DE112011105008B4

DE112011105008B4 - Mikrofon und Verfahren zum Positionieren einer Membran zwischen zwei Gegenelektroden

Info

Publication number: DE112011105008B4
Application number: DE112011105008.9T
Authority: DE
Inventors: Dennis Mortensen
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2031-03-05
Also published as: CN106231519A; CN103404172B; DE112011105008T5; WO2012119637A1; CN106231519B; US20140037121A1; JP2014510472A; CN103404172A; US9197967B2; JP6245989B2

Abstract

Mikrofon (MIC), umfassend zwei Gegenelektroden (FBP, SBP), eine zwischen den zwei Gegenelektroden (FBP, SBP) angeordnete Membran (MEM), eine Spannungsquelle (VS1), die eine erste Vorspannung an die Membran (MEM) und die erste Gegenelektrode (FBP) anlegt, wobei entweder die Spannungsquelle (VS1) eine zweite Vorspannung an die Membran (MEM) und die zweite Gegenelektrode (SBP) anlegt oder das Mikrofon (MIC) eine zweite Spannungsquelle (VS2) umfasst, die die zweite Vorspannung an die Membran (MEM) und die zweite Gegenelektrode (SBP) anlegt, und eine Steuereinheit (CU), die dazu ausgestaltet ist, die erste und die zweite Vorspannung derart auf einen optimalen Wert anzupassen, dass die Membran (MEM) in eine abschließende elektromechanische Gleichgewichtsposition zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) bewegt wird, wobei der optimale Wert für die erste und die zweite Vorspannung auf Basis einer Bestimmung der anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) nach der Fertigung des Mikrofons (MIC) berechnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Zwei-Gegenelektroden-Mikrofon, das zwei Gegenelektroden und eine zwischen den zwei Gegenelektroden angeordnete Membran umfasst. Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Positionieren einer Membran zwischen zwei Gegenelektroden eines Zwei-Gegenelektroden-Mikrofons bereit.
Verglichen mit einem regulären Mikrofon, das eine Membran und eine einzige Gegenelektrode umfasst, stellt ein Zwei-Gegenelektroden-Mikrofon eine Leistungserhöhung auf derselben Chipfläche bereit. In einem Zwei-Gegenelektroden-Mikrofon wird eine erste Kapazität zwischen der Membran und der ersten Gegenelektrode gemessen und gleichzeitig wird eine zweite Kapazität zwischen der Membran und der zweiten Gegenelektrode gemessen. Verglichen mit einem Ein-Gegenelektroden-Mikrofon wird die Leistung durch Erfassen der Differenz zwischen den gemessenen Kapazitäten erhöht. Jedoch ist die Leistung des Mikrofons stark abhängig von der Genauigkeit der Position der Membran zwischen den zwei Gegenelektroden.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Membran während der Fertigung eines Mikrofons zwischen den zwei Gegenelektroden präzise positioniert wird. Diese Verfahren optimieren die Ausgestaltung und die Verarbeitung des Mikrofons. Jedoch ist die Präzision, die während der Fertigung erzielt werden kann, nicht hinreichend genau, um die immer höheren Anforderungen hinsichtlich der Spezifikationen von Mikrofonen zu erfüllen.
Folglich besteht ein Bedarf an einer Erhöhung der Präzision des Positionierens der Membran zwischen den zwei Gegenelektroden in einem Zwei-Gegenelektroden-Mikrofon.
EP 2214421 A1 zeigt ein Mikrofon, bei dem eine Membran zwischen zwei Gegenelektroden angeordnet ist, wobei eine erste Spannung zwischen der Membran und einer der Gegenelektroden angelegt wird und eine sogenannte Kompensationsspannung zwischen den beiden Gegenelektroden angelegt wird. US 2006/0147061 A1 zeigt das Verwenden von getrennten Spannungsquellen für verschiedene Vorspannungen. US 2010/0268081 A1 offenbart, dass eine Vorspannung geringer gewählt werden sollte als eine Zusammenbruchsspannung. GB 2467776 A zeigt ein MEMS Wandlerelement.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrofon bereitzustellen, das präziseres Positionieren der Membran zwischen den zwei Gegenelektroden ermöglicht. Des Weiteren ist es eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum präzisen Positionieren einer Membran zwischen zwei Gegenelektroden in einem Mikrofon bereitzustellen.
Ein Mikrofon nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Positionieren einer Membran zwischen zwei Gegenelektroden nach Anspruch 9 stellen Lösungen für diese Aufgabe bereit. Die abhängigen Ansprüche offenbaren vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Ein Mikrofon nach der vorliegenden Erfindung umfasst zwei Gegenelektroden, eine zwischen den zwei Gegenelektroden angeordnete Membran, eine Spannungsquelle, die eine erste Vorspannung an die Membran und die erste Gegenelektrode anlegt und die eine zweite Vorspannung an die Membran und die zweite Gegenelektrode anlegt, und eine Steuereinheit, die die erste und die zweite Vorspannung anpasst.
In einer alternativen Ausgestaltung umfasst das Mikrofon des Weiteren eine zweite Spannungsquelle. Hier legt die erste Spannungsquelle nur eine erste Vorspannung an die Membran und die erste Gegenelektrode an, während die zweite Spannungsquelle eine zweite Vorspannung an die Membran und die zweite Gegenelektrode anlegt.
Die Steuereinheit umfasst Analog- und/oder Logikschaltungskomponenten und kann auf dem Mikrofonchip, auf einem dedizierten ASIC-Chip (Application Specific Integrated Circuit), in einer externen Einrichtung oder in einer Kombination mit einer chipintegrierten Analogschaltung und einer externen Logik angeordnet sein.
Luftspalten trennen die Membran und jede der Gegenelektroden. Folglich, falls zwischen der Membran und einer der Gegenelektroden eine Vorspannung angelegt wird, wird ein durch die Membran und die jeweilige Gegenelektrode gebildeter Kondensator geladen. Folglich wirkt zwischen der Membran und der Gegenelektrode eine elektrostatische Kraft. Somit wird der Luftspalt zwischen der Membran und der Gegenelektrode verringert, wenn sich die Membran zur Gegenelektrode hin bewegt, bis zwischen der rücktreibenden Membrankraft und der elektrostatischen Kraft ein Gleichgewicht erreicht wurde. In einem idealen Mikrofon weisen die Membran und die Gegenelektroden genau bekannte Formen und mechanische Eigenschaften auf. Deshalb kann in diesem Fall die Position der Membran zwischen den zwei Gegenelektroden exakt berechnet werden. Jedoch können in einem echten Mikrofon die Geometrien und die mechanischen Eigenschaften der Gegenelektroden und der Membran aufgrund der begrenzten Fertigungspräzision variieren und asymmetrisch werden. Somit können die Abstände zwischen der Membran und den zwei Gegenelektroden von den berechneten idealen Abständen für ein ideales Mikrofon abweichen, wenn Vorspannungen angelegt werden. Nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit die erste und die zweite Vorspannung anpassen. Das Anpassen dieser Spannungen ermöglicht die Korrektur des Positionierens der Membran.
Im Gegensatz zu Mikrofonen nach dem Stand der Technik ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Neuanpassung der Position der Membran, nachdem die Fertigung des Mikrofons abgeschlossen worden ist. Folglich kann die Präzision des Positionierens stark erhöht werden.
In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit mindestens eine anpassbare Spannungspumpe umfassen. Bevorzugt umfasst die Steuereinheit zwei anpassbare Spannungspumpen, wobei jede der anpassbaren Spannungspumpen die erste oder die zweite Vorspannung anpassen kann. Eine Spannungspumpe ist ein Gleichstrom-in-Gleichstrom-Wandler, der Kondensatoren als Energiespeicherelemente nutzt, um eine Stromquelle entweder mit höherer oder mit niedrigerer Spannung zu erzeugen. Spannungspumpen werden manchmal auch als Ladungspumpen bezeichnet.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon Mittel zum Messen der Kapazität zwischen der Membran und der ersten Gegenelektrode und einer weiteren Kapazität zwischen der Membran und der zweiten Gegenelektrode.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon Mittel zum Messen der Zusammenbruchsspannung zwischen der Membran und der ersten Gegenelektrode und des Weiteren der Zusammenbruchsspannung zwischen der Membran und der zweiten Gegenelektrode. Die Zusammenbruchsspannung ist die Spannung, die zwischen der Membran und einer jeweiligen Gegenelektrode angelegt werden muss, sodass die Membran und die jeweilige Gegenelektrode in Kontakt miteinander sind.
In einer Ausführungsform ist das Mikrofon ein MEMS-Mikrofon, wobei die Spannungsquelle und die Steuereinheit in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) integriert sind.
In einer Ausführungsform kann das Mikrofon auf einem einzigen Chip realisiert sein, wobei die Steuereinheit, die Spannungsquelle, die zwei Gegenelektroden und die Membran auf demselben Chip realisiert sind.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit auf einem getrennten dedizierten Chip realisiert. Die wahrscheinlichste Positionierung der Steuereinheit ist auf einem dedizierten ASIC-Chip. Die Gegenelektroden und die Membran werden auf einem MIC-Chip gebildet. Der MIC- und der ASIC-Chip werden dann durch einen Substratchip elektrisch verbunden. Dieses 3-Chip-System heißt CSP (Chip Scale Package).
In einer anderen alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit geteilt. Ein Teil der Steuereinheit kann auf einer externen Testeinheit realisiert sein, die nur während des Testens mit dem Mikrofon verbunden ist. Der andere Teil der Steuereinheit kann entweder auf dem MIC-Chip oder auf einem dedizierten ASIC-Chip realisiert sein.
Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Positionieren einer Membran zwischen zwei Gegenelektroden bereit. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Bestimmens der anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode nach der Fertigung des Mikrofons, des Berechnens eines optimalen Werts für die erste und die zweite Vorspannung, die basiert ist, um die Membran in eine abschließende elektromechanische Gleichgewichtsposition zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode zu bewegen, und des Anpassens der ersten und der zweiten Vorspannung.
Die anfängliche elektromechanische Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode ist die Position, in der die Membran ist, nachdem die Fertigung abgeschlossen worden ist und dieselbe Vorspannung zwischen der Membran und der ersten Gegenelektrode und zwischen der Membran und der zweiten Gegenelektrode angelegt worden ist.
Die abschließende elektromechanische Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode ist die Position, in der die Membran ist, nachdem die zwei Vorspannungen angeglichen worden sind. In einer Ausführungsform ist die Membran in der Mitte zwischen den zwei Gegenelektroden in ihrer abschließenden elektromechanischen Gleichgewichtsposition zentriert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Anpassen der zwei Vorspannungen, sodass die Membran aus ihrer anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition in eine abschließende elektromechanische Gleichgewichtsposition, die in der Regel in der Mitte zwischen den zwei Gegenelektroden zentriert ist, bewegt wird.
Dieses Verfahren kann nach dem Abschluss der Mikrofonfertigung angewendet werden. Insbesondere kann das Verfahren in einer abschließenden Testphase angewendet werden, bevor das Mikrofon an einen Kunden geliefert wird, könnte jedoch auch ein- oder mehrmals durchgeführt werden, wenn das Mikrofon in ein Kundenprodukt eingebaut wird. Das Verfahren ermöglicht Bestimmen der anfänglichen Membranposition zwischen den zwei Gegenelektroden nach der Fertigung und/oder dem Kundeneinbau und des Weiteren Korrigieren dieser anfänglichen Position.
Die erste und die zweite Vorspannung können durch Einstellen der Ausgabe der anpassbaren Spannungspumpe auf einen bestimmten Wert angepasst werden.
In einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Vorspannung so gewählt, dass die Membran in einer abschließenden elektromechanischen Gleichgewichtsposition zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode zentriert ist. Entsprechend der abschließenden elektromechanischen Gleichgewichtsposition können für die zwei Vorspannungen unterschiedliche Werte gewählt werden.
Das Verfahren zum Positionieren der Membran umfasst den Schritt des Bestimmens der anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode nach der Fertigung. Dieser Schritt kann auf unterschiedliche Weisen ausgeführt werden.
Eine Möglichkeit ist, die erste und die zweite Vorspannung auf einen Startwert einzustellen, dann die erste Vorspannung zu erhöhen, bis die Membran und die erste Gegenelektrode in Kontakt miteinander sind, und den Wert der ersten Vorspannung zu bestimmen, auf dem die Membran und die erste Gegenelektrode in Kontakt miteinander sind. Dieser Wert wird auch als Zusammenbruchsspannung bezeichnet. Folglich ist die Zusammenbruchsspannung, die bei diesem Schritt bestimmt wird, die Spannung, die an die erste Gegenelektrode und an die Membran angelegt werden muss, um zwischen diesen zwei Elementen physischen Kontakt zu bewirken.
Beim nächsten Schritt wird die erste Vorspannung wieder auf ihren Startwert eingestellt, die zweite Vorspannung wird erhöht, bis die Membran und die zweite Gegenelektrode in Kontakt miteinander sind. Der Wert der zweiten Vorspannung, auf dem die Membran und die zweite Gegenelektrode in Kontakt miteinander sind, wird bestimmt und die anfängliche elektromechanische Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode kann nun basierend auf den gemessenen Zusammenbruchsspannungen berechnet werden. Diese Informationen können der Steuereinheit zugeführt oder innerhalb der Steuereinheit verteilt werden und die Steuereinheit passt die Vorspannungen an, um die Membran zwischen den zwei Gegenelektroden zu zentrieren.
Alternativ kann die anfängliche elektromechanische Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode nach der Fertigung bestimmt werden, indem die Kapazität bei einer oder mehreren Spannungen zwischen der Membran und jeder der zwei Gegenelektroden gemessen wird. Die gemessenen Kapazitäten werden dann mit vordefinierten Zentrumswerten verglichen, und die Vorspannungen werden angepasst und die Membran wird näher zu ihrer abschließenden elektromechanischen Gleichgewichtsposition zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode verschoben.
Dieses Verfahren kann mehrmals wiederholt werden, bis die Membran präzise an ihrer abschließenden elektromechanischen Gleichgewichtsposition zwischen den zwei Gegenelektroden zentriert ist. Dieses Rückkopplungssystem ermöglicht auch, dass die Vorspannungen basierend auf der gemessenen Kapazität angepasst werden.
Durch Anpassen der Position der Membran zwischen den zwei Gegenelektroden wird das Mikrofon akustisch symmetrisch. Dadurch wird der maximale Schalldruckpegel (Maximum Sound Pressure Level, MAX SPL) optimiert und die gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion, THD) minimiert. Der MAX SPL beschreibt, wie viel Schalldruck auf das Mikrofon angewendet werden kann, bis die Membran zu einer der Gegenelektroden hin gezogen wird. Bevorzugt sollte der MAX SPL so hoch wie möglich sein, da MAX SPL den Messbereich des Mikrofons beschreibt. Die THD beschreibt, wie stark das Signal bei einem gegebenen Schalldruckpegel verzerrt wird. Die THD wird durch die vorliegende Erfindung minimiert.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der hierin dargelegten ausführlichen Beschreibung unten und der beiliegenden Schemazeichnungen ganz verständlich. In den Zeichnungen:
zeigt 1 eine Schemazeichnung eines Zwei-Gegenelektroden-MEMS-Mikrofons nach der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Zwei-Gegenelektroden-MEMS-Mikrofon MIC nach der vorliegenden Erfindung. Das Mikrofon MIC umfasst eine erste Gegenelektrode FBP und eine zweite Gegenelektrode SBP. Des Weiteren umfasst das Mikrofon MIC eine Membran MEM, die zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode FBP, SBP angeordnet ist. Zwischen der Membran MEM und jeder der Gegenelektroden FBP, SBP befindet sich ein Luftspalt AG. Die erste und die zweite Gegenelektrode FBP, SBP umfassen jeweils Öffnungen OP, sodass die Luftspalten AG und die Membran MEM in Kontakt mit der Umgebung sind. Falls ein Schallsignal auf das Mikrofon MIC einen Druck anwendet, kann sich das Schallsignal durch die Öffnungen OP der Gegenelektroden FBP, SBP ausbreiten und die Membran MEM wird durch die entsprechende Druckänderung bewegt.
Des Weiteren umfasst das Mikrofon MIC eine Steuereinheit CU, die zwei Spannungsquellen VS1, VS2 umfasst. Die Steuereinheit CU kann auf einem einzigen Chip zusammen mit der Membran MEM und den Gegenelektroden FBP, SBP integriert sein, angeordnet auf einem dedizierten Chip, z. B. einem ASIC-Chip, als Teil einer externen Einrichtung oder verteilt auf einem Chip, der die Membran MEM und die Gegenelektroden FBP, SBP umfasst, einem dedizierten Chip und/oder auf einer externen Einrichtung.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Steuereinheit CU auf einem dedizierten ASIC-Chip realisiert. Die Membran MEM und die Gegenelektroden FBP, SBP sind auf einem anderen Chip realisiert. Die zwei Chips sind über einen dritten Chip, den Substratchip, elektrisch verbunden. Die Steuereinheit CU umfasst die zwei Spannungsquellen VS1, VS2, einen Verstärker AMP, Analogschaltungen AC und Logikschaltungen LC.
Die erste Spannungsquelle VS1 legt eine erste Vorspannung zwischen der ersten Gegenelektrode FBP und der Membran MEM an. Da die Membran MEM und die erste Gegenelektrode FBP durch einen Luftspalt AG getrennt sind, wird zwischen der Membran MEM und der ersten Gegenelektrode FBP eine Kapazität erzeugt. Die erste Gegenelektrode FBP ist auf einem ersten Spannungspegel und die Membran MEM ist auf einem anderen Spannungspegel.
Die zweite Spannungsquelle VS2 legt eine Vorspannung zwischen der Membran MEM und der zweiten Gegenelektrode SBP an. Da die Membran MEM und die zweite Gegenelektrode FBP durch einen Luftspalt AG getrennt sind, wird zwischen der Membran MEM und der zweiten Gegenelektrode SBP eine Kapazität erzeugt. Die zweite Gegenelektrode SBP ist auf einem zweiten Spannungspegel und die Membran MEM ist auf einem anderen Spannungspegel.
Die Steuereinheit CU ermöglicht eine Anpassung der ersten und der zweiten Vorspannung, die zwischen der Membran MEM und jeder der Gegenelektroden FBP, SBP angelegt wird. Zu diesem Zweck umfasst die Steuereinheit CU zwei anpassbare Spannungspumpen. Die Ausgabe dieser Spannungspumpen kann so angepasst werden, dass die Kapazität zwischen der Membran MEM und jeder der Gegenelektroden FBP, SBP geändert werden kann. Die Ausgabepegel der Spannungspumpen sind so gewählt, dass die Membran MEM in einer abschließenden elektromechanischen Gleichgewichtsposition zwischen den zwei Gegenelektroden FBP, SBP zentriert ist.
In einer alternativen Ausgestaltung umfasst die Steuereinheit CU nur eine Spannungsquelle VS1. Hier ist die Spannungsquelle VS1 mit der Membran MEM, der ersten Gegenelektrode FBP und der zweiten Gegenelektrode SBP verbunden. Ein erster Spannungspegel wird an die Membran MEM angelegt, z. B. eine Spannung zwischen 5 V und 20 V. Des Weiteren werden viel niedrigere Spannungen an die erste und die zweite Gegenelektrode FBP, SBP angelegt, z. B. Spannungen zwischen 0,01 und 2 V.
Folglich wird zwischen der Membran MEM und der ersten Gegenelektrode FBP eine erste Kapazität erzeugt und zwischen der Membran MEM und der zweiten Gegenelektrode SBP wird eine zweite Kapazität erzeugt. Des Weiteren kann die Steuereinheit CU die Spannungen, die an die Membran MEM und/oder an die erste und die zweite Gegenelektrode FBP, SBP angelegt werden, variieren und deshalb kann die Steuereinheit CU die Kapazitäten zwischen der Membran MEM und den zwei Gegenelektroden FBP, SBP anpassen.
Bezugszeichen

MIC

– Mikrofon

FBP

– erste Gegenelektrode

SBP

– zweite Gegenelektrode

MEM

– Membran

AG

– Luftspalt

OP

– Öffnung

CU

– Steuereinheit

VS1

– erste Spannungsquelle

VS2

– zweite Spannungsquelle

AMP

– Verstärker

AC

– Analogschaltung

LC

– Logikschaltung

Claims

Mikrofon (MIC), umfassend zwei Gegenelektroden (FBP, SBP), eine zwischen den zwei Gegenelektroden (FBP, SBP) angeordnete Membran (MEM), eine Spannungsquelle (VS1), die eine erste Vorspannung an die Membran (MEM) und die erste Gegenelektrode (FBP) anlegt, wobei entweder die Spannungsquelle (VS1) eine zweite Vorspannung an die Membran (MEM) und die zweite Gegenelektrode (SBP) anlegt oder das Mikrofon (MIC) eine zweite Spannungsquelle (VS2) umfasst, die die zweite Vorspannung an die Membran (MEM) und die zweite Gegenelektrode (SBP) anlegt, und eine Steuereinheit (CU), die dazu ausgestaltet ist, die erste und die zweite Vorspannung derart auf einen optimalen Wert anzupassen, dass die Membran (MEM) in eine abschließende elektromechanische Gleichgewichtsposition zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) bewegt wird, wobei der optimale Wert für die erste und die zweite Vorspannung auf Basis einer Bestimmung der anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) nach der Fertigung des Mikrofons (MIC) berechnet wird.
Mikrofon (MIC) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (CU) mindestens eine anpassbare Spannungspumpe umfasst.
Mikrofon (MIC) nach einem der Ansprüche 1–2, das Mittel zum Messen der Zusammenbruchsspannung zwischen der Membran (MEM) und der ersten Gegenelektrode (FBP) und der Zusammenbruchsspannung zwischen der Membran (MEM) und der zweiten Gegenelektrode (SBP) umfasst.
Mikrofon (MIC) nach einem der Ansprüche 1–3, das Mittel zum Messen einer Kapazität zwischen der Membran (MEM) und der ersten Gegenelektrode (FBP) und einer weiteren Kapazität zwischen der Membran (MEM) und der zweiten Gegenelektrode (SBP) umfasst.
Mikrofon (MIC) nach einem der Ansprüche 1–4, das ein MEMS-Mikrofon (MIC) ist.
Mikrofon (MIC) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Membran (MEM) und die zwei Gegenelektroden (FBP, SBP) auf einem ersten Chip realisiert sind, wobei die Steuereinheit (CU) und die Spannungsquelle (VS1, VS2) in einem Chip einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung – ASIC-Chip – integriert sind und wobei der erste Chip und der ASIC-Chip durch einen Substratchip elektrisch verbunden sind.
Mikrofon (MIC) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Membran (MEM), die zwei Gegenelektroden (FBP, SBP), die Steuereinheit (CU) und die Spannungsquelle (VS1, VS2) auf einem einzigen Chip realisiert sind.
Mikrofon (MIC) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei Teile der Steuereinheit (CU) auf einer externen Testeinheit realisiert sind.
Verfahren zum Positionieren einer Membran (MEM) zwischen zwei Gegenelektroden in einem Mikrofon (MIC) nach einem der Ansprüche 1–8, das folgende Schritte umfasst: – Bestimmen der anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition der Membran zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) nach der Fertigung des Mikrofons (MIC), – Berechnen eines optimalen Werts für die erste und die zweite Vorspannung, um die Membran (MEM) in eine abschließende elektromechanische Gleichgewichtsposition zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) zu bewegen, und – Anpassen der ersten und der zweiten Vorspannung.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der optimale Wert für die erste und die zweite Vorspannung so gewählt ist, dass die Membran (MEM) in einer abschließenden elektromechanischen Gleichgewichtsposition in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) zentriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die erste und die zweite Vorspannung durch Einstellen der Ausgabe der mindestens einen anpassbaren Spannungspumpe auf einen bestimmten Wert angepasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, wobei die anfängliche elektromechanische Gleichgewichtsposition der Membran (MEM) zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode bestimmt wird durch – Einstellen der ersten und der zweiten Vorspannung auf einen Startwert, – Erhöhen der ersten Vorspannung, bis die Membran (MEM) und die erste Gegenelektrode (FBP) in Kontakt miteinander sind, – Bestimmen des Werts der ersten Zusammenbruchsspannung, auf dem die Membran (MEM) und die erste Gegenelektrode (FBP) in Kontakt miteinander sind, – Wiedereinstellen der ersten Vorspannung auf den Startwert, – Erhöhen der zweiten Vorspannung, bis die Membran (MEM) und die zweite Gegenelektrode (SBP) in Kontakt miteinander sind, – Bestimmen des Werts der zweiten Zusammenbruchsspannung, auf dem die Membran (MEM) und die zweite Gegenelektrode (SBP) in Kontakt miteinander sind, – Berechnen der anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition der Membran (MEM) zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) basierend auf den gemessenen Spannungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, wobei die anfängliche elektromechanische Gleichgewichtsposition der Membran (MEM) zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode bestimmt wird durch – Messen der Kapazität zwischen der Membran (MEM) und der ersten Gegenelektrode (FBP) und zwischen der Membran (MEM) und der zweiten Gegenelektrode (SBP), – Berechnen der anfänglichen elektromechanischen Gleichgewichtsposition der Membran (MEM) zwischen der ersten und der zweiten Gegenelektrode (FBP, SBP) basierend auf der gemessenen Kapazität.