WO2017167876A1 - Mems-mikrofon und verfahren zur selbstkalibrierung des mems-mikrofons - Google Patents

Mems-mikrofon und verfahren zur selbstkalibrierung des mems-mikrofons Download PDF

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WO2017167876A1
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Christian Siegel
Matthias Winter
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • Capacitive MEMS microphones have a MEMS sensor whose sound-receiving membrane forms a capacitance to one or two adjacent back electrodes.
  • a bias voltage is applied to the MEMS sensor between the membrane and the back electrode to electrically bias the membrane.
  • the BIAS voltage can also be used to adapt the MEMS microphone to a specific environment or the conditions prevailing there.
  • MEMS microphones Due to manufacturing tolerances, MEMS microphones can scatter their characteristic properties
  • the object of the present invention is therefore to provide a MEMS microphone with which a method for subsequent calibration in any environment can be performed.
  • the basic idea of the invention is to use the capacitance of the MEMS sensor present between the membrane and the return electrode as a measure of the sensitivity of the microphone.
  • Transformation types (capacity, voltage, current, charge), but is advantageously used de capacitance change.
  • the absolute drift of the pull-in voltage can be used. The drift is going to
  • the second additive compensation component is the voltage difference that would be required to obtain the measured capacitance drift of the pull-in point at the time of a final test, which is shown in FIG.
  • Slope can be determined from the straight line connecting the first pull-in point and the first operating point.
  • Voltage difference for compensation of the capacitance drift serves as a further additive compensation component.
  • a recalibrated BIAS voltage for the new operating point is obtained by summing the previous working voltage and the two compensation components.
  • the BIAS voltage applied to the MEMS microphone is incrementally increased until the current pull-in point is reached and the current pull-in voltage V pa and the corresponding current pull-in capacitance C pa of the MEMS Microphones is determined. These two readings can be safely acquired at any time and place, and therefore at any stage during the operation of the MEMS microphone.
  • the stored measured values include at least the original pull-in voltage, the pull-in capacity and the bias voltage at the operating point (first working voltage V S i) and the associated working capacity (first working capacity C S i). From these known values, it is then determined how the applied BIAS voltage
  • the applied first working voltage VS i is increased by the correction value (or, if necessary. Decreased) and readjusted as a new operating voltage VS.
  • the bias voltage is constantly increased and the sensitivity is determined for each point. In the case of a pull-in, this results in a jump in sensitivity (this jump also applies to other microphone transducer types: capacitive, current, voltage, charge).
  • the sensitivity and bias voltage measured in the jump can be used with the desired sensitivity and bias voltage for calibration.
  • the inventive method is performed in a number of aged microphones.
  • the actual sensitivity is tested by a test in
  • the deviation from the desired sensitivity is significantly reduced and is now only -38 +/- 0.31 dBV / Pa. It is no longer the original sensitivity or the original slight deviation from the desired sensitivity, but the deviation from the desired sensitivity is significantly reduced.
  • Microphones are the values stored in the ASIC of the MEMS microphone of a final test carried out under defined conditions. During the final test, a first pull-in voltage V Pi is determined by steadily determining the capacitance at the MEMS sensor while the bias voltage in
  • the sensitivity is determined via the standardized measuring environment. From the measured values, it is detected which working voltage is to be set for a desired sensitivity. As a substitute value for the desired sensitivity of the at the
  • first working capacity C S i first working capacity taken and stored in the internal memory of the ASICs. Accordingly, capacitance and bias voltage are stored at the pull-in point. From the slope of the trace between the operating point and the pull-in point during the final test, the value obtained for the
  • the self-calibration procedure can be repeated as often as desired. However, it is always on the
  • Recalibration can be discarded.
  • Reconciliation to a desired sensitivity is, for example, be calculated according to the following formula:
  • Vsn eu Vgl - (V P1 - V P2 ) + (C P1 - C P2 ) x (V P1 - V P2 ) / (C P1 - C P2 )
  • V P i - V P2 corresponds to the voltage drift of the pull-in point
  • C P i -C 2 the value of the
  • Capacity drift of the pull-in point corresponds.
  • the quotient of (Vpi - V P2) and (C P i - C P2) corresponds to the slope of the measurement curve from the final test, which indicates the dependency of the specific capacity of the applied bias voltage.
  • the formula is reshaped analogously.
  • the new or self-calibration can be performed several times.
  • a trigger for a recalibration certain rules can be used, which detect the achievement of a certain acoustic or thermal stress load.
  • a recalibration can of course be triggered by a user at any time. This will be indicated when the microphone is subjected to a strong mechanical load or a strong thermal load and a
  • the re-calibration or self-calibration may alternatively or additionally be performed each time the device is restarted if a volatile memory is used, from which the values of the last calibration are deleted. Both in the final test and during each recalibration, the bias voltage applied to the MEMS sensor is incrementally increased until the pull-in point is reached. After each step, the respective capacity is determined. Since, when reaching the pull-in point, the capacitance of the MEMS sensor jumps to a very large value when between diaphragm and
  • Counter electrode is usually an insulator / dielectric with epsilon> 1, it is necessary than for the
  • An inventive MEMS microphone with self-calibration ⁇ device includes a capacitively operating MEMS sensor and an associated ASIC.
  • a BIAS voltage can be applied to the MEMS sensor.
  • the ASIC is designed for the following steps:
  • a known MEMS microphone already comprises means for varying the applied BIAS voltage. At least this value is also stored in known MEMS microphones in an internal memory of the ASIC. For the MEMS microphone according to the invention, only an extended memory is now required, as well as an algorithm stored in the ASIC, which converts current measured values and stored measured values accordingly to determine a new calculated BIAS voltage for a newly calculated operating point. Finally, the newly determined working voltage is set in the MEMS microphone, which completes the recalibration. It is also possible to permanently store the new calibration values in the memory of the ASIC or z. As well as the phone in which the microphone is installed.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a
  • Figure 2 shows a schematic process flow in the implementation of the final test
  • FIG. 3 shows in a diagram the dependence of the
  • Figure 4 shows for five different MEMS microphones the sensitivity set after the final test as well as the sensitivities determined after soldering and after recalibration.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a modern fiction, ⁇ MEMS microphone MIC. This comprises a MEMS sensor MS and an ASIC AS, both as chip components
  • ⁇ are formed and preferably can be arranged side by side or one above the other on a common carrier.
  • the core of the MEMS microphone MIC is the MEMS sensor MS, which is designed as a microminiaturized capacitance with a movable electrode (membrane) and one or two fixed electrodes.
  • the capacitance C or the capacitance change delta C of the MEMS sensor MS is detected by means of a capacitance measurement device CM and into a voltage
  • a desired BIAS voltage z. B. generated between 8-16V and applied in the MEMS sensor MS between the membrane and the fixed electrode.
  • a suitable BIAS voltage is about 12 Volt.
  • the tapped at an electrode of the MEMS sensor MS signal z. B. the capacitance or capacitance change and the voltage generated therefrom in the ASIC) is fed via an amplifier AMP an output OUT of the MEMS microphone MIC.
  • the ASIC comprises a device for self-calibration SC, for example, as a programmable
  • This logic circuit is formed. This logic circuit
  • the self-calibration of a newly calibrated BIAS is newly obtained voltage VS at which the sensitivity of the MEMS microphone is closer to a target value again.
  • the measured values at the new operating point can then also be stored in the internal memory IM.
  • the determined during the recalibration for an optimum operating bias voltage VS is re-routed to the bias voltage generator BS which generates them and the MEMS sensor MS
  • the ASIC is designed as an integrated circuit and embodied, for example, on the basis of silicon CMOS technology or of gallium arsenide. However, other technologies are also possible to realize the desired functions of the ASIC.
  • FIG. 2 shows a schematic process flow, as the self-calibration of the MEMS microphone according to the invention can be performed.
  • the self-calibration is a schematic process flow, as the self-calibration of the MEMS microphone according to the invention can be performed.
  • a final test ET which directly after the Manufacture of the MEMS sensor MS is performed in a defined acoustic environment.
  • a final test ET which directly after the Manufacture of the MEMS sensor MS is performed in a defined acoustic environment.
  • a desired device eg. B. a mobile phone.
  • the sensitivity of the MEMS sensor MS is measured as a function of the applied BIAS voltage. The measurement is until reaching the pull-in point PI
  • the desired sensitivity / capacitance and in particular the required first working voltage VSi is stored in the internal memory IM, as well as the measured at the operating point first working capacity CSi of the MEMS sensor. Corresponding data are determined for the pull-in point and
  • Voltage generator VS gradually increased.
  • a capacitance measurement CM or a measurement of its change is made.
  • a logic circuit is now checked on the basis of the measured capacitance / capacitance change at the set BIAS voltage, whether the pull-in point PI is reached. If the pull-in point has not yet been reached (N), the BIAS voltage in the BIAS voltage generator VS is again increased by one level. Returns the logic circuit that at an applied bias voltage of the pull-in is reached (Y), the values are fed to a self-calibration algorithm SCA. These values are with those in the internal
  • Memory IM stored data from the final test, which also represent parameters for the self-calibration ⁇ algorithm.
  • the self-calibration of a newly calibrated operating voltage VS is newly received, stored in the internal memory IM and for further operation of the MEMS microphone as constant bias voltage
  • Microphone user can again do a self-calibration
  • the data for the current pull-in point are measured and compared via the self-calibration algorithm with the corresponding data from the final test ET and a newly calibrated BIAS voltage is determined and used as the basis for further operation of the MEMS microphone.
  • FIG. 3 shows the dependence of the microphone sensitivity, measured in dBV / Pa, on the
  • a desired target sensitivity which is for example at -38 dBV / Pa.
  • a bias voltage of about 11.1 volts is required here.
  • Working point at the first working voltage VSi has a first working capacity CSi.
  • CSi working capacity
  • the current pull-in point of the MEMS microphone is determined by the method shown schematically in FIG. This is at a current pull-in capacity CP a , which occurs at a current working voltage VP a .
  • This pull-in point is determined by the method shown schematically in FIG. This is at a current pull-in capacity CP a , which occurs at a current working voltage VP a .
  • the deviation is ⁇ for the voltage and ⁇ for the capacitance / capacitance change.
  • the two deviations ⁇ and ⁇ must now be compensated.
  • the applied BIAS voltage is first shifted by the directly readable value ⁇ .
  • the sensitivity of the MEMS microphone as a function of the applied BIAS voltage after aging behaves similarly to the upper curve exactly determined in the final test.
  • the aim is to set the working voltage so that the desired target sensitivity of -38 dBV / Pa is reached as accurately as possible.
  • the self-calibration algorithm only provides one
  • the line 1 connects the set actual sensitivities of the five microphones and deviates only insignificantly from a horizontal straight line.
  • Line 2 connects the measurement points for the five microphones. It is clear that the line 2 deviates significantly from the ideal line or the original distribution 1 of the set microphone sensitivity. For the five microphones, there is a deviation the sensitivity of +/- 1.97 dBV / Pa.
  • Line 3 connects the measurement points for the five recalibrated microphones. It turns out that the newly calibrated sensitivities are close to the originally determined and adjusted sensitivities. The deviation achieved averages only +/- 0.31 dBV / Pa. From a purely visual point of view, this can also be seen from the approximation of the curve 2 to the original curve 1. Arrows 4 show the extent of improvement, how strong the
  • Sensitivity could be changed by the recalibration according to the invention in the desired direction. This shows the success of the method according to the invention.
  • both the microphone according to the invention is only marginally more expensive, while the Dkalibrians- invention automated and quick to carry out, and also requires no major time or energy overhead.

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Abstract

Bei einem kapazitiv arbeitenden MEMS Mikrofon wird durch Variation der BIAS Spannung der Pull-In Punkt bestimmt und dabei die aktuelle Pull-In-Spannung und die dem entsprechende Pull-In-Kapazität zwischen Membran und Rückelektrode ermittelt. Aus der Abweichung des aktuellen Pull-In-Punkts vom den nach einem Endtest bestimmten und in einem internen Speicher des MEMS Mikrofons abgespeicherten Werten eines ersten Pull-In-Punkts und den ebenfalls abgespeicherten Werten bei einem ersten Arbeitspunkts wird eine neukalibrierte BIAS Spannung bestimmt und eingestellt, und dadurch die Empfindlichkeit wieder an die beim ursprünglichen ersten Arbeitspunkt anzunähern.

Description

Beschreibung
MEMS-Mikrofon und Verfahren zur Selbstkalibrierung des MEMS- Mikrofons
Kapazitiv arbeitende MEMS-Mikrofone weisen einen MEMS-Sensor auf, dessen schallaufnehmende Membran eine Kapazität zu einer oder zwei benachbarten Rückelektroden ausbildet. Die
Kapazität ändert sich in Abhängigkeit von der Auslenkung. Aus der gemessenen Kapazitätsänderung wird in einem ASIC eine Spannung errechnet und verstärkt, die ein Maß für das
akustische Signal darstellt.
Zur Einstellung einer gewünschten Empfindlichkeit wird an den MEMS-Sensor eine BIAS-Spannung zwischen Membran und Rück- elektrode angelegt, um die Membran elektrisch vorzuspannen. Die BIAS-Spannung kann auch dazu verwendet werden, das MEMS- Mikrofon einer bestimmten Umgebung beziehungsweise den dort herrschenden Bedingungen anzupassen.
Aufgrund von Herstellungstoleranzen können MEMS-Mikrofone eine Streuung ihrer charakteristischen Eigenschaften
aufweisen. Für hochwertige MEMS-Mikrofone ist daher eine Kalibrierung der MEMS Mikrofone unbedingt erforderlich.
Doch selbst gut kalibrierte MEMS-Mikrofone können eine
Alterung aufweisen, bei der sich die Empfindlichkeit in
Abhängigkeit von Umwelteinflüssen, insbesondere mechanischen, thermischen und Feuchtigkeitseinwirkungen, auch bei
unveränderter BIAS-Spannung ändert. Dies kann unzulässige Abweichungen von den gewünschten Werten erreichen. Bis heute ist jedoch kein Verfahren bekannt, um derart gealterte MEMS-Mikrofone neu zu kalibrieren und die
gewünschte Empfindlichkeit neu einzustellen, da dies eine bekannte akustische Umgebung und kalibrierte
Referenzmikrofone erfordert. Diese steht im normalen Betrieb des Mikrofons beim User bzw. nach dem Einbau in ein Gerät oder eine andere Schaltungsumgebung nicht zur Verfügung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein MEMS- Mikrofon anzugeben, mit dem ein Verfahren zur nachträglichen Kalibrierung in einer beliebigen Umgebung durchgeführt werden kann .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein MEMS-Mikrofon und ein Verfahren zur Selbstkalibrierung nach den beiden unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, die zwischen Membran und Rückelektrode anliegende Kapazität des MEMS-Sensors als Maß für die Empfindlichkeit des Mikrofons zu verwenden.
Dasselbe Prinzip funktioniert zwar auch mit anderen
Transformationsarten (Kapazität, Spannung, Strom, Ladung) , jedoch wird vorteilhaft de Kapazitätsänderung eingesetzt.
Normalerweise gelingt es nur in einer definierten akustischen Umgebung, aus der Kapazität den absoluten Wert für die
Empfindlichkeit des MEMS Mikrofons zu ermitteln.
Möglich ist es jedoch mit relativ einfachen Mitteln, die Pull-in-Spannung des MEMS Sensors zu jedem Zeitpunkt zu ermitteln. Dies ist die Spannung, bei der sich Membran und Rückelektrode durch die elektrische und damit auch mechanische Vorspannung so weit annähern, dass es zum
direkten Kontakt kommt. Dies führt entweder zu einem
Kurzschluss oder zu einer deutlichen Zunahme der Kapazität am Pull-in-Punkt .
Zur Neukalibrierung wird nun vorgeschlagen, die Abweichung der Messwerte am Pull-in-Punkt von den ursprünglich in einem Endtest bestimmten Messwerten für den ersten und
ursprünglichen Pull-in-Punkt vergleichen. Daraus ergibt sich ein Drift sowohl für die Pull-In Spannung, also die BIAS- Spannung, bei der der Pull-in eintritt, als auch eine
Abweichung bei der Kapazität, die am Pull-in-Punkt gemessen wird. bzw. der Kapazitätsänderung zwischen der bisherigen Bias-Einstellung und dem der Biaseinstellung direkt vor dem PULL-IN.
Diese Messwerte und die gespeicherten Werte aus dem Endtest dienen nun zur Ermittlung eines neuen Arbeitspunkts, bei dem die Drift des Pull-in Punkts bezüglich der Pull-in-Spannung und der bestimmten Pull-in-Kapazität kompensiert wird.
Als erste Kompensationskomponente kann die absolute Drift der Pull-in-Spannung verwendet werden. Die Drift wird zur
bisherigen Arbeitsspannung addiert.
Hinsichtlich der Drift der Pull-in-Kapazität dient als zweite additive Kompensationskomponente die Spannungsdifferenz, die erforderlich wäre, um den gemessenen Kapazitätsdrift des Pull-In Punkts zum Zeitpunkt eines Endtests, der in
definierter akustischer Umgebung unmittelbar nach der
Herstellung des MEMS-Mikrofons durchgeführt wurde, zu
kompensieren . Zur Ermittlung dieser Spannungsdifferenz wird daher auf die beim Endtest gespeicherten Messwerte für den ersten Pull-in- Punkt und den ersten Arbeitspunkt zurückgegriffen. Aus der Steigung des Graphen, der die Abhängigkeit der Kapazität von der anliegenden BIAS-Spannung darstellt, wird nun auf das Verhalten des gealterten MEMS-Sensors interpoliert. Die
Steigung kann aus der den erstem Pull-In Punkt und den ersten Arbeitspunkt verbindenden Geraden bestimmt werden. Die
Spannungsdifferenz zur Kompensation der Kapazitätsdrift dient als weitere additive Kompensationskomponente. Somit wird eine neukalibrierte BIAS Spannung für den neuen Arbeitspunkt durch Summierung der bisherigen Arbeitsspannung und der beiden Kompensationskomponenten erhalten .
Zur genauen Durchführung des Verfahrens wird die am MEMS- Mikrofon anliegende BIAS-Spannung schrittweise erhöht, bis der aktuelle Pull-In Punkt erreicht und die aktuelle Pull-in- Spannung Vpa und die entsprechende aktuelle Pull-in-Kapazität Cpa des MEMS-Mikrofons ermittelt ist. Diese beiden Messwerte, lassen sich zu einem beliebigen Zeitpunkt und an einem beliebigen Ort und somit in einem beliebigen Stadium während des Betriebs des MEMS-Mikrofons sicher ermitteln.
Diese Werte des aktuellen Pull-In Punkts werden nun mit fest im internen Speicher des ASIC abgelegten Messwerten aus dem Endtest verglichen. Die gespeicherten Messwerte umfassen zumindest die ursprüngliche Pull-in-Spannung, die Pull-in- Kapazität sowie die BIAS-Spannung am Arbeitspunkt (erste Arbeitsspannung VSi ) und die dazugehörige Arbeitskapazität (erste Arbeitskapazität CSi ) . Aus diesen bekannten Werten wird nun ermittelt, wie die anliegende BIAS-Spannung
verändert werden muss, um den Kapazitätsunterschied zwischen Pull-in-Kapazität und erster Arbeitskapazität zu erzielen. Anschließend wird die anliegende erste Arbeitsspannung VS i um den Korrekturwert erhöht (oder ggfs. erniedrigt) und als neue Arbeitsspannung VSneu eingestellt.
Der wird Pull-In wird z. B. mittels einer Sensitivitäts¬ messung nachgewiesen. Es wird die Bias Spannung konstant erhöht und für jeden Punkt die Sensitivität bestimmt. Im Falle eines Pull-In ergibt dies einen Sensitivitätssprung (diesen Sprung gibt es auch bei anderen Mikrofon-Wandler- Arten: Kapazitiv, Strom, Spannung, Ladung) . Die im Sprung gemessene Sensitivität und Bias Spannung kann mit der gewünschten Sensitivität und Bias Spannung zur Kalibration genutzt werden.
Um die Effektivität beziehungsweise Exaktheit des Verfahrens zu überprüfen, wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Reihe gealterter Mikrofone durchgeführt. Parallel dazu wird die tatsächliche Empfindlichkeit durch einen Test in
genormter akustischer Umgebung überprüft. Beim Test zeigt sich, dass sich eine ursprünglich eingestellte Empfind¬ lichkeit über alle getesteten Mikrofone von ursprünglich gemessenen -38 +/- 0,05 dBV/Pa durch Alterung verändert und die Empfindlichkeit nun in einem Bereich von -38 +/- 1,97 dBV/Pa streut. Diese Abweichung von der eingestellten
Empfindlichkeit bzw. eine solche Messwerttoleranz ist deutlich zu hoch.
Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Selbstkalibrierungsalgorithmus mittels der genannten Sensitivitätsmessung wird die Abweichung von der gewünschten Empfindlichkeit deutlich reduziert und beträgt nun nur noch -38 +/- 0,31 dBV/Pa. Es wird zwar nicht mehr die ursprüngliche Empfindlichkeit beziehungsweise die ursprüngliche geringe Abweichung von der gewünschten Empfindlichkeit erhalten, aber die Abweichung von der gewünschten Empfindlichkeit wird deutlich reduziert.
Damit ist die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen .
Voraussetzung für eine erfolgreiche Kalibrierung des
Mikrofons sind die im ASIC des MEMS-Mikrofons abgespeicherten Werte eines unter definierten Bedingungen durchgeführten Endtests. Während des Endtests wird eine erste Pull-in- Spannung VPi ermittelt, indem stetig die Kapazität am MEMS- Sensor bestimmt wird, während die BIAS-Spannung in
definierten Schritten erhöht wird. Parallel dazu wird die Empfindlichkeit über die genormte Messumgebung bestimmt. Aus den Messwerten wird erkannt, welche Arbeitsspannung für eine gewünschte Empfindlichkeit einzustellen ist. Als Ersatzwert für die gewünschte Empfindlichkeit wird der bei der
gewünschten Empfindlichkeit bestimmte Kapazitätswert (erste Arbeitskapazität CSi ) hergenommen und im internen Speicher des ASICs abgelegt. Entsprechend werden Kapazität und BIAS- Spannung am Pull-in-Punkt abgespeichert. Aus der Steigung der Messkurve zwischen dem Arbeitspunkt und dem Pull-in-Punkt während des Endtests wird der Wert erhalten, der zur
Kompensation der veränderten Kapazität am Pull-in-Punkt
(aktuelle Pull-in-Kapazität ) benötigt wird.
Das Verfahren zur Selbstkalibrierung kann beliebig oft wiederholt werden. Dabei wird jedoch stets auf die
gespeicherten ersten Werte aus dem Endtest zurückgegriffen, um die jeweilige Neukalibrierung vorzunehmen. Die
entsprechenden Messwerte aus einer vorher erfolgten
Neukalibrierung können verworfen werden. Die neukalibrierte BIAS-Spannung VS die zur
Wiederannäherung an eine gewünschte Empfindlichkeit geeignet ist, kann zum Beispiel nach folgender Formel berechnet werden :
Vsneu = Vgl - (VP1 - VP2 ) + (CP1 - CP2 ) x (VP1 - VP2)/(CP1 - CP2)
Dabei entspricht der Wert (VPi - VP2) der Spannungsdrift des Pull-in-Punkts , während der Wert (CPi - CP2) der
Kapazitätsdrift des Pull-in-Punkts entspricht. Der Quotient aus (Vpi - VP2) und (CPi - CP2) entspricht dabei der Steigung der Messkurve aus dem Endtest, die die Abhängigkeit der bestimmten Kapazität von der anliegenden BIAS-Spannung angibt .
Nutzt das Kalibrierungsverfahren anstelle der Kapazitätswerte Sensitivität , Induktivität, Strom, Spannung oder Ladung, wird die Formel analog umgeformt.
Die Neu- beziehungsweise Selbstkalibrierung kann mehrfach durchgeführt werden. Als Auslöser für eine Neukalibrierung können bestimmte Regeln verwendet werden, die das Erreichen einer bestimmten akustischen oder thermischen Stressbelastung erfassen. Möglich ist es jedoch auch, eine Neukalibrierung in festen Zeitintervallen durchzuführen. Alternativ kann eine Neukalibrierung natürlich jederzeit durch einen Benutzer ausgelöst werden. Dies wird dann angezeigt sein, wenn das Mikrofon einer starken mechanischen Belastung oder einer starken thermischen Belastung ausgesetzt ist und eine
Eigenschaftsdrift zu erwarten ist. Die Neu- beziehungsweise Selbstkalibrierung kann alternativ oder zusätzlich bei jedem Neustart des Geräts durchgeführt werden, wenn ein flüchtiger Speicher verwendet wird, aus dem dann die Werte der letzten Kalibrierung gelöscht sind. Sowohl im Endtest als auch während jeder Neukalibrierung wird die am MEMS-Sensor anliegende BIAS-Spannung schrittweise bis zum Erreichen des Pull-in-Punkts erhöht. Nach jedem Schritt wird die jeweilige Kapazität bestimmt. Da beim Erreichen des Pull-in-Punkts die Kapazität des MEMS-Sensors auf einen sehr großen Wert springt, wenn sich zwischen Membran und
Gegenelektrode üblicherweise ein Isolator / Dielektrikum mit epsilon > 1 befindet , ist es erforderlich, als für das
Verfahren verwendbare Pull-in-Kapazität den jeweils
vorherigen Kapazitätswert unmittelbar vor Erreichen des Pull- In zu verwenden, der dem Erreichen des Pull-in-Punkts
unmittelbar vorausgeht. Vorzugsweise wird die BIAS-Spannung sowohl beim Endtest als auch beim Neukalibrieren in
konstanten Schritten gesteigert. Möglich ist es jedoch auch, unterschiedliche Stufen zu verwenden, sofern das Erreichen des Pull-in-Punkts noch nicht unmittelbar erwartet wird.
Ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon mit Selbstkalibrierungs¬ vorrichtung umfasst einen kapazitiv arbeitenden MEMS-Sensor und einen damit verbundenen ASIC. Am MEMS-Sensor ist eine BIAS-Spannung anlegbar. Um das Verfahren zur Selbstkalibrierung durchführen zu können, ist der ASIC für die folgenden Schritte ausgelegt:
a) Stufenweise Erhöhung der am MEMS-Sensor anliegenden BIAS-Spannung
b) Bestimmung der sich dabei jeweils am MEMS-Sensor ausbildenden Kapazität bzw. Kapazitätsänderung
c) Ermitteln des aktuellen Pull-in-Punkts über die
Kapazitätsmessung
d) Abspeichern der Messwerte für BIAS-Spannung VPi und dazugehörige Kapazität CPi bzw. Kapazitätsänderung am Pull-in-Punkt in einem nicht-flüchtigen internen
Speicher des ASIC
e) Durchführen eines Algorithmus zur Neukalibrierung durch Berechnen einer neu kalibrierten BIAS-Spannung
VSneu unter Verwendung der aktuell bestimmten Messwerte und bereits abgespeicherter Messwerte aus dem Endtest f) Anlegen der neu kalibrierten BIAS-Spannung VSneu an den MEMS-Sensor.
Da auch mit einem bereits bekannten MEMS-Mikrofon eine erste Kalibrierung in einer definierten akustischen Umgebung möglich ist, umfasst auch ein bekanntes MEMS-Mikrofon bereits Mittel zur Variation der anliegenden BIAS-Spannung. Zumindest dieser Wert ist auch bei bekannten MEMS-Mikrofonen in einem internen Speicher des ASIC abgelegt. Für das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon ist nun lediglich ein erweiterter Speicher erforderlich, sowie ein im ASIC abgelegter Algorithmus, der aktuelle Messwerte und abgespeicherte Messwerte entsprechend umsetzt, um eine neue kalkulierte BIAS-Spannung für einen neu kalkulierten Arbeitspunkt zu ermitteln. Abschließend wird die neu ermittelte Arbeitsspannung im MEMS-Mikrofon eingestellt, womit die Neukalibrierung beendet ist. Möglich ist auch ein dauerhaftes Speichern der neuen Kalibrierwerte im Speicher des ASICs oder z. B. auch des Telefons, in das das Mikrofon eingebaut ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines
erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons mit
Selbstkalibrierung, Figur 2 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf bei der Durchführung des Endtests und der
Selbstkalibrierung,
Figur 3 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der
Kapazität des MEMS-Sensors von der angelegten BIAS- Spannung nach dem Endtest und nach einer Alterung,
Figur 4 zeigt für fünf unterschiedliche MEMS-Mikrofone die nach dem Endtest eingestellte Empfindlichkeit, sowie die nach dem Verlöten und nach der Neukalibrierung bestimmten Empfindlichkeiten.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungs¬ gemäßen MEMS-Mikrofons MIC. Dieses umfasst einen MEMS-Sensor MS und einen ASIC AS, die beide als Chip-Bauelemente
ausgebildet sind und vorzugsweise neben- oder übereinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein können.
Kernstück des MEMS-Mikrofons MIC ist der MEMS-Sensor MS, der als mikrominiaturisierte Kapazität mit einer beweglichen Elektrode (Membran) und einer oder zwei Festelektroden ausgebildet ist. Die Kapazität C oder die Kapazitätsänderung delta C des MEMS-Sensors MS wird über eine Vorrichtung zur Kapazitätsmessung CM erfasst und in eine Spannung
umgewandelt, die ein Maß für die Auslenkung der Membran und damit für die Stärke des empfangenen akustischen Signals darstellt .
Mit Hilfe eines BIAS-Spannungsgenerators BS wird eine gewünschte BIAS-Spannung z. B. zwischen 8-16V erzeugt und im MEMS-Sensor MS zwischen Membran und Festelektrode angelegt. Eine geeignete BIAS-Spannung beträgt zum Beispiel ca. 12 Volt. Das an einer Elektrode des MEMS-Sensors MS abgegriffene Signal z. B. die Kapazität bzw. Kapazitätsänderung und das daraus im ASIC generierte Spannungssignal) wird über einen Verstärker AMP einem Ausgang OUT des MEMS-Mikrofons MIC zugeleitet .
Weiterhin umfasst der ASIC eine Vorrichtung zur Selbstkalibrierung SC, die beispielsweise als programmierbare
Logikschaltung ausgebildet ist. Diese Logikschaltung
verarbeitet Daten, die von der Kapazitätsmessung CM geliefert werden und vergleicht diese mit Daten, die in einem internen Speicher IM abgelegt sind.
Als Ergebnis der Selbstkalibrierung wird eine neu kalibrierte BIAS Spannung VSneu erhalten, bei der die Empfindlichkeit des MEMS Mikrofons einem Zielwert wieder angenähert ist. Die Messwerte am neuen Arbeitspunkt können anschließend ebenfalls im internen Speicher IM abgelegt werden. Auf jeden Fall wird die bei der Neukalibrierung für einen optimalen Arbeitspunkt ermittelte BIAS-Spannung VSneu an den BIAS-Spannungsgenerator BS geleitet, der diese erzeugt und am MEMS-Sensor MS
entsprechend einstellt.
Der ASIC ist als integrierte Schaltung ausgebildet und beispielsweise auf der Basis Silizium CMOS Technologie oder von Galliumarsenid ausgeführt. Möglich sind jedoch auch andere Technologien, um die gewünschten Funktionen des ASIC zu verwirklichen.
Figur 2 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf, wie die Selbstkalibrierung des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons durchgeführt werden kann. Der Selbstkalibrierung
vorgeschaltet ist ein Endtest ET, welcher direkt nach der Fertigung des MEMS-Sensors MS in einer definierten akustischen Umgebung durchgeführt wird. Möglich ist es natürlich auch diesen Endtest bzw. eine Erstkalibrierung zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt vorzunehmen,
gegebenenfalls sogar erst nach Einbau des Mikrofons in ein gewünschtes Gerät, z. B. ein Mobiltelefon.
Im Endtest ET wird die Empfindlichkeit des MEMS-Sensors MS in Abhängigkeit von der anliegenden BIAS-Spannung gemessen. Die Messung wird bis zum Erreichen des Pull-in-Punkts PI
durchgeführt, bei der die gemessene Empfindlichkeit (bzw. die Kapazität oder Kapazitätsänderung) den bereits erwähnten Sprung macht oder zumindest einen starken Einbruch erfährt. Die gewünschte Empfindlichkeit /Kapazität und insbesondere die dazu erforderliche erste Arbeitsspannung VSi wird im internen Speicher IM abgelegt, ebenso die beim Arbeitspunkt gemessene erste Arbeitskapazität CSi des MEMS-Sensors. Entsprechende Daten werden für den Pull-in-Punkt bestimmt und
abgespeichert. Es wird angenommen, dass die Kapazität ein Maß für die Empfindlichkeit darstellt.
Mit Hilfe dieser im internen Speicher IM abgelegten Daten und der in Figur 1 beispielhaft dargelegten Anordnung gelingt nun eine Selbstkalibrierung SC. Dabei wird zunächst die am MEMS- Sensor MS anliegende BIAS-Spannung mit Hilfe eines
Spannungsgenerators VS stufenweise gesteigert. Bei jeder Stufe wird eine Kapazitätsmessung CM oder eine Messung deren Änderung durchgeführt. In einer Logikschaltung wird nun anhand der gemessenen Kapazität/ Kapazitätsänderung an der eingestellten BIAS-Spannung geprüft, ob der Pull-in-Punkt PI erreicht ist. Ist der Pull-in-Punkt noch nicht erreicht (N) , wird die BIAS-Spannung im BIAS-Spannungsgenerator VS erneut um eine Stufe erhöht. Ergibt die Logikschaltung, dass bei einer anliegenden BIAS-Spannung der Pull-in erreicht ist (Y) , so werden die Werte in einen Selbstkalibrierungsalgorithmus SCA eingespeist. Diese Werte werden mit den im internen
Speicher IM hinterlegten Daten aus dem Endtest verglichen, die ebenfalls Parameter für den Selbstkalibrierungs¬ algorithmus darstellen. Als Ergebnis der Selbstkalibrierung wird eine neu kalibrierte Arbeitsspannung VSneu erhalten, im internen Speicher IM abgelegt und für den weiteren Betrieb des MEMS-Mikrofons als unveränderliche BIAS-Spannung
verwendet, so lange keine Neukalibrierung durchgeführt wird.
Nach einer vorgegebenen Zeit, und/oder nach Erreichen
bestimmter Bedingungen und/oder nach Anforderung eines
Mikrofonbenutzers kann erneut eine Selbstkalibrierung
durchgeführt werden. Dabei werden wiederum die Daten für den aktuellen Pull-in-Punkt gemessen und über den Selbstkalibrierungsalgorithmus mit den entsprechenden Daten aus dem Endtest ET verglichen und eine neu kalibrierte BIAS-Spannung ermittelt und für den weiteren Betrieb des MEMS-Mikrofons zugrunde gelegt.
Figur 3 zeigt die im Endtest ermittelte Abhängigkeit der Mikrofonempfindlichkeit, gemessen in dBV/Pa, von der
anliegenden BIAS-Spannung, gemessen in Volt. Diese mit
Dreiecken dargestellten Messpunkte ergeben in der Figur die obere Kurve.
Es wird nun eine gewünschte Zielempfindlichkeit eingestellt, die beispielsweise bei -38 dBV/Pa liegt. Zum Einstellen dieser Empfindlichkeit ist hier beispielsweise eine BIAS- Spannung von ca. 11,1 Volt erforderlich. Parallel zur
tatsächlichen Empfindlichkeit wird während des Endtests auch die dazu proportionale Kapazität/ Kapazitätsänderung des MEMS-Sensors ermittelt, die im eingestellten ersten
Arbeitspunkt bei der ersten Arbeitsspannung VSi eine erste Arbeitskapazität CSi aufweist. Auf eine Darstellung der entsprechenden Kapazitätsskala wird der Übersichtlichkeit halber im vorliegenden Diagramm aber verzichtet.
Nach thermischer oder mechanischer Belastung oder sonstiger Alterung des MEMS-Mikrofons , beispielsweise nach dem Verlöten des Mikrofons in eine Schaltungsumgebung, wird nun eine erste Selbstkalibrierung durchgeführt. Dazu wird mit dem in Figur 2 schematisch dargestellten Verfahren der aktuelle Pull-in- Punkt des MEMS-Mikrofons ermittelt. Dieser liegt bei einer aktuellen Pull-in-Kapazität CPa, die bei einer aktuellen Arbeitsspannung VPa auftritt. Dieser Pull-in-Punkt
unterscheidet sich von dem ersten Arbeits-Pull-in-Punkt sowohl bezüglich der dafür erforderlichen BIAS-Spannung als auch bezüglich der dabei gemessenen aktuellen Pull-in- Kapazität. Die Abweichung beträgt ΔΧ für die Spannung und ΔΥ für die Kapazität/ Kapazitätsänderung.
Zur Neukalibrierung müssen nun die beiden Abweichungen ΔΧ und ΔΥ kompensiert werden. Dazu wird zunächst die anliegende BIAS-Spannung um den direkt ablesbaren Wert ΔΧ verschoben. Zur Kompensation der Y-Drift ΔΥ wird angenommen, dass sich die Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons in Abhängigkeit von der anliegenden BIAS-Spannung nach Alterung (untere Kurve) ähnlich verhält wie die im Endtest exakt bestimmte obere Kurve .
Es wird nun die Anzahl der Schritte hergenommen, die bei der Spannungserhöhung um konstante Werte erforderlich sind, um vom Wert der ersten Arbeitsspannung VSi bis zum Erreichen des Pull-ins bei der ersten Pull-in-Spannung VPi zu gelangen. Die dieser Anzahl entsprechende Spannungsdifferenz wird nun als weiterer Summand zur Ermittlung der neu kalibrierten
Arbeitsspannung verwendet. Ziel ist es, die Arbeitsspannung so einzustellen, dass die gewünschte Zielempfindlichkeit von hier -38 dBV/Pa möglichst genau wieder erreicht wird. Der Selbstkalibrierungsalgorithmus stellt dabei nur eine
Annäherung dar, da das erreichte Ergebnis, also die nach Neukalibrierung tatsächlich eingestellte Empfindlichkeit dem Zielwert zwar besser angenähert ist, aber immer noch davon abweichen kann. Eine genaue Ermittlung der Empfindlichkeit des Mikrofons ist bei der Selbstkalibrierung aber nicht möglich .
Zur Überprüfung des Erfolgs der Selbstkalibrierung wird eine Anzahl von hier fünf unterschiedlichen MEMS-Mikrofonen hergenommen und einem Endtest und einer ersten Kalibrierung unterzogen. Nach dieser ersten Kalibrierung auf einen
gewünschten ersten Arbeitspunkt weisen alle fünf Mikrofone nahezu die gleiche Zielempfindlichkeit von - 38 dBV/Pa auf. Die Abweichung beträgt dabei nur 0,05 dBV/Pa. Die Linie 1 verbindet die eingestellten tatsächlichen Empfindlichkeiten der fünf Mikrofone und weicht nur unwesentlich von einer waagrechten Geraden ab.
Nach dem Verlöten des MEMS-Mikrofons in eine Schaltungs¬ umgebung wird eine neue exakte Vermessung der Mikrofonempfindlichkeit bei der eingestellten erster Arbeitsspannung durchgeführt. Die Linie 2 verbindet die Messpunkte für die fünf Mikrofone. Es ist klar ersichtlich, dass die Linie 2 deutlich von der Ideallinie beziehungsweise der ursprünglichen Verteilung 1 der eingestellten Mikrofonempfindlichkeit abweicht. Für die fünf Mikrofone ergibt sich eine Abweichung der Empfindlichkeit von +/- 1,97 dBV/Pa. Eine solche
Abweichung ist für Hochleistungsmikrofone nicht akzeptabel.
An allen fünf Mikrofonen wird nun jeweils eine erfindungs¬ gemäße Selbstkalibrierung durchgeführt. Dabei wird eine neu kalibrierte Arbeitsspannung für das jeweilige Mikrofon ermittelt und am MEMS-Sensor angelegt. Für die derart neu kalibrierten fünf Mikrofone wird nun erneut eine
Empfindlichkeitsmessung durchgeführt. Die Linie 3 verbindet die Messpunkte für die fünf neukalibrierten Mikrofone. Es zeigt sich, dass die neu kalibrierten Empfindlichkeiten den ursprünglich bestimmten und eingestellten Empfindlichkeiten wieder gut angenähert sind. Die erreichte Abweichung beträgt im Mittel nur noch +/- 0,31 dBV/Pa. Rein optisch lässt sich dies aus der Grafik auch an der Annäherung der Kurve 2 an die ursprüngliche Kurve 1 erkennen. Mit den Pfeilen 4 ist das Ausmaß der Verbesserung dargestellt, wie stark die
Empfindlichkeit durch die erfindungsgemäße Neukalibrierung in die gewünschte Richtung verändert werden konnte. Dies zeigt den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Obwohl die Erfindung nur anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie nicht auf dieses beschränkt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl analoge als auch digitale, kapazitiv arbeitende MEMS-Mikrofone kalibriert werden, wobei die Kalibrierung automatisch und/oder auf Wunsch des Benutzers durchgeführt werden kann. Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Selbstkalibrierungsverfahrens sind nur unwesentliche Erweiterungen der ASIC-Architektur
erforderlich, so dass das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon nur einen unwesentlich erhöhten Hardware-Aufwand erfordert. Damit ist sowohl das erfindungsgemäße Mikrofon nur unwesentlich verteuert, während das erfindungsgemäße Selbstkalibrierungs- verfahren automatisiert und schnell durchzuführen ist, und ebenfalls keinen größeren zeitlichen oder energetischen Mehraufwand erfordert.
Bezugs zeichenliste
MIC MEMS Mikrofon
VP1 erste Pull-In Spannung
BS BIAS Spannungsgenerator
VS i erste Arbeitsspannung am ersten Arbeitspunkt
CS i erste Arbeits-Kapazität
CPi erste Pull-In-Kapazität am ersten Pull-In- Punkt
VPi erste Pull-In-Spannung
IM interner Speicher
VPa aktuelle Pull-In-Spannung
CPa aktuelle Pull-In-Kapazität
VSneu neue kalibrierte BIAS Spannung
MS MEMS Sensor
AS ASIC
AMP Verstärker
CM Kapazitätsmessung
SC Selbstkalibrierung
OUT Mikrofonausgang
VDD Versorgungsspannung
GND Masse
CLK Clock
W/R Schreib-/Leseeingang
VS Spannungsveränderung
PI Pull-In
1 gewünschte Empfindlichkeit
2 Empfindlichkeit nach Verlöten
3 Empfindlichkeit nach Selbstkalibrierung
4 Verschiebung der Empfindlichkeit
Δχ X-Drift des Pull-In Punkts
ΔΥ Y-Drift des Pull-In Punkts

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Neukalibrierung eines kapazitiv
arbeitenden MEMS Mikrofons (MIC) ,
bei dem die am MEMS Mikrofon anliegende BIAS Spannung
schrittweise erhöht wird, um die aktuelle Pull-In-Spannung VPa und die entsprechende Pull-In-Kapazität CPa oder die mit der aktuellen Erhöhung der BIAS Spannung verbundene
Kapazitätsänderung am Pull-In-Punkt des MEMS Mikrofons zu ermitteln
bei dem aus der Abweichung des aktuellen Pull-In-Punkts vom den nach einem Endtest bestimmten und in einem internen
Speicher (IM) des MEMS Mikrofons abgespeicherten Werten eines ersten Pull-In-Punkts und den Werten CS i , VS i eines ersten Arbeitspunkts eine neu kalibrierte BIAS Spannung VSneu bestimmt und eingestellt wird, um dadurch die Empfindlichkeit wieder an die ursprünglich am ersten Arbeitspunkt
eingestellte Empfindlichkeit anzunähern.
2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch,
bei dem der Endtest direkt nach der Herstellung des MEMS
Mikrofons (MIC) durchgeführt wird, umfassend
- Ermittlung der ersten Pull-In Spannung VPi
- Einstellen des Arbeitspunkts entsprechend einer
gewünschten Empfindlichkeit des MEMS Mikrofons durch Variation der BIAS Spannung auf eine erste
Arbeitsspannung VS i
- Ermitteln der ersten Pull-In-Kapazität CPi des MEMS
Mikrofons bei der ersten Pull-In-Spannung VPi und der ersten Arbeits-Kapazität CS i bei der ersten
Arbeitsspannung VS i oder alternativ der entsprechenden Änderungen des beobachteten Wertes, der mit der aktuellen Erhöhung der BIAS Spannung verbundenen
Kapazitätsänderung am Pull-In-Punkt
- Einspeichern der Werte CSi, VSi, CPi und VPi in einem
internen Speicher (IM) des MEMS Mikrofons,
bei dem eine erste Neukalibrierung nach dem Einbau des MEMS Mikrofons in eine Schaltungs-iumgebung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die neu kalibrierte BIAS Spannung VSneu nach der
Formel berechnet wird
VSneU = Si - (VPi-VP2) + (CP1-CP2) * (VP1-VP2) / (CP1-CP2)
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die gewünschte Empfindlichkeit sowie die Werte für den ersten Arbeitspunkt und den ersten Pull-In-Punkt in einer definierten akustischen Umgebung bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Neukalibrierung mehrfach durchgeführt wird, wobei als Referenz jeweils die nach dem Endtest bestimmten Werte CSi, VSi, CPi und VPi verwendet werden.
6. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch,
bei dem das MEMS Mikrofon eine Neukalibrierung durchführt entweder
- automatisch nach bestimmten Regeln in Abhängigkeit von der akustischen oder thermischen Stressbelastung des MEMS Mikrofons, und/oder
- automatisch dann, wenn ein bestimmtes Zeitintervall
verstrichen ist, und/oder
- wenn die Neukalibrierung manuell durch einen Benutzer ausgelöst wird, und/oder - nach jedem Neustart des Geräts, in das das Mikrofon eingebaut ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die BIAS Spannung sowohl im Endtest als auch bei der Neukallibrierung schrittweise bis zum Erreichen des Pull-In- Punkts erhöht wird und bei dem bei jedem Schritt die
jeweilige Kapazität oder Kapazitätsänderung bestimmt wird, wobei bei Erreichen des Pull-In-Punkts die Kapazität des MEMS Mikrofons einen hohen Wert annimmt oder einen Sprung macht und als Pull-In-Spannung VPa und -Kapazität CPa oder - Kapazitätsänderung die jeweils letzten Werte vor Erreichen des des Pull-In-Punkts verwendet und gespeichert werden.
8. MEMS Mikrofon mit Selbstkalibrierungsvorrichtung,
- mit einem kapazitiv arbeitenden MEMS Sensor (MS) , an den eine BIAS Spannung anlegbar ist und
- mit einem mit dem MEMS Sensor verbundenen ASIC (AS)
- bei dem der ASIC für folgende Schritte ausgelegt ist
a) Durchführen einer stufenweisen Erhöhung der BIAS Spannung
b) Bestimmen der Kapazitätsänderung oder der sich jeweils am MEMS Sensor ausbildenden Kapazität c) Ermitteln des aktuellen Pull-In-Punkts über die Kapazitätsmessung
d) Abspeichern der Messwerte für BIAS Spannung und dazugehörige Kapazität oder Kapazitätsänderung am Pull-In-Punkt in einem internen Speicher
e) Durchführen eines Algorithmus zur Berechnung einer neu kalibrierten BIAS Spannung VSneu unter Verwendung der aktuell bestimmten Messwerte und bereits abgespeicherter Messwerte aus einer ersten Messung Anlegen der neu kalibrierten BIAS Spannung an das MEMS Mikrofon.
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