MEMS麦克风和用于MEMS麦克风的自校准的方法技术

在电容性工作的MEMS麦克风中，通过改变偏置电压确定吸合点并且在此确定当前的吸合电压和在膜片与背电极之间的相应的吸合电容。由当前的吸合点与第一吸合点的在最终测试之后所确定的并且被保存在MEMS麦克风的内部存储器中的值和在第一工作点处的同样被保存的值的偏差确定并设定被重新校准的偏置电压，并且由此使灵敏度又逼近在原始第一工作点处的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MEMS麦克风和用于MEMS麦克风的自校准的方法
技术介绍
电容性工作的MEMS麦克风具有MEMS传感器，所述MEMS传感器的记录声音的膜片与一个或两个相邻的背电极构成电容。该电容根据偏转而变化。由所测量到的电容变化在ASIC中计算并放大电压，所述电压是声信号的度量。为了设定所期望的灵敏度，在MEMS传感器处在膜片与背电极之间施加偏置（BIAS）电压，以便以电学的方式对膜片预加应力。偏置电压也可以被用于使MEMS麦克风与确定的环境或那里存在的条件匹配。由于制造公差，MEMS麦克风可能具有其固有特性的偏差。对于高品质的MEMS麦克风而言，因此MEMS麦克风的校准是绝对必要的。可是甚至良好地被校准的MEMS麦克风也可能具有老化，在老化的情况下灵敏度根据环境影响、尤其机械、热力和湿气作用即使在偏置电压未改变的情况下也变化。这可能达到与所期望的值的不允许的偏差。然而，至今，用于重新校准这样老化的MEMS麦克风并且重新设定所期望的灵敏度的方法是未知的，因为这需要已知的声环境和被校准的参考麦克风。这在麦克风在用户处正常运行中或在安装到设备或其他电路环境中不可用。
技术实现思路
本专利技术的任务因此是，说明一种MEMS麦克风，利用该MEMS麦克风可以执行用于在任意环境中的事后校准的方法。该任务根据本专利技术通过根据两个独立权利要求所述的MEMS麦克风和用于自校准的方法来解决。本专利技术的有利的设计方案由其他权利要求得知。本专利技术的基本思想是，将MEMS传感器的在膜片与背电极之间施加的电容用作麦克风的灵敏度的度量。相同的原理虽然利用其他变换类型（电容、电压、电流、电荷）也起作用，然而有利地使用电容变化。通常仅仅在限定的声环境中实现由电容确定MEMS麦克风的灵敏度的绝对值。然而，利用相对简单的装置可能的是，在任何时刻确定MEMS传感器的吸合电压。这是如下电压，在该电压的情况下膜片和背电极通过电预应力和因此还有机械预应力逼近到如下程度，即发生直接接触。这要么导致短路要么导致在吸合点处电容的明显增加。为了重新校准现在提出，比较在吸合点处的测量值与最初在最终测试中确定的针对第一吸合点和原始吸合点的测量值的偏差。由此得出不仅吸合电压、即偏置电压（在该电压的情况下出现吸合）的漂移，而且得出在吸合点处所测量到的电容或在直到现在的偏置设定与直接在吸合之前的偏置设定之间的电容变化的偏差。这些测量值和所存储的来自最终测试的值现在用于确定新的工作点，在该工作点处吸合点关于吸合电压和确定的吸合电容的漂移被补偿。作为第一补偿分量可以使用吸合电压的绝对漂移。该漂移被增加到直到现在的工作电压上。在吸合电容的漂移方面，如下电压差用作第二加性补偿分量，该电压差应是必要的，以便补偿吸合点在最终测试的时刻所测量到的电容漂移，所述最终测试在限定的声环境中直接在制造MEMS麦克风之后被执行。为了确定该电压差，因此动用在最终测试中所存储的针对第一吸合点和第一工作点的测量值。由示出电容与施加的偏置电压的依赖性的曲线图的斜率现在内推到老化的MEMS传感器的特性。斜率可以由连接第一吸合点和第一工作点的直线来确定。用于补偿电容漂移的电压差用作其他加性补偿分量。因此，针对新工作点被重新校准的偏置电压通过将直到现在的工作电压和两个补偿分量相加来获得。为了精确地执行该方法，逐步地提高在MEMS麦克风处施加的偏置电压，直至达到当前的吸合点并且确定了MEMS麦克风的当前的吸合电压Vpa和相应的当前的吸合电容Cpa。这两个测量值可以在任意时刻并且在任意位置处并且因此在MEMS麦克风运行期间在任意阶段中可靠地被确定。当前的吸合点的这些值现在与固定地在ASIC的内部存储器中存放的来自最终测试的测量值进行比较。所存储的测量值至少包括原始吸合电压、吸合电容以及在工作点处的偏置电压（第一工作电压VS1）和相关的工作电容（第一工作电容CS1）。由这些已知的值现在确定：施加的偏置电压必须如何被改变，以便实现吸合电容与第一工作电容之间的电容差。紧接着，将施加的第一工作电压VS1提高（或必要时降低）校正值并且设定为新的工作电压VSneu。吸合例如借助灵敏度测量来证实。不断地提高偏置电压并且针对每个点确定灵敏度。在吸合的情况下，这得出灵敏度跃变（即使在其他麦克风转换器类型：电容、电流、电压、电荷的情况下也存在这种跃变）。在跃变中所测量到的灵敏度和偏置电压可以与所期望的灵敏度和偏置电压一起被用于校准。为了检验该方法的效率或精确性，在一系列老化的麦克风中执行根据本专利技术的方法。与之并行地，通过在标准化的声环境中的测试来检验实际灵敏度。在该测试中表明：关于所有被测试的麦克风最初所设定的灵敏度从最初所测量到的-38+/-0.05dBV/Pa由于老化而改变并且灵敏度现在散布在-38+/-1.97dBV/Pa的范围中。与所设定的灵敏度的偏差或这样的测量值公差明显太高。在借助所提到的灵敏度测量执行根据本专利技术的自校准算法之后，与所期望的灵敏度的偏差明显被减小并且现在仅还为-38+/-0.31dBV/Pa。虽然不再获得原始灵敏度或与所期望的灵敏度的原始的小的偏差，但明显减小与所期望的灵敏度的偏差。因此证明根据本专利技术的方法的有效性。麦克风的成功校准的前提是在MEMS麦克风的ASIC中所保存的在限定的条件下所执行的最终测试的值。在最终测试期间，确定第一吸合电压VP1，其方式是：在以限定的步长提高偏置电压期间，不断地确定MEMS传感器处的电容。与之并行地，经由标准化的测量环境确定灵敏度。由测量值识别，针对所期望的灵敏度应设定哪个工作电压。在所期望的灵敏度的情况下所确定的电容值（第一工作电容CS1）被取作所期望的灵敏度的替代值并且被存放在ASIC的内部存储器中。相应地，保存在吸合点处的电容和偏置电压。由在最终测试期间在工作点与吸合点之间的测量曲线的斜率获得如下值，所述值被需要用于补偿在吸合点处被改变的电容（当前的吸合电容）。用于自校准的方法可以任意多次地被重复。然而在此始终动用所存储的来自最终测试的第一值，以便进行相应的重新校准。可以丢弃来自先前进行的重新校准的相应的测量值。适合于重新逼近所期望的灵敏度的被重新校准的偏置电压VSneu例如可以根据如下公式来计算：VSneu=VS1-(VP1-VP2)+(CP1-CP2)x(VP1-VP2)/(CP1-CP2)在此，值（VP1-VP2）对应于吸合点的电压漂移，而值（CP1-CP2）对应于吸合点的电容漂移。由（VP1-VP2）和（CP1-CP2）构成的商在此对应于来自最终测试的测量曲线的斜率，所述斜率说明确定的电容与施加的偏置电压的依赖性。如果校准方法代替电容值而利用灵敏度、电感、电流、电压或电荷，则该公式类似地被变形。重新校准或自校准可以被执行多次。作为用于重新校准的触发器可以使用确定的规则，所述规则检测确定的声或热应力负荷的达到。然而，也可能的是，以固定的时间间隔执行重新校准。替代地，当然随时都可以由用户触发重新校准。如果麦克风遭受强机械负荷或强热负荷并且可以预料到特性漂移，那么这将被指明。当使用易失性存储器时，重新校准或自校准可以替代地或附加地在每次重新启动设备时被执行，于是最后的校准的值从该易失性存储器中被删除。不仅在最终测试中而且在每次重新校准期间，逐步地提高施加在MEMS传感器处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于重新校准电容性工作的MEMS麦克风（MIC）的方法，其中逐步地提高在所述MEMS麦克风处施加的偏置电压，以便确定在所述MEMS麦克风的吸合点处的当前的吸合电压VPa和相应的吸合电容CPa或与所述偏置电压的当前的提高相联系的电容变化，其中由当前的吸合点与第一吸合点的在最终测试之后所确定的并且被保存在所述MEMS麦克风的内部存储器（IM）中的值和第一工作点的值CS1、VS1的偏差确定并且设定被重新校准的偏置电压VSneu，以便由此使灵敏度又逼近最初在所述第一工作点处所设定的灵敏度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.31 DE 102016105904.81.用于重新校准电容性工作的MEMS麦克风（MIC）的方法，其中逐步地提高在所述MEMS麦克风处施加的偏置电压，以便确定在所述MEMS麦克风的吸合点处的当前的吸合电压VPa和相应的吸合电容CPa或与所述偏置电压的当前的提高相联系的电容变化，其中由当前的吸合点与第一吸合点的在最终测试之后所确定的并且被保存在所述MEMS麦克风的内部存储器（IM）中的值和第一工作点的值CS1、VS1的偏差确定并且设定被重新校准的偏置电压VSneu，以便由此使灵敏度又逼近最初在所述第一工作点处所设定的灵敏度。2.根据上一权利要求所述的方法，其中直接在制造所述MEMS麦克风（MIC）之后执行所述最终测试，包括：-确定第一吸合电压VP1，-通过将所述偏置电压改变到第一工作电压VS1，根据所述MEMS麦克风的所期望的灵敏度设定工作点，-在所述第一吸合电压VP1的情况下确定所述MEMS麦克风的第一吸合电容CP1并且在所述第一工作电压VS1的情况下确定第一工作电容CS1或替代地确定所观测的值的相应的变化，在所述吸合点处的与所述偏置电压的当前的提高相联系的电容变化，-将值CS1、VS1、CP1和VP1存储在所述MEMS麦克风的内部存储器（IM）中，其中在将所述MEMS麦克风安装到电路环境中之后执行首次重新校准。3.根据上述权利要求之一所述的方法，其中所述被重新校准的偏置电压VSneu根据如下公式来计算：VSneu=VS1-(VP1-VP2)+(CP1-CP2)*(VP1-VP2)/(CP1-CP2)。4.根据上述权利要求之一所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：S瓦尔泽，C西格尔，M温特，
申请(专利权)人：TDK株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP