mit der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung verbunden ist, wenn die Kondensatormikrofonbaugruppe im Testmodus betrieben wird.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 7, wobei der Kondensator eine Kapazität aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Kapazität ist, die durch die Membran und die Rückplatte des elektroakustischen Wandlerelements gebildet wird.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die modifizierende Schaltungsanordnung ein kurzschließendes Bauelement umfasst, das dafür ausgelegt ist, einen Ausgangsport des Spannungsvervielfachers elektrisch mit Masse zu verbinden.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 9, wobei die nullifizierende Schaltungsanordnung Mittel umfasst, um die DC-Biasspannung als Reaktion auf ein an den Spannungsvervielfacher geliefertes Steuersignal auf null zu setzen.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Spannungsversorgungspegel und/oder ein Stromversorgungspegel an die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von der Moduseinstellung der Baugruppe unabhängig sind.
Kondensatormikrofonbaugruppe nach Anspruch 11, wobei ein Versorgungsspannungspegel an eine Vorverstärkerschaltungsanordnung der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von der Moduseinstellung der Baugruppe unabhängig ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Leistungsparameters, einer in einem Gehäuse einer Kondensatormikrofonbaugruppe montierten Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, wobei die Kondensatormikrofonbaugruppe ein elektroakustisches Wandlerelement umfasst, das eine Membran und eine Rückplatte, eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die operativ mit dem elektroakustischen Wandlerelement verbunden ist, um von dem elektroakustischen Wandlerelement generierte Signale zu verarbeiten, und eine Moduseinstellungsschaltungsanordnung zum selektiven Einstellen eines Arbeitsmodus der Kondensatormikrofonbaugruppe umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einstellen der Kondensatormikrofonbaugruppe in dem Testarbeitsmodus, wobei eine zwischen der Membran und der Rückplatte des Wandlerelements anliegende DC-Biasspannung auf 0 V gesetzt wird; Liefern von Testdaten an die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung der Kondensatormikrofonbaugruppe und Bestimmen eines Leistungsparameters der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung der Kondensatormikrofonbaugruppe auf der Basis der gelieferten Testdaten, während die Kondensatormikrofonbaugruppe im Testmodus betrieben wird; wobei die Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Testmodus eine elektroakustische Empfindlichkeit aufweist, die mindestens 40 dB niedriger ist als die entsprechende elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Testmodus eine elektroakustische Empfindlichkeit aufweist, die mindestens 50 dB, wie etwa 60 dB, wie etwa 70 dB, wie etwa 80 dB, niedriger ist als die entsprechende elektroakustische Empfindlichkeit der Kondensatormikrofonbaugruppe bei Betrieb im Arbeitsmodus.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Schritt des Einstellens der Kondensatormikrofonbaugruppe in dem Testmodus das elektrische Trennen des elektroakustischen Wandlerelements von der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Einstellens der Kondensatormikrofonbaugruppe im Testmodus weiterhin den Schritt des elektrischen Verbindens der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung mit einem Kondensator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Kondensator eine Kapazität aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Kapazität ist, die durch die Membran und die Rückplatte des elektroakustischen Wandlerelements gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–17, wobei die Biasspannung auf null gesetzt wird, indem ein Ausgangsport eines Spannungsvervielfachers elektrisch mit Masse verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Biasspannung als Reaktion auf ein an einen Spannungsvervielfacher geliefertes Steuersignal auf null gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–19, wobei ein Spannungsversorgungspegel und/oder ein Stromversorgungspegel an der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von der Moduseinstellung der Baugruppe unabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei ein Versorgungsspannungspegel an eine Vorverstärkerschaltungsanordnung der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung von der Moduseinstellung der Baugruppe unabhängig ist.