用于確定電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置和方法制造方法及圖紙

公開了用于確定電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置和方法。實施例涉及一種用于確定具有擁有可變電容的傳感器電容器的電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置。所述裝置包括測量模塊和處理器。所述測量模塊被配置為：響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第一電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第一電容的第一量，以及響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第二電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二量。所述處理器被配置為基于所確定的第一和第二量來確定所述感測設(shè)備的靈敏度。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

實施例涉及，并且更具體地說，涉及用于確定具有可變傳感器電容的電容式機電感測設(shè)備的靈敏度的裝置和方法，所述感測設(shè)備諸如硅(電容器)麥克風(fēng)和可比較壓力傳感器。
技術(shù)介紹
在也被稱為電容器麥克風(fēng)或靜電麥克風(fēng)的電容麥克風(fēng)的轉(zhuǎn)換器或其它機電壓力感測設(shè)備中，膜或膜片可以充當(dāng)傳感器電容器的一個板。壓力的變化導(dǎo)致板之間的距離的變化。根據(jù)從轉(zhuǎn)換器提取音頻信號的方法，有兩種類型的電容麥克風(fēng):DC偏置麥克風(fēng)，以及射頻(RF)或高頻(HF)電容麥克風(fēng)。對于DC偏置麥克風(fēng)來說，可以用固定的電荷來對電容器板進(jìn)行偏置。跨電容板保持的電壓隨空氣的振動而變化。對于平行板電容器來說，板的傳感器電容與板之間的距離成反比。在傳感器電容變化的時間幀內(nèi)，電荷實際上是恒定的，并且跨電容器的電壓瞬時變化以反映電容的變化。跨電容器的電壓在偏置電壓上下變化。 受制于制造公差，例如微機電系統(tǒng)(MEMS)的硅(電容器)麥克風(fēng)以及可比較壓力傳感器通常經(jīng)歷電容傳感器的靈敏度上的差異，這通常是不希望的，并且可以通過例如適當(dāng)?shù)姆糯笃鞯脑O(shè)置和/或偏置電壓的變化的適當(dāng)措施加以補償，這些措施可以施加于形成傳感器電容器的膜片與背板結(jié)構(gòu)之間。對于這種補償來說，在制造期間和/或在現(xiàn)場(例如，在上電時)、在后臺中周期性地或連續(xù)地確定傳感器的靈敏度是必要的。 例如，麥克風(fēng)或壓力傳感器的靈敏度可以通過應(yīng)用例如參考壓力的參考信號來校準(zhǔn)。然而，該概念在時間和/或測量設(shè)備方面是相對繁瑣的。因此，對于麥克風(fēng)來說通常避免該概念。 靈敏度的變化也反映在傳感器電容對偏置電壓的軌跡(course)或趨勢中。與偏置電壓相關(guān)聯(lián)的靜電力是非線性的，因為它與電容電極之間的空氣間隙厚度成平方反比關(guān)系。這產(chǎn)生了被稱為“吸合”(pull-1n)或塌陷的現(xiàn)象，該現(xiàn)象減小了膜片位移的動態(tài)范圍。如果偏置電壓超過該吸合或塌陷限度，膜片將塌陷，即粘到背板上。常規(guī)地，吸合或塌陷電壓用作靈敏度的關(guān)鍵指標(biāo)。從而塌陷電壓表示在該處傳感器容量迅速增加的偏置電壓。 可以通過記錄容量值對相應(yīng)的偏置電壓的一系列測量來確定吸合電壓。吸合電壓確定的精度自然取決于相鄰測量點的距離。在實踐中，高精度需要相對大量的測量點和相應(yīng)長的測量/校準(zhǔn)時間，因為由于制造公差，尋找吸合電壓的范圍可能會相對較大。 用于確定吸合電壓的另一個傳統(tǒng)方法是將坡狀偏置電壓施加到傳感器和電阻器的串聯(lián)電路。只要偏置電壓低于吸合電壓，則通過電阻器的電流是相對恒定的。然而，一旦偏置電壓超過傳感器的吸合電壓，則其膜片就塌陷。傳感器的電容的相關(guān)的快速增加產(chǎn)生電流脈沖，可以直接地或以跨電阻器的電壓的形式對該電流脈沖進(jìn)行評估。該概念具有以下缺點:機械時間常數(shù)(例如，膜片的質(zhì)量、彈簧常數(shù)、機械和/或聲學(xué)衰減、殼體的體積等)和電氣時間常數(shù)(例如，偏置電壓的增加、傳感器的容量、電阻等)影響測量，并且因此妨礙吸合電壓的精確確定。 因此，期望提供用于確定諸如電容麥克風(fēng)和可比較壓力傳感器的電容式傳感器的靈敏度的改進(jìn)的概念。
技術(shù)實現(xiàn)思路
根據(jù)一個方面，實施例提供了一種用于確定具有擁有可變電容的傳感器電容器的電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置。所述裝置包括測量模塊，其被配置為:響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第一電輸入信號，確定指不所述傳感器電容器的第一電容的第一量，以及響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第二電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二量。所述裝置還包括處理器，所述處理器被配置為基于所確定的第一和第二量來確定所述感測設(shè)備的靈敏度。 在一些實施例中，所述電容式感測設(shè)備可以包括由所述感測設(shè)備的膜片和背板結(jié)構(gòu)形成的傳感器電容器。從而，例如，電輸入信號可以是或者取決于跨所述傳感器電容器的偏置電壓。因此，根據(jù)另一個方面，實施例提供了用于確定具有擁有可變電容的傳感器電容器的電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置，其中，所述傳感器電容器由膜片和背板形成。所述裝置包括測量電路，所述測量電路被配置為:響應(yīng)于施加于所述傳感器電容器的第一偏置電壓來確定指示所述膜片與所述背板之間的第一傳感器電容的第一量，以及響應(yīng)于施加于所述傳感器電容器的第二偏置電壓來確定指示所述膜片與所述背板之間的第二傳感器電容的第二量。另外，所述裝置包括處理器，所述處理器被配置為基于第一和第二傳感器電容之間的差異來確定所述感測設(shè)備的靈敏度。 根據(jù)再另一個方面，實施例提供了一種用于確定具有擁有可變電容的傳感器電容器的電容式感測設(shè)備的靈敏度的方法。所述方法包括用于響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第一電輸入信號，確定指不所述傳感器電容器的第一電容的第一量的步驟。所述方法還包括用于響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第二電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二量的步驟。基于所確定的第一和第二量(或它們的差異)，可以在進(jìn)一步的步驟中確定所述感測設(shè)備的靈敏度。 一些實施例包括安裝在用于執(zhí)行所述方法的至少一些步驟的裝置內(nèi)的數(shù)字控制電路。需要對例如數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)或通用計算機的此類數(shù)字控制電路相應(yīng)地進(jìn)行編程。因此，再另外的實施例還提供了計算機程序，所述計算機程序具有用于當(dāng)所述計算機程序在可編程硬件設(shè)備上執(zhí)行時執(zhí)行所述方法的實施例的程序代碼。 【附圖說明】 下面將僅通過舉例的方式，并且參照附圖來描述裝置和/或方法的一些實施例，在附圖中:圖1描繪了示出MEMS麥克風(fēng)在傳感器靈敏度方面的制造公差的柱狀圖；圖2a示出了根據(jù)一個實施例的、用于確定電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置；圖2b示出了包括由膜片和背板結(jié)構(gòu)形成的傳感器電容器的電容式感測設(shè)備的實施例；圖3示出了與兩個不同的傳感器靈敏度相對應(yīng)的傳感器電容(膜電容)對偏置電壓的兩個曲線；圖4示出了針對多個測量和不同對偏置電壓的傳感器電容差異與相對靈敏度之間的多項式對應(yīng)；圖5a示出了不同硅麥克風(fēng)的傳感器電容對偏置電壓；圖5b示出了使用相應(yīng)相對靈敏度的平方根縮放的圖5a的不同硅麥克風(fēng)的傳感器電容對偏置電壓；圖6示出了在兩個不同電荷處的相對靈敏度對傳感器電容差異(使用曲線擬合多項式)；圖7示出了基于兩個不同電荷處的電容差異、使用相應(yīng)相對靈敏度的平方根縮放的不同娃麥克風(fēng)的傳感器電容對偏置電壓；圖8a_8c示出了用于確定作為第一和第二測量量的電壓的測量模塊的各個示例性實施例；以及圖9示出了根據(jù)一個實施例的、用于確定電容式感測設(shè)備的靈敏度的方法的流程圖。【具體實施方式】 現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述各個示例實施例，在附圖中示出了一些示例實施例。在這些圖中，為了清楚起見，可以放大線、層和/或區(qū)域的厚度。 因此，示例實施例雖然能夠具有各種修改和替換形式，但它們的實施例作為舉例在圖中示出并且將在本文中進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該理解的是，沒有意圖將示例實施例限制為所公開的特定形式，而是相反，示例實施例將覆蓋落入實施例的范圍之內(nèi)的所有修改、等同物和替代物。在貫穿附圖的描述中，相同的數(shù)字指代相同或相似的元件。 將理解的是，當(dāng)元件被稱為“連接”或“耦接”到另一個元件時，其可以直接連接或耦接到另一個元件或可以存在中間元件。相反，當(dāng)元件被稱為“直接連接”或“直接耦接”到另一個元件時，不存在中間元件。應(yīng)該以類似的方式來解釋用于描述元件之間關(guān)系的其它詞語(例如，“之間”對本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種用于確定具有擁有可變電容的傳感器電容器的電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置，所述裝置包括：測量模塊，其被配置為：響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第一電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第一電容的第一量，以及響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第二電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二量；以及處理器，其被配置為：基于所確定的第一和第二量來確定所述感測設(shè)備的靈敏度。

【技術(shù)特征摘要】
2013.03.15 US 13/8365791.一種用于確定具有擁有可變電容的傳感器電容器的電容式感測設(shè)備的靈敏度的裝置，所述裝置包括: 測量模塊，其被配置為:響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第一電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第一電容的第一量，以及響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第二電輸入信號，確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二量；以及 處理器，其被配置為:基于所確定的第一和第二量來確定所述感測設(shè)備的靈敏度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述處理器被配置為:基于所確定的第一和第二量來確定所述第一電容和所述第二電容之間的差異，并且基于所述電容差異來確定所述靈敏度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述處理器被配置為:使用所述靈敏度與第一和第二傳感器電容之間的差異之間的函數(shù)關(guān)系，基于所述第一量和所述第二量或它們的差異，來確定所述靈敏度。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述函數(shù)關(guān)系是根據(jù)第一和第二傳感器電容之間的差異構(gòu)造的多項式。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述測量模塊包括LCR測量儀，所述LCR測量儀被配置為:響應(yīng)于所述第一電輸入信號來確定所述傳感器電容器的第一阻抗，并且響應(yīng)于所述第二電輸入信號來確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二阻抗，以及基于所述第一阻抗和所述第二阻抗來確定第一和第二傳感器電容。6.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的裝置，其中，所述測量模塊被配置為:基于施加于所述傳感器電容器的第一偏置電壓來確定所述第一量，并且基于施加于所述傳感器電容器的不同的第二偏置電壓來確定所述第二量。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述測量模塊被配置為:選擇所述第一偏置電壓和所述第二偏置電壓使二者都小于所述電容式感測設(shè)備的吸合電壓，其中所述吸合電壓表示在該處所述傳感器電容器塌陷的偏置電壓。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述測量模塊被配置為:選擇所述第一偏置電壓和所述第二偏置電壓，使得所述第一偏置電壓和所述第二偏置電壓之間的差異至少為0.5 V。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述測量模塊包括具有輸入端子和輸出端子的放大器，其中，所述傳感器電容器的輸出端子耦接到所述放大器的輸入端子，并且其中反饋電容器耦接在所述放大器的輸出和輸入端子之間。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述放大器是反相放大器，其中，所述放大器的輸入端子是反相輸入端子，并且其中，所述放大器的非反相輸入端子耦接到電接地。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述測量模塊被配置為:將第一偏置電壓施加于所述傳感器電容器的輸入端口，并且測量在所述放大器的輸出端子處引起的第一輸出電壓，并且隨后向所述傳感器電容器的輸入端口施加第二偏置電壓，并且測量在所述放大器的輸出端子處引起的第二輸出電壓，并且基于所述第一偏置電壓和所述第二偏置電壓以及所述第一輸出電壓和所述第二輸出電壓來確定傳感器電容差異。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述測量模塊或所述處理器被配置為基于AC = Cf * (Vout I/Yb 1- Vout2/Vb2)來確定傳感器電容差異Λ C，其中，Cf表示所述反饋電容器的電容，Voutl表不所述第一輸出電壓,Vbl表不所述第一偏置電壓,Vout2表不所述第二輸出電壓，并且Vb2表示所述第二偏置電壓。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述測量模塊被配置為:基于施加于所述傳感器電容器的第一電荷來確定所述第一量，并且基于施加于所述傳感器電容器的不同的第二電荷來確定所述第二量。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：A韋斯鮑爾，CB武爾青格，
申請(專利權(quán))人：英飛凌科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：德國;DE