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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der am 14. März 2014 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/952,996, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft das elektrische Selbsttesten für kapazitive Sensoren. Insbesondere betreffen Ausführungsformen der Erfindung das integrierte vollelektrische Selbsttesten für MEMS-Mikrofone (MEMS – Micro Electro Mechanical Systems).
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Heute ist das Testen von MEMS-Mikrofonen mit verschiedenen Herausforderungen und assoziierten Kosten bezüglich Zeit und Geld verbunden. Beispielsweise müssen Umgebungsrauschen und -schwingungen, wie sie das Prüfobjekt erfährt, reduziert werden. Produktionsprüffelder besitzen üblicherweise sehr hohe akustische Schallpegel von verschiedenen Quellen wie etwa Motoren, HLK-Systemen (Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen), Menschen und anderen industriellen Einrichtungen. Dies erfordert aufwändige und ungewöhnliche Isolationstechniken und möglicherweise sogar separate Schallprüfräume und -kammern. Gegenwärtig sind übliche Prüflösungen mit akustischen Lautsprechern und Mikrofonen für ordnungsgemäßes Prüfen erforderlich. Diese Referenzlautsprecher und -mikrofone müssen kalibriert und gewartet werden, um eine stimmige Prüfqualität sicherzustellen. Die allgemeinen akustischen Anforderungen der aktuellen Prüfmethodik begrenzen die Parallelisierung von Prüfobjekten, was infolgedessen die Prüfkosten erhöht. Das begrenzte Ausmaß an Arbeit, das das mechanische System während dieser Art von Prüfung erfährt, führt ebenfalls zu Fragen hinsichtlich der Qualität, weil das Mikrofon üblicherweise nur an einem Funktionsvoreinstellpunkt geprüft wird, anstatt durch seinen ganzen mechanischen Bereich. Zudem gibt es begrenzten Zugang zum Bestimmen der MEMS-Kennlinien wie etwa der mechanischen Resonanzfrequenz ohne Verwendung von spezialisierten Prüfchips, spezialisierten Prüfaufbauten wie etwa Vakuumkammersystemen oder beiden.
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Deshalb stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Systeme und Verfahren zum Integrieren des vollelektrischen Selbsttestens für MEMS-Mikrofone bereit.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein System für das Selbsttesten eines elektromechanischen kapazitiven Sensors bereit. Das System enthält einen elektromechanischen kapazitiven Sensor und einen Controller. Der Controller ist konfiguriert zum Empfangen eines Signals zum Aktivieren eines Prüfmodus und beim Empfangen des Signals zum Aktivieren des Prüfmodus: (a) Anlegen einer Vorspannung an den elektromechanischen kapazitiven Sensor, (b) Messen einer entsprechenden Auslenkung einer Membran des elektromechanischen kapazitiven Sensors für die Vorspannung als Funktion der Zeit und Wiederholen der Schritte (a) und (b) für mehrere Größen der Vorspannung, um mindestens einen Leistungsparameter des elektromechanischen kapazitiven Sensors zu bestimmen. Der bestimmte Leistungsparameter kann eine Empfindlichkeit als Funktion einer angelegten Vorspannung, eine Ansprechspannung, ein –3 dB-Frequenzantwortpunkt, eine Resonanzfrequenz, eine resistive Dämpfungs-/Qualitätsfaktorkomponente, eine Kapazität oder eine beliebige Kombination der obigen sein.
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Bei einigen Ausführungsformen enthält die Kapazität eine parasitäre Kapazität.
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Bei anderen Ausführungsformen enthält das System auch einen Vorverstärker. Bei solchen Ausführungsformen kann die Kapazität durch Messen einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit einer Verstärkungsfaktor-Eins-Ausgabe eines Vorverstärkers bestimmt werden.
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Bei weiteren Ausführungsformen kann die Kapazität durch Anlegen eines Hochfrequenz-AC-Reizes an den elektromechanischen kapazitiven Sensor und Messen einer Stromausgabe des elektromechanischen kapazitiven Sensors bestimmt werden.
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Bei einigen Ausführungsformen sind der elektromechanische kapazitive Sensor und der Controller in einem einzelnen Package kombiniert.
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Bei einigen Ausführungsformen ist der elektromechanische kapazitive Sensor ein MEMS-Mikrofon.
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Bei einigen Ausführungsformen wird Schritt (b) des Prüfmodus durch einen zweiten Prozessor durchgeführt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Selbsttesten eines einen Controller enthaltenden elektromechanischen kapazitiven Sensorsystems bereit. Das Verfahren beinhaltet (a) Anlegen, durch den Controller, einer Vorspannung an den elektromechanischen kapazitiven Sensor, (b) Messen, durch den Controller, einer entsprechenden Auslenkung einer Membran des elektromechanischen kapazitiven Sensors für die Vorspannung als Funktion der Zeit und Wiederholen der Schritte (a) und (b) für mehrere Größen der Vorspannung, um mindestens einen Leistungsparameter des elektromechanischen kapazitiven Sensors zu bestimmen.
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Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich bei Berücksichtigung der ausführlichen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm einer integrierten elektromechanischen kapazitiven Sensorschaltung.
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2 ist ein Diagramm einer üblichen elektromechanischen Beziehung eines kapazitiven Sensors.
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3 ist ein Diagramm einer über die Zeit abgestuft angelegten Vorspannung.
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4 ist ein Beispieldiagramm einer vorübergehenden Schrittantwort mit mehreren Größenordnungen für einen kapazitiven Sensor.
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5 ist ein Blockdiagramm eines durch die integrierte Schaltung von 1 verwendeten Verfahrens zum Durchführen elektrischer Selbsttests.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung ausführlich erläutert werden, versteht sich, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details hinsichtlich Konstruktion und Anordnung von Komponenten beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den folgenden Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen in der Lage und dazu, auf verschiedene Weisen praktiziert oder ausgeführt zu werden.
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Es sei auch angemerkt, dass mehrere hardware- und softwarebasierte Einrichtungen sowie mehrere verschiedene Strukturkomponenten verwendet werden können, um die Erfindung zu implementieren. Außerdem versteht sich, dass Ausführungsformen der Erfindung Hardware, Software und Elektronikkomponenten oder -module enthalten können, die zu Erörterungszwecken so dargestellt und beschrieben werden können, als wenn der größte Teil der Komponenten ausschließlich in Hardware implementiert wäre. Der Durchschnittsfachmann würde jedoch auf der Basis einer Lektüre dieser detaillierten Beschreibung erkennen, dass zumindest bei einer Ausführungsform die auf Elektronik basierenden Aspekte der Erfindung in Software implementiert werden können (z.B. auf einem nicht-vorübergehenden computerlesbaren Medium gespeichert), die durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden kann. Als solches sei angemerkt, dass mehrere hardware- und softwarebasierte Einrichtungen sowie mehrere verschiedene Strukturkomponenten genutzt werden können, um die Erfindung zu implementieren. Beispielsweise können in der Patentschrift beschriebene „Steuereinheiten“ und „Controller“ einen oder mehrere Prozessoren, ein oder mehrere Speichermodule einschließlich einem nicht-vorübergehenden computerlesbaren Medium, eine oder mehrere Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellen und verschiedene Verbindungen (z.B. einen Systembus), die die Komponenten verbinden, beinhalten.
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1 veranschaulicht eine integrierte elektromechanische kapazitive Sensorschaltung (MCSIC – Electro-Mechanical Capacitive Sensor Integrated Circuit) 10. Die MCSIC 10 enthält einen MEMS-Sensor 12, einen Prüfcontroller 14, einen Ausgangsvorverstärker 16, zwei Hochimpedanznetzwerke 18, eine Ladepumpe 20, einen Vorspannungsknoten 22 und einen Ausgangsspannungsknoten 24. Der Prüfcontroller 14 ist mit den Hochimpedanznetzwerken 18, der Ladepumpe 20 und dem Ausgangsspannungsknoten 24 verbunden. Der Prüfcontroller 14 kann auch konfiguriert werden zum Senden und Empfangen von Signalen und Daten an einer Elektronik außerhalb der MCSIC 10. Die Hochimpedanznetzwerke 18 und die Ladepumpe 20 legen eine Vorspannung an den MEMS-Sensor 12 an. Die Hochimpedanznetzwerke 18 sind in der Lage, in einen Niederimpedanzzustand einzutreten, um den MEMS-Sensor 12 vor einer Änderung bei der Vorspannung zu schützen. Die Ladepumpe 20 ist konfigurierbar zum Liefern eines Bereichs an Spannungen an den Vorspannungsknoten 22. Der Prüfcontroller 14 kann konfiguriert werden, um der Ladepumpe 20 zu signalisieren, eine spezifizierte Vorspannung (VBIAS) an den MEMS-Sensor 12 anzulegen. Der Prüfcontroller 14 kann auch konfiguriert werden, der Ladepumpe 20 zu signalisieren, eine selbstgenerierte elektrische Stufe (ΔV) in VBIAS während eines Kraftmodus am Vorspannungsknoten 22 an den MEMS-Sensor 12 anzulegen. Der Prüfcontroller 14 kann konfiguriert werden, den Hochimpedanznetzwerken 18 zu signalisieren, in einen Niederimpedanzzustand einzutreten, wenn ΔV angelegt wird. Der Prüfcontroller 14 kann auch konfiguriert werden, sehr bald (1–3 µs) in einen Erfassungsmodus einzutreten, nachdem ΔV angelegt worden ist, und den Hochimpedanznetzwerken 18 zu signalisieren, während des Erfassungsmodus in einen Hochimpedanzzustand einzutreten. Der Prüfcontroller 14 kann auch konfiguriert werden, die Antwort des MEMS-Sensors 12 auf das Anlegen von ΔV als eine Ausgangsspannung (VOUT) am Ausgangsspannungsknoten 24 zu messen. Im Erfassungsmodus kann das VOUT des MEMS-Ausgangsvorverstärkers 16, infolge der Prüfeingaben (Schritte von VBIAS) in den MEMS-Sensor 12 erzeugt, am Ausgangsspannungsknoten 24 entweder durch den Prüfcontroller 14 oder durch Prüfgerät außerhalb der MCSIC 10 gemessen werden.
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Bei einigen Ausführungsformen enthält der Prüfcontroller 14 mehrere elektrische und elektronische Komponenten, die Strom, Betriebssteuerung und Schutz für die Komponenten und Module innerhalb des Prüfcontrollers 14 bereitstellen. Der Prüfcontroller 14 enthält unter anderem eine Verarbeitungseinheit (z.B. einen Mikroprozessor oder eine andere geeignete programmierbare Einrichtung), einen Speicher und eine Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle. Die Verarbeitungseinheit, der Speicher und die Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle sowie die anderen verschiedenen Module sind durch einen oder mehrere Steuer- oder Datenbusse verbunden. Bei einigen Ausführungsformen ist der Prüfcontroller 14 teilweise oder ganz auf einem Halbleiterchip implementiert (z.B. einem feldprogrammierbaren Gatearray).
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Der Speicher des Prüfcontrollers 14 enthält einen Programmablagebereich und einen Datenablagebereich. Der Programmablagebereich und der Datenablagebereich können Kombinationen von verschiedenen Arten von Speicher enthalten, wie etwa einen Festwertspeicher („ROM“), einen Direktzugriffsspeicher („RAM“) (z.B. einen dynamischen RAM („DRAM“), ein SDRAM („synchronous DRAM“) usw.), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher oder andere geeignete elektronische Speichereinrichtungen. Die Verarbeitungseinheit ist mit dem Speicher verbunden und führt Softwareanweisungen aus, die in einem RAM des Speichers gespeichert sind (z.B. während der Ausführung), einem ROM des Speichers (z.B. auf einer allgemein permanenten Basis) oder einem anderen nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium. Für die Prozesse und Verfahren für das elektrische Selbsttesten des MEMS-Sensors 12 enthaltene Software kann im Speicher des Prüfcontrollers 14 gespeichert sein. Die Software kann Firmware, eine oder mehrere Anwendungen, Programmdaten, Filter, Regeln, ein oder mehrere Programmmodule und andere ausführbare Anweisungen enthalten. Beispielsweise speichert der Prüfcontroller 14 effektiv Informationen bezüglich der elektrischen und mechanischen Kennlinien des MEMS-Sensors. Die Verarbeitungseinheit ist konfiguriert zum Abrufen aus dem Speicher und Ausführen, unter anderem, von Anweisungen bezüglich der Prüfprozesse- und -verfahren, die hierin beschrieben sind. Bei anderen Konstruktionen enthält der Prüfcontroller 14 zusätzliche, weniger oder andere Komponenten.
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2 ist ein Diagramm der akustisch-mechanischen Empfindlichkeit des MEMS-Sensors 12 (in dBV/Pa) als Funktion eines angelegten VBIAS, durch eine Linie 30 dargestellt. Bei steigendem VBIAS nimmt die Empfindlichkeit des MEMS-Sensors 12 proportional zu VBIAS zu. Etwa bei Punkt 32 ändert sich die Beziehung zwischen der Empfindlichkeit und VBIAS. Nach dem Punkt 32 weicht die Linie 30 von ihrem erwarteten Weg 34 ab, und die Empfindlichkeit steigt exponentiell, bis die Ansprechspannung VPULL_IN an Punkt 36 erreicht ist. Die Ansprechspannung ist die Spannung, bei der die bewegliche Membran des MEMS-Sensors ganz hineingezogen wird und die Rückplatte des Sensors kontaktiert. Bei VPULL_IN wird der MEMS-Sensor 12 nicht ordnungsgemäß arbeiten. Weil der tatsächliche Wert VPULL_IN jedes Sensors nicht präzise bekannt ist, wird eine fabrikspezifizierte Arbeits-VBIAS für den MEMS-Sensor 12 auf der Basis des erwarteten VPULL_IN bestimmt, die aus den Fabrikspezifikationen des bestimmten Sensors bekannt ist. Der Punkt 38 auf der Linie 30 stellt eine beispielhafte typische fabrikspezifizierte Arbeits-VBIAS für einen MEMS-Sensor 12 dar, durch Linie 30 gekennzeichnet, was, um Variationen bei VPULL_IN zwischen verschiedenen Fällen des Sensors vom gleichen Modell zu berücksichtigen, üblicherweise auf etwa 80% von VPULL_IN eingestellt ist. Dies erfolgt, um zu vermeiden, dass der MEMS-Sensor zu nahe zu seiner tatsächlichen VPULL_IN betrieben wird.
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Wie in 2 gezeigt, kann ein Durchlaufen eines Bereichs von VBIAS ein umfassendes Bild der mechanischen Stabilität des MEMS-Sensors 12 durch VPULL_IN und die folgende mechanische Hysterese, die in der umgekehrten Spannungsrichtung vorliegt, liefern. Der Transduktionsmechanismus funktioniert als das übliche Ladungserhaltungsprinzip, ΔC/(C0 + CP). Der Bereich von VBIAS wird durch die erwartete VPULL_IN bestimmt. Wie in 2 gezeigt, wird VBIAS von fast null bis zu einem Punkt 40 ausreichend hinter VPULL_IN durchlaufen, um den MEMS-Sensor 12 voll zu charakterisieren, und zurück zu einem zweiten Punkt 42, wo die Antwort wieder proportional ist. Die Hysterese eines MEMS-Sensors ist sehr designabhängig. Je größer die Vorspannung eines Sensors ist, umso weniger Gesamthysterese gibt es.
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3 ist eine Kurve der Stufenantworteingabe in den MEMS-Sensor 12, durch den Prüfcontroller 14 und die Ladepumpe 20 generiert. Die Linie 50 zeigt die durch die Ladepumpe 20 angelegte Vorspannung, über die Zeit hochgestuft. Die Stufen werden durch den Prüfcontroller 14 gesteuert. Wie in 3 gezeigt, zeigt die Linie 50 Stufengrößen von 0,5 Volt über einen Bereich von 30 Volt. Die Kante 52 repräsentiert die vertikalen Abschnitte der Linie 50 und zeigt das Anlegen einer 0,5 Volt ΔV an einem Zeitpunkt 56. Das Segment 54 repräsentiert die horizontalen Abschnitte der Linie 50 und zeigt das Anlegen einer Vorspannung von 1–3 µs nach dem Zeitpunkt 56 zu einem zweiten Zeitpunkt 58 ungefähr 32 Millisekunden später. Die Kante 52 dauert 1–3 µs, um eine Spannungsstufe bereitzustellen, die sich schneller ereignet als die akustisch-mechanische Antwort, so dass die Antwort gemessen werden kann, wie unten bezüglich 4 beschrieben.
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Es sei angemerkt, dass, während diese Kombination aus Stufengröße und Bereichskombination möglicherweise ausreicht, um einige MEMS-Sensoren elektrisch zu prüfen, dies möglicherweise nicht für alle MEMS-Sensoren funktioniert und andere Kombinationen möglich sind. Die für das Prüfen verwendete Stufengröße von VBIAS muss groß genug sein, um externes Rauschen zu übertönen, aber klein genug, um das Sättigen des Kanals des MEMS-Sensors zu vermeiden. Falls die Stufengröße zu klein ist, wird sie keine nutzbare Ausgabe erzeugen, falls sie aber zu groß ist, wird sie die nutzbare Ausgabe übertönen. Die Mindestspannung für den Bereich von VBIAS, die für das Prüfen verwendet wird, liegt nahe bei, aber nicht über, der Mindestspannung, die erforderlich ist, um alle Komponenten der MCSIC 10 am Funktionieren zu halten. Die Höchstspannung für den Bereich wird durch das MEMS-Sensordesign bestimmt und ist ausreichend höher als die erwartete VPULL_IN für den MEMS-Sensor, so dass der Bereich von VBIAS die volle Kurve für den MEMS-Sensor erfasst, wie in 2 gezeigt. Die Gesamtanzahl an Stufen, die angewendet wird, ist gleich dem Bereich dividiert durch die Stufengröße. Beispielsweise würde Linie 50 achtundfünfzig Stufen von VBIAS anwenden.
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Die Anfangsstufe zu 1V an Punkt 60 auf der Linie 50 ist in dem Bereich nicht enthalten. Dieser Anfangsübergang ist als die RESET-Phase bekannt. Während der RESET-Phase ist es möglich, andere nützliche Parameter elektrisch zu bestimmen, auf die ansonsten durch akustisches Prüfen nicht zugegriffen werden könnte. Die anderen Parameter, die gemessen werden können, beinhalten die Oszillatorfrequenz (Taktfrequenz), die Referenzspannung, den Referenzstrom (IREF), das Netzstörunterdrückungsverhältnis (PSRR – Power Supply Rejection Ratio), das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR – Common Mode Rejection Ratio), die Ladepumpenausgangsspannung, den Verstärkergewinn und die Verstärkerbandbreite. Der Wert IREF wird während nachfolgender Schritte verwendet, um die Kapazität des MEMS-Sensors 12 zu messen.
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4 veranschaulicht, wie Kennlinien des MEMS-Sensors 12 unter Verwendung einer Stufenantwort direkt gemessen werden können, wie in 3 dargestellt. Die elektrische Kraft wird anstelle eines Schalldrucks verwendet, um die Kosten und Komplexität der Prüfoperation zu reduzieren. Wenn eine durch die Linie 70 dargestellte Stufe anfänglich als ein ΔV am Punkt 72 während eines Kraftmodus angewendet wird, bewegt sich die Membran im MEMS-Sensor 12 aus ihrer vorherigen Position und kommt zur Ruhe. Die entsprechende Auslenkung der Membran des MEMS-Sensors 12 als Funktion der Zeit kann dann während des Erfassungsmodus am Ausgangsspannungsknoten 24 verwendet werden. Das finale Einschwingen der MEMS-Bewegung wird durch den Luftdruck dominiert, der sich auf beiden Seiten der beweglichen Membran aufgrund des Schalllecks an der Membran ausgleicht. Bei Auftrag erzeugt die durch das Abklingen verursachte Ausgabe eine gedämpfte Sinuswelle 74, was die hochfrequente Beruhigungskennlinie als Reaktion auf die hochfrequente elektrische Stufeneingabe offenbart. Weil die akustischen und mechanischen Kennlinien des MEMS-Sensors 12 seine Beruhigungskennlinie bestimmen, kann die Analyse der gedämpften Sinuswelle 74 wiederum akustische und mechanische Kennlinien des MEMS-Sensors 12 offenbaren.
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Die Resonanzfrequenz des akustisch-mechanischen Systems kann anhand der folgenden Gleichung direkt gemessen werden: Periode = 1/FRES, wobei Periode eine individuelle Periode der Welle 74 ist, beispielsweise zwischen den Punkten 76 und 78; und FRES die Resonanzfrequenz ist.
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Der –3 dB-Frequenzantwortpunkt für den MEMS-Sensor 12 kann anhand der Gesamtzeit der Spannungsberuhigung 82, wie zwischen den Punkten 72 und 84 gemessen, bestimmt werden. Eine direkte Messung der resistiven Dämpfungs-/Qualitätsfaktorkomponente des MEMS-Sensors 12 kann ebenfalls durch Messen der Abklingrate 86 des Nachschwingens bestimmt werden.
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Die Gesamtkapazität (C0 + CP) des MEMS-Sensors 12 als Funktion der angelegten Gleichvorspannung kann unter Verwendung einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeitsmessung der Verstärkungsfaktor-Eins-Vorverstärkerausgabe, die den MEMS-Erfassungsknoten darstellt, gemessen werden. Dies kann anhand der folgenden Gleichung bewerkstelligt werden: (C0 + CP) = IREF/SR, wobei C0 die Eigenkapazität des MEMS-Sensors 12 ist, CP die parasitäre Kapazität des MEMS-Sensors 12 ist, SR die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ist und IREF ein Referenzstrom ist, der während der RESET-Phase gemessen wurde. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Prüfcontroller 14 konfiguriert werden zum Anlegen eines Hochfrequenz-AC-Reizes und Messen eines nachfolgenden Stroms, um die Kapazität zu messen.
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5 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren 100 darstellt, das von der MCSIC 10 zum Selbsttesten des MEMS-Sensors 12 verwendet wird. Der Prüfcontroller 14 empfängt ein Signal zum Eingeben eines Selbsttestmodus und tritt in den Prüfmodus ein (bei Block 102). Das Signal kann ein spezifizierter Spannungspegel sein, der an einen spezifischen Pin oder Eingang des Prüfcontrollers 14 angelegt wird. Im Prüfmodus läuft die MCSIC 10 durch einen Bereich von Vorspannungen, wie in 3 dargestellt, und liest das Ergebnis jeder Stufe, wie in 4 gezeigt, um die Kurve für den MEMS-Sensor zu bestimmen, wie in 2 dargestellt. Jede Spannungsstufe besteht aus einem Kraftmodus, wo die neue Vorspannung angelegt wird, und einem Erfassungsmodus, wo die durch das Anlegen der Vorspannung erzeugte Ausgabe bzw. Kraft gelesen wird. Im Kraftmodus signalisiert der Prüfcontroller 14 den Hochimpedanznetzen 18, in einen Niederimpedanzzustand einzutreten (bei Block 104). Der Prüfcontroller signalisiert dann der Ladepumpe 20, die spezifizierte Vorspannung am Vorspannungsknoten 22 an den MEMS-Sensor 12 anzulegen (bei Block 106). Nach 1–3 µs signalisiert der Prüfcontroller 14 den Hochimpedanznetzwerken 18, in einen Hochimpedanzzustand einzutreten (bei Block 108), und wechselt zum Erfassungsmodus (bei Block 110). Während des Erfassungsmodus, der ungefähr zweiunddreißig Millisekunden dauert (auf der Basis der 3 dB-Frequenz des MEMS-Sensors) erfasst der Prüfcontroller 14 die Bewegung der Membran des MEMS-Sensors 12 als Reaktion auf die angelegte Spannungskraft durch Sammeln der analogen Ausgangsdaten am Ausgangsspannungsknoten 24 (bei Block 112) und bestimmt die elektrischen und mechanischen Kennlinien des MEMS-Sensors 12. Kraft- und Erfassungsmodi werden für einen Bereich von DC-Vorspannungen an den MEMS-Sensor 12 wiederholt, um das akustisch-mechanische System vollständig zu kennzeichnen. Die Größe der Stufen und der Bereich, über den die Vorspannung verändert wird, werden auf der Basis der Fabrikspezifikationen des MEMS-Sensors 12 bestimmt. Wenn die Höchstspannung angelegt worden ist (bei Block 114), verlässt der Prüfcontroller 14 den Prüfmodus (bei Block 116), und die MCSIC 10 kehrt zu einem normalen Arbeitsmodus zurück.
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Das Verfahren 100 kann verwendet werden, um verschiedene Arten von Prüfungen durchzuführen, zum Beispiel eine Sondenprüfung und eine finale Prüfung. Die Sonden- und finale Prüfung arbeiten ähnlich, wie hierin beschrieben. Eine Sondenprüfung wird durchgeführt, indem das Verfahren 100 über den ganzen Bereich von Vorspannungen abgearbeitet wird, um eine volle Prüfung und Charakterisierung des MEMS-Sensors 12 zu erzielen, was als eine Sondenprüfung bekannt ist. Das Sondenprüfen kann auf Waferebene durchgeführt werden, bevor die MCSIC 10 gekapselt wird.
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Der finale Prüfmodus arbeitet unter Verwendung des Verfahrens 100 über einen abgekürzten Bereich von Vorspannungen, beispielsweise einem Bereich von drei Stufen um die spezifizierte Arbeitsvorspannung des MEMS-Sensors 12 herum, um die Zeit und die Kosten für das Prüfen zu reduzieren. Dieser finale Prüfmodus wäre nicht in der Lage, die volle Kurve von 2 zu generieren, er wäre aber in der Lage, Messungen der Empfindlichkeit, der Kapazität, der Resonanzfrequenz, der –3dB-Frequenz und des Widerstandsdämpfungs-/qualitätsfaktors bereitzustellen. Der finale Prüfmodus eignet sich bei der Produktion, wo der Prüfcontroller 14 oder auswärtiges Prüfgerät dann die Werte jener Kennlinien mit den Fabrikspezifikationen vergleichen könnte, damit der MEMS-Sensor 12 besteht oder durchfällt. Die finale Prüfung wird typischerweise durchgeführt, nachdem die MCSIC 10 gekapselt wird.
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Sowohl Sonden- als auch finale Prüfungen können auf viele Weisen genutzt werden und zu verschiedenen Zeiten einschließlich: eine Prüfsonde außerhalb des Chips, ein integrierter Ein-Chip-Sensor mit Selbsttesten während der finalen Produktionsprüfung, bei jeder Anwendung der Stromversorgung auf die Schaltungen, durch das Endbenutzersystem und durch den Sensor selbst, um den Status periodisch zu kontrollieren und Kalibrierungseinstellungen zu verstellen.
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Es sei angemerkt, dass ein mit Ausführungsformen der Erfindung ausgestatteter MEMS-Sensor seiner selbst bewusst und konfigurierbar sein kann. Unter Verwendung von Ausführungsformen der Erfindung kann der Endbenutzer das MEMS-Mikrofon oder das System, von dem es ein Teil ist, hinsichtlich einer optimierten Leistung manipulieren. Beispielsweise kann ein Endbenutzer die Arbeitsvorspannung eines gegebenen MEMS-Sensors optimaler einstellen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Wie oben angemerkt, wird eine typischerweise fabrikspezifizierte Arbeits-VBIAS für einen MEMS-Sensor konservativ auf etwa 80% von VPULL_IN eingestellt. Jedoch könnte ein sich seiner selbst bewusstes MEMS-Mikrofon unter Verwendung der hierin beschrienen Systeme und Verfahren die VPULL_IN seines MEMS-Sensors präzise kennen. Dies würde es dem Endbenutzer eines derartigen MEMS-Mikrofons oder dem Mikrofon selbst gestatten, die Arbeits-VBIAS näher an VPULL_IN einzustellen, um dadurch die stabile Empfindlichkeit des MEMS-Sensors über das hinaus zu erhöhen, was dadurch erzielt werden könnte, indem man sich auf die allgemeine Fabrikspezifikation für dieses Modell des MEMS-Sensors verlässt.
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Unter Verwendung von Ausführungsformen der Erfindung kann der Endbenutzer oder das Mikrofon selbst das MEMS-Mikrofon oder das System, von dem es ein Teil ist, manipulieren, um Änderungen bei der Umgebung, dem Einsatzfall oder einer Qualitätsverschlechterung zu berücksichtigen. Beispielsweise könnte ein System: die –3 dB-Frequenz als Reaktion auf verschiedene Windbedingungen überwachen und verstellen; die +3 dB-Frequenz für verbesserte Signalbandbreite überwachen und verstellen; die Qualität der akustischen Abdichtung (Dichtung) durch den Endkonsumenten überwachen und korrigierende Handlungen im Mikrofon auf der Basis von Kennlinien der Dichtung vornehmen; und die MEMS-Kennlinien überwachen, wenn sie sich im Laufe der Zeit aufgrund von Alterung ändern, dabei die Vorspannung verstellen, um optimale Leistungs- und Qualitätsniveaus aufrechtzuerhalten.
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Somit stellt die Erfindung unter anderem einen integrierten vollelektrischen Selbsttest für kapazitive elektromechanische Sensoren bereit. Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.
