DE112012006158B4

DE112012006158B4 - Mikrofon mit automatischer Vorspannungsregelung

Info

Publication number: DE112012006158B4
Application number: DE112012006158.6T
Authority: DE
Inventors: Troels Andersen
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: US20150163594A1; WO2013143607A1; DE112012006158T5; JP5926440B2; US9609432B2; JP2015515199A

Abstract

Mikrofon, umfassend
- einen Kondensator mit einer Rückplatte und einer Membran,
- eine eine Spannung an den Kondensator anlegende Spannungsquelle,
- eine Vorspannungsregelschaltung, wobei
- die Vorspannungsregelschaltung die Durchbruchhäufigkeit des Kondensators bestimmt,
- die Vorspannungsregelschaltung zwei Spannungen > 0 V bereitstellen kann,
- die Vorspannungsregelschaltung die Spannung erhöht, wenn die Durchbruchhäufigkeit niedrig ist, und die Spannung erniedrigt, wenn die Durchbruchhäufigkeit hoch ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kondensatormikrofone, z.B. MEMS-Mikrofone, in denen die Spannung an dem Kondensator des Mikrofons geregelt ist, um eine verbesserte Tonqualität zu erhalten, und Verfahren zur Herstellung von Mikrofonen.
Kondensatormikrofone umfassen eine Rückplatte und eine Membran, die als Elektroden eines Kondensators wirken. An den Kondensator wird eine Spannung angelegt. Empfangene Tonsignale bewirken ein Schwingen der Membran. Durch Auswerten der Kapazität des Kondensators in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Rückplatte und der Membran können die Tonsignale damit in elektrische Signale umgewandelt werden.
Die Empfindlichkeit eines Mikrofons hängt von Größen wie beispielsweise dem Abstand zwischen den Elektroden des Kondensators und der angelegten Spannung ab. Zum Erhöhen der Empfindlichkeit des Mikrofons kann der Abstand zwischen den Elektroden des Kondensators verringert oder die Spannung erhöht werden. Bei hohen Schalldruckpegeln können jedoch elektrostatische Zusammenbrüche auftreten. Dann geraten die Membran und die Rückplatte in mechanischen Kontakt. Da die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden reziprok vom Abstand d zwischen den Elektroden abhängt, ist die Rückstellkraft der - flexiblen - Membran gewöhnlich nicht groß genug, um den Luftspalt des Kondensators wiederherzustellen. Herkömmliche Mikrofone können dafür eine Zusammenbruchschutzschaltung umfassen. Jedes Mal, wenn die Vorspannung entfernt wird, ist jedoch das Mikrofon unfähig, Tonsignale in elektrische Signale umzuwandeln. So treten jedes Mal, wenn ein solcher Zusammenbruch auftritt, hörbare Artefakte auf. Diese Artefakte verringern die Tonqualität des Mikrofons, besonders bei hohen Schalldruckpegeln, stark.
Eine weitere Möglichkeit zum Verhindern, dass die Membran zur Rückplatte „hereingezogen“ wird, ist, Vorsprünge auf der Rückplatte vorzusehen, um einen Mindestabstand zwischen der Membran und der Hauptfläche der Rückplatte aufrechtzuerhalten. Solche Vorsprünge begrenzen jedoch die Amplitude der Schwingung der Membran und bewirken eine verringerte Dynamik.
Aus den Veröffentlichungsschriften US 2006/0008097 A1 , US 2009/0111267 A1 , US 2011/0110536 A1 und US 2010/0013501 A1 sind Mikrofone bzw. Verfahren zur Verhinderung eines Zusammenbruchs bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrofon mit verringerten hörbaren Artefakten, besonders bei hohen Schalldruckpegeln, bereitzustellen, das trotzdem eine hohe Empfindlichkeit bei normalen Schalldruckpegeln aufweist. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Mikrofon bereitzustellen, bei dem die Wahrscheinlichkeit zukünftiger Zusammenbrüche verringert ist. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Ansteuern eines solchen Mikrofons.
Es wird daher ein Mikrofon gemäß unabhängigem Anspruch 1 angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen an.
Dafür umfasst ein Mikrofon einen Kondensator mit einer Rückplatte und einer Membran. Weiterhin umfasst das Mikrofon eine Spannungsquelle, die den Kondensator mit einer Spannung beaufschlagt, und eine Vorspannungsregelschaltung. Die Vorspannungsregelschaltung misst die Zusammenbruchfrequenz des Kondensators. Die Vorspannungsregelschaltung kann wenigstens zwei Spannungen größer 0 V bereitstellen. Die Spannungsregelschaltung erhöht die Spannung, wenn die Durchbruchhäufigkeit niedrig ist und verringert die Spannung, wenn die Durchbruchhäufigkeit hoch ist.
Anders gesagt wird die Vorspannung des Mikrofons auf der Basis der Durchbruchhäufigkeit eingestellt.
So wird ein Mikrofon bereitgestellt, bei dem die Vorspannung des Kondensators des Mikrofons davon abhängt, dass die eigentliche Durchbruchhäufigkeit ein Maß des Schalldruckpegels ist. Bei hohen Schalldruckpegeln wird die Vorspannung verringert. Als Ergebnis wird die Durchbruchhäufigkeit verringert und die Anzahl hörbarer Artefakte wird verringert. So wird die Signalqualität des Mikrofons verbessert, obwohl die Empfindlichkeit des Mikrofons verringert wird.
Bei normalen Schalldruckpegeln oder bei niedrigen Schalldruckpegeln wird die Vorspannung erhöht und die hohe Empfindlichkeit des Mikrofons wird wiederhergestellt. Dann ist die Signalqualität des Mikrofons gut, da keine hörbaren Artefakte zu erwarten sind.
Hier bezeichnet Durchbruchhäufigkeit die Anzahl elektrostatischer Durchbrüche in einem vordefinierten Zeitabstand.
Die Vorspannungsregelschaltung kann die Spannung vollständig entfernen können, um die Membran an der Rückplatte abzutrennen, wenn ein Durchbruch aufgetreten ist.
Dafür kann das Mikrofon eine Durchbruchschutzschaltung wie beispielsweise eine Durchbruchschutzschaltung bekannter Mikrofone umfassen.
So wird ein Mikrofon erhalten, bei dem die Wahrscheinlichkeit zukünftiger Durchbrüche mit dem Ergebnis hörbarer Artefakte stark verringert ist.
In einer Ausführungsform erhöht die Vorspannungsregelschaltung des Mikrofons die Spannung, wenn die Durchbruchhäufigkeit niedriger oder gleich einer ersten Häufigkeit ist, und verringert die Spannung, wenn die Durchbruchhäufigkeit höher oder gleich einer zweiten Häufigkeit ist.
So definieren die erste Häufigkeit und die zweite Häufigkeit Schwellwerthäufigkeiten, die, wenn sie erreicht werden, Maßnahmen auslösen - das Erhöhen oder Verringern der Spannung des Mikrofons - zum Verringern hörbarer Artefakte oder zum Erhöhen der Empfindlichkeit des Mikrofons.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorspannungsregelschaltung einen Zeitgeber, einen Durchbruchzähler, eine Durchbruchschutzschaltung und eine Spannungsregelung.
Die Durchbruchschutzschaltung kann eine herkömmliche Durchbruchschutzschaltung sein, die die Vorspannung zeitweilig entfernt oder stark verringert, um die Membran von der Rückplatte abzutrennen. Der Zeitgeber und der Durchbruchzähler können zum Bestimmen der Durchbruchhäufigkeit benutzt werden. Dann kann die Durchbruchhäufigkeit durch Teilen der gezählten Anzahl von Durchbrüchen durch den jeweiligen Zeitabstand bestimmt werden. Die Spannungsregelung regelt die Spannungsquelle dementsprechend.
In einer Variante dieser Ausführungsform stellt der Zeitgeber daher ein Zeitgebersignal einer Zeitgeberfrequenz Ft bereit, die eine Zeitgeberperiode Δt definiert und wobei Δt = 1/Ft. Der Durchbruchzähler zählt die Anzahl von Durchbrüchen und kann nach jedem Zeitgebersignal rückgesetzt werden. Der Durchbruchzähler kann eine Vorrichtung oder Schaltung mit einem Zählerwert, z.B. in einem Speicher, der mit jedem Durchbruch erhöht oder erniedrigt wird, sein.
Der Spannungsregler verringert die Spannung, wenn die Anzahl gezählter Durchbrüche einer Zeitgeberperiode Δt eine erste kritische Anzahl überschreitet und erhöht die Spannung, wenn die Anzahl gezählter Durchbrüche einer Zeitgeberperiode Δt eine zweite kritische Anzahl unterschreitet.
So wird ein Mikrofon bereitgestellt, das mit einem einfachen Algorithmus angesteuert werden kann. In einer Schleife wird das Erscheinen des Zeitgebersignals erwartet. Inzwischen wird die Anzahl aufgetretener Durchbrüche innerhalb der bestimmten Zeitperiode gezählt. Wenn die Anzahl gezählter Durchbrüche die kritische Anzahl überschreitet, dann wird die Spannung verringert und die nächste Zeitgeberperiode kann begonnen werden. Wenn jedoch die Zeitgeberperiode Δt abläuft und die Anzahl gezählter Durchbrüche eine zweite kritische Anzahl unterschreitet, wird die Spannung erhöht, um die Empfindlichkeit des Mikrofons zu verbessern.
Weiterhin ist es möglich, die Spannung konstant zu halten, wenn die Anzahl gezählter Durchbrüche pro Zeitgeberperiode in einem Zeitraum annehmbarer Durchbruchhäufigkeiten liegt. Ein solcher Zeitraum kann durch die erste und die zweite kritische Zahl definiert werden.
Die Anzahl bereitgestellter Spannungen ist nicht darauf begrenzt, dass zwei Spannungen größer als 0 V sind. Das Mikrofon oder die Spannungsquelle kann n Spannungen größer als 0 V bereitstellen, wo die erste kritische Zahl und die zweite kritische Zahl von der Spannung abhängig sind. Hier ist n eine Ganzzahl größer gleich 3, 4, 5, 6, ....
So kann das Mikrofon eine Vielzahl von Spannungsstufen umfassen, zwischen denen die Vorspannungsregelschaltung wechseln kann in Abhängigkeit von der Durchbruchhäufigkeit und/oder der gezählten DurchbruchZahl.
Es ist möglich, dass die zweite kritische Zahl einer Stufe i der ersten kritischen Zahl der Stufe i+1 gleich ist.
In einer Ausführungsform hängt die Zeitgeberperiode Δt von der Veränderungsrate der Spannung ab.
Dann können hohe Veränderungsraten kurze Zeitgeberperioden Δt ergeben und niedrige Veränderungsraten können größere Zeitgeberperioden Δt ergeben. Die Veränderungsrate ist als die Änderung der Spannung geteilt durch eine Zeit von Einheitslänge definiert. Dementsprechend können die kritischen Zahlen auf die neue Zeitgeberperiode Δt eingestellt werden.
In einer Ausführungsform verändert die Vorspannungsregelschaltung die Spannung in diskreten Schritten.
Eine solche Ausführungsform kann mit einer digitalen integrierten Schaltung ausgeführt werden. Dann kann die Zeitgeberperiode Δt als die Zeit einer gewissen Anzahl von die digitalen integrierten Schaltungen auslösenden Taktzyklen definiert werden.
In einer Ausführungsform umfasst jedoch die Vorspannungsregelschaltung analoge Schaltungselemente. Diese analogen Schaltungselemente können Integratoren zum Bestimmen der jeweiligen Zeitgeberperioden Δt und zum Bestimmen der Anzahl von Durchbrüchen oder zum direkten Bestimmen der Durchbruchhäufigkeit umfassen. Diese analogen Schaltungselemente können Mittel zum Berechnen der Veränderungsrate der Spannungen umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst die Rückplatte der Membran Vorsprünge, z.B. Bolzen, zum Verhindern der Haftung größerer Bereiche der Membran an der Rückplatte. Im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofonen kann die Länge der Vorsprünge verringert werden, um eine besserte Dynamik zu erhalten.
Ein Verfahren zum Ansteuern eines Kondensatormikrofons umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines eine Zeitgeberperiode Δt definierenden periodischen Zeitgebersignals,
- Zählen der Anzahl von Zusammenbrüchen pro Zeitgeberperiode,
- Bestimmen der Spannungsveränderungsrate basierend auf den gezählten Zusammenbrüchen pro Zeitgeberperiode Δt.

Wenn die Vorspannung konstant zu halten ist, könnte dann die Spannungsveränderungsrate auf null gesetzt werden. Wenn die Spannung zu erhöhen ist, kann die Spannungsveränderungsrate auf einen positiven Wert gesetzt werden und wenn die Spannung zu verringern ist, kann die Spannungsveränderungsrate auf einen negativen Wert gesetzt werden. Die Spannungsveränderungsrate kann in diskreten Schritten oder kontinuierlich verändert werden.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung und Beispiele solcher Mikrofone sind in den schematischen Figuren dargestellt.
Figurenliste

1 zeigt eine Vorspannungsregelschaltung BCC (Bias Control Circuit), umfassend einen Zeitgeber T, einen Durchbruchzähler CC (Collapse Counter), eine Spannungssteuerung VC (Voltage Controller), eine Durchbruch-Schutzschaltung ACC (Anti-Collapse Circuit) und eine Spannungsquelle VS (Voltage Source),
2 zeigt weitere Elemente einer Vorspannungsregelschaltung BCC,
3A zeigt eine Zeitgeberperiode von Dauer Δt, in der kein Durchbruch eintritt,
3B zeigt eine Zeitgeberperiode, in der die Anzahl von Durchbrüchen zwischen einer ersten kritischen Zahl und einer zweiten kritischen Zahl liegt,
3C zeigt eine Zeitperiode, in der die Anzahl von Durchbrüchen die zweite kritische Zahl überschreitet,
4A zeigt ein keinen Durchbruch anzeigendes Signaldiagramm,
4B zeigt ein einen einzigen Durchbruch anzeigendes Signaldiagramm,
4C zeigt ein drei Durchbrüche anzeigendes Signaldiagramm,
4D zeigt ein keinen Durchbruch und ein Spannungsschrittsignal anzeigendes Signaldiagramm,
5 zeigt die sich über eine Vielzahl von Zeitperioden in diskreten Schritten ändernde Vorspannung,
6 zeigt eine kontinuierlich geregelte Vorspannung,
7 zeigt eine Vorspannung, die nach einer differenzierbaren Funktion geregelt wird,
8 zeigt einen Querschnitt durch einen Kondensator eines Mikrofons,
9 zeigt einen Querschnitt eines Chips auf einem Substrat umfassenden Mikrofons.

1 zeigt schematisch eine Vorspannungsregelschaltung BCC. Die Vorspannungsregelschaltung BCC umfasst einen Zeitgeber T, einen Durchbruchzähler CC, einen Spannungsregler VC, eine Durchbruch-Schutzschaltung ACC und eine Spannungsquelle VS. Die Richtung von aus einer Einheit der Vorspannungsregelschaltung zu einer anderen Einheit übertragenen Informationen wird durch Pfeile angezeigt. Die Durchbruch-Schutzschaltung ACC versorgt den Durchbruchzähler CC mit einem Durchbruchsignal jedes Mal, wenn ein elektrostatischer Durchbruch erkannt wird. Weiterhin kann die Durchbruch-Schutzschaltung ACC die Spannung aus dem Kondensator des Mikrofons entfernen, um den Gleichgewichtsabstand zwischen der Rückplatte und der Membran wiederherzustellen. Der Zeitgeber T liefert Zeitinformationen, die zum Bestimmen der Durchbruchhäufigkeit notwendig sind. So kann der Zeitgeber T ein Zeitgebersignal bereitstellen, jedes Mal, wenn eine Zeitgeberperiode Δt abgelaufen ist. In Abhängigkeit von der bestimmten Durchbruchhäufigkeit kann der Durchbruchzähler die Anzahl von Durchbrüchen pro Zeitperiode für den Spannungsregler VC bereitstellen. Es ist jedoch möglich, dass der Durchbruchzähler direkt ein Signal erzeugt, das dem Spannungsregler erlaubt, die Vorspannung entweder zu erhöhen, zu verringern oder konstant zu halten. Der Spannungsregler VC regelt die Spannungsquelle VC, die die Vorspannung an den Kondensator anlegt. Die Spannungsquelle VS kann eine Spannungspumpe, z.B. eine programmierbare Spannungspumpe, umfassen.
Die Vorspannungsregelschaltung BCC kann in einem Dauerbetrieb arbeiten, in dem die Vorspannung kontinuierlich geregelt wird. Es ist jedoch möglich, dass die Vorspannungsregelschaltung BCC diskrete Schritte zum Regeln der Vorspannung durchführt.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorspannungsregelschaltung BCC, in der ein Taktsignal SCLK (Clock Signal) an den Zeitgeber T, den Durchbruchzähler CC, den Spannungsregler VC und die Durchbruch-Schutzschaltung ACC angelegt wird. Weiterhin kann der Zeitgeber T und der Durchbruchzähler CC mit einem Einschalte-Rücksetzsignal SPOR (Power-ON Reset) versehen werden, das einen Initialisierungsvorgang der jeweiligen Einheiten auslöst.
Die Vorspannungsregelschaltung der 2 benutzt diskrete Schritte zum Regeln der Vorspannung. Eine solche Schaltung kann leicht als integrierte Schaltungsglieder in einem IS-Chip implementiert werden.
Der Zeitgeber T umfasst eine Speicherzelle zum Speichern eines Zeitgeber-Istwertes VT und umfasst weiterhin eine Speicherzelle zum Speichern eines auslösenden Zeitgeberwertes Ti. Die Taktsignale SCLK werden gezählt, beispielsweise durch Erhöhen oder Erniedrigen des Zeitgeberwertes VT bei jedem Taktsignal SCLK. Wenn die Anzahl gezählter Taktsignale SCLK den Zeitgeber-Anfangswert Ti überschreitet, wird an den Durchbruchzähler CC ein Zeitgebersignal ST übermittelt.
Es ist möglich, dass der Zeitgeberwert VT anfänglich auf den Zeitgeber-Anfangswert VI gesetzt ist. Jedes Mal, wenn ein Taktsignal CLK empfangen wird, wird der Zeitgeberwert VT erniedrigt. Wenn der Zeitgeberwert VT null erreicht, wird das Zeitgebersignal ST abgegeben und der Zeitgeber-Istwert VT wird auf den Zeitgeberanfangswert Ti rückgesetzt.
Jedes Mal, wenn die Durchbruch-Schutzschaltung ACC einen Durchbruch erkennt, wird ein Durchbruchsignal SCOL (Collapse Signal) an den Durchbruchzähler CC übertragen. Es wird die Anzahl von Durchbruchsignalen SCOL gezählt. Dafür umfasst der Durchbruchzähler CC eine Speicherzelle, deren Wert jedes Mal, wenn ein Durchbruchsignal SCOL empfangen wird, geändert - z.B. erhöht oder erniedrigt - wird. Weiterhin umfasst die Regelschaltung CC eine Speicherzelle für eine kritische Anzahl von Durchbrüchen CCi. Wenn das Einschalte-Rücksetzsignal SPOR empfangen wird, wird der Wert des Durchbruchzählers VCC auf den Einleitungswert CCi gesetzt. Jedes Mal, wenn die Durchbruch-Schutzschaltung ACC ein Durchbruchsignal SCOL an den Durchbruchzähler CC sendet, wird die Anzahl von Durchbrüchen erhöht, d.h. VCC erniedrigt.
Wenn der Durchbruchzähler CC ein Zeitgebersignal ST empfängt, bevor er ein Durchbruchsignal SCOL empfängt, wird ein Signal Erhöhen SINC (Increment Signal) an den Spannungsregler VC übertragen. Der Spannungsregler VC umfasst eine den Spannungswert W (Voltage Value) enthaltende Speicherzelle. Wenn der Spannungswert W auf seinem Höchstwert liegt, geschieht nichts. Wenn der Spannungswert W unter seinem Höchstwert liegt, wird der Spannungswert erhöht.
Wenn der Wert des Durchbruchzählers VCC auf null erniedrigt wurde, ehe ein Zeitgebersignal ST empfangen wird, wird die Durchbruchhäufigkeit als hoch erachtet und es wird ein Signal Erniedrigen SDEC (Decrement Signal) an den Spannungsregler VC übertragen. Der Spannungswert W wird erniedrigt, solange der Spannungswert W der Spannungsregelung VC nicht seinen Mindestwert erreicht hat.
Wenn der Durchbruchzähler CC ein Zeitgebersignal ST empfängt, wenn einige Zusammenbrüche aufgetreten sind, aber der Wert des Durchbruchzählers VCC immer noch einen positiven Wert enthält, dann wird ein Gleichgewichtszustand zwischen einer hohen Vorspannung und einer niedrigen Anzahl von akustischen Artefakten erhalten; die Vorspannung liegt in einem optimalen Bereich.
Der die Länge der Zeitgeberperiode bestimmende Anfangswert des Zeitgebers Ti kann von der Vorspannung gemäß dem Spannungswert W, der aktuellen Vorspannungseinstellungsrate oder sonstigen externen Faktoren abhängig sein. Der Anfangswert des Durchbruchzählers CCi kann von der Istvorspannung oder der Vorspannungseinstellungsrate abhängig sein.
So ist eine Vorspannungsregelschaltung BCC vorgesehen, die mit einem einfachen und damit stabilen Algorithmus angesteuert werden kann, der auf dem Zählen von Taktsignalen und Zählen von Durchbruchsignalen, Erniedrigen von Ganzzahlwerten und Vergleichen, ob ein solcher Ganzzahlwert - Zeitgeberwert VT und Durchbruchzählerwert VCC - gleich null ist, basiert.
So kann ein solcher Algorithmus mit einfachen Schaltungsgliedern, z.B. in einem integrierten Schaltungschip, implementiert werden.
3A zeigt eine Zeitgeberperiode von Länge Δt, in der ein Wert des Zeitgebers VT von einem vordefinierten Wert auf null verringert wird. Der Wert des Durchbruchzählers VCC bleibt auf seinem Anfangswert CCi, da keine Durchbruchereignisse empfangen werden. Zwei kritische Zahlen CN (Critical Numbers) bestimmen das Verhalten der Vorspannungsregelschaltung BCC. Wenn die Anzahl von Zusammenbrüchen innerhalb der Zeitgeberperiode unter einer ersten kritischen Zahl - dargestellt durch die obere kritische Zahl CN in 3A - liegt, dann ist die Durchbruchhäufigkeit gering und die Vorspannung kann erhöht werden, sofern sie nicht schon ihren Höchstwert erreicht hat.
Wenn die gezählte Durchbruchzahl einen zweiten kritischen Wert überschreitet - dargestellt durch die untere kritische Zahl CN in 3A - dann ist die Durchbruchhäufigkeit hoch und die Vorspannung wird verringert, es sei denn, die Vorspannung hat ihren Mindestwert erreicht.
Wenn die Anzahl von Zusammenbrüchen zwischen den kritischen Zahlen liegt, kann angenommen werden, dass die Durchbruchhäufigkeit in ihrem optimalen Bereich liegt und die Vorspannung kann aufrechterhalten bleiben.
3B zeigt die Lage, in der drei Durchbruchsignale SCOL innerhalb der Zeitgeberperiode Δt gezählt werden. Nach Ablauf des Zeitgebersignals liegt die gezählte Durchbruchzahl VCC zwischen der ersten kritischen Zahl und der zweiten kritischen Zahl. So kann die Vorspannung aufrechterhalten bleiben. Es ist keine Handlung erforderlich.
3C zeigt eine Zeitgeberperiode Δt, in der fünf Durchbruchsignale gezählt werden, bevor der Zeitgeberzeitraum abläuft. So überschreitet die Anzahl gezählter Durchbrüche den zweiten kritischen Wert - dargestellt durch den unteren kritischen Wert CN in der 3C - und es wird ein Signal Erniedrigen zum Spannungsregler VC übertragen.
Es ist möglich, dass der Zeitgeber den Zeitgeberwert VT zurücksetzt, wenn er null erreicht. Es ist jedoch möglich, den Zeitgeberwert auf seinen Anfangswert zurückzusetzen, wenn das Signal Erniedrigen übertragen wird.
Zum vollen Verständnis der 3A-3C ist zu verstehen, dass die Anzahl von Zusammenbrüchen durch Erniedrigen eines Werts anstatt Erhöhen gezählt werden kann. Dann gleicht die Anzahl von Zusammenbrüchen dem Absolutwert der Differenz zwischen dem Zähleristwert und seinem Anfangswert. Zählen durch Erniedrigen besitzt den Vorteil, dass null als ein kritischer Zählerwert leicht durch digitale Schaltungen nachgeprüft werden kann.
4A-4D zeigen Signalereignisse von neun Signalleitungen, wobei jede Signalleitung durch eine der neun Zeilen dargestellt wird.
Die erste Zeile zeigt das die Vorspannungsregelschaltung BCC initialisierende Einschalt-Anforderungssignale SPOR (Power on Request Signal).
Die zweite Zeile zeigt das Taktsignal SCLK.
Die dritte Zeile zeigt den Wert des Zeitgebers VT.
Die vierte Zeile zeigt das durch den Zeitgeber T abgegebene Zeitgebersignal ST, wenn die Zeitperiode Δt abgelaufen ist.
Die fünfte Zeile zeigt das durch die Durchbruch-Schrittschaltung zum Durchbruchzähler SCOL übertragene Signal, wenn ein Durchbruch erkannt wird.
Die sechste Zeile zeigt den Wert des Durchbruchzählers VCC.
Die siebte Zeile zeigt das durch den Durchbruchzähler CC zum Spannungsregler VC übertragene Signal Erniedrigen, SDEC, wenn die Anzahl von Durchbrüchen die zweite kritische Zahl überschreitet, ehe die Zeitperiode Δt endet.
Die achte Zeile zeigt das vom Durchbruchzähler CC zum Spannungsregler VC übertragene Signal Erhöhen SINC (Increment Signal), wenn die Anzahl von gezählten Durchbrüchen die erste kritische Zahl unterschreitet und die Zeitgeberperiode abgelaufen ist.
Die neunte Zeile zeigt den Wert der Vorspannung W.
In der 4A wird das Zeitgebersignal ST nach sechs Perioden des Taktsignals SCLK abgegeben. Da innerhalb dieser Zeitperiode kein Durchbruch - man vergleiche fünfte Zeile - aufgetreten ist, wird ein Signal Erhöhen SINC - man vergleiche achte Zeile - zum Spannungsregler VC übertragen.
4B zeigt eine Zeitgeberperiode, in der ein einzelner Durchbruch erkannt wird und ein entsprechendes Durchbruchsignal SCOL zum Durchbruchzähler CC übertragen wird. So wird der Wert des Durchbruchzählers - man vergleiche Zeile 5 - verringert. Da dies der einzige in der Zeitgeberperiode erkannte Durchbruch ist, ist weder eine Erniedrigung noch eine Erhöhung der Vorspannung notwendig. Weiterhin wird nach Ablauf des Zeitgeberintervalls - man vergleiche dritte Zeile - der Wert des Durchbruchzählers auf den anfänglichen Durchbruchzählerwert CCi wiederhergestellt.
4C zeigt eine Zeitgeberperiode, in der drei Durchbrüche erkannt werden und entsprechende Durchbruchsignale SCOL zum Durchbruchzähler übertragen werden. Weiterhin wird bei jedem erkannten Durchbruch der Wert des Durchbruchzählers VCC erniedrigt - man vergleiche Zeile 6.
Hier überschreitet die Anzahl gezählter Durchbrüche die zweite kritische Zahl und es wird ein Signal Erniedrigen SDEC - man vergleiche Zeile 7 - zum Spannungsregler VC übertragen. Im Ergebnis wird der Spannungswert W des Spannungsreglers VC ebenfalls erniedrigt - man vergleiche Zeile 9.
4D zeigt ein Zeitintervall, in dem kein Durchbruch erkannt wird. So wird ein Signal Erhöhen SINC - man vergleiche Zeile 8 - zum Spannungsvektor VC übertragen. Da die Vorspannung ihren Höchstwert nicht erreicht hat, wird der Wert der Spannung W erhöht - man vergleiche Zeile 9.
5 zeigt eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden ablaufenden Zeitgeberintervallen. 5 zeigt eine Ausführungsform, in der fünf Werte für die Vorspannung zugelassen sind. Innerhalb der ersten Periode tritt ein Zusammenbruch ein und die Zusammenbruch-Schutzschaltung beseitigt die Vorspannung aus dem Kondensator. Dann wird die Vorspannung durch einen diskreten Schritt verringert und wieder an den Kondensator angelegt. Innerhalb der zweiten Periode tritt ein weiterer Zusammenbruch ein und die Vorspannung wird wieder verringert. Innerhalb der dritten Periode tritt ein dritter Zusammenbruch ein und die Vorspannung erreicht ihren Mindestwert. Dann nimmt der Schalldruckpegel ab und es treten keine weitere Zusammenbrüche ein. Dementsprechend kann die Vorspannung nach jeder Zeitgeberperiode erhöht werden.
6 zeigt eine Ausführungsform der Vorspannungsregelschaltung, in der die Vorspannung nicht in diskreten Schritten, z.B. wie in 5 gezeigt, geregelt wird, sondern kontinuierlich. Es ist möglich, die Vorspannung nach einer linearen Funktion zu verändern. Dafür kann die Vorspannung mit einzelnen Raten verringert oder erhöht werden.
Regelung der Vorspannung ist nicht auf lineare Funktionen begrenzt. 7 zeigt eine Ausführungsform, in der die Vorspannungsregelspannung nach differenzierbaren Funktionen, z.B. Polynomen, z.B. quadratischen Funktionen oder quadratischen oder kubischen Kurvenlinien geregelt wird.
Schrittweise - d.h. in diskreten Schritten - Regelung der Vorspannung kann bei Benutzung digitaler Vorspannungsregelschaltungen bevorzugt sein. Verwenden von analogen Regelschaltungen, umfassend z.B. Integrierschaltungen oder Differenzierschaltungen, kann jedoch noch besser zusammenlaufende Vorspannungen ergeben. Dann wird die Anzahl akustischer Artefakte - hörbare Artefakten - weiter verringert und die Empfindlichkeit des Mikrofons weiter verbessert.
8 zeigt einen Querschnitt eines Mikrofonkondensators, umfassend eine Rückplatte BP (Back Plate) und eine flexible Membran M. Vorsprünge PR, z.B. Bolzen S, sind auf der Rückplatte BP angeordnet. So können die Membran M und die Rückplatte BP leichter nach einem Durchbruch getrennt werden.
9 zeigt einen Querschnitt eines Mikrofons, in dem ein Mikrofon-Chip MC, umfassend den Kondensator und einen IC-Chip, z.B. einen ASIC-Chip (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit - anwendungsspezifische integrierte Schaltung), auf einem Trägersubstrat CS (Carrier Substrate) angeordnet sind. Das Glied des Mikrofons des akustisch aktiven Gebiets, der Rückplatte BP und der Membran M kann durch MEMS-Glieder (MEMS = Micro-Electro-Mechanical Systems) in einem MEMS-Chip hergestellt sein.
Ein Mikrofon ist nicht auf die in der Beschreibung beschriebenen oder in den Figuren gezeigten Ausführungsformen begrenzt. Weiter Glieder wie beispielsweise weitere Schaltungen, Kondensatoren, Membranen, Rückplatten, aktive oder passive Schaltungskomponenten oder Kombinationen derselben umfassende Mikrofone sind ebenfalls durch die vorliegende Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

ACC:: Durchbruch-Schutzschaltung
ASIC:: ASIC-Chip
BCC:: Vorspannungsregelschaltung
BP:: Rückplatte
CC:: Durchbruchzähler
CCi:: Durchbruchzähler-Anfangswert
CN:: kritische Anzahl
CS:: Trägersubstrat
M:: Membran
MC:: MEMS-Chip
PR:: Vorsprung
S:: Bolzen
SCLK:: Taktsignal
SCOL:: Durchbruchsignal
SDEC:: Signal Erniedrigen
SINC:: Signal Erhöhen
SPOR:: Einschalte-Rücksetzsignal
ST:: Zeitgebersignal
t:: Zeit
T:: Zeitgeber
Ti:: Zeitgeber-Anfangswert
V:: Vorspannung
VC:: Spannungsregler
VCC:: Durchbruchzählerwert
VS:: Spannungsquelle
VT:: Zeitgeberwert
VV:: Spannungswert
Δt:: Zeitgeberperiode

Claims

Mikrofon, umfassend - einen Kondensator mit einer Rückplatte und einer Membran, - eine eine Spannung an den Kondensator anlegende Spannungsquelle, - eine Vorspannungsregelschaltung, wobei - die Vorspannungsregelschaltung die Durchbruchhäufigkeit des Kondensators bestimmt, - die Vorspannungsregelschaltung zwei Spannungen > 0 V bereitstellen kann, - die Vorspannungsregelschaltung die Spannung erhöht, wenn die Durchbruchhäufigkeit niedrig ist, und die Spannung erniedrigt, wenn die Durchbruchhäufigkeit hoch ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei - die Vorspannungsregelschaltung die Spannung erhöht, wenn die Durchbruchhäufigkeit niedriger oder gleich einer ersten Häufigkeit ist, und die Spannung erniedrigt, wenn die Durchbruchhäufigkeit höher oder gleich einer zweiten Häufigkeit ist.
Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorspannungsregelschaltung einen Zeitgeber, einen Durchbruchzähler, eine Durchbruch-Schutzschaltung und einen Spannungsregler umfasst.
Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - der Zeitgeber ein Zeitgebersignal einer eine Zeitgeberperiode Δt=1/Ft definierenden Zeitgeberfrequenz Ft bereitstellt, - der Durchbruchzähler die Anzahl von Durchbrüchen nach jedem Zeitgebersignal zählt, - der Spannungsregler die Spannung verringert, wenn die Anzahl gezählter Durchbrüche einer Zeitgeberperiode Δt eine erste kritische Zahl überschreitet, - der Spannungsregler die Spannung erhöht, wenn die Anzahl gezählter Durchbrüche einer Zeitgeberperiode Δt eine zweite kritische Zahl unterschreitet.
Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, bereitstellend n Spannungen > 0, wobei - die erste kritische Zahl und die zweite kritische Zahl von der Spannung abhängen, - n eine ganze Zahl >= 3 ist.
Mikrofon nach Anspruch 4, wobei die Zeitgeberperiode Δt von der Veränderungsrate der Spannung abhängt.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei - die Spannung eine Funktion der Durchbruchhäufigkeit ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die Vorspannungsregelschaltung die Spannung in diskreten Schritten verändert.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die Vorspannungsregelschaltung die Spannung kontinuierlich verändert.
Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorspannungsregelschaltung analoge Schaltungselemente umfasst.
Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückplatte oder die Membran Vorsprünge umfasst.
Verfahren zum Ansteuern eines Mikrofons, umfassend die Schritte - Bereitstellen eines eine Zeitgeberperiode Δt definierenden periodischen Zeitgebersignals, - Zählen der Anzahl von Zusammenbrüchen pro Zeitgeberperiode, - Bestimmen der Spannungsveränderungsrate basierend auf den gezählten Zusammenbrüchen pro Zeitgeberperiode Δt.