KR101524900B1 - 집적된 자체 테스트 회로를 구비하는 마이크 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 다이어프램 및 백 플레이트를 포함하는 전기-음향 트랜스듀서 소자, 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호를 처리하도록 트랜스듀서 소자에 연결되어 동작하는 신호 처리 회로 및 컨덴서 마이크 어셈블리를 테스트 모드 또는 동작 모드로 선택적으로 설정하는 모드-설정 회로를 포함하는 컨덴서 마이크 어셈블리를 제시한다. 테스트 모드로 동작 시 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도는, 동작 모드로 동작하는 경우의 어셈블리의 대응하는 전기-음향 민감도보다 적어도 40 dB 낮다. 본 발명은 조립된 컨덴서 마이크 어셈블리의 하우징 내에 장착된 신호 처리 회로의 성능 파라미터를 결정하는 방법을 더 제시한다.

Description

집적된 자체 테스트 회로를 구비하는 마이크 어셈블리{MICROPHONE ASSEMBLY WITH INTEGRATED SELF-TEST CIRCUITRY}
본 발명은 소형 마이크 어셈블리 및 이러한 소형 마이크 어셈블리의 신호 처리 회로의 선택된 성능 파라미터를 측정하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 신호 처리 회로에 의해 생성된 전기 신호를 상기 신호 처리 회로에 연결되어 동작하는 마이크 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호로부터 분리하는, 집적된 진단 또는 테스트 회로를 포함하는 소형 마이크 어셈블리에 관한 것이다.
민감한 아날로그 회로, 예컨대 저-노이즈 소형 마이크 전치증폭기는, 일반적으로 전자기 노이즈, 음향 노이즈 및 테스트가 어려운 제조 환경으로 인해 웨이퍼 제조 도중 테스트하기가 어렵다. 따라서, 조립된 마이크 어셈블리의 최종 테스트 도중 신호 처리 회로의 성능 파라미터를 측정하는 것이 유리하다. 또한, 휴대용 단말기 및 청취 장치용 소형 마이크 어셈블리의 제조 시의 가변성으로 인해, 전기적 및/또는 전기음향적 명세사항에 부합하는지 보장하기 위해 조립된 마이크 어셈블리에 대한 성능 파라미터를 측정하는 것이 유리하다. 저-노이즈 소형 마이크 전치증폭기의 전기음향적 민감도(Volt/pascal) 및 전기적 출력 노이즈 레벨은 이러한 성능 파라미터의 일 예이다.
그러나, 성능 파라미터의 측정은 일반적으로, 어셈블리의 마이크 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호와 전치증폭기, 전압 조절기, 전압 증배기 등과 같은 회로를 포함한 신호 처리 회로에 의해 생성된 신호의 상호작용 및 결합에 의해 영향받는다. 어셈블리의 성능 파라미터를 측정하기 위해, 신호 처리 회로에 의해 처리되거나 생성된 신호는 마이크 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호로부터 분리될 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 신호 처리 회로에 의해 생성된 신호를 마이크 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호로부터 분리하는 집적된 진단 또는 테스트 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적은, 제 1 양태에서, 전기-음향 트랜스듀서 소자, 신호 처리 회로 및 모드-설정 회로를 포함하는 컨덴서 마이크 어셈블리를 제공함으로써 달성된다. 전기-음향 트랜스듀서 소자는 다이어프램 및 백 플레이트를 포함한다. 신호 처리 회로는 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호를 처리하도록 트랜스듀서 소자에 연결되어 동작한다. 모드-설정 회로는 컨덴서 마이크 어셈블리를 선택적으로 테스트 모드 또는 동작 모드로 설정한다. 테스트 모드에서 동작 시, 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도는, 동작 모드에서 동작하는 어셈블리의 전기-음향 민감도보다 적어도 40 dB 낮다.
어셈블리의 테스트 모드는, 디지털 또는 아날로그 소형 컨덴서 마이크 어셈블리가 서로 다른 그룹들, 예컨대 "양호", "불량", "A급 품질" 및 "B급 품질"로 분류될 수 있도록 구현한다. 테스트 모드는 높은 환경 노이즈 레벨을 포함하는 산업 환경에서 출력 노이즈 레벨을 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 무반향 테스트 환경을 필요로 하지 않는다. 이러한 방식으로, 노이즈 성능의 자동화된 테스트는 일반 전기적인 테스트와 결합하여 빠르고 비용효율적인 방식으로 수행될 수 있다.
테스트 모드는 전기-음향 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호로부터 영향받지 않으면서 신호 처리 회로에 의해 생성된 신호의 선택적인 측정 및 평가를 가능하게 한다. 이로 인해, 불량품으로 처리된 소형 마이크 어셈블리의 고장난 소자 또는 부품이 정확하게 식별된다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 테스트 모드는, 일반적으로 ASIC의 형태로 반도체 다이 상에 배열되는 최종 컨덴서 마이크 어셈블리의 신호 처리 회로의 성능 또는 전기적 특성의 측정을 구현한다.
본 발명의 특정 실시예는 일렉트릿(electret) 타입 또는 비-일렉트릿 타입(후자의 타입은 외부 DC 바이어스 전압을 요구함), 또는 이 둘의 조합의 전기-음향 용량성 트랜스듀서 소자를 포함한다.
바람직하게, 전기-음향 트랜스듀서 소자는 MEMS 마이크 트랜스듀서 소자이다.
테스트 모드에서 동작 시, 컨덴서 마이크 어셈블리는 바람직하게, 동작 모드에서 동작하는 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도보다 적어도 50 dB, 예컨대 60 dB, 70 dB, 80 dB 더 낮은 전기-음향 민감도를 가진다.
컨덴서 마이크 어셈블리는 DC 바이어스 전압을 생성하는 전압 증배기를 더 포함할 수 있다. DC 바이어스 전압은 다이어프램과 백 플레이트 간의 DC 전압차로 인가된다. 전압 증배기는 5 내지 20 V의 범위, 예컨대 8 내지 12 V, 약 10 V로 DC 바이어스 전압을 생성하는 딕슨 전압 펌프로 구현될 수 있다.
바람직하게, 신호 처리 회로, 모드 설정 회로 및 전압 증배기는 공통 반도체 다이 또는 기판, 예를 들어 CMOS, 바이폴라 또는 BiCMOS ASIC의 형태로 제공된다. 선택적으로, 반도체 다이는 단일 다이 MEMS 컨덴서 마이크 어셈블리를 제공하도록 MEMS로 제조된 전기-음향 트랜스듀서 소자를 더 포함할 수 있다.
컨덴서 마이크 어셈블리의 모드-설정 회로는 트랜스듀서 소자를 신호 처리 회로로부터 전기적으로 분리시키도록 구성된 전기 스위치를 포함할 수 있다. 또한, 컨덴서 마이크 어셈블리가 테스트 모드에서 동작할 경우, 커패시터가 신호 처리 회로에 전기적으로 연결되도록 제공될 수 있다. 바람직하게, 제공된 커패시터는 전기-음향 트랜스듀서 소자의 다이어프램 및 백 플레이트 구조에 의해 형성된 커패시턴스와 필수적으로 동일한 커패시턴스를 가진다. 커패시터는 바람직하게, 테스트 모드로 동작하는 신호 처리 회로에 의해 "바라본" 신호 소스 커패시턴스가 동작 모드로 동작하는 트랜스듀서 커패시턴스와 필수적으로 동일하게 유지되는 방식으로 신호 처리 회로에 결합된다. 이는 신호 처리 회로, 예를 들어 전치증폭기의 성능 특성이 실제적인 동작 조건, 즉 신호 소스 임피던스가 실질적으로 동작 모드에서의 신호 소스 임피던스와 동일한 조건 하에서 테스트되도록 한다.
컨덴서 마이크 어셈블리의 모드-설정 회로는 다이어프램과 백 플레이트 간의 DC 바이어스 전압을 0 볼트로 설정하도록 구성된 무효화(nullifying) 회로를 더 포함할 수 있다. 이에 부응하기 위해, 무효화 회로는 전기-음향 트랜스듀서 소자의 다이어프램 똔느 백 플레이트에 연결된 전압 증배기의 출력 포트를 전기적으로 접지시키도록 구성된 단락 회로 장치를 포함할 수 있다.
또한, 컨덴서 마이크 어셈블리의 모드-설정 회로는 전압 증배기로 제공된 제어 신호에 응답하여 DC 바이어스 전압을 영으로 만드는 무효화 회로를 포함할 수 있다. 제어 신호는 바람직하게 전압 증배기로 인가되는 클럭 신호, DC 입력 신호 또는 그 조합을 포함한다.
컨덴서 마이크 어셈블리는, 신호 처리 회로로 공급되는 공급 전압 레벨 및/또는 전류 공급 레벨이 어셈블리의 모드-설정에 필수적으로 독립될 수 있도록 구현한다. 특히, 신호 처리 회로의 전치증폭기 회로로 공급되는 공급 전압 레벨 또는 전류 공급 레벨은 필수적으로 어셈블리의 모드-설정에 독립적일 수 있다. 따라서, 필수적으로 일정한 공급 전압 및/또는 필수적으로 일정한 전류가 테스트 모드 및 동작 모드 둘 모두에서 신호 처리 회로로 인가될 수 있다. 이는 전치증폭기 회로의 성능 특성이 실제적인 동작 조건, 즉 공급 전압 및 전류 설정이 동작 모드의 전압 및 전류 설정과 실질적으로 일치하는 조건 하에서 테스트될 수 있도록 한다.
제 2 양태에서, 본 발명은 컨덴서 마이크 어셈블리의 하우징 내에 장착된 신호 처리 회로의 성능 파라미터를 결정하는 방법을 제공한다. 컨덴서 마이크 어셈블리는 다이어프램 및 백 플레이트를 구비하는 전기-음향 트랜스듀서 소자, 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호를 처리하도록 트랜스듀서 소자에 연결되어 동작하는 신호 처리 회로 및 컨덴서 마이크 어셈블리의 동작에 대한 모드를 선택적으로 설정하는 모드 설정 회로를 포함한다. 상기 방법은, 컨덴서 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정하는 단계 및 테스트 데이터를 컨덴서 마이크 어셈블리의 신호 처리 회로로 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 컨덴서 마이크 어셈블리가 테스트 모드로 동작하는 도중, 상기 제공된 테스트 데이터를 기반으로 컨덴서 마이크 어셈블리의 신호 처리 회로의 성능 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함한다. 테스트 모드로 동작 시 컨덴서 마이크 어셈블리는, 동작 모드로 동작하는 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도보다 적어도 40 dB 낮은 전기-음향 민감도를 갖는다.
또다시, 테스트 모드로 동작 시, 컨덴서 마이크 어셈블리는 바람직하게, 동작 모드로 동작하는 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도보다 적어도 50 dB, 예컨대 60 dB, 70 dB, 80 dB 낮은 전기-음향 민감도를 갖는다.
컨덴서 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정하는 단계는 전기-음향 트랜스듀서 소자를 신호 처리 회로로부터 전기적으로 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 컨덴서 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정하는 단계는, 전기-음향 트랜스듀서 소자의 다이어프램 및 백 플레이트에 의해 형성된 커패시턴스와 필수적으로 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터에 신호 처리 회로를 전기적으로 연결시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
컨덴서 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정하는 단계는 다이어프램과 백 프렐이트 사이에 인가된 바이어스 전압을 영으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 바이어스 전압은 전압 증배기의 출력 포트를 그라운드에 전기적으로 연결함으로써 영으로 조절될 수 있다. 대안적으로, 바이어스 전압은 전압 증배기에 제공된 제어 신호에 응답항혀 영으로 조절될 수 있다.
상기 방법은, 신호 처리 회로에 대한 공급 전압 레벨이 필수적으로 어셈블리의 모드-설정에 독립적일 수 있도록 구현한다. 특히, 신호 처리 회로의 전치증폭기 회로에 대한 공급 전압 레벨은 필수적으로 어셈블리의 모드-설정에 독립적일 수 있다. 따라서, 필수적으로 일정한 공급 전압 및/또는 필수적으로 일정한 전류가 테스트 모드 및 동작 모드 둘 모두의 신호 처리 회로에 인가될 수 있다.
이로 인해, 불량품으로 처리된 소형 마이크 어셈블리의 고장난 소자 또는 부품을 정확하게 식별할 수 있게 되며, 고장난 부품은 적절하게 재설계되거나 변형될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 소형 마이크 어셈블리를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 소형 마이크 어셈블리를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 소형 마이크 어셈블리를 도시한다.
본 발명이 다양한 변형 및 대안적인 형태를 허용하지만, 특정 실시예가 예로서 도면에 도시되며 이하 상세하게 기술될 것이다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태로 제한되도록 의도되지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위에 포함되는 모든 변형물, 균등물 및 대체물을 포함할 것이다.
가장 넓은 양태에서, 본 발명은 소형 마이크 어셈블리 및 마이크 어셈블리의 모드 설정 인터페이스를 통해 데이터, 예컨대 디지털 데이터를 전송함으로써 상기 소형 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정할 수 있는 관련된 방법을 제공한다. 디지털 데이터는 외부 수단, 예컨대 테스트 컴퓨터에 의해 제공될 수 있다.
테스트 모드로 설정된 경우, 소형 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도는 동작 모드로 동작하는 어셈블리의 전기-음향 민감도보다 적어도 40 dB 낮다.
테스트 모드는, 최종적인 소형 마이크 어셈블리에서 일반적으로 ASIC를 포함하는 신호 처리 회로의 성능 또는 전기적 특성을 선택적으로 측정할 수 있도록 한다. 어셈블리를 테스트 모드로 설정함으로써, 신호 처리 회로의 성능 파라미터는 마이크 하우징 또는 마이크 패키지 내에 장착된 후 측정될 수 있다. 나아가, 본 발명은 무반향 환경이 아닌 경우에도 소형 마이크 어셈블리의 노이즈 레벨을 성능테스트할 수 있다. 대량 생산을 하는 산업 환경에 무반향 환경을 구현하는 것이 매우 비현실적이므로, 위와 같은 점은 효과적이다.
비-일렉트릿 컨덴서 마이크의 마이크 트랜스듀서 소자로부터의 전기 출력 신호는, 결합되어 트랜스듀서 커패시터를 형성하는 다이어프램 및 백 플레이트 사이에 인가되는 DC 바이어스 전압에 의존한다. 다이어프램 및 백 프렐이트 사이에 DC 바이어스 전압이 인가되지 않은 경우, 전기-음향 민감도는 인가된 소리 신호에 대하여 가상적으로 영이 될 것이다. 이러한 조건 하에서, 소형 마이크 어셈블리로부터의 전기 출력 신호는, 마이크 트랜스듀서 소자에 연결되어 동작하는 신호 처리 회로로부터의 전기적 노이즈에 의해 주로 결정된다. 이러한 환경에서, 소형 마이크 어셈블리를 음향적으로 고립된 환경, 예컨대 무반향실/방음실 내에 위치시키지 않은 채 마이크 트랜스듀서 소자의 고유한 노이즈 레벨 및 신호 처리 회로 그 자체에 의한 노이즈 기여가 결정될 수 있다. 노이즈 측정의 신뢰성 및 정확성을 더 향상시키기 위해, 신호 처리 회로는 테스트 목적으로, 동작 모드의 소신호 이득보다 더 높은 소신호 이득으로, 예컨대 10 내지 40 dB의 추가적인 이득으로 프로그래밍되거나 설정될 수 있다.
신호 처리 회로로부터의 전기적인 노이즈에 추가하여, 마이크 트랜스듀서 소자로부터의 음향-전기적인 노이즈 기여가 있을 것이다. 그러나, 음향-전기적인 노이즈의 크기는 추정될 수 있으며(측정값을 기반으로 하거나 평균값을 사용함), 따라서, 음향적으로 노이즈가 큰 산업 생산 환경에서조차 최종적인 소형 마이크 어셈블리의 출력 노이즈 레벨의 신뢰성 있는 추정값이 획득될 수 있다.
신호 처리 회로의 노이즈 레벨을 결정하는 단계에 추가하여, 다이어프램과 백 플레이트 간의 DC 바이어스 전압이 무효화된 경우, 신호 경로에 잘 정의된 낮은 레벨의 AC 신호를 도입함으로써 신호 처리 회로의 소신호 또는 AC 증폭을 결정할 수도 있다.
이제 도 1을 참조하면, 다른 소자들 중에서 신호 처리 회로를 포함하는 디지털 소형 마이크 어셈블리(1)의 단순화된 개략도가 도시된다. 어셈블리는, 저-노이즈 마이크 전치증폭기/버퍼(8)의 입력단과 마이크 트랜스듀서 소자(3) 사이에 삽입된 프로그램가능한 전자 스위치(2), 예컨대 하나 또는 그 이상의 MOS 또는 CMOS 트랜지스터로 구현된 전자 스위치 및 전치증폭기/버퍼(8)의 입력단과 AC-그라운드 사이에 삽입된 제 2 프로그래밍가능한 스위치(4)를 포함한다. 제 3 프로그래밍가능한 스위치(5)는 딕슨 펌프(6)로부터의 DC 바이어스 전압을 무효화하도록 제공된다. 이러한 제 3 프로그래밍가능한 전자 스위치(5)는, 비선형적인 정전적 인력으로 인해 마이크 트랜스듀서 다이어프램과 백 플레이트 구조 간의 영구적인 접착이 발생하는 것을 검출하거나 그리고/또는 방지하는 붕괴 검출 회로(7)에 의해 제어된다.
도 1에 도시된 마이크 트랜스듀서 소자는 비-일렉트릿 타입의 MEMS 마이크 트랜스듀서 소자이다. 그러나, 도 1에 도시된 실시예는 일렉트릿 마이크 트랜스듀서 소자로 구현되어, 딕슨 펌프 및 붕괴 검출 회로가 생략될 수도 있다.
프로그래밍가능한 스위치들 중 하나(4)는 커패시터 Cmike(9)를 통해 전치증폭기/버퍼(8)의 입력단을 AC-그라운드로 결합하도록 배열되며, 다른 프로그래밍가능한 스위치(2)는 저-노이즈 마이크 전치증폭기/버퍼(8)의 입력단을 마이크 트랜스듀서 소자(3)로부터 분리시키도록 배열된다. 커패시터 Cmike(9)의 커패시턴스는 바람직하게 마이크 트랜스듀서 소자의 커패시턴스와 실질적으로 일치한다. 따라서, 도 1의 소형 마이크 어셈블리가 테스트 모드로 동작하는 경우, 마이크 트랜스듀서 소자로부터의 노이즈 기여는 실질적으로, 중간에 위치된 통과 게이트 스위치(2)를 비활성화시켜 마이크 트랜스듀서 소자와 신호 처리 회로의 입력 노드 간의 연결을 스위칭하거나 신호 처리 회로의 입력 노드를 AC-그라운드로 연결시킴으로써 제거된다. 후자의 방법은 입력 노드를 소신호 또는 AC 그라운드로 결합시킴으로써, 예를 들어 전술한 커패시터 Cmike를 통해 입력 노드를 그라운드 단자 또는 DC 공급 전압 단자로 결합시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, Cmike의 일 단자는 소신호 또는 AC 그라운드로 연결된다. Cmike는 바람직하게 마이크 트랜스듀서 소자의 커패시턴스와 실질적으로 일치하는 얼마 안 되는 커패시턴스를 가질 수 있다. 대안적으로, Cmike는 마이크 트랜스듀서 소자의 커패시턴스의 ±25% 내에서 얼마 안 되는 커패시턴스를 가질 수 있다. 마이크 트랜스듀서 소자의 커패시턴스의 얼마 안 되는 값에 따라, Cmike의 커패시턴스는 바람직하게, 이동 단말기 및 보청기로의 사용에 적절한 소형 컨덴서 마이크 어셈블리용으로 0.5 내지 20 pF일 수 있다. 커패시터 Cmike는 바람직하게 신호 처리 회로 및 모드 설정 회로와 함께 반도체 다이 또는 칩 상에 집적될 수 있으며, 폴리-폴리 커패시터를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 모드-설정 회로는 본 출원인의 동시계류 중이며 참조로서 도입된 유럽 출원번호 EP 1 599 067에 기술된 붕괴 검출 회로와 결합된다. 이러한 후자의 회로는 비선형적인 정전적 인력으로 인해 MEMS 마이크 다이어프램과 백 플레이트 구조 간의 영구적인 접착이 발생하는 것을 검출하거나 그리고/또는 방지한다. 붕괴 검출 회로는 바람직하게 다이어프램과 백 플레이트 구조 간의 비선형적인 정전적 인력을 제거하도록 구성되어 접착 문제를 방지하는 DC 바이어스 전압 무효화 기능부를 포함한다. DC 바이어스 전압 무효화 기능부는, 딕슨 펌프의 출력단과 DC 바이어스 전압 커패시터를 단락시킬 수 있는 프로그래밍가능한 MOS 스위치(5)로 구현되도록 도 1에 도시된다. 붕괴 검출 회로의 무효화 기능부(5)는 DC 바이어스 전압을 무효화시킬 수 있으며, 즉 DC 바이어스 전압을 실질적으로 영 볼트로 매우 급속하게 강하시킬 수 있다.
DC 바이어스 전압 무효화 기능부는 이러한 소형 마이크 어셈블리의 특정 실시예에서 두 개의 서로 다른 목적을 수행할 수 있다. 그 중 하나의 목적은 붕괴 검출/방지 기능이다. 다른 하나의 목적은 어셈블리를 테스트 모드로 설정하는 배열이다.
여전히 도 1을 참조하면, 시그마-델타 컨버터의 형태인 A/D 컨버터(10)는 아날로그 전치증폭기 신호를 어셈블리로부터의 디지털 출력 신호로 변환하도록 제공된다. TΩ 또는 GΩ 범위의 임피던스를 갖는 한 쌍의 상호결합된 다이오드들(11)이 딕슨 펌프(6)의 출력 노드와 소형 트랜스듀서 소자(3)의 백 플레이트 또는 다이어프램 구조 사이에 삽입되어 트랜스듀서 소자의 필수적으로 일정한 전하 상태를 제공한다.
도시된 프로그래밍 인터페이스는 데이터, 클럭 및 그라운드 라인을 포함하며, 이는 주문제작/소유되거나 산업-표준 타입의 프로그래밍 인터페이스일 수 있다. 프로그래밍 인터페이스는 바람직하게 양방향 인터페이스, 예컨대 A/D 컨버터(10)로부터의 데이터 전송 및 예컨대 테스트 모드의 동작을 위해 어셈블리를 구성하는 테스트 컴퓨터로부터 어셈블리로 전송된 데이터의 수신을 지원하는 양방향 IIC 버스 인터페이스이다. 프로그래밍 인터페이스는 대안적으로 단일 데이터 라인 및 그라운드 라인을 구비한 하나의 와이어로 구성된 디지털 데이터 인터페이스를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프로그래밍 인터페이스는 MIPI 연합의 명세사항에 따라 직렬 저-전력 인터-칩 미디어 버스(SLIMbus™, Serial Low-power Inter-chip Media Bus)를 포함한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 딕슨 펌프(6)는, 소형 트랜스듀서 소자(3)의 다이어프램과 백 플레이트 간의 전압차로서, 한 쌍의 상호-결합된 다이오드들(11)을 통해 인가되는 약 10 V의 DC 바이어스 전압을 생성한다. 다이어프램과 백 플레이트 사이에 요구되는 전압차를 생성하도록 도입된 전하를 갖는 일렉트릿 소형 트랜스듀서 소자의 경우, 저-노이즈 마이크 전치증폭기/버퍼(8)의 입력단과 마이크 트랜스듀서 소자(3) 사이에 삽입된 프로그래밍가능한 스위치(2) 및 전치증폭기/버퍼(8)의 입력단과 AC-그라운드 사이에 삽입된 프로그래밍가능한 스위치(4)는, 일렉트릿 소형 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정하도록 적용가능하다.
도 1에 도시된 소형 마이크 어셈블리가 테스트 모드로 설정된 경우, 신호 처리 회로에 의해 생성된 신호는 마이크 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호로부터 분리된다. 이러한 방식으로, 고장난 소형 마이크 어셈블리는 어셈블리의 신호 처리 회로를 통해 적절한 데이터 신호를 전달함으로써 정확하게 식별될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 아날로그 소형 마이크 어셈블리가 도시된다. 도 2의 어셈블리는, 딕슨 펌프(13)에 연결되어 동작하는 다이어프램 및 백 플레이트를 포함하는 비-일렉트릿 소형 트랜스듀서 소자(12)를 적용한다. 딕슨 펌프(13)는 소형 트랜스듀서 소자(12)의 다이어프램 및 백 플레이트 사이의 전압차로서 한 쌍의 상호결합된 다이오드들(14)을 통해 인가되는 약 10 V의 바이어스 전압을 생성한다. 트랜스듀서 소자로부터의 일렉트릿 출력 신호는 어셈블리의 출력 노드에 도달하기 전에 버퍼(15) 및 저-노이즈 전치증폭기(16)를 통해 전달된다.
다이어프램과 백 플레이트 구조 사이에 영구적인 접착이 발생하는 것을 검출하거나 그리고/또는 방지하는 붕괴 검출 회로(17)가 제공된다. 붕괴 검출 회로는, 다이어프램과 백 플레이트 구조 사이의 비선형적인 정전적 인력을 제거하여 접착 문제를 방지하도록 구성된 DC 바이어스 전압 무효화 기능부(18)를 포함한다. 따라서, DC 바이어스 전압 무효화 기능부(18)는 딕슨 펌프(13)로부터의 DC 바이어스 전압을 그라운드로 연결시키도록 구성되며, 그에 의해 다이어프램과 백 플레이트 사이의 전압차를 무효화시킨다. 붕괴 검출 회로의 무효화 기능(18)은 DC 바이어스 전압을 무효화, 즉 DC 바이어스 전압을 매우 급격하게 영으로 만들 수 있다.
도 2에 도시된 소형 마이크 어셈블리가 딕슨 펌프를 단락시킴으로써 테스트 모드로 설정되는 경우, 고장난 어셈블리는 어셈블리의 신호 처리 회로를 통해 적절한 데이터/테스트 신호를 전달시킴으로써 정확하게 식별된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 디지털 소형 마이크 어셈블리가 도시된다. 도 3의 어셈블리는 딕슨 펌프(20)에 연결되어 동작하는 다이어프램 및 백 플레이트를 포함하는 비-일렉트릿 소형 트랜스듀서 소자(19)를 적용한다. 딕슨 펌프(20)는 소형 트랜ㅅ느듀서 소자(19)의 다이어프램 및 백 플레이트 사이의 전압차로서 한 쌍의 상호결합된 다이오드들(21)을 통해 인가되는 약 10 V의 바이어스 전압을 생성한다. 트랜스듀서 소자로부터의 전기적인 출력 신호는, 시그마-델타 컨버터로 구성된 A/D 컨버터(24)에 도달하기 전에 버퍼(22) 및 저-노이즈 전치증폭기(23)를 통해 전달된다.
딕슨 펌프로부터의 출력 전압은 그 클럭 신호를 제거하거나 딕슨 펌프에 인가되는 DC 입력 전압을 감소시킴으로써 제어된다. 따라서, 도 3의 소형 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정하도록 딕슨 펌프로부터의 DC 바이어스 전압을 무효화시키기 위해, 클럭 신호 또는 DC 입력 전압은 딕슨 펌프로부터 제거될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 어셈블리가 테스트 모드로 설정되면, 고장난 어셈블리는 어셈블리의 신호 처리 회로를 통해 적절한 데이터/테스트 신호를 전달함으로써 정확하게 식별될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 신호 처리 회로의 소신호 또는 AC 증폭은, DC 바이어스 전압을 제거하고 잘-정의된 낮은 레벨의 신호를 신호 처리 회로에 도입시킴으로써 측정되거나 결정될 수 있다. 이러한 낮은 레벨의 신호는 적절한 주파수로 기준 전압을 온/오프로 스위칭함으로써(바람직하게 1.2 V의 밴드갭 전압) 생성될 수 있다. 적절한 주파수는, 예를 들어 마스터 또는 주 클럭 신호를 다운스케일링함으로써 유도될 수 있다. 또한, 기준 전압은, 반도체 제조 시 변화에도 불구하고 높은 정확도를 유지할 수 있는 저항성 및/또는 용량성 스케일링 회로를 사용함으로써 적절한 크기로 스케일링될 수 있다. 이는 마이크의 절대 민감도를 찾기 위한 자체 테스트 또는 제품 테스트를 위해 사용될 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 실시예는 다음의 테스트들 중 하나 또는 그 이상이 수행될 수 있도록 구현된다:
1. 마이크 커패시턴스-바이어스 전압 테스트
2. 마이크 바이어스 테스트
3. 입력 누설 테스트
4. 1 kHz 증폭/민감도
마이크 커패시턴스 -전압 테스트
이 테스트의 목적은 마이크 어셈블리의 다이어프램과 백 플레이트의 붕괴를 방지하는 것이다. 전하 펌프/딕슨 펌프가 신속하게 안정되고 피드백 제어되는 펌프로 설계되는 경우, 그 기준 전압은 마이크 어셈블리의 외부에 의해 접근가능하게 될 수 있어, 내부 전하-펌프 전압은 외부의 아날로그 전압에 의해 중단될 수 있다. 그에 의해, 마이크 소자에 바이어스를 공급하도록 사용되는 내부 전하-펌프 전압은 기결정된 전압 범위에 걸쳐 제어된 방식으로 연속적으로 변경될 수 있다. 마이크의 민감도가 다양한 전하-펌프 전압(외부적으로 설정된 기준 전압에 의해 제어됨)에 대해 측정된 경우, 민감도 대 기준 전압/바이어스 전압의 관계가 마이크 어셈블리에 대해 결정될 수 있다. 이러한 관계는 원하는 경우 커패시턴스-바이어스 전압 관계로 변환될 수 있다.
전하-펌프에 대한 기준 전압은, 고정되지만 상이한 기준 전압들의 범위를 제공하는 OTP(One Time Programing) 비트 패턴에 의해 설정될 수도 있다. 이러한 실시예는, 기준 전압을 인가하기 위한 추가적인 외부 연결을 대체하여, OTP가 이미 구현된 것처럼 가정하게 된다.
마이크 바이어스 테스트
이 테스트의 목적은 마이크 어셈블리의 트랜스듀서 주변을 이동하는 누설 전류에 대한 정보를 획득하는 것이다. 전압 분배기로 동작하는 역 바이어스가 제공된 다이오드 스트링은 전하-펌프/딕슨 펌프의 출력을 이용할 수 있다. 분배된 출력 전압은, 테라 옴 입력 임피던스 아날로그 버퍼를 통해 외부에서 모니터링하기 위해 특정 핀 상에서 외부로 제공되거나, 또는 간단한 A/D 컨버터에 의해 적절한 디지털 포맷으로 변환되고 OTP 설정에 의해 사용가능하게 된 경우 마이크 어셈블리 데이터 출력 핀에 연속적인 디지털 비트 스트림으로 출력될 수 있다.
입력 누설 테스트
입력 누설 레벨은, 전하-펌프에 결합된 직렬연결된 다이오드들에 교차결합된 최종 출력단의 저역통과필터에 걸쳐 발생하는 전압차의 온-칩 측정에 의해 테스트될 수 있다. 다이오드의 전압 강하는 대략 다음과 같은 수학식으로 로그함수를 따른다:
Figure 112010074254311-pct00001
Vt의 로그함수적인 거동으로 인해, 매우 작은 누설 전류에 대한 마이크 어셈블리의 민감도는 높다. 다이오드의 전압차는 테라 옴 입력 임피던스 버퍼를 통해 마이크 어셈블리로부터 제공되거나 또는 간단한 A/D 컨버터에 의해 변환되고 OTP가 사용가능하게 된 경우 데이터 출력을 통해 출력될 수 있다.
1 kHz 증폭/민감도 테스트
이 테스트의 목적은 마이크 어셈블리의 ASIC의 이득에 대한 정보를 획득하는 것이다. 다음과 같이 나누어진 시스템 클럭 주파수로 신호를 출력하고
Figure 112010074254311-pct00002
내부 기준 전압 VDD을 저항 분배함으로써 잘 정의된 mV 레벨로 스케일링되는 내부 대역폭이 제한된 방형파 생성기가, 온-칩 VDD조절기를 통해 트랜스듀서 소자의 멤브레인 측에 삽입될 수 있다. 그리고 나서, 대응하는 시스템 출력은 전체 신호 경로 이득의 측정값이 된다.
1: 디지털 소형 마이크 어셈블리
2: 프로그래밍가능한 전자 스위치
3: 마이크 트랜스듀서 소자
4: 제 2 프로그래밍가능한 스위치
5: 제 3 프로그래밍가능한 스위치
6: 딕슨 펌프
7: 붕괴 검출 회로
8: 저-노이즈 마이크 전치증폭기/버퍼
9: 커패시터
10: A/D 컨버터
11: 한 쌍의 상호결합된 다이오드들

Claims (24)

  1. 컨덴서 마이크 어셈블리에 있어서,
    다이어프램 및 백 플레이트를 포함하는 전기-음향 트랜스듀서 소자;
    상기 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호를 처리하도록 상기 트랜스듀서 소자에 연결되어 동작하는 신호 처리 회로; 및
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리를 테스트 모드 또는 동작 모드로 선택적으로 설정하는 모드-설정 회로;
    를 포함하며,
    상기 테스트 모드로 동작 경우 상기 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도는, 상기 동작 모드로 동작하는 경우 상기 어셈블리의 대응 전기-음향 민감도보다 적어도 40 dB 낮은 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 테스트 모드로 동작 시 상기 컨덴서 마이크 어셈블리는, 상기 동작 모드로 동작하는 경우의 상기 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도보다 적어도 50 dB, 예컨대 60 dB, 70 dB, 80 dB 낮은 전기-음향 민감도를 갖는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    DC 바이어스 전압을 생성하는 전압 증배기를 더 포함하며, 상기 DC 바이어스 전압은 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 간의 DC 전압차로서 인가되는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 신호 처리 회로, 상기 모드 설정 회로 및 상기 전압 증배기는 공통된 반도체 다이에 제공되는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 반도체 다이는 전기-음향 트랜스듀서 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전기-음향 트랜스듀서 소자는 일렉트릿 트랜스듀서 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 모드-설정 회로는 상기 트랜스듀서 소자를 상기 신호 처리 회로로부터 전기적으로 분리시키도록 구성된 전자 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  8. 제 7항에 있어서,
    커패시터를 더 포함하며, 상기 컨덴서 마이크 어셈블리가 상기 테스트 모드로 동작하는 경우, 상기 커패시터는 상기 신호 처리 회로에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 커패시터는, 상기 전기-음향 트랜스듀서 소자의 상기 다이어프램 및 상기 백 플레이트에 의해 형성되는 커패시턴스와 필수적으로 동일한 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 간의 상기 DC 바이어스 전압을 0 볼트로 설정하도록 구성된 무효화 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 무효화 회로는 상기 전압 증배기의 출력 포트를 그라운드에 전기적으로 연결시키도록 구성된 단락 회로 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 무효화 회로는, 상기 전압 증배기에 제공되는 제어 신호에 응답하여 상기 DC 바이어스 전압을 영으로 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 신호 처리 회로에 대한 전압 공급 레벨 및/또는 전류 공급 레벨은 필수적으로 상기 어셈블리의 모드-설정에 독립적인 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 신호 처리 회로의 전치증폭기 회로에 대한 공급 전압 레벨은 필수적으로 상기 어셈블리의 모드-설정에 독립적인 것을 특징으로 하는 컨덴서 마이크 어셈블리.
  15. 컨덴서 마이크 어셈블리의 하우징 내에 장착된 신호 처리 회로의 성능 파라미터를 결정하는 방법으로서,
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리는, 다이어프램 및 백 플레이트를 포함하는 전기-음향 트랜스듀서 소자, 상기 트랜스듀서 소자에 의해 생성된 신호를 처리하도록 상기 트랜스듀서 소자에 연결되어 동작하는 신호 처리 회로, 및 컨덴서 마이크 어셈블리의 동작에 대한 모드를 선택적으로 설정하는 모드 설정 회로를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리를 테스트 모드로 설정하는 단계;
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리의 상기 신호 처리 회로에 테스트 데이터를 제공하는 단계; 및
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리가 상기 테스트 모드로 동작하는 도중, 상기 제공된 테스트 데이터를 기반으로 상기 컨덴서 마이크 어셈블리의 상기 신호 처리 회로의 성능 파라미터를 결정하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 테스트 모드로 동작 경우 상기 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도는, 동작 모드로 동작하는 경우 상기 어셈블리의 대응 전기-음향 민감도보다 적어도 40 dB 낮은 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 테스트 모드로 동작 시 상기 컨덴서 마이크 어셈블리는, 상기 동작 모드로 동작하는 경우의 상기 컨덴서 마이크 어셈블리의 전기-음향 민감도보다 적어도 50 dB, 예컨대 60 dB, 70 dB, 80 dB 낮은 전기-음향 민감도를 갖는 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리를 상기 테스트 모드로 설정하는 단계는, 상기 전기-음향 트랜스듀서 소자를 상기 신호 처리 회로로부터 전기적으로 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리를 상기 테스트 모드로 설정하는 단계는, 상기 신호 처리 회로를 커패시터에 전기적으로 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 커패시터는, 상기 전기-음향 트랜스듀서 소자의 상기 다이어프램 및 상기 백 플레이트에 의해 형성된 커패시턴스와 필수적으로 동일한 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 컨덴서 마이크 어셈블리를 상기 테스트 모드로 설정하는 단계는, 상기 다이어프램 및 상기 백 플레이트 사이에 인가된 바이어스 전압을 영으로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 바이어스 전압은, 전압 증배기의 출력 포트를 그라운드에 전기적으로 연결시킴으로써 영으로 조절되는 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 바이어스 전압은, 전압 증배기로 제공되는 제어 신호에 응답하여 영으로 조절되는 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  23. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 신호 처리 회로에 대한 전압 공급 레벨 및/또는 전류 공급 레벨은 필수적으로 상기 어셈블리의 모드-설정에 독립적인 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 신호 처리 회로의 전치증폭기 회로에 대한 공급 전압 레벨은 필수적으로 상기 어셈블리의 모드-설정에 독립적인 것을 특징으로 하는 성능 파라미터 결정 방법.
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