DE112011105929T5

DE112011105929T5 - MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückplatte und einem unsymmetrischen Verstärker-Eingangsanschluss

Info

Publication number: DE112011105929T5
Application number: DE112011105929.9T
Authority: DE
Inventors: Ivan Riis Nielsen
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2014-09-11
Also published as: US9516415B2; WO2013083203A1; US20140376749A1; JP5993026B2; JP2015505173A

Abstract

Es wird ein Mikrofon mit doppelter Rückplatte vorgesehen, das ein gutes Signal-Rauschverhältnis aufweist und mit verringerten Herstellungskosten produziert werden kann. Ein Mikrofon enthält eine erste Rückplatte BP1, eine zweite Rückplatte BP2 und eine Membran M. Das Mikrofon enthält ferner einen Verstärker AMP mit einem unsymmetrischen Eingangsanschluss. Die erste Rückplatte BP1 ist elektrisch mit dem unsymmetrischen Eingangsanschluss verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrofone mit zwei Rückplatten, die einen Verstärker enthalten, der einen unsymmetrischen Eingangsanschluss aufweist.
Einfache MEMS-Mikrofone enthalten eine Rückplatte und eine Membran, die einen Kondensator bilden, an den eine Vorspannung angelegt wird. Akustische Töne induzieren eine Oszillation der Membran. Somit können die Tonsignale in elektrische Signale umgewandelt werden, indem die Kapazität des Kondensators ausgewertet wird. Daher ist die Membran oder die Rückplatte elektrisch mit einem Verstärker verbunden, während die jeweils andere Elektrode des Kondensators elektrisch mit einem festen Potential verbunden ist. Folglich wird ein Verstärker mit einem unsymmetrischen Eingangsanschluss benötigt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein MEMS-Mikrofon zu schaffen, das ein verbessertes Signal-Rauschverhältnis aufweist. Es ist eine weitere Aufgabe, ein MEMS-Mikrofon zu schaffen, das mit geringen Herstellungskosten produziert werden kann. Es ist eine dritte Aufgabe, ein MEMS-Mikrofon zu schaffen, das einen geringen Stromverbrauch aufweist.
Dazu gibt der unabhängige Anspruch 1 ein MEMS-Mikrofon mit zwei Rückplatten an, das ein gutes Signal-Rauschverhältnis aufweist, das mit geringen Herstellungskosten produziert werden kann und das einen geringen Stromverbrauch aufweist.
Ein MEMS-Mikrofon enthält eine erste Rückplatte und eine zweite Rückplatte, die elektrisch mit Masse verbunden ist. Das Mikrofon enthält ferner eine Membran, die zwischen der ersten und der zweiten Rückplatte angeordnet ist, und einen Verstärker mit einem unsymmetrischen Eingang. Die erste Rückplatte ist elektrisch mit dem unsymmetrischen Eingangsanschluss verbunden.
Somit wird ein Mikrofon mit zwei Rückplatten angegeben. Eine Vorspannung kann an die Membran angelegt sein, während die erste und die zweite Rückplatte gleichstrommäßig mit einem festen Potential vorgespannt sind. Ein Signal von der ersten Rückplatte und ein Signal von der zweiten Rückplatte, die beide das in elektrische Form umgewandelte akustische Signal umfassen, werden in Phase addiert, was verglichen mit Mikrofonen mit einer einzigen Rückplatte zu einem besseren Signal-Rauschverhältnis führt.
Jedoch wird im Gegensatz zu herkömmlichen Mikrofonen mit doppelter Rückplatte ein Verstärker mit einem unsymmetrischen Eingangsanschluss benutzt, um die elektrischen Signale zu verstärken. Bei herkömmlichen Mikrofonen mit doppelter Rückplatte wird ein Verstärker mit einem symmetrischen Eingangsanschluss benutzt, z. B. ein Eingangsanschluss mit zwei Signalanschlüssen, die elektrische Signale entgegengesetzter Polarität aber mit gleichen Absolutwerten empfangen. Verstärker, die einen unsymmetrischen Eingangsanschluss anstelle eines symmetrischen Eingangsanschlusses aufweisen, können zu einem kleineren Preis hergestellt werden. Somit können MEMS-Mikrofone, die diese einfacheren Verstärker enthalten, mit geringen Herstellungskosten produziert werden und weisen auch einen geringen Stromverbrauch auf. Solche Mikrofone sehen geringere Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofonen mit doppelter Rückplatte vor und ein besseres Signal-Rauschverhältnis im Vergleich zu Mikrofonen mit einer einzigen Rückplatte.
Der Abstand zwischen der Membran und der entsprechenden Rückplatte kann 2 μm betragen.
In einer Ausführungsform enthält das Mikrofon mit doppelter Rückplatte ferner ein erstes Widerstandselement mit einem Widerstand zwischen 1 GΩ und 1000 GΩ, z. B. 100 GΩ. Das erste Widerstandselement ist elektrisch mit der ersten Rückplatte verbunden. Über das erste Widerstandselement kann die erste Rückplatte relativ zur zweiten Rückplatte, die elektrisch mit Masse verbunden ist, an eine Vorspannung gelegt werden. Die erste Rückplatte und die Membran bilden Elektroden eines ersten Kondensators. Die Membran und die zweite Rückplatte bilden Elektroden eines zweiten Kondensators, der elektrisch in Reihe zum ersten Kondensator geschaltet ist. Somit wird die Reihenschaltung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators über das erste Widerstandselement mit einer Vorspannung versorgt. Die Reihenschaltung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators kann ein Kapazitätselement mit variabler Kapazität bilden. Wenn sich die Kapazität eines Kondensators erhöht, verringert sich die Kapazität des jeweils anderen Kondensators und umgekehrt. Somit addieren sich die Signalspannungen vom ersten Kondensator und vom zweiten Kondensator in Phase.
Es wird nur ein unsymmetrischer Ausgangsanschluss des Kapazitätselementes benötigt, um das Kapazitätselement elektrisch mit einem Verstärker-Schaltkreis zu verbinden, der den Verstärker mit dem unsymmetrischen Eingangsanschluss aufweist. Somit kann die Membran gleichstrommäßig mit einem speziellen Potential verbunden sein oder wechselstrommäßig potentialfrei sein.
In einer Ausführungsform enthält das Mikrofon mit doppelter Rückplatte ferner ein zweites Widerstandselement mit einem Widerstand zwischen 1 GΩ und 1000 GΩ, z. B. 100 GΩ. Das zweite Widerstandselement ist elektrisch mit der Membran verbunden. Somit kann das Potential der Membran individuell eingestellt werden.
Die Widerstandselemente können als Dioden realisiert sein, die elektrisch parallel geschaltet sind, aber mit entgegengesetzter Polarität.
Bei herkömmlichen Mikrofonen mit doppelter Rückplatte werden drei Signalanschlüsse benötigt, um das Kapazitätselement elektrisch mit einem externen Schaltkreis zu verbinden: die erste Rückplatte ist elektrisch mit dem ersten Eingangsanschluss des Verstärkers verbunden, die zweite Rückplatte ist elektrisch mit dem zweiten symmetrischen Eingangsanschluss des Verstärkers verbunden, und die Membran ist elektrisch mit einer Spannungsquelle verbunden, die das Membran-Potential vorsieht. In dieser Ausführungsform werden jedoch nur zwei Signalanschlüsse benötigt, um das Kapazitätselement elektrisch mit einem externen Schaltkreis zu verbinden.
In einer Ausführungsform wird die Membran mit einer Spannung zwischen 5 V und 15 V, z. B. 10 V, bezogen auf das Massepotential vorgespannt. Die zweite Rückplatte ist elektrisch mit Masse verbunden.
In einer Ausführungsform ist die erste Rückplatte mit einer Spannung zwischen –2 V und +2 V vorgespannt.
In einer Ausführungsform ist der Verstärker ein rauscharmer Verstärker.
In einer Ausführungsform enthält das Mikrofon mit doppelter Rückplatte ferner ein Trägersubstrat, einen MEMS-Chip und einen IC-Chip. Die erste Rückplatte, die Membran und die zweite Rückplatte sind innerhalb des MEMS-Chips angeordnet. Der Verstärker umfasst Verstärker-Schaltkreise, die in dem IC-Chip angeordnet sind. Der MEMS-Chip und der IC-Chip sind auf dem Trägersubstrat angeordnet.
Da das Kapazitätselement, das den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator umfasst, elektrisch nur über die erste Rückplatte mit dem Verstärker verbunden ist, wird nur eine einzige Signalleitung benötigt, um den MEMS-Chip, der die Kondensatoren trägt, und den IC-Chip, der die integrierten Schaltkreise des Verstärkers trägt, elektrisch zu verbinden.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon mit doppelter Rückplatte das erste und das zweite Widerstandselement, die als SMD-Bauelemente realisiert sein können, die auf dem Trägersubstrat angeordnet sind, oder die als Schaltkreis-Elemente innerhalb des IC-Chips hergestellt sind.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon einen MEMS-Chip, wobei die erste Rückplatte, die Membran und die zweite Rückplatte auf dem MEMS-Chip angeordnet sind, und der Verstärker Verstärker-Schaltkreise umfasst, die im MEMS-Chip angeordnet sind. Ein solcher Chip kann ein Silizium-Chip sein.
In einer Ausführungsform ist der IC-Chip ein ASIC (Application-Specific Integrated Circuit, anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis).
Die Grundprinzipien und schematischen Ausführungsformen, welche die Erfindung weiter erklären, sind in den Figuren gezeigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer grundsätzlichen Ausführungsform,
2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines höher entwickelten MEMS-Mikrofons,
3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines MEMS-Mikrofons, das einen Verstärker mit einem symmetrischen Eingangsanschluss aufweist,
4 zeigt ein Mikrofon mit doppelter Rückplatte, das ein Trägersubstrat enthält, das einen MEMS-Chip, einen IC-Chip und zwei Widerstandselemente trägt.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines MEMS-Mikrofons DBM, das eine erste Rückplatte BP1 und eine zweite Rückplatte BP2 enthält. Eine Membran M ist zwischen der ersten Rückplatte BP1 und der zweiten Rückplatte BP2 angeordnet. Die zweite Rückplatte BP2 ist elektrisch mit Masse GND verbunden. Die erste Rückplatte BP1 ist elektrisch mit einem unsymmetrischen Eingangsanschluss SEIP eines Verstärkers AMP verbunden. Die erste Rückplatte BP1 und die Membran M bilden die Elektroden des ersten Kondensators (C1 in 2). Die Membran M und die Rückplatte BP2 bilden die Elektroden des zweiten Kondensators (C2 in 2). Die Serienschaltung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators bildet ein Kapazitätselement CE mit einer variablen Kapazität, wobei die Kapazität abhängig vom empfangenen Schalldruck zeitlich variiert. Es wird nur ein unsymmetrischer Ausgangsanschluss SEOP benötigt, um das Kapazitätselement CE elektrisch mit dem unsymmetrischen Eingangsanschluss SEIP des Verstärkers AMP zu verbinden. Hierzu kann eine Signalleitung, z. B. als eine Metallisierung, vorgesehen werden, die den unsymmetrischen Ausgangsanschluss SEOP und den unsymmetrischen Eingangsanschluss SEIP elektrisch verbindet. Die erste Rückplatte BP1 ist mit einer ersten Spannung V1 über eine erste Spannungsquelle VS1 und ein erstes Widerstandselement R1 vorgespannt. Hierzu ist das erste Widerstandselement R1 elektrisch mit dem unsymmetrischen Ausgangsanschluss SEOP des Kapazitätselementes CE, bzw. dem unsymmetrischen Eingangsanschluss SEIP des Verstärkers AMP verbunden.
Somit wird ein MEMS-Mikrofon vorgesehen, das wegen der Konstruktion mit doppelter Rückplatte ein gutes Signal-Rauschverhältnis aufweist und das niedrige Herstellungskosten erlaubt, da ein Verstärker verwendet wird, der nur einen unsymmetrischen Eingangsanschluss aufweist.
2 zeigt eine Ausführungsform eines MEMS-Mikrofons mit doppelter Rückplatte DBM, das weitere Schaltkreiselemente enthält. Die erste Rückplatte BP1 und die Membran aus 1 sind schematisch als erster Kondensator C1 gezeichnet. Die zweite Rückplatte BP2 und die Membran M sind schematisch als zweiter Kondensator C2 gezeichnet. Die Membran ist durch eine zweite Spannungsquelle VS2 über ein zweites Widerstandselement R2 vorgespannt. Hierzu ist das zweite Widerstandselement R2 elektrisch mit einem Membran-Vorspannungs-Anschluss MBP verbunden.
Die Spannungsquelle kann als Ladungspumpen realisiert werden.
Die zweite Rückplatte BP2 ist mit Masse GND verbunden, und die erste Rückplatte BP1 ist mit dem Verstärker-Eingang verbunden. Das Signal von der zweiten Rückplatte und das Signal von der ersten Rückplatte werden in Phase addiert. Damit die Spannung V2 nicht kurzgeschlossen wird, ist die Membran über das zweite Widerstandselement vorgespannt, z. B. über ein Netzwerk mit sehr hoher Impedanz.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikrofonen mit doppelter Rückplatte ist die parasitäre Kapazität zwischen der Membran und Masse nicht mehr irrelevant. Somit muss diese Kapazität minimiert werden.
Eine intrinsische parasitäre Kapazität zwischen der ersten Rückplatte BP1 und Masse wird als Cp1 bezeichnet. Eine intrinsische parasitäre Kapazität zwischen der Membran M und Masse wird als Cm bezeichnet. Eine intrinsische parasitäre Kapazität zwischen der zweiten Rückplatte BP2 und Masse wird als Cp2 bezeichnet. In einem Gleichgewichtszustand, – d. h. es werden keine Tonsignale empfangen – können der erste Kondensator C1 und der zweite Kondensator C2 eine Kapazität zwischen 4 pF und 8 pF, z. B. 6 pF, aufweisen. Die parasitäre Kapazität zwischen der ersten Rückplatte BP1 und Masse, Cp1, kann einen Wert von 0,1·C1 aufweisen. Die parasitäre Kapazität zwischen der zweiten Rückplatte BP2 und Masse, Cp2, kann einen Wert von 0,5·C1 aufweisen. Die parasitäre Kapazität zwischen der Membran M und Masse, Cm, kann einen Wert von ungefähr 0,5·C1 aufweisen. Die Messspannung Vsense ist als die Summe von V1 und V2 definiert. Die effektive Messspannung, in der die parasitären Kapazitäten berücksichtigt sind, ist: Vsens_eff = (C2/(C2 + Cm)·V1 + V2)·(C1·(C2 + Cm))/(C1·(C2 + Cm) + (C2 + C1 + Cm)·Cp1) (1)
Somit ist Vsens_eff = 0,714·Vsens. Die effektive Messspannung ist um einen Faktor von 0,714 verringert.
3 zeigt ein Mikrofon mit doppelter Rückplatte DBM, das einen Verstärker AMP mit zwei symmetrischen Eingangsanschlüssen enthält: einen ersten symmetrischen Eingangsanschluss BIP1 und einen zweiten symmetrischen Eingangsanschluss BIP2. Der erste symmetrische Eingangsanschluss BIP1 ist elektrisch mit der ersten Rückplatte BP1 des ersten Kapazitätselementes C1 verbunden. Der zweite symmetrische Eingangsanschluss BIP2 ist elektrisch mit der zweiten Rückplatte BP2 des zweiten Kapazitätselementes C2 verbunden. Die Membran M ist über einen Membran-Eingangsanschluss vorgespannt. Da beide Rückplatten des Kapazitätselementes CE elektrisch mit dem Verstärker AMP verbunden sind, benötigt das Kapazitätselement CE zusätzlich zu dem Membran-Vorspannungs-Anschluss MBP einen ersten Rückplatten-Ausgangsanschluss BOP1 und einen zweiten Rückplatten-Ausgangsanschluss BOP2.
Nimmt man an, dass die Kapazitäten der Kondensatoren und die parasitären Kapazitäten gleich den jeweiligen Kapazitäten der Ausführungsform in 2 sind, dann ist die differentielle effektive Messspannung gegeben durch: Vdiff = V2·C2/(C2 + Cp2) + V1·C1/(C1 + Cp1) (2)
Somit ist Vdiff = 0,788·Vsens. Somit ist die Messeffizienz eines Mikrofons, das einen Verstärker enthält, der einen unsymmetrischen Eingang aufweist – vergleiche Gleichung (1) – gegenüber einem Mikrofon mit doppelter Rückplatte und einem symmetrischen Verstärkereingang um einen Faktor von 0,714/0,788 = 0,9 verringert.
Die Messeffizienz im Vergleich zu Mikrofonen mit einer einzigen Rückplatte ist jedoch verbessert, und die Herstellungskosten und der Stromverbrauch im Vergleich zu Mikrofonen, die einen Verstärker enthalten, der einen symmetrischen Eingangsanschluss aufweist, sind verringert.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Mikrofons mit doppelter Rückplatte DBM, in der ein Trägersubstrat CS einen MEMS-Chip MC, Widerstandselemente R1 und R2 und einen IC-Chip IC trägt. Die mechanischen Komponenten, insbesondere die Rückplatten BP1, BP2, die Membran M und der hintere Teil sind im MEMS-Chip MC angeordnet. Die Schaltkreiselemente des Verstärkers sind im IC-Chip integriert, bei dem es sich um einen ASIC-Chip handeln kann.
Ein MEMS-Mikrofon mit doppelter Rückplatte ist nicht auf die in der Beschreibung beschriebenen oder in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Mikrofone, die weitere Elemente enthalten, wie etwa weitere Rückplatten, Membranen, kapazitive oder Widerstandselemente oder Verstärker oder Kombinationen davon, sind ebenfalls in der vorliegenden Erfindung enthalten.
Eine hohe Vorspannung wird an die Membran angelegt, während die untere Rückplatte und die obere Rückplatte beide über ein Widerstandselement, wie etwa ein Vorspannungs-Netzwerk mit sehr hoher Impedanz, mit einer Gleichtaktspannung vorgespannt sind. Die Vorspannung wird so ausgewählt, dass sie ein geeigneter Eingangs-Vorspannungs-Punkt für den Verstärker ist. Somit wird das Mikrofon mit einer effektiven Vorspannung von V2–V1 vorgespannt. Wenn es Schalldruck ausgesetzt ist, wird es Signale mit entgegengesetzten Phasen an den jeweiligen symmetrischen Ausgangsanschlüssen BOP1 und BOP2 erzeugen. Dieses Differenzsignal wird im Verstärker verstärkt, der eine unsymmetrische Ausgangsspannung vorsieht.
Liste von Bezugszeichen:

AMP:: Verstärker
BIP1:: erster symmetrischer Eingangsanschluss
BIP2:: zweiter symmetrischer Eingangsanschluss
BOP1:: erster symmetrischer Ausgangsanschluss
BOP2:: zweiter symmetrischer Ausgangsanschluss
BP1, BP2:: erste, zweite Rückplatte
C1, C2:: erster, zweiter Kondensator
CE:: Kapazitätselement mit (zeitlich) variabler Kapazität
CM:: parasitäre Kapazität zwischen der Membran und Masse
CP1:: parasitäre Kapazität zwischen dem ersten Kondensator und Masse
CP2:: parasitäre Kapazität zwischen dem zweiten Kondensator C2 und Masse
CS:: Trägersubstrat
DBM:: Mikrofon mit doppelter Rückplatte
GND:: Masse
IC:: IC-Chip
M:: Membran
MBP:: Membran-Vorspannungs-Anschluss
MC:: MEMS-Chip
R1:: erstes Widerstandselement
R2:: zweites Widerstandselement
SEIP:: unsymmetrischer Eingangsanschluss des Verstärkers
SEOP:: unsymmetrischer Ausgangsanschluss
VS1:: erste Spannungsquelle
VS2:: zweite Spannungsquelle

Claims

Mikrofon mit zwei Rückplatten, umfassend – einen Verstärker mit unsymmetrischem Eingangsanschluss, – eine erste Rückplatte, die elektrisch mit dem unsymmetrischen Eingangsanschluss verbunden ist, – eine zweite Rückplatte, die elektrisch mit Masse verbunden ist, – eine Membran, die zwischen der ersten und der zweiten Rückplatte angeordnet ist.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend – ein erstes Widerstandselement mit einem Widerstand >= 1 GΩ, wobei – das erste Widerstandselement elektrisch mit der ersten Rückplatte verbunden ist.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend – ein zweites Widerstandselement mit einem Widerstand >= 1 GΩ, wobei – das zweite Widerstandselement elektrisch mit der Membran verbunden ist.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Rückplatte mit einer Vorspannung zwischen –2 V und +2 V beaufschlagt ist.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Membran mit einer Vorspannung V1 relativ zur ersten Rückplatte beaufschlagt ist, – die Membran mit einer Vorspannung V2 relativ zur zweiten Rückplatte beaufschlagt ist, und 5 V <= V1 = V2 <= 15 V.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verstärker ein rauscharmer Verstärker ist.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Trägersubstrat, einen MEMS-Chip und einen IC-Chip, wobei – die erste Rückplatte, die Membran und die zweite Rückplatte auf dem MEMS-Chip angeordnet sind, – der Verstärker Verstärker-Schaltkreise umfasst, die in dem IC-Chip angeordnet sind, – der MEMS-Chip und der IC-Chip auf dem Trägersubstrat angeordnet sind.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach einem der Ansprüche 1–6, ferner umfassend einen MEMS-Chip, wobei – die erste Rückplatte, die Membran und die zweite Rückplatte auf dem MEMS-Chip angeordnet sind, – der Verstärker Verstärker-Schaltkreise umfasst, die in dem MEMS-Chip angeordnet sind.
Mikrofon mit doppelter Rückplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend – eine erste Kapazität C1 zwischen der ersten Rückplatte und der Membran, – eine zweite Kapazität C2 zwischen der zweiten Rückplatte und der Membran, – eine parasitäre Kapazität Cp1 zwischen der ersten Rückplatte und Masse, – eine parasitäre Kapazität Cm zwischen der Membran und Masse, – eine parasitäre Kapazität Cp2 zwischen der zweiten Rückplatte und Masse, wobei – 4 pF <= Cm = C1 = C2 <= 8 pF, – Cp1 = 0,1·C1, – Cp2 = 0,5·C1.