WO2017167879A1 - Mems-mikrofon und verfahren zum betrieb - Google Patents

Mems-mikrofon und verfahren zum betrieb Download PDF

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WO2017167879A1
WO2017167879A1 PCT/EP2017/057549 EP2017057549W WO2017167879A1 WO 2017167879 A1 WO2017167879 A1 WO 2017167879A1 EP 2017057549 W EP2017057549 W EP 2017057549W WO 2017167879 A1 WO2017167879 A1 WO 2017167879A1
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Sebastian WALSER
Christian Siegel
Matthias Winter
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • MEMS Microphone and Method of Operation MEMS microphones which are designed as microelectromechanical systems, are used today for mobile phones and acoustic sensors. Particularly advantageous are their small size and their good acoustic performance. They are also characterized by their resistance to the conditions of soldering.
  • MEMS microphones One problem encountered in the fabrication of MEMS microphones is the sensitivity dispersion after fabrication. Production tolerances and material fluctuations can lead to an inadmissibly high dispersion of the microphone characteristics. However, since only a small tolerance of the properties is tolerable for the use of MEMS microphones, many microphones do not meet the requirements of modern mobile phones directly after production.
  • the state of the art is therefore to subject MEMS microphones to a final test after their production and subsequently to return microphones with properties which deviate greatly from the desired values by changing the operating parameters to a desired range. It will be determined new operating parameters for the microphone and stored in a memory of the ASIC, which is part of each MEMS microphone stored. Such a microphone is known for example from EP1906704 AI. With the help of such a calibration succeeds in mass production, the scattering to a maximum deviation of +/- 1 dB
  • Object of the present invention is therefore to provide a microphone and a method for operating a microphone, which is compatible with different external environment parameters and there is a good signal quality
  • a known calibratable MEMS microphone already has a programmable internal memory. This is usually designed as OTP memory (One Time Programmable) and allows a one-time registration of the
  • Memory to be used to store operating parameters for several defined operating conditions, so that the
  • Microphone during later proper operation over a drive line can be switched to a desired or required operating state.
  • Operating states are values calibrated to the respective MEMS microphone, which were determined in a final test after the production of the microphone.
  • Switching to another operating state can be done manually or automatically. Rules can be specified for automatic switching. These can be one
  • Microphone or a system with the microphone can be determined, or select the best suited to the measured parameters operating state of the given operating conditions.
  • Operating conditions may be via the same control line connecting the microphone to an external terminal.
  • the programming is preferably carried out by inputting signals at a voltage which is also available during normal operation of the MEMS microphone. For example, it is possible to input a bit sequence via the drive line, which may be either a program instruction or a data set
  • Operating state can be stored, is a gain factor, which is a measure of the gain by an amplifier integrated in the ASIC (Pre-Amplifier).
  • a gain factor which is a measure of the gain by an amplifier integrated in the ASIC (Pre-Amplifier).
  • Pre-Amplifier As another operating parameter, one for the respective
  • Operating state suitable bias voltage can be stored. About the bias voltage, the sensitivity, or the SNR level or THD behavior of the microphone at higher
  • the operating state allows the sensitivity to be set to correspond to a prevailing noise level in the environment.
  • the various adjustable operating states can be provided for different environmental parameters. In addition to a loud or quiet environment, a required high or low dynamics, a high or low signal-to-noise ratio (SNR), or to be filtered high or low
  • the MEMS microphone is also designed to detect external environmental parameters and / or properties of the acoustic signals. With the help of this information, an automatic selection and setting of a previously stored
  • Frequency position of the signals to be recorded by the microphone, and optionally as a function of the ambient ⁇ temperature is selected by means of an algorithm a matching stored operating state and set automatically. It is also possible that the MEMS microphone calculates and suggests an optimized operating state, which can then be set manually by a user.
  • the set values are the stored operating parameters that define the particular stored operating state to be selected.
  • the MEMS microphone typically has a number of
  • Fixing the microphone for example by soldering, as also serve as electrical connections of the microphone.
  • One of the pads / contacts can with the
  • the standardized acoustic signals serve as a benchmark.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a microphone
  • Figure 2 shows the physical structure of a microphone in
  • Figure 3 shows the frequency measured over the frequency
  • Figure 4 shows the distribution of sensitivity over a
  • Figure 1 shows schematically the structure of a microphone according to the invention MIC. It comprises a microphone sensor MS which, in a preferably micromechanical structure, has at least one membrane MM and a back electrode BP, which together form a capacitive sensor element. Connected to the capacitive microphone sensor is an ASIC AS which, together with the microphone sensor MS, is mounted on a common substrate and preferably under a common cover, e.g. a metal cap MC is arranged. The metal cap is e.g. glued with a sealing adhesive mass SM on the substrate SU.
  • the chips are also glued and the electrical connections are made by bonding wires.
  • the capacitive element of the microphone sensor MS is a bias voltage from a bias voltage generator BS is produced. At the capacitive element, the capacitance is now determined during operation of the microphone, converted into a voltage in the ASIC, amplified by an amplifier AMP and output as a measuring signal at an output OUT.
  • the microphone MIC can be designed as a digital or analog microphone.
  • An analog microphone also has as outputs and inputs serving for the contacts
  • the ASIC AS has an internal memory IM.
  • the internal memory are the
  • the read / write input W / R can be used.
  • Input also the operating state M n can be selected.
  • FIG. 2 shows a known MEMS microphone in the
  • a capacitive MEMS sensor MS and an ASIC AS are arranged on a common substrate SU, which is designed, for example, as a multilayer ceramic with integrated circuitry. Both components can be arranged side by side as shown. However, it is also possible to arrange the ASIC above or below the MEMS sensor MS.
  • MEMS sensor MS and ASIC AS with a polymer film against the surface of
  • a cap MC such as a metal cap, which seals against the substrate and includes a cavity below, are arranged in the microphone sensor MS and ASIC AS.
  • the polymer film is removed, so that the membrane MM can communicate with the cavity under the cover MC.
  • Membrane MM and polymer film PF separate an acoustic front volume below the membrane and an acoustic back volume above the membrane and below the cover MC.
  • MEMS sensor MS and ASIC AS can be mounted on the substrate via solder connections, which are embodied, for example, in the form of bumps BU.
  • the ASIC is connected to the microphone sensor MS or its membrane MM and back electrode BP via the internal wiring within the multilayer substrate SU or via conductor tracks running on the surface of the substrate SU. Shown is a capacitive microphone sensor with two back electrodes BP, which is a differential
  • FIG. 3 shows different measuring curves in which the
  • Sensitivity of an exemplary MEMS microphone is plotted against the applied frequency in Hertz.
  • maximum applied BIAS voltage BV max shows. It can be seen that the sensitivity can be set via both operating parameters, with a variation of the amplification factor GF leading to a greater maximum difference ⁇ GF max .
  • the signal-to-noise ratio SNR can be set.
  • Figure 4 shows how the sensitivities vary within a larger quantity of individually measured microphones or how differently the sensitivities are distributed over a larger number of microphones.
  • a first distribution 1 shows a relatively wide dispersion of the sensitivities and is e.g. right after the
  • the illustrated distribution 2 is for example the result of such a calibration with individually set operating parameters.
  • the required operating parameters are separated for each microphone in a standardized
  • each with a different desired property profile, or the operating parameters required for this purpose are also stored in the memory so that, for example, different sensitivities can be set.
  • the distribution 2 shows, for example, the distribution of the sensitivity over different microphones, in which a first operating state is set.
  • the distribution 3 shows the sensitivity of the same microphones after the microphones are switched to a second operating state and the corresponding operating parameters associated with this operating state are set on the microphone. This results, for example, a lower
  • the invention is preferably optimized for a capacitive MEMS microphone, but is not limited to capacitive microphones.
  • the invention is preferably optimized for a capacitive MEMS microphone, but is not limited to capacitive microphones.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein MEMS-Mikrofonweist einen ASIC (AS)mit einem programmierbaren internen Speicher (IM) undeinem MEMS Sensor (MS)auf.Im internen Speicher sind Betriebsparameter entsprechend einer Mehrzahl an definierter Betriebszustände (M1, M2, M3) für die Ansteuerung des MEMS Sensors (MS) und/oder die Verarbeitung des vom Sensor an den ASIC (AS) geleiteten Signals abspeicherbar. Über eine Ansteuerungsleitung für den ASIC kann das Mikrofon in einen ausgewählten Betriebszustand geschaltet werden.

Description

Beschreibung
MEMS-Mikrofon und Verfahren zum Betrieb MEMS-Mikrofone, die als mikroelektromechanische Systeme ausgebildet sind, werden heutzutage für Handys und akustische Sensoren eingesetzt. Besonders vorteilhaft sind ihre kleine Größe und ihre gute akustische Performance. Ebenso zeichnen sie sich durch ihre Beständigkeit gegenüber den Bedingungen beim Verlöten aus.
Ein bei der Herstellung von MEMS-Mikrofonen auftretendes Problem ist die Sensitivitätsstreuung nach der Herstellung. Produktionstoleranzen sowie Materialschwankungen können zu einer unzulässig hohen Streuung der Mikrofon-Eigenschaften führen. Da für den Einsatz der MEMS Mikrofone jedoch eine nur geringe Toleranz der Eigenschaften tolerabel ist, genügen viele Mikrofone direkt nach der Herstellung den Anforderungen bei modernen Mobiltelefonen nicht.
Stand der Technik ist es daher, MEMS-Mikrofone nach ihrer Herstellung einem Endtest zu unterziehen und anschließend Mikrofone mit stark von den gewünschten Werten abweichenden Eigenschaften durch Veränderung der Betriebsparameter in einen gewünschten Bereich zurückzuführen. Es werden dabei neue Betriebsparameter für das Mikrofon ermittelt und in einem Festspeicher des ASICs, der Bestandteil eines jeden MEMS-Mikrofons ist, abgespeichert. Ein solches Mikrofon ist beispielsweise aus der EP1906704 AI bekannt. Mit Hilfe einer solchen Kalibrierung gelingt es in der Massenproduktion, die Streuung auf eine maximale Abweichung von +/- 1 dB zu
reduzieren . Mit Hilfe der Kalibrierung gelingt es, ein Mikrofon optimal auf eine gewünschte Empfindlichkeit einzustellen. Ein Problem bleibt jedoch, dass ein Mikrofon in unterschiedlichen
Umgebungen mit unterschiedlichen Schalldrücken oder
verschieden starken Hintergrundgeräuschen eigentlich einer jeweils spezifischen Kalibrierung bedarf, um es auf den
Betrieb in der jeweiligen Umgebung hin zu optimieren. Durch die bisher praktizierte einheitliche Kalibrierung ist das MEMS Mikrofon aber auf genormte und genau definierte
Umgebungsparameter hin optimiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons anzugeben, welches mit unterschiedlichen äußeren Umgebungsparametern kompatibel ist und auch dort eine gute Signalqualität
liefert .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ein bekanntes kalibrierbares MEMS-Mikrofon weist bereits einen programmierbaren internen Speicher auf. Dieser ist üblicherweise als OTP-Speicher (One Time Programmable) ausgebildet und erlaubt ein einmaliges Einschreiben der
Kalibrierungsparameter, die dann über die gesamte Lebensdauer des MEMS-Mikrofons konstant bleiben. Die grundlegende Idee der Erfindung ist es nun, diesen
Speicher dazu zu nutzen, Betriebsparameter für mehrere definierte Betriebszustände abzuspeichern, so dass das
Mikrofon währende des späteren ordnungsgemäßen Betriebs über eine Ansteuerungsleitung in einen gewünschten oder erforderlichen Betriebszustand geschaltet werden kann.
Die Betriebsparameter für jeden einzelnen der
Betriebszustände sind dabei auf das jeweilige MEMS-Mikrofon kalibrierte Werte, die in einem Endtest nach der Herstellung des Mikrofons ermittelt wurden.
Möglich ist es jedoch auch, Betriebsparameter für einzelne gewünschte Betriebszustände zu einem beliebigen Zeitpunkt neu zu ermitteln und im internen Speicher als neue
Betriebszustände abzuspeichern und so das MEMS Mikrofon neu zu kalibrieren. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das MEMS-Mikrofon einer Alterung, oder einer thermischen oder mechanischen Belastung ausgesetzt wurde, was jeweils zu einer internen Verspannung der Membran des MEMS-Mikrofons führen kann und nicht zuletzt einen Drift der Mikrofoneigenschaften zur Folge haben kann. Auch hier gilt, dass mehrere definierte Betriebszustände im internen Speicher abgespeichert sind, so dass das Mikrofon während des ordnungsgemäßen Betriebs über eine Ansteuerungsleitung in einen gewünschten oder einen erforderlichen Betriebszustand geschaltet werden kann.
Das Umschalten in einen anderen Betriebszustand kann manuell oder automatisiert erfolgen. Für ein automatisches Umschalten können Regeln vorgegeben sein. Diese können einen
Betriebszustand in Abhängigkeit von Parametern, die vom
Mikrofon oder davon einem System mit dem Mikrofon ermittelt werden, einstellen, bzw. den am besten zu den gemessenen Parametern passenden Betriebszustand aus den vorgegebenen Betriebszuständen auswählen. Das neu Einprogrammieren von Betriebsparametern für neue Betriebszustände sowie die Auswahl gespeicherter
Betriebszustände können über dieselbe Ansteuerungsleitung erfolgen, die das Mikrofon mit einem äußeren Anschluss verbindet.
Vorzugsweise erfolgt die Programmierung durch Eingabe von Signalen bei einer Spannung, die auch im Normalbetrieb des MEMS-Mikrofons zur Verfügung steht. Möglich ist es z.B., über die Ansteuerungsleitung eine Bit-Folge einzugeben, die entweder einen Programmierbefehl oder einen Datensatz
umfasst .
Alternativ ist es möglich, einen für einen Betriebszustand vorgesehenen Spannungspegel an die Ansteuerungsleitung anzulegen, um die jeweils dem Spannungspegel zugeordneten Betriebsparameter für den gewünschten Betriebszustand
einzustellen . Ein Betriebsparameter, der erfindungsgemäß für einen
Betriebszustand abgespeichert werden kann, ist ein Gain - Faktor, der ein Maß für die Verstärkung durch einen im ASIC integrierten Verstärker ( Pre-Amplifier) darstellt. Als weiterer Betriebsparameter kann eine für den jeweiligen
Betriebszustand geeignete BIAS-Spannung abgespeichert werden. Über die Bias-Spannung kann die Sensitivität , bzw. das SNR Level oder THD Verhalten des Mikrofons bei höheren
Schalldrücken beeinflusst werden. Über den Betriebszustand kann die Sensitivität so eingestellt werden, dass sie einem in der Umgebung herrschenden Schallpegel entspricht. Die verschiedenen einstellbaren Betriebszustände können für verschiedene Umgebungsparameter vorgesehen sein. Neben einer lauten oder leisen Umgebung, einer geforderten hohen oder niedrigen Dynamik, einem hohen oder niedrigen Signal-Rausch- Verhältnis (SNR) , oder auszufilternden hoch- oder
niederfrequenten Störsignalen können die jeweiligen
auszuwählenden Betriebszustände noch verschiedene andere Umgebungsbedingungen berücksichtigen und ein optimales
Mikrofonverhalten garantieren.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das MEMS-Mikrofon außerdem dazu ausgebildet, äußere Umgebungsparameter und/oder Eigenschaften der akustischen Signale zu erfassen. Mit Hilfe dieser Informationen kann ein automatisches Auswählen und Einstellen eines bereits vorher abgespeicherten
Betriebszustandes erfolgen.
Aus der absoluten Höhe, dem Dynamikbereich und/oder der
Frequenzlage der der vom Mikrofon aufzuzeichnenden Signale, sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Umgebungs¬ temperatur wird mittels eines Algorithmus ein dazu passender abgespeicherter Betriebszustand ausgewählt und selbsttätig eingestellt . Möglich ist es auch, dass das MEMS-Mikrofon einen optimierten Betriebszustand errechnet und vorschlägt, der dann manuell von einem User eingestellt werden kann. Die Einstellwerte sind die gespeicherten Betriebsparameter, die den jeweiligen auszuwählenden gespeicherten Betriebszustand definieren.
Das MEMS-Mikrofon weist in der Regel eine Anzahl von
Anschlussflächen und/oder Kontakten auf, die sowohl zur
Befestigung des Mikrofons, beispielsweise durch Verlöten, als auch als elektrische Anschlüsse des Mikrofons dienen. Eine der Anschlussflächen/Kontakte kann mit der
Ansteuerungsleitung verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, einen bereits vorhandenen Kontakt zu nutzen, z.B. einen Kontakt für die Erstkalibrierung, um Betriebsparameter für verschiedene Betriebszustände
abzuspeichern, um einen Betriebszustand auszuwählen und einzustellen oder auch um die Betriebsparameter für die
Betriebszustände neu zu kalibrieren. Möglich ist es natürlich auch, weitere Anschlussflächen oder Kontakte vorzusehen, über die erfindungsgemäß Betriebszustände eingespeichert oder ausgewählt werden können. Die Betriebsparameter für die Betriebszustände können wie gesagt einmalig in einem Endtest ermittelt und im internen Speicher des MEMS-Mikrofons abgespeichert werden. Möglich ist es jedoch auch, eine Neukalibrierung nach bestimmten
Ereignissen durchzuführen. Möglich ist es weiterhin, eine Neukalibrierung in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführen. Für eine Kalibrierung ist in der Regel eine normierte
akustische Umgebung erforderlich, um mit normierten
akustischen Signalen eine gewünschte Mikrofoneigenschaft einzustellen, wobei die normierten akustischen Signale als Maßstab dienen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs¬ beispiels und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und daher nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Es zeigen: Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Mikrofons,
Figur 2 den physikalischen Aufbau eines Mikrofons im
schematischen Querschnitt,
Figur 3 den über die Frequenz gemessenen Verlauf der
Empfindlichkeit für verschiedene anliegender BIAS- Spannungen und verschiedene Verstärkungsfaktoren,
Figur 4 die Verteilung der Empfindlichkeit über eine
größere Menge einzelner vermessener Mikrofone nach der Herstellung, nach der Kalibrierung und nach dem Umschalten in einen anderen Betriebsmodus.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Mikrofons MIC. Es umfasst einen Mikrofon-Sensor MS, der in einem vorzugsweise mikromechanischen Aufbau zumindest eine Membran MM und eine Rückelektrode BP aufweist, die zusammen ein kapazitives Sensorelement bilden. Mit dem kapazitiven Mikrofon-Sensor verbunden ist ein ASIC AS, der zusammen mit dem Mikrofon-Sensor MS auf einem gemeinsamen Substrat und vorzugsweise unter einer gemeinsamen Abdeckung, z.B. einer Metallkappe MC angeordnet ist. Die Metallkappe ist z.B. mit einer abdichtenden Klebstoffmasse SM auf das Substrat SU aufgeklebt .
Es können auch andere Aufbauvarianten verwendet werden.
Anstelle von Flip-Chip Technologie können z.B. die Chips auch aufgeklebt werden und die elektrische Verbindungen durch Bonddrähte vorgenommen werden.
Am kapazitiven Element des Mikrofon-Sensors MS liegt eine BIAS-Spannung an, die von einem BIAS-Spannungsgenerator BS erzeugt wird. Am kapazitiven Element wird nun im Betrieb des Mikrofons die Kapazität bestimmt, im ASIC in eine Spannung umgewandelt, mittels eines Verstärkers AMP verstärkt und als Messsignal an einem Ausgang OUT ausgegeben.
Das Mikrofon MIC kann als digitales oder analoges Mikrofon ausgeführt sein. Ein analoges Mikrofon weist darüber hinaus als Aus- und Eingänge dienende Kontakte für die
Versorgungsspannung VDD, für Masse GND sowie für einen
Schreib-/Lesezugriff W/R auf.
Für ein digitales Mikrofon ist zumindest ein Eingang für Clock CLK vorgesehen. Darüber hinaus weist der ASIC AS einen internen Speicher IM auf. Im internen Speicher sind die
Betriebsparameter für beispielsweise drei oder mehr
verschiedene auswählbare Betriebszustände Ml, M2, M3 des Mikrofons MIC abgespeichert.
Zur Abspeicherung der Daten im internen Speicher IM kann der Schreib-/Lese-Eingang W/R verwendet werden. Über diesen
Eingang kann auch der Betriebszustand Mn ausgewählt werden. Möglich ist es jedoch auch, zur Auswahl des Betriebszustands einen Schreib-/Lese-Eingang W/R verschiedenen Hilfseingang AI vorzusehen, der ebenfalls mit dem internen Speicher IM verbunden ist.
Je nach ausgewähltem Betriebszustands M werden die
entsprechenden Betriebsparameter aus dem internen Speicher IM an den BIAS-Spannungsgenerator BS und/oder an den Verstärker AMP geleitet und damit die Eigenschaften des Mikrofons passend zum gewünschten Betriebszustand eingestellt. Figur 2 zeigt ein an sich bekanntes MEMS-Mikrofon im
schematischen Querschnitt, wie es für die Erfindung
eingesetzt werden kann. Auf einem gemeinsamen Substrat SU, welches beispielsweise als Mehrlagenkeramik mit integrierter Verschaltung ausgebildet ist, sind ein kapazitiver MEMS- Sensor MS und ein ASIC AS angeordnet. Beide Komponenten können wie dargestellt nebeneinander angeordnet sein. Möglich ist es jedoch auch, den ASIC oberhalb oder unterhalb des MEMS-Sensors MS anzuordnen.
In der dargestellten Ausführungsform sind MEMS-Sensor MS und ASIC AS mit einer Polymerfolie gegen die Oberfläche des
Substrats abgedichtet. Auf dem Substrat ist weiterhin eine Abdeckkappe MC, beispielsweise eine Metallkappe, aufgesetzt, die gegen das Substrat abdichtet und einen Hohlraum unter sich einschließt, in dem Mikrofon-Sensor MS und ASIC AS angeordnet sind. Über der Membran MM und der Rückelektrode BP ist die Polymerfolie entfernt, so dass die Membran MM mit dem Hohlraum unter der Abdeckung MC kommunizieren kann.
Unterhalb der Membran ist eine Schallöffnung SO durch das Substrat SU vorgesehen, über die die Membran mit der äußeren Umgebung kommunizieren kann und Schallwellen bis zur Membran vordringen können. Membran MM und Polymerfolie PF trennen ein akustisches Frontvolumen unterhalb der Membran und ein akustisches Rückvolumen oberhalb der Membran und unter der Abdeckung MC voneinander ab.
MEMS-Sensor MS und ASIC AS können über Lötverbindungen, die beispielsweise in Form von Bumps BU ausgeführt sind, auf dem Substrat montiert sein. Über die interne Verdrahtung innerhalb des mehrschichtigen Substrats SU oder über auf der Oberfläche des Substrats SU verlaufende Leiterbahnen ist der ASIC mit dem Mikrofon-Sensor MS beziehungsweise dessen Membran MM und Rückelektrode BP verbunden. Dargestellt ist ein kapazitiver Mikrofon-Sensor mit zwei Rückelektroden BP, welcher ein differenzielles
Signal mit einer höheren Signalqualität liefert. Möglich ist es jedoch auch, nur eine einzelne Rückelektrode gegen die Membran zu schalten.
Figur 3 zeigt verschiedene Messkurven, bei denen die
Empfindlichkeit eines beispielhaften MEMS-Mikrofons gegen die anliegende Frequenz in Hertz aufgetragen ist. Die
unterschiedlichen Kurven sind bei unterschiedlichen
Betriebsparametern bestimmt.
Aus der Figur 3 wird klar, dass sich die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von den anliegenden Betriebsparametern, die stellvertretend für bestimmte Betriebszustände stehen, deutlich verschieden ist. Eine erste Kurve zeigt die
Empfindlichkeit bei minimalem Verstärkungsfaktor GFmin . Eine zweite Kurve zeigt die Empfindlichkeit bei maximalem
Verstärkungsfaktor GFmax. Eine dritte Kurve zeigt die
Empfindlichkeit bei minimaler BIAS-Spannung BVmin , während eine vierte Kurve den Verlauf der Empfindlichkeit bei
maximaler anliegender BIAS-Spannung BVmax zeigt. Es zeigt sich, dass die Empfindlichkeit über beide Betriebsparameter einstellbar ist, wobei eine Variation des Verstärkungsfaktors GF zu einer größeren maximalen Differenz Δ GFmax führt.
In ähnlicher Weise sind über die beiden beispielhaften
Betriebsparameter auch andere Mikrofoneigenschaften
einstellbar, die sich in Form von Kombinationen von Betriebsparametern definieren lassen. Beispielsweise kann das Signal-Rausch-Verhältnis SNR eingestellt werden.
Auf Grund von Produktionstoleranzen streuen die Eigenschaften von Mikrofonen innerhalb einer Charge und insbesondere von
Charge zu Charge. Figur 4 zeigt, wie innerhalb einer größeren Menge einzeln vermessener Mikrofone die Empfindlichkeiten schwanken bzw. wie unterschiedlich die Empfindlichkeiten über eine größere Anzahl Mikrofone verteilt sind.
Eine erste Verteilung 1 zeigt eine relativ breite Streuung der Empfindlichkeiten und wird z.B. direkt nach der
Herstellung einer größeren Anzahl von Mikrofonen erhalten. Eine so starke Streuung ist jedoch für ein einsetzbares
Produkt unzulässig, so dass entweder nur die Mikrofone mit geeigneten Eigenschaften ausgewählt werden können, oder eben wie bereits praktiziert, die Eigenschaften durch Kalibrierung in einen geforderten engen Bereich zurück verschoben werden. Die dargestellte Verteilung 2 ist beispielsweise das Ergebnis einer solchen Kalibrierung mit individuell eingestellten Betriebsparametern. Die dazu erforderlichen Betriebsparameter sind für jedes Mikrofon getrennt in einer genormten
akustischen Umgebung ermittelt und im internen Speicher abgelegt. Weitere alternative Betriebszustände mit jeweils anderem gewünschten Eigenschaftsprofil, beziehungsweise die dafür erforderlichen Betriebsparameter sind ebenfalls im Speicher abgelegt, so dass beispielsweise unterschiedliche Empfindlichkeiten eingestellt werden können.
Die Verteilung 2 zeigt beispielsweise die Verteilung der Empfindlichkeit über verschiedene Mikrofone, bei denen ein erster Betriebszustand eingestellt ist. Die Verteilung 3 zeigt dagegen die Empfindlichkeit derselben Mikrofone, nachdem die Mikrofone in einen zweiten Betriebszustand geschaltet und die entsprechenden diesem Betriebszustand zugeordneten Betriebsparameter am Mikrofon eingestellt sind. Damit ergibt sich beispielsweise eine niedrigere
Empfindlichkeit für die Mikrofone gemäß der Verteilung 3. Dies hat auch zur Folge, dass das Mikrofon eine geringere THD Beeinflussung bei höheren Schalldrücken besitzt. Entsprechend wie hier die Empfindlichkeit lässt sich
beispielsweise auch das Signal-Rausch-Verhalten und andere Eigenschaften des Mikrofons über geeignete Betriebsparameter für verschiedene Betriebszustände einstellen. Da die
Betriebszustände für jedes Mikrofon einzeln kalibriert sind, ergibt sich auch für die unterschiedlichen Betriebszustände über eine Vielzahl Mikrofone eine nur geringe Abweichung vom Zielwert, wie beispielsweise aus der Figur 4 klar hervorgeht.
Obwohl die Erfindung nur an einem Ausführungsbeispiel
erläutert wurde, ist sie jedoch nicht auf dieses beschränkt. Die Erfindung ist vorzugsweise auf ein kapazitiv arbeitendes MEMS-Mikrofon optimiert, ist jedoch nicht auf kapazitive Mikrofone beschränkt. Bei Mikrofonen mit anderem
Sensorprinzip können gegebenenfalls andere Betriebsparameter eingestellt werden.
Bezugs zeichenliste
1 erste Verteilung
2 zweite Verteilung
3 dritte Verteilung
AI Hilfseingang
AMP Verstärker
AS ASIC
BP Rückelektrode
BS BIAS Spannungsgenerator
BU Lötstelle
BV BIAS Spannung
CLK Clock
GF Verstärkungsfaktor
GND Masse
IM interner Speicher
Ml erster Betriebszustand/Modus
M2 zweiter Betriebszustand/Modus
M3 dritter Betriebszustand/Modus
MC Abdeckkappe
MIC MEMS Mikrofon
MM Membran
MS MEMS Sensor
OUT Mikrofonausgang
PF Polymerfolie
SM Dichtmittel
SO Schallöffnung
SU Substrat
VDD VersorgungsSpannung
W/R Schrei -/Leseeingang

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofon
mit einem ASIC (AS) und einem MEMS Sensor (MS),
bei dem der ASIC einen programmierbaren internen Speicher (IM) aufweist,
bei dem im internen Speicher Betriebsparameter entsprechend einer Mehrzahl an definierten Betriebszuständen (Ml, M2, M3) für die Ansteuerung des MEMS Sensors (MS) und/oder die
Verarbeitung des vom Sensor an den ASIC (AS) geleiteten
Signals abspeicherbar sind,
bei dem das Mikrofon über eine Ansteuerungsleitung für den ASIC in einen ausgewählten Betriebszustand geschaltet werden kann .
2. Mikrofon nach dem vorangehenden Anspruch,
bei dem der ASIC (AS) einen Verstärker umfasst
bei dem als Betriebsparameter ein Gainfaktor (GF) für einen Verstärker abgespeichert werden kann.
3. Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem der MEMS Sensor (MS) ein kapazitiver MEMS Sensor ist bei dem als Betriebsparameter eine am kapazitiven MEMS Sensor anzulegende BIAS Spannung abgespeichert werden kann.
4. Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem der interne Speicher (IM) über die Ansteuerungs¬ leitung programmierbar ausgebildet ist, um jederzeit neue oder veränderte Betriebsparameter für einen neuen oder einen veränderten Betriebszustand (M) abzuspeichern.
5. Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem das MEMS Mikrofon (MIC) äußere Umgebungsparameter erfassen kann und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der äußeren Umgebungsparameter einen dazu passenden
Betriebszustand (Mn) gemäß eines Algorithmus selbsttätig einzustellen .
6. Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
aufweisend eine Anzahl von Kontakten, die sowohl zur
Befestigung des Mikrofons als auch als elektrische Anschlüsse des Mikrofons dienen
bei dem einer der Kontakte mit der Ansteuerungs-leitung verbunden ist.
7. Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem der interne Speicher über einen äußeren Anschluss des Mikrofons beschreibbar ist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons,
bei dem eine MEMS Mikrofon (MIC) verwendet wird, das einen ASIC (AS) mit einem programmierbaren internen Speicher (IM) aufweist,
bei dem im internen Speicher auf das MEMS Mikrofon
kalibrierte Betriebsparameter für mehrere definierte
Betriebszustände (Ml, M2, M3) abgespeichert werden,
bei dem die Betriebsparameter, die zur Einstellung von gewünschten Eigenschaften des MEMS Mikrofons in verschiedenen Betriebszuständen erforderlich sind, in einem vorgelagerten Test ermittelt werden
bei dem Betriebsparameter für einen den Umgebungsparametern angepassten oder einen gewünschten Betriebszustand mittels einer Ansteuerungsleitung aus dem internen Speicher ausgelesen werden und der entsprechende Betriebszustand eingestellt wird.
9. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch,
bei dem als Betriebsparameter eine am kapazitiven MEMS Sensor (MS) anliegende BIAS Spannung zur Einstellung einer
gewünschten Empfindlichkeit im jeweiligen Betriebszustand (Ml, M2, M3) abgespeichert ist, bei dem nach Auswahl und Einstellung des gewünschten Betriebs-izustands die BIAS
Spannung entsprechend dem Betriebszustand eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als Betriebsparameter für einen Betriebs-zustand (Ml, M2, M3) jeweils ein Gainfaktor (GF) zur Einstellung einer gewünschten Signalverstärkung abgespeichert ist, bei dem nach Auswahl und Einstellung des gewünschten Betriebszustands der Gainfaktor entsprechend dem Betriebszustand eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das MEMS Mikrofon (MIC) Umgebungsparameter bestimmt, bei dem das MEMS Mikrofon für die gemessenen
Umgebungsparameter einen optimierten Betriebszustand (Ml, M2, M3) ) gemäß eines Algorithmus auswählt und automatisch oder auf manuelle Anforderung hin einstellt.
PCT/EP2017/057549 2016-03-31 2017-03-30 Mems-mikrofon und verfahren zum betrieb Ceased WO2017167879A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016105923.4 2016-03-31
DE102016105923.4A DE102016105923A1 (de) 2016-03-31 2016-03-31 MEMS-Mikrofon und Verfahren zum Betrieb

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017167879A1 true WO2017167879A1 (de) 2017-10-05

Family

ID=58461324

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