用于確定電容式感測(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】公開(kāi)了用于確定電容式感測(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置和方法。實(shí)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(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置。所述裝置包括測(cè)量模塊和處理器。所述測(cè)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(hào)，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(hào)，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(lái)確定所述感測(cè)設(shè)備的靈敏度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于確定電容式感測(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]實(shí)施例涉及用于確定電容式感測(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置和方法，并且更具體地說(shuō)，涉及用于確定具有可變傳感器電容的電容式機(jī)電感測(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置和方法，所述感測(cè)設(shè)備諸如硅(電容器)麥克風(fēng)和可比較壓力傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]在也被稱(chēng)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(jī)電壓力感測(cè)設(shè)備中，膜或膜片可以充當(dāng)傳感器電容器的一個(gè)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(hào)的方法，有兩種類(lèi)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(duì)于DC偏置麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)，可以用固定的電荷來(lái)對(duì)電容器板進(jìn)行偏置。跨電容板保持的電壓隨空氣的振動(dòng)而變化。對(duì)于平行板電容器來(lái)說(shuō)，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(shí)間幀內(nèi)，電荷實(shí)際上是恒定的，并且跨電容器的電壓瞬時(shí)變化以反映電容的變化?？珉娙萜鞯碾妷涸谄秒妷荷舷伦兓?br> [0003]受制于制造公差，例如微機(jī)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(guò)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(bǔ)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(duì)于這種補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，在制造期間和/或在現(xiàn)場(chǎng)(例如，在上電時(shí))、在后臺(tái)中周期性地或連續(xù)地確定傳感器的靈敏度是必要的。
[0004]例如，麥克風(fēng)或壓力傳感器的靈敏度可以通過(guò)應(yīng)用例如參考?jí)毫Φ膮⒖夹盘?hào)來(lái)校準(zhǔn)。然而，該概念在時(shí)間和/或測(cè)量設(shè)備方面是相對(duì)繁瑣的。因此，對(duì)于麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)通常避免該概念。
[0005]靈敏度的變化也反映在傳感器電容對(duì)偏置電壓的軌跡(course)或趨勢(shì)中。與偏置電壓相關(guān)聯(lián)的靜電力是非線(xiàn)性的，因?yàn)樗c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(chēng)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(dòng)態(tài)范圍。如果偏置電壓超過(guò)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。
[0006]可以通過(guò)記錄容量值對(duì)相應(yīng)的偏置電壓的一系列測(cè)量來(lái)確定吸合電壓。吸合電壓確定的精度自然取決于相鄰測(cè)量點(diǎn)的距離。在實(shí)踐中，高精度需要相對(duì)大量的測(cè)量點(diǎn)和相應(yīng)長(zhǎng)的測(cè)量/校準(zhǔn)時(shí)間，因?yàn)橛捎谥圃旃睿瑢ふ椅想妷旱姆秶赡軙?huì)相對(duì)較大。
[0007]用于確定吸合電壓的另一個(gè)傳統(tǒng)方法是將坡?tīng)钇秒妷菏┘拥絺鞲衅骱碗娮杵鞯拇?lián)電路。只要偏置電壓低于吸合電壓，則通過(guò)電阻器的電流是相對(duì)恒定的。然而，一旦偏置電壓超過(guò)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(duì)該電流脈沖進(jìn)行評(píng)估。該概念具有以下缺點(diǎn):機(jī)械時(shí)間常數(shù)(例如，膜片的質(zhì)量、彈簧常數(shù)、機(jī)械和/或聲學(xué)衰減、殼體的體積等)和電氣時(shí)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(cè)量，并且因此妨礙吸合電壓的精確確定。
[0008]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。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)一個(gè)方面，實(shí)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(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置。所述裝置包括測(cè)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(hào)，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(hào)，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(lái)確定所述感測(cè)設(shè)備的靈敏度。
[0010]在一些實(shí)施例中，所述電容式感測(cè)設(shè)備可以包括由所述感測(cè)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(hào)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(gè)方面，實(shí)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(cè)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(cè)量電路，所述測(cè)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(lái)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(lái)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(lái)確定所述感測(cè)設(shè)備的靈敏度。
[0011]根據(jù)再另一個(gè)方面，實(shí)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(cè)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(hào)，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(hào)，確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二量的步驟?；谒_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(cè)設(shè)備的靈敏度。
[0012]一些實(shí)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(duì)例如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、專(zhuān)用集成電路(ASIC)或通用計(jì)算機(jī)的此類(lèi)數(shù)字控制電路相應(yīng)地進(jìn)行編程。因此，再另外的實(shí)施例還提供了計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序具有用于當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在可編程硬件設(shè)備上執(zhí)行時(shí)執(zhí)行所述方法的實(shí)施例的程序代碼。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]下面將僅通過(guò)舉例的方式，并且參照附圖來(lái)描述裝置和/或方法的一些實(shí)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(gè)實(shí)施例的、用于確定電容式感測(cè)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(cè)設(shè)備的實(shí)施例；
圖3示出了與兩個(gè)不同的傳感器靈敏度相對(duì)應(yīng)的傳感器電容(膜電容)對(duì)偏置電壓的兩個(gè)曲線(xiàn)；圖4示出了針對(duì)多個(gè)測(cè)量和不同對(duì)偏置電壓的傳感器電容差異與相對(duì)靈敏度之間的多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)；
圖5a示出了不同硅麥克風(fēng)的傳感器電容對(duì)偏置電壓；
圖5b示出了使用相應(yīng)相對(duì)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(duì)偏置電壓；
圖6示出了在兩個(gè)不同電荷處的相對(duì)靈敏度對(duì)傳感器電容差異(使用曲線(xiàn)擬合多項(xiàng)式)；
圖7示出了基于兩個(gè)不同電荷處的電容差異、使用相應(yīng)相對(duì)靈敏度的平方根縮放的不同娃麥克風(fēng)的傳感器電容對(duì)偏置電壓；
圖8a_8c示出了用于確定作為第一和第二測(cè)量量的電壓的測(cè)量模塊的各個(gè)示例性實(shí)施例；以及
圖9示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的、用于確定電容式感測(cè)設(shè)備的靈敏度的方法的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0014]現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述各個(gè)示例實(shí)施例，在附圖中示出了一些示例實(shí)施例。在這些圖中，為了清楚起見(jiàn)，可以放大線(xiàn)、層和/或區(qū)域的厚度。
[0015]因此，示例實(shí)施例雖然能夠具有各種修改和替換形式，但它們的實(shí)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(méi)有意圖將示例實(shí)施例限制為所公開(kāi)的特定形式，而是相反，示例實(shí)施例將覆蓋落入實(shí)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。
[0016]將理解的是，當(dāng)元件被稱(chēng)為“連接”或“耦接”到另一個(gè)元件時(shí)，其可以直接連接或耦接到另一個(gè)元件或可以存在中間元件。相反，當(dāng)元件被稱(chēng)為“直接連接”或“直接耦接”到另一個(gè)元件時(shí)，不存在中間元件。應(yīng)該以類(lèi)似的方式來(lái)解釋用于描述元件之間關(guān)系的其它詞語(yǔ)(例如，“之間”對(duì)“直接在……之間”，“相鄰”對(duì)“直接相鄰”等)。
[0017]本文中使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施例的目的，而不是意在限制示例實(shí)施例。如本文中所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。還將理解的是，當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包含(comprises)”、"包含(comprising)”、“包括”(includes)和/或“包括(including)”指定所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組的存在或添加。
[0018]除非另有定義，否則本文中使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與示例實(shí)施例所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常所理解的相同的含義。還將理解的是，例如那些在常用字典中定義的術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被解釋為具有與它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的上下文中的含義一致的含義，并且將不會(huì)以理想化或過(guò)于形式化的意義來(lái)對(duì)其進(jìn)行解釋?zhuān)窃诒疚闹忻鞔_地如此定義。
[0019]在正常操作期間，可以向例如MEMS轉(zhuǎn)換器的電容式感測(cè)設(shè)備提供膜片與背板結(jié)構(gòu)之間的DC偏置電壓的。電容式感測(cè)設(shè)備的靈敏度可以通過(guò)傳感器電容對(duì)偏置電壓的軌跡來(lái)反映。定義傳感器的靈敏度的特征點(diǎn)可以是所謂的吸合電壓(Vp)或塌陷電壓。該特征電壓表示在該處傳感器電容迅速增加的偏置電壓。當(dāng)在其操作期間施加恒定的偏置電壓時(shí)，吸合電壓由膜片與背板結(jié)構(gòu)之間的吸引力引起。其值主要由膜片的彈簧恢復(fù)力確定。
[0020]以高產(chǎn)量生產(chǎn)MEMS轉(zhuǎn)換器的問(wèn)題在于:MEMS麥克風(fēng)膜片的柔度(compliance)或張力根據(jù)多個(gè)難以準(zhǔn)確控制的制造參數(shù)而變化。硅晶圓的物理或機(jī)械參數(shù)(諸如，例如，機(jī)械剛度、電阻、晶體管的電導(dǎo)等)的絕對(duì)值可以很容易地變化±20%或更多。MEMS電容式傳感器的其它物理參數(shù)也可以發(fā)生變化，例如，膜片面積、空氣間隙的高度(即膜片與背板之間的距離)等。MEMS轉(zhuǎn)換器的空氣間隙高度通?？梢允?至10 Mm或更小。MEMS麥克風(fēng)的小尺寸對(duì)于可以如何調(diào)節(jié)DC偏置電壓以補(bǔ)償非標(biāo)稱(chēng)聲學(xué)靈敏度施加了嚴(yán)格的限制。將DC偏置電壓調(diào)節(jié)到較高的值可以導(dǎo)致塌陷閾值移動(dòng)到可接受的低值。
[0021]圖1示例性地描繪了示出MEMS轉(zhuǎn)換器在傳感器靈敏度方面的制造公差的示例的柱狀圖100?？梢詮膱D1中看出:由于特定類(lèi)型的MEMS硅電容麥克風(fēng)的制造公差，吸合電壓(Vp)可以從大約4.5 V變化到大約8 V。如在本說(shuō)明書(shū)的介紹部分中已經(jīng)說(shuō)明的那樣，存在用于確定麥克風(fēng)的或傳感器的吸合電壓，從而確定其靈敏度的各種常規(guī)的方法或概念。
[0022]然而，實(shí)施例提出了用于確定諸如電容式麥克風(fēng)或壓力傳感器的電容式傳感器或轉(zhuǎn)換器設(shè)備的靈敏度的新穎的概念，其不需要找出傳感器的個(gè)體的吸合電壓值。取而代之的是，實(shí)施例使得通過(guò)在施加于該傳感器的兩個(gè)不同的電輸入信號(hào)處執(zhí)行兩個(gè)電容測(cè)量來(lái)確定傳感器或轉(zhuǎn)換器的靈敏度。從而，這兩個(gè)電輸入信號(hào)可以是定義該傳感器或轉(zhuǎn)換器的操作點(diǎn)的電信號(hào)，諸如(偏置)電壓、電流和/或電荷。具體而言，根據(jù)實(shí)施例，電輸入信號(hào)可以是DC信號(hào)。基于這兩個(gè)電容測(cè)量之間的差異，可以確定傳感器或轉(zhuǎn)換器的靈敏度。
[0023]因此，在實(shí)施例中，不需要繁瑣的對(duì)吸合電壓的確定。與用于確定傳感器的靈敏度的常規(guī)概念相對(duì)比，實(shí)施例(至少實(shí)施例中的一些)允許減少的測(cè)量或校準(zhǔn)時(shí)間。此外，因?yàn)閭鞲衅麟娙莶町惢蛑甘驹摬町惖牧康慕?，所以測(cè)量建立中的寄生電容不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0024]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2a，示意性地示出了用于確定具有擁有可變電容Cs的傳感器電容器212的電容式感測(cè)設(shè)備210的靈敏度的裝置200。
[0025]裝置200包括測(cè)量模塊220，其被配置為或可操作用于確定指示傳感器電容器212的第一電容的第一測(cè)量量。測(cè)量模塊220被配置為響應(yīng)于第一電輸入信號(hào)提供第一測(cè)量量，可以經(jīng)由端子214將該第一電輸入信號(hào)提供給感測(cè)設(shè)備210或其傳感器電容器212。第一測(cè)量量指不傳感器電容器212的第一電容。從而，第一電容值可以取決于第一電輸入信號(hào)?？梢越?jīng)由端子216、218中的至少一個(gè)端子向測(cè)量模塊220提供第一測(cè)量量。進(jìn)一步地，測(cè)量模塊220被配置為響應(yīng)于經(jīng)由端子214饋送到感測(cè)設(shè)備212或其傳感器電容器212的第二電輸入信號(hào)來(lái)確定第二測(cè)量量，第二測(cè)量量指示傳感器電容器212的第二電容。第二電容值可以取決于第二電輸入信號(hào)。裝置200還包括處理器240，該處理器240耦接到測(cè)量模塊220并且被配置為基于所確定的第一和第二測(cè)量量或基于它們的差異來(lái)確定感測(cè)設(shè)備210的靈敏度242。
[0026]總的來(lái)說(shuō)，由測(cè)量模塊220得到的測(cè)量量可以是電氣量，諸如復(fù)阻抗、電流、電壓和/或電荷。同樣，第一和第二電輸入信號(hào)可以是用于調(diào)節(jié)可變傳感器電容器212的操作點(diǎn)的電信號(hào)。例如，在一些實(shí)施例中，第一和第二操作信號(hào)可以是或者取決于第一和第二偏置電壓。在其它實(shí)施例中，第一和第二電輸入信號(hào)可以是電荷，具體而言，由施加于傳感器電容器的(開(kāi)關(guān))電流生成的電荷。不管操作信號(hào)是電壓還是電流，第一和第二電輸入信號(hào)引起被傳輸?shù)絺鞲衅麟娙萜?12以便將其調(diào)節(jié)到第一和第二操作點(diǎn)的第一和第二電荷。
[0027]觀(guān)察圖2b，其示出了第一和第二操作信號(hào)可以分別導(dǎo)致膜片212a的不同偏轉(zhuǎn)，并因此導(dǎo)致傳感器電容器212的不同的電容Cs。在一些實(shí)施例中，電容式感測(cè)設(shè)備210可以是MEMS電容式感測(cè)設(shè)備，諸如，例如，MEMS電容麥克風(fēng)或MEMS壓力傳感器。在這種情況下，見(jiàn)圖2b，傳感器電容器212可以由電容式感測(cè)設(shè)備210的膜或膜片212a以及背板結(jié)構(gòu)212b形成。從而，膜片212a可以由各種膜片材料制造，包括例如氮化硅、多晶硅、鋁和聚酰胺。DC偏置電壓Vb形式的電輸入信號(hào)(或操作信號(hào))可以施加于傳感器電容器212。響應(yīng)于膜片212a上的壓力Pb (例如,聲壓),膜片可以向背板212b偏轉(zhuǎn)。由于用作可變傳感器電容器212的一個(gè)電極的膜片212a的偏轉(zhuǎn)，傳感器電容Cs改變或變化。傳感器電容Cs和膜片212a與背板212b之間的距離成反比。因此，由于空氣壓力的振動(dòng)，跨傳感器電容器212的電壓在偏置電壓Vb上下改變。
[0028]參照?qǐng)D2b，一些實(shí)施例還提供了用于確定電容式感測(cè)設(shè)備210的靈敏度的裝置200。電容式感測(cè)設(shè)備201被配置為具有傳感器電容器212，傳感器電容器212具有可變電容Cs，其中，傳感器電容器212由膜片212a和背板212b形成。如圖2a中所示，裝置200包括測(cè)量電路220，測(cè)量電路220被配置為確定指示圖2b中示出的膜片212a與背板212b之間的第一傳感器電容Csl的第一測(cè)量量，以及確定指示圖2b中示出的膜片212a與背板212b之間的第二傳感器電容Cs2的第二測(cè)量量。第一測(cè)量量是響應(yīng)于施加于傳感器電容器212的第一偏置電壓Vbl而確定的。第二測(cè)量量是響應(yīng)于施加于傳感器電容器212的第二偏置電壓Vb2而確定的。如上所示，裝置200包括處理器240，處理器240被配置為基于所述第一和第二傳感器電容Csl、Cs2之間的差異ACs來(lái)確定感測(cè)設(shè)備210的靈敏度。
[0029]可以通過(guò)大量或大批量生產(chǎn)來(lái)制造MEMS轉(zhuǎn)換器設(shè)備。在這種情況下，測(cè)量模塊220可以包括用于確定分別指示第一和第二傳感器電容Csl、Cs2的第一和第二量的所謂的LCR測(cè)量?jī)x。這種LCR測(cè)量?jī)x通常可以在大量生產(chǎn)期間用于工廠(chǎng)測(cè)試和/或校準(zhǔn)。LCR測(cè)量?jī)x(電感(L)、電容(C)和電阻(R))是一件電子測(cè)試設(shè)備，其可以用于直接或間接地測(cè)量組件的電感、電容和電阻。簡(jiǎn)言之，LCR測(cè)量?jī)x還可以用于確定被測(cè)設(shè)備(DUT)的復(fù)阻抗。出于該目的，DUT可以經(jīng)受交流電壓源。該測(cè)量?jī)x可以對(duì)跨DUT的電壓和通過(guò)DUT的電流進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)這些電壓和電流的比，測(cè)量?jī)x可以確定阻抗的大小。還可以測(cè)量電壓與電流之間的相位角。結(jié)合阻抗，處理器240可以分別計(jì)算DUT在兩個(gè)不同的電輸入信號(hào)處的等效電容Csl、Csl。如同下面將要更加詳細(xì)解釋的，可以從電容Csl、Csl或它們的差異ACs獲得傳感器的靈敏度。因此，在一些實(shí)施例中，測(cè)量模塊220可以包括LCR測(cè)量?jī)x，該LCR測(cè)量?jī)x被配置為響應(yīng)于第一電輸入信號(hào)(例如，Vbl)來(lái)確定傳感器電容器的第一阻抗，以及響應(yīng)于第二電輸入信號(hào)(例如,Vb2)來(lái)確定指不傳感器電容器212的第二電容的第二阻抗，以及基于所測(cè)量的第一和第二(復(fù))阻抗來(lái)確定傳感器電容差異ACs。
[0030]圖3圖示了示出傳感器電容Cs (膜電容)對(duì)偏置電壓的軌跡的兩個(gè)曲線(xiàn)310、320。針對(duì)兩種不同的傳感器靈敏度提供了傳感器電容Cs，例如，靈敏度可以受到膜或膜片制造公差的影響。曲線(xiàn)320示出了標(biāo)稱(chēng)靈敏度的軌跡，而曲線(xiàn)310示出了是標(biāo)稱(chēng)靈敏度4倍的靈敏度的軌跡。遵循曲線(xiàn)310和320 二者的趨勢(shì)，可以看出靈敏度不影響曲線(xiàn)的基本趨勢(shì)，然而，會(huì)導(dǎo)致曲線(xiàn)相對(duì)于電壓軸330的縮放。從而，沿電壓軸330的縮放與l/sqrt(相對(duì)靈敏度)成比例。也就是說(shuō)，在傳感器的絕對(duì)靈敏度是標(biāo)稱(chēng)靈敏度的4倍(B卩，相對(duì)靈敏度=4)的情況下，電壓值會(huì)減半。
[0031]針對(duì)實(shí)施例已發(fā)現(xiàn):如果在兩個(gè)預(yù)定義但不同的偏置電壓處測(cè)量傳感器電容差異，那么電容差異取決于相對(duì)傳感器靈敏度。該依賴(lài)性或?qū)?yīng)性表示可逆函數(shù)。因此，確定在作為電輸入信號(hào)的兩個(gè)不同的偏置電壓處的傳感器電容差異使得基于傳感器電容來(lái)確定傳感器靈敏度。因此，基于描述感測(cè)設(shè)備210的靈敏度取決于第一和第二傳感器電容之間的差異ACs的操作，圖2的處理器240可以被配置為基于第一和第二測(cè)量量或它們的差異來(lái)確定靈敏度。在一些實(shí)施例中，該操作可以建模根據(jù)第一和第二傳感器電容Csl、Cs2之間的差異ACs構(gòu)造的多項(xiàng)式。
[0032]在該背景下，圖4針對(duì)多個(gè)測(cè)量和不同對(duì)偏置電壓Vbl、Vb2，示出了傳感器電容差異ACs與相對(duì)靈敏度(與標(biāo)稱(chēng)靈敏度相關(guān))之間的對(duì)應(yīng)性。另外，圖4示出了對(duì)ACs與相對(duì)傳感器靈敏度之間的關(guān)系進(jìn)行近似的多個(gè)擬合多項(xiàng)式410至470。在圖4的特定示例中，用于獲得擬合多項(xiàng)式410至470的所有測(cè)量使用相同的一組不同MEMS傳感器設(shè)備來(lái)進(jìn)行。然而，分別由多項(xiàng)式410至470來(lái)近似的不同的測(cè)量結(jié)果通過(guò)在跨傳感器電容器212的第一和第二偏置電壓Vbl、Vb2之間的差異的不同選擇而分別彼此偏離。在圖4的圖中，不同的擬合多項(xiàng)式410至470被由于向可變傳感器電容器212施加不同的偏置電壓Vbl、Vb2而導(dǎo)致的測(cè)得的傳感器電容差異ACs來(lái)近似。從而，通過(guò)確定不同傳感器樣品的傳感器電容差異ACs獲得了多項(xiàng)式410。通過(guò)向不同的傳感器樣品施加0.5 V的第一偏置電壓和I V的第二偏置電壓獲得了傳感器電容差異ACs。因此，對(duì)于多項(xiàng)式410來(lái)說(shuō)，第一和第二偏置電壓之間的差異是0.5 V。同樣地，針對(duì)各個(gè)樣品，通過(guò)基于0.75 V的偏置電壓的差異來(lái)確定傳感器電容差異ACs而獲得了多項(xiàng)式420。通過(guò)向不同的傳感器樣品施加2.0 V的第一偏置電壓和1.0 V的第二偏置電壓來(lái)確定不同傳感器樣品的傳感器電容差異ACs= Csl-Cs2而獲得了多項(xiàng)式430。因此，對(duì)于多項(xiàng)式430來(lái)說(shuō)，第一和第二偏置電壓之間的差異是1.0V。針對(duì)各個(gè)樣品，通過(guò)基于1.25 V的偏置電壓的差異來(lái)確定傳感器電容差異ACs而獲得了多項(xiàng)式440。通過(guò)向不同的傳感器樣品施加3.0 V的第一偏置電壓和1.5 V的第二偏置電壓來(lái)確定不同傳感器樣品的傳感器電容差異ACs= Csl - Cs2而獲得了多項(xiàng)式450。因此，對(duì)于多項(xiàng)式430來(lái)說(shuō) ，第一和第二偏置電壓之間的差異是1.5 V。針對(duì)各個(gè)樣品，通過(guò)基于1.75 V的偏置電壓的差異來(lái)確定傳感器電容差異ACs而獲得了多項(xiàng)式460。多項(xiàng)式470針對(duì)2 V的偏置電壓差異描述了相對(duì)靈敏度對(duì)Λ Cs，因?yàn)樵谠撉闆r下第一偏置電壓為4.0 V而第二偏置電壓為2.0 V。
[0033]在實(shí)施例中，可以首先確定多項(xiàng)式或曲線(xiàn)410至470，并將其存儲(chǔ)在裝置200或其處理器240的存儲(chǔ)器設(shè)備中。例如，多項(xiàng)式410至470的存儲(chǔ)可以以查找表(LUT)的形式完成。從而LUT是可以使用更簡(jiǎn)單的陣列索引操作來(lái)代替運(yùn)行時(shí)計(jì)算的陣列。在處理時(shí)間上的節(jié)省可以是顯著的，因?yàn)閺拇鎯?chǔ)器中獲取值通常比進(jìn)行“昂貴的”計(jì)算或輸入/輸出操作更快。這些表可以被預(yù)先計(jì)算并且存儲(chǔ)在靜態(tài)程序存儲(chǔ)中、作為程序的初始化階段的部分被計(jì)算(或“預(yù)取”)、或者甚至被存儲(chǔ)在專(zhuān)用平臺(tái)中的硬件中。以這種方式，可以通過(guò)便利的表查找操作找到與測(cè)得或確定的電容差異△ C相對(duì)應(yīng)的被測(cè)傳感器設(shè)備210的(相對(duì))靈敏度。例如，在確定了相對(duì)傳感器靈敏度的情況下，有可能校準(zhǔn)傳感器設(shè)備210以與具有標(biāo)稱(chēng)靈敏度的傳感器相當(dāng)?shù)剡M(jìn)行動(dòng)作。
[0034]換句話(huà)說(shuō)，擬合多項(xiàng)式410至470可以用于基于在兩個(gè)不同的已知偏置電壓Vbl、Vb2處確定的電容差異Λ Cs來(lái)獲得傳感器的靈敏度。因此，處理器240可以被配置為確定第一和第二電容(或者指示其的測(cè)得的量)之間的差異ACS，以便基于該差異來(lái)確定感測(cè)設(shè)備的靈敏度。注意:不必提前知道兩個(gè)偏置電壓Vbl、Vb2，只要它們互不相同并且低于傳感器設(shè)備210的吸合電壓即可。另外，偏置電壓Vbl、Vb2應(yīng)該彼此相隔足夠遠(yuǎn)，以便足夠精確地確定傳感器電容差異。換句話(huà)說(shuō)，測(cè)量模塊220可以被配置為:基于施加于傳感器電容器212的第一偏置電壓Vbl來(lái)確定第一測(cè)量量；以及基于施加于傳感器電容器212的不同的第二偏置電壓Vb2來(lái)確定第二測(cè)量量。另外，測(cè)量模塊220可以被配置為選擇第一和第二偏置電壓Vbl、Vb2使二者都小于電容式感測(cè)設(shè)備210的吸合電壓或塌陷電壓。從而，吸合電壓表示這樣的偏置電壓，在該偏置電壓處，可以通過(guò)膜片212a形成的傳感器電容器塌陷。在特定的實(shí)施例中，測(cè)量模塊220可以被配置為:選擇第一和第二偏置電壓Vbl、Vb2，使得第一和第二電壓之間的差異至少為0.5 V，如已經(jīng)參考圖4所解釋的。當(dāng)然，取決于電容式傳感器210的基礎(chǔ)技術(shù)，該值可以偏離。
[0035]為了說(shuō)明實(shí)施例的有效性，已經(jīng)將它們應(yīng)用于具有不同靈敏度的多個(gè)傳感器210，針對(duì)這些不同的靈敏度，傳感器電容的一系列詳細(xì)的測(cè)量對(duì)偏置電壓是可獲得的，見(jiàn)圖5a。被測(cè)量的傳感器樣品的不同靈敏度可以從相應(yīng)的吸合電壓的散布來(lái)識(shí)別，對(duì)于所描繪的示例來(lái)說(shuō)，這些吸合電壓的范圍從大約4 V到大約8 V。
[0036]針對(duì)圖5a的測(cè)量確定的相對(duì)靈敏度被用于沿著電壓軸對(duì)測(cè)量進(jìn)行縮放，見(jiàn)圖5b。圖5a示出了原始的測(cè)量。當(dāng)縮放朝向標(biāo)稱(chēng)情況發(fā)生時(shí)，各個(gè)原始的偏置電壓被乘以了所確定的相對(duì)靈敏度的平方根。通過(guò)使用第一傳感器電容在Vbl = 1.75 V和Vb2 = 3.5 V之間的傳感器電容差異，確定了各個(gè)相對(duì)靈敏度。圖5b示出了通過(guò)實(shí)施例獲得的結(jié)果。即使吸合電壓對(duì)于根據(jù)實(shí)施例的傳感器靈敏度確定來(lái)說(shuō)并不重要，吸合電壓也可以用于判斷實(shí)施例的質(zhì)量。圖5b不出了經(jīng)縮放的吸合電壓并不與7 V的標(biāo)稱(chēng)吸合電壓精確對(duì)應(yīng)?？梢曰谝韵聦?duì)應(yīng)性來(lái)確定相對(duì)偏離:
相對(duì)靈敏度=(標(biāo)稱(chēng)吸合電壓/實(shí)際吸合電壓)2，
其來(lái)自于上面的討論。在圖5b中，最低的經(jīng)縮放的吸合電壓是6.765 V，而最高的經(jīng)縮放的吸合電壓是7.205 V。這在所確定的靈敏度中產(chǎn)生了范圍為-0.59 dB至0.5 dB的誤差。為了進(jìn)行比較，注意:根據(jù)規(guī)定，常規(guī)的麥克風(fēng)可以具有范圍為3 dB的相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)靈敏度的偏離。注意:6 V左右的電壓表示所謂的釋放電壓。吸合效應(yīng)有滯后，并且一旦膜塌陷到背板，即使電壓更低(在該情況下，在6V的范圍內(nèi))其也將保持在那里。
[0037]實(shí)施例不局限于基于作為電輸入信號(hào)的不同的偏置電壓Vbl、Vb2來(lái)確定傳感器電容差異ACs。同樣地，電容差異ACs還可以基于傳感器電容器212的兩個(gè)已知且不同的電荷來(lái)確定。預(yù)先確定的電荷還導(dǎo)致傳感器電容器212的電極212a、212b之間的兩個(gè)不同的偏置電壓，并且導(dǎo)致相應(yīng)的傳感器電容差異ACs。取決于基本的概念，即作為至電容器212的電輸入信號(hào)是不同的偏置電壓還是不同的電荷，可能需要不同的多項(xiàng)式來(lái)基于其它電容差異Λ Cs確定傳感器的靈敏度。
[0038]圖6中不出了不例性多項(xiàng)式600,該多項(xiàng)式600是基于使用施加于傳感器電容器212的不同電荷的測(cè)量系列確定的。在圖7中示出了得到的曲線(xiàn)“傳感器電容對(duì)偏置電壓”。同樣可以看到:實(shí)施例僅導(dǎo)致相對(duì)于7V的標(biāo)稱(chēng)吸合電壓的較小偏離。同樣地，6V左右的電壓與各個(gè)釋放電壓相對(duì)應(yīng)。
[0039]為了在大量生產(chǎn)期間或者針對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量使用晶圓的測(cè)量和/或校準(zhǔn)的實(shí)施例，按照上面的描述，使用LCR測(cè)量?jī)x作為測(cè)量模塊220可以是足夠的。然而，結(jié)合集成電路(例如ASIC)使用實(shí)施例可能并不那么直接。對(duì)于連同ASIC使用實(shí)施例來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)步驟:首先，需要例如通過(guò)在兩個(gè)不同的偏置電壓或電荷處測(cè)量電容差異來(lái)確定傳感器靈敏度。第二，可以例如基于所確定的靈敏度來(lái)校準(zhǔn)傳感器設(shè)備210以校正相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)靈敏度的任何偏離。例如，在相對(duì)靈敏度大于I的情況下，與標(biāo)稱(chēng)情況相比，可以降低對(duì)由膜片212a的震蕩或振動(dòng)引起的電信號(hào)變化的進(jìn)一步的下游放大。相反，如果相對(duì)靈敏度低于1，那么可以替代地增加對(duì)所引起的電信號(hào)變化的下游放大。
[0040]圖8a示出了可以由裝置200的測(cè)量模塊220包括的電路的第一實(shí)施例。圖8a的實(shí)施例使得基于作為至電容器212的第一電輸入或控制信號(hào)的第一偏置電壓Vbl以及基于作為至傳感器電容器212的第二電輸入或控制信號(hào)的第二偏置電壓Vb2,來(lái)間接確定傳感器電容差異AC。如果偏置電壓Vb用作電輸入或控制信號(hào)，那么可以對(duì)所引起的電荷進(jìn)行測(cè)量，這些電荷對(duì)于引起跨傳感器電容器212的偏置電壓Vb來(lái)說(shuō)是必要的。
[0041]在圖8a中示出的測(cè)量模塊220的示例性實(shí)施例中，測(cè)量模塊220包括具有第一輸入端子222、第二輸入端子223和輸出端子224的放大器221。傳感器電容器212的第一端子或電極耦接到偏置電壓源225。傳感器電容器212的第二端子或電極耦接到放大器221的第一輸入端子222，放大器221可以是運(yùn)算放大器。反饋電容器226耦接在放大器的輸出端子224和其第一輸入端子222之間。同樣地，開(kāi)關(guān)227耦接在輸出端子224和放大器的輸入端子222之間，用于對(duì)電容器212和/或226進(jìn)行除電或放電。根據(jù)圖8a的實(shí)施例，放大器221可以是反相放大器，并且放大器的第一輸入端子222可以是反相輸入端子?？梢允欠欠聪嗟牡诙斎攵俗?23可以耦接到電接地。圖8a的示例性電路配置導(dǎo)致兩個(gè)放大器輸入端子222和223之間的虛短路。進(jìn)而，第一輸入端子222也虛連接到電接地。
[0042]圖8a的反相放大器221用于通過(guò)反饋電容器226將電容器212的電荷轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出電壓Vout。圖8a的實(shí)施例的功能性如下:起點(diǎn)是完全不帶電的傳感器電容器212(即Vb=O)和反饋容量(即Vout=0)。隨后，可以將第一已知偏置電壓Vbl施加于耦接到電壓源225的傳感器電容器212的輸入電極(左)。這在傳感器電容器212中以及反饋電容器226中引起電荷Q1，從而導(dǎo)致放大器的輸出端子224處的第一輸出電壓Voutl，其中Voutl=-Ql/Cf。在進(jìn)一步的測(cè)量中，不同于Vbl的第二已知偏置電壓Vb2可以用于在電容器212和226二者中引起第二電荷Q2，從而導(dǎo)致輸出節(jié)點(diǎn)224處的第二輸出電壓Vout2 = -Q2/Cf。換句話(huà)說(shuō)，測(cè)量模塊220可以被配置為:將第一偏置電壓Vbl施加于傳感器電容器212的輸入端口，并且測(cè)量在放大器的輸出端子224處所引起的第一輸出電壓Voutl ；以及隨后將第二偏置電壓Vb2施加于傳感器電容器212的輸入端口，并且測(cè)量在放大器的輸出端子224處所引起的第二輸出電壓Vout2 ；以及基于第一和第二偏置電壓Vbl、Vb2，并且基于第一和第二輸出電壓Voutl、Vout2來(lái)確定傳感器電容差異ACs。具體而言，圖2的測(cè)量模塊220或處理器 240 可以被配置為基于 ACs = Q2/Vb2 - Ql/Vbl 或 Λ C = Cf x (Vout I/Vb 1-Vout2/Vb2)來(lái)確定傳感器電容差異Λ Cs，其中，Cf表示反饋電容器226的電容，Voutl表不輸出節(jié)點(diǎn)224處的第一輸出電壓，Vbl表不偏置電壓源225的第一偏置電壓，Vout2表不輸出節(jié)點(diǎn)224處的第二輸出電壓，并且Vb2表示電壓源225的第二偏置電壓。另外，測(cè)量模塊或處理器240可以被配置為例如通過(guò)使用靈敏度與電容差異△ Cs之間的多項(xiàng)式關(guān)系，基于差異ACs來(lái)確定感測(cè)設(shè)備的靈敏度。
[0043]在一些實(shí)施例中，測(cè)量模塊220可以額外地或替換地被配置為:基于施加于傳感器電容器212的第一電荷來(lái)確定第一測(cè)量量，例如，輸出節(jié)點(diǎn)224處的第一輸出電壓Voutl，以及基于施加于傳感器電容器220的不同的第二電荷來(lái)確定第二測(cè)量量，即，輸出節(jié)點(diǎn)224處的第二輸出電壓Vout2。圖8b中示出了這種實(shí)施例的合適電路的示例。
[0044]圖8b的實(shí)施例與圖8a的實(shí)施例的不同之處在于，傳感器電容器212而不是圖8a的反饋電容器耦接在放大器的輸出端子224與放大器的第一輸入端子222之間。另外，電壓源228經(jīng)由開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)229耦接到放大器的反相輸入端子222，以在兩個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘周期中分別向傳感器電容器212施加第一和第二電荷。開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)229包括電壓源228與傳輸電容器(transport capacitor) Cq之間的第一開(kāi)關(guān)230。第二開(kāi)關(guān)231稱(chēng)接在傳輸電容器Cq與放大器221的第一輸入端子222之間。另外的開(kāi)關(guān)232稱(chēng)接在傳輸電容器Cq的第一(左)端子與接地電位之間，而第三開(kāi)關(guān)233耦接在傳輸電容器Cq的第二 (右)端子與接地電位之間。
[0045]如果傳感器電容器212中的電荷是規(guī)定的或預(yù)先確定的，那么可以確定跨傳感器電容器212的電壓以得出關(guān)于相應(yīng)的可變傳感器電容值Cs的結(jié)論。開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)229使得精確地傳輸電荷分組(electrical charge packet)。從不帶電的傳感器電容器212開(kāi)始，可以在包括兩個(gè)時(shí)鐘相位Φ1和Φ2的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將預(yù)定義的電荷量Q = Vq X Cq從電壓源228傳輸?shù)絺鞲衅麟娙萜?12。在時(shí)鐘相位Φ I期間，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)230、233閉合(而開(kāi)關(guān)231、232斷開(kāi))，從而允許用電荷Q對(duì)傳輸電容器Cq進(jìn)行充電。在第二時(shí)鐘相位Φ 2期間，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)231、232閉合(而開(kāi)關(guān)230、233斷開(kāi))，從而允許將電荷Q進(jìn)一步從傳輸電容器Cq傳輸?shù)絺鞲衅麟娙萜?12，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)224處的第一輸出電壓Voutl，其中Vout=Q/Cs(l)。索引I用于與第二時(shí)鐘周期結(jié)束之后的傳感器電容加以區(qū)分。在第二時(shí)鐘周期(包括Φ1和Φ2)以及另外的電荷分組Q結(jié)束之后，可以在輸出節(jié)點(diǎn)224處測(cè)量第二輸出電壓 Vout2 = 2Q/Cs (2)。
[0046]因此，圖Sb的測(cè)量模塊220可以包括具有輸入端子222和輸出端子224的放大器221，其中，傳感器電容器212耦接在放大器221的輸出端子224與輸入端子222之間，其中，在開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)229的第一時(shí)鐘周期(包括開(kāi)關(guān)相位Φ1和Φ2)中，第一電荷Q (I)經(jīng)由傳輸電容器Cq從電壓源228傳輸?shù)絺鞲衅麟娙萜?12,從而在放大器221的輸出端子224處導(dǎo)致第一輸出電壓Voutl。在開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)229的第二時(shí)鐘周期(包括開(kāi)關(guān)相位Φ I和Φ2)中，第二電荷Q (2)經(jīng)由傳輸電容器Cq從電壓源228傳輸?shù)絺鞲衅麟娙萜?12,從而在放大器221的輸出端子224處導(dǎo)致第二輸出電壓。測(cè)量模塊220或處理器240可以被配置為基于電壓源228的電壓值Vq以及第一和第二輸出電壓Voutl、Vout2來(lái)確定傳感器電容差異Λ Cs。具體而言，處理器240可以被配置為基于ACs = 2Q/Vout2 - Q/Voutl =Cq X (2Vq/Vout2 - Vq/Voutl)來(lái)確定傳感器電容差異Λ Cs，其中，Cq表示傳輸電容器的電容，Vq表示電壓源228的電壓，Voutl表示節(jié)點(diǎn)224處的第一輸出電壓，并且Vout2表示節(jié)點(diǎn)224處的第二輸出電壓。
[0047]圖Sc示出了測(cè)量模塊220的另外的實(shí)施例，測(cè)量模塊220包括經(jīng)由開(kāi)關(guān)236耦接到傳感器電容器212的電流源235。與傳感器電容器212平行，布置有用于對(duì)傳感器電容器212進(jìn)行除或消電或放電的另一個(gè)開(kāi)關(guān)227。在該實(shí)施例中，在持續(xù)時(shí)間為T(mén)的第一定義的時(shí)間間隔期間(在此期間開(kāi)關(guān)236是閉合的)，使用已知的恒定電流Iconst從不帶電的狀態(tài)開(kāi)始對(duì)傳感器電容器212進(jìn)行充電。在第一時(shí)間間隔T之后，跨傳感器電容器212的輸出電壓Voutl為Voutl = Q/Cs(l) = Iconst x T/Cs (I)。在另一個(gè)持續(xù)時(shí)間為T(mén)的第二充電時(shí)間間隔之后，可以測(cè)量跨傳感器電容器212的第二輸出電壓Vout2 = 2 X Q/Cs(2)。在第一和第二充電間隔之間開(kāi)關(guān)227可以不是閉合的。
[0048]換句話(huà)說(shuō)，圖Sc的測(cè)量模塊220可以被配置為:在第一時(shí)間間隔期間，使用來(lái)自電流源235的恒定電流Iconst對(duì)傳感器電容器212進(jìn)行充電，以獲得跨傳感器電容器212的電極的第一電壓Voutl，以及在隨后的第二時(shí)間間隔期間，使用恒定電流Iconst對(duì)傳感器電容器212進(jìn)行進(jìn)一步充電，以獲得跨傳感器電容器212的電極的第二電壓Vout2。從而，測(cè)量模塊220或耦接到測(cè)量模塊220的處理器240可以被配置為:基于兩個(gè)時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間T、恒定電流Iconst以及第一和第二電壓Voutl、Vout2來(lái)確定傳感器電容差異AC。具體而言，測(cè)量模塊220或處理器240可以被配置為:基于ACs = 2Q/Vout2 - Q/Voutl=Tx Iconst X (2/Vout2 - 1/Voutl)來(lái)確定傳感器電容差異Δ Cs,其中，T分別表示第一和第二時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間，Iconst表不恒定電流，Voutl表不第一電壓(測(cè)量量),并且Vout表示跨傳感器電容器212的電極的第二電壓(測(cè)量量)。
[0049]本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，圖2中示出的裝置200和上述測(cè)量模塊的實(shí)施例可以被配置為執(zhí)行用于確定電容式感測(cè)設(shè)備210的靈敏度的相應(yīng)的方法。圖9中示出了該方法的示例性實(shí)施例的流程圖900。
[0050]方法900具有用于響應(yīng)于至傳感器電容器212的第一電輸入信號(hào),確定指不傳感器電容器212的第一傳感器電容的第一測(cè)量量的第一步驟910。如同之前已解釋的，例如，第一測(cè)量量可以是電壓。然而，諸如復(fù)阻抗、電流等的其它電氣量也是可能的。方法900還包括用于響應(yīng)于至傳感器電容器212的第二電輸入信號(hào),確定指不傳感器電容器212的第二傳感器電容的第二測(cè)量量的第二步驟920。在進(jìn)一步的步驟930中，感測(cè)設(shè)備210的靈敏度可以基于所確定的第一和第二測(cè)量量來(lái)確定。在一些實(shí)施例中，步驟930可以包括:基于第一和第二測(cè)量量(例如，Voutl、Vout2)來(lái)確定第一和第二傳感器電容之間的差異，以便基于電容差異來(lái)確定感測(cè)設(shè)備的壓力靈敏度。如同之前已描述的，這可以由對(duì)感測(cè)設(shè)備的靈敏度取決于傳感器電容差異ACs進(jìn)行建模的操作來(lái)執(zhí)行。例如，該操作可以是建模根據(jù)第一和第二傳感器電容之間的差異構(gòu)造的多項(xiàng)式的表查找。
[0051]概括地說(shuō)，實(shí)施例提出了用于確定諸如電容麥克風(fēng)或壓力傳感器的電容式傳感器或轉(zhuǎn)換器的靈敏度的新穎的概念。實(shí)施例使得通過(guò)在施加于傳感器或轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)不同的電輸入信號(hào)處執(zhí)行兩個(gè)電容測(cè)量來(lái)確定傳感器或轉(zhuǎn)換器的靈敏度。從而，這兩個(gè)電輸入信號(hào)可以是定義該傳感器或轉(zhuǎn)換器的操作點(diǎn)的電信號(hào)，諸如(偏置)電壓、電流和/或電荷。具體而言，根據(jù)一些實(shí)施例，電輸入信號(hào)可以是DC信號(hào)?；趦蓚€(gè)電容測(cè)量的差異，可以確定傳感器或轉(zhuǎn)換器的靈敏度，因?yàn)殪`敏度和所確定的電容差異之間存在函數(shù)關(guān)系。實(shí)施例可以用于在生產(chǎn)期間在晶圓上執(zhí)行的測(cè)量、用于在實(shí)驗(yàn)室條件下形成的測(cè)量以及用于集成電路中的測(cè)量，以例如用于在啟動(dòng)期間進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0052]說(shuō)明書(shū)和附圖僅說(shuō)明了實(shí)施例的原理。因此，將意識(shí)到的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)出各種布置，這些布置雖然在本文中沒(méi)有明確描述或示出，但體現(xiàn)了實(shí)施例的原理并包括在其精神和范圍之內(nèi)。此外，本文闡述的所有示例主要旨在明確是僅用于教導(dǎo)目的，以幫助讀者理解實(shí)施例的原理和發(fā)明人所貢獻(xiàn)的用于促進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的概念，并應(yīng)該被解釋為沒(méi)有對(duì)這些具體闡述的示例和條件進(jìn)行限制。此外，本文中闡述原理、方面和實(shí)施例以及它們的具體示例的所有陳述旨在包括其等價(jià)物。
[0053]被配置為執(zhí)行某種功能的功能塊應(yīng)該被理解為分別包括適于或被編程用于執(zhí)行某種功能的專(zhuān)用電路的功能塊。因此，適于執(zhí)行某種功能的塊或電路并不暗指(在給定時(shí)亥Ij)這樣的裝置一定正在執(zhí)行該功能?？梢酝ㄟ^(guò)使用專(zhuān)用硬件以及與適當(dāng)?shù)能浖嚓P(guān)聯(lián)的能夠執(zhí)行軟件的硬件來(lái)提供圖中示出的各個(gè)包括任何功能塊的元件的功能。此外，在本文中被描述為“裝置”的任何實(shí)體可以對(duì)應(yīng)于或可以被實(shí)現(xiàn)為“一個(gè)或多個(gè)模塊”、“一個(gè)或多個(gè)設(shè)備”、“一個(gè)或多個(gè)單元”等。當(dāng)由處理器提供時(shí)，這些功能可以由單個(gè)專(zhuān)用處理器、由單個(gè)共享處理器、或者由其中的一些可以共享的多個(gè)單獨(dú)的處理器來(lái)提供。此外，術(shù)語(yǔ)“處理器”或“控制器”的明確使用不應(yīng)被解釋為排他性地指代能夠執(zhí)行軟件的硬件，并且可以隱含地包括但不限于:數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)硬件、網(wǎng)絡(luò)處理器、專(zhuān)用集成集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、用于存儲(chǔ)軟件的只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和非易失性存儲(chǔ)。常規(guī)和/或定制的其它硬件也可以被包括。
[0054]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到的是:本文中的任何框圖表示體現(xiàn)實(shí)施例原理的說(shuō)明性電路的概念視圖。類(lèi)似地，將意識(shí)到的是:任何流程圖、流程圖表、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、偽代碼等表示可以以計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)來(lái)實(shí)質(zhì)性表示并且因此由計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行的各種過(guò)程，而無(wú)論這樣的計(jì)算機(jī)或處理器是否被明確示出。
[0055]另外，在此將所附的權(quán)利要求并入【具體實(shí)施方式】中，其中每一項(xiàng)權(quán)利要求自身可以作為單獨(dú)的實(shí)施例。雖然每一項(xiàng)權(quán)利要求自身可以作為單獨(dú)的實(shí)施例，但應(yīng)該指出的是——雖然在權(quán)利要求書(shū)中從屬權(quán)利要求可以指的是與一項(xiàng)或多項(xiàng)其它權(quán)利要求的特定組合——其它實(shí)施例還可以包括從屬權(quán)利要求與彼此的從屬權(quán)利要求的主題的組合。除非聲明不打算有特定的組合，否則這樣的組合是在本文中被提出的。另外，旨在將一項(xiàng)權(quán)利要求的特征也包括到任意其它獨(dú)立權(quán)利要求中，即使未直接使該權(quán)利要求從屬于該獨(dú)立權(quán)利要求。
[0056]還應(yīng)該指出的是:本說(shuō)明書(shū)中或者權(quán)利要求書(shū)中公開(kāi)的方法可以由具有用于執(zhí)行這些方法中的各個(gè)步驟中的每個(gè)步驟的裝置的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0057]另外，應(yīng)該理解的是:本說(shuō)明書(shū)或者權(quán)利要求書(shū)中公開(kāi)的多個(gè)步驟或功能的公開(kāi)可以不被解釋為在特定的順序之內(nèi)。因此，多個(gè)步驟或功能的公開(kāi)將不會(huì)把這些步驟或功能限定為特定的順序，除非由于技術(shù)原因這些步驟或功能是不可互換的。此外，在一些實(shí)施例中，單個(gè)步驟可以包括或被分成多個(gè)子步驟。除非被明確地排除在外，否則這樣的子步驟可以被包括并且是該單個(gè)步驟的公開(kāi)的部分。
【權(quán)利要求】
1.一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(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置，所述裝置包括: 測(cè)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(hào)，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(hào)，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(lái)確定所述感測(cè)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(lái)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(lái)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(lái)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(xiàng)式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述測(cè)量模塊包括LCR測(cè)量?jī)x，所述LCR測(cè)量?jī)x被配置為:響應(yīng)于所述第一電輸入信號(hào)來(lái)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(hào)來(lái)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(lái)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(cè)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(lái)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(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(lái)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(cè)量模塊或所述處理器被配置為基于AC = Cf * (Vout I/Yb 1- Vout2/Vb2)來(lái)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(cè)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(lái)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(lái)確定所述第二量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述測(cè)量模塊包括用于向所述傳感器電容器分別施加所述第一電荷和 所述第二電荷的開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述測(cè)量模塊包括具有輸入端子和輸出端子的放大器，其中，所述傳感器電容器耦接在所述放大器的所述輸出端子和所述輸入端子之間，其中，在所述開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的第一時(shí)鐘周期中，所述第一電荷經(jīng)由傳輸電容器從電壓源傳輸?shù)剿鰝鞲衅麟娙萜?，從而在所述放大器的所述輸出端子處?dǎo)致第一輸出電壓，其中，在所述開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的第二時(shí)鐘周期中，所述第二電荷經(jīng)由所述傳輸電容器從所述電壓源傳輸?shù)剿鰝鞲衅麟娙萜?，從而在所述放大器的所述輸出端子處?dǎo)致第二輸出電壓，并且其中，所述測(cè)量模塊被配置為基于所述電壓源的電壓以及所述第一輸出電壓和所述第二輸出電壓來(lái)確定傳感器電容差異。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述測(cè)量模塊或所述處理器被配置為基于AC = Cq* (2Vq/Vout2 - Vq/Voutl)來(lái)確定所述傳感器電容差異Λ C，其中，Cq表示所述傳輸電容器的容量，Vq表不所述電壓源的電壓，Voutl表不所述第一輸出電壓,并且Vout2表不所述第二輸出電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述測(cè)量模塊包括經(jīng)由開(kāi)關(guān)耦接到所述傳感器電容器的電流源。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述測(cè)量模塊被配置為:在第一時(shí)間間隔期間，使用來(lái)自所述電流源的恒定電流對(duì)所述傳感器電容器進(jìn)行充電，以獲得跨所述傳感器電容器的電極的第一電壓，并且在隨后的第二時(shí)間間隔期間，使用所述恒定電流對(duì)所述傳感器電容器進(jìn)行進(jìn)一步充電，以獲得跨所述傳感器電容器的電極的第二電壓，并且其中，所述測(cè)量模塊被配置為基于時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間、所述恒定電流以及所述第一電壓和所述第二電壓來(lái)確定傳感器電容差異。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述測(cè)量模塊或所述處理器被配置為基于AC = T*Iconst * (2/Vout2 - 1/Voutl)來(lái)確定所述傳感器電容差異Λ C，其中，T表示所述第一時(shí)間間隔和所述第二時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間，Iconst表示所述恒定電流，Voutl表示所述第一電壓，并且Vout2表示跨所述傳感器電容器的電極的所述第二電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器電容器是由所述電容式感測(cè)設(shè)備的膜片和背板形成的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電容式感測(cè)設(shè)備是電容麥克風(fēng)或壓力傳感器。
22.一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(cè)設(shè)備的靈敏度的裝置，其中，所述傳感器電容器是由膜片和背板形成的，所述裝置包括: 測(cè)量電路，其被配置為:響應(yīng)于施加于所述傳感器電容器的第一偏置電壓來(lái)確定指不所述膜片與所述背板之間的第一傳感器電容的第一量，并且響應(yīng)于施加于所述傳感器電容器的第二偏置電壓來(lái)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；以及 處理器，其被配置為:基于所述第一傳感器電容和所述第二傳感器電容之間的差異來(lái)確定所述感測(cè)設(shè)備的靈敏度。
23.一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(cè)設(shè)備的靈敏度的方法，所述方法包括: 響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第一電輸入信號(hào)，確定指不所述傳感器電容器的第一電容的第一測(cè)量量； 響應(yīng)于至所述傳感器電容器的第二電輸入信號(hào)，確定指示所述傳感器電容器的第二電容的第二測(cè)量量；以及 基于所確定的第一和第二測(cè)量量來(lái)確定所述感測(cè)設(shè)備的靈敏度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,其中,所述第一電輸入信號(hào)取決于施加于所述傳感器電容器的第一偏置 電壓，并且其中，所述第二電輸入信號(hào)取決于施加于所述傳感器電容器的第二偏置電壓。
【文檔編號(hào)】H04R29/00GK104053111SQ201410094904
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】A.韋斯鮑爾, C.B.武爾青格 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司