CN106068654B - 用于生产中的mems扩音器的所有电噪声测试的***和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于多薄膜微机电***（MEMS）扩音器中的噪声的电测试的***和方法。该MEMS***具有测试模式，其包括将扩音器的MEMS偏置网络置于重置模式中，调整用于第一MEMS传感器的第一偏压，使得极性与第二MEMS传感器的偏压的极性匹配。然后将MEMS偏置网络置于感测模式中，并且通过***的前置放大器的输出的测量而针对MEMS扩音器***获得总噪声值。

Description

用于生产中的MEMS扩音器的所有电噪声测试的***和方法
相关申请
本申请要求2014年3月17日提交的美国临时申请号61/954,284的权益，其全部内容被通过引用结合到本文中。
背景技术
本发明涉及不使用声学隔离技术的情况下的全批量生产中的高性能微机电***（MEMS）扩音器的噪声测试。在声学上测试生产中的MEMS扩音器是昂贵的，并且当前测试方法不能节省成本地测试生产中的65dB+信噪比（SNR）扩音器。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种用于测试多薄膜微机电***（MEMS）扩音器中的总噪声的***。该***包括MEMS扩音器，其具有两个MEMS传感器、两个MEMS偏置网络、差分前置放大器和处理器。该处理器在接收到用以进入测试模式的信号时将使MEMS偏置网络置于重置模式中，并针对第一MEMS传感器调整偏压，因此其与第二MEMS传感器的偏压的极性匹配。处理器然后等待偏压沉降（settle），并将MEMS偏置网络置于感测模式中。然后可以获得用于MEMS扩音器***的总噪声值。一旦已经获得总噪声值，则处理器将在接收到第二信号时退出测试模式。
在某些实施例中，通过测量差分前置放大器的输出电压来获得总噪声值。
在某些实施例中，将MEMS扩音器和处理器组合在单个封装中。
在某些实施例中，处理器将接收环境噪声水平和等效输入噪声水平，并根据该环境噪声水平和等效输入噪声水平来确定期望的拒绝水平。处理器然后从两个MEMS传感器接收用于同一参数的值，并根据该参数来确定失配百分比。在某些实施例中，该参数是MEMS传感器的灵敏度。处理器然后根据失配值来确定失配效果，并且将该失配效果与所期望的拒绝水平相比较。当拒绝水平超过失配效果时，处理器采取修正动作以降低失配百分比。在某些实施例中，此修正动作包括针对传感器中的一个或两个调整偏压。
在某些实施例中，退出测试模式包括将MEMS偏置网络置于重置模式中，针对MEMS传感器调整偏压使得其具有相反的极性，将第一和第二MEMS偏压网络置于感测模式中，并重新开始正常操作模式。
本发明的另一实施例提供了一种用于测试微机电***（MEMS）扩音器***中的噪声的方法。该方法使用处理器来将MEMS偏置网络置于重置模式中。处理器然后针对第一MEMS传感器调整偏压，因此其与第二MEMS传感器的偏压的极性匹配。处理器然后等待偏压沉降，并将MEMS偏置网络置于感测模式中。然后可以获得用于MEMS扩音器***的总噪声值。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是双薄膜MEMS扩音器的示意/框图表示。
图2是用于确定双薄膜MEMS扩音器的噪声水平的方法的框图。
图3是用于匹配双薄膜MEMS扩音器以改善噪声测试的准确度的方法的框图。
具体实施方式
在详细地解释本发明的任何实施例之前，应理解的是本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在以下各图中示出的部件的构造细节和布置。本发明能够有其它实施例并以各种方式被实施或执行。
还要理解的是虽然本文所述的***和方法一般地涉及双薄膜MEMS扩音器，但通常可以将其应用于多薄膜MEMS扩音器。
应注意的是可使用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同结构部件来实现本发明。另外，应理解的是本发明的实施例可以包括出于讨论的目的可能如同大多数部件仅用硬件实现一样被示出并描述的硬件、软件以及电子部件或模块。然而，本领域的普通技术人员，并且基于本详细描述的阅读将认识到在至少一个实施例中可用被一个或多个处理器可执行的软件（例如，存储在非临时计算机可读介质上）来实现本发明的基于电子的方面。同样地，应注意的是可利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同结构部件来实现本发明。例如，在本说明书中描述的“控制单元”、“控制器”、“处理器”以及“电路”可以包括一个或多个处理器、包括非临时计算机可读介质的一个或多个存储器模块、一个或多个输入/输出接口以及连接部件的各种连接（例如，***总线）。
生产环境中的背景噪声（即，环境噪声）可以不利地影响MEMS扩音器测试***。背景噪声包括例如在MEMS扩音器外部的交通、谈话、移动、设施设备、振动等。背景噪声通过测试过程可以是一致的，或者可以变化，有时是快速地。可以以分贝（dB）为单位来测量所有背景噪声的和以确定外部声压水平（SPL）。
MEMS扩音器使用电容传感器来感测外部声学噪声源，并将那些声学输入变换成电输出。在输出中还包括MEMS扩音器本身的单个机械和电噪声（自噪声）。可以用将产生与自噪声相同的输出的以dB为单位测量的等效输入噪声（EIN）（其是理论外部声学噪声源）来表示MEMS扩音器的自噪声所引起的输出部分。用于MEMS扩音器的EIN的dB根据其制造规格而是已知的。如果在测试期间用于MEMS扩音器的EIN的dB超过其规格水平超过可接受公差，则MEMS扩音器测试失败。如果可以准确地测量MEMS扩音器的自噪声，则可以准确地确定用于MEMS扩音器的信噪比（SNR）。
然而，由于MEMS扩音器具有高SNR，所以MEMS扩音器的输出信号的自噪声分量的测量结果可能被外部噪声冲掉。通常，在MEMS扩音器测试期间，期望的是降低外部噪声SPL以实现MEMS扩音器的准确测试。这通常是通过用于扩音器测试***的声学和振动隔离来实现的，其可能是昂贵的，并且可能并未将外部噪声SPL有效地降低至所需水平。因此，本发明的实施例能够在没有声学和振动隔离考虑的情况下实现全批量生产中的高性能MEMS扩音器的可靠的自噪声测试。本发明利用电气输入和测量结果来测试多薄膜MEMS扩音器的自噪声水平。这允许进行具有高信噪比（诸如在65dB以上的那些）的MEMS扩音器的节省成本的测试。
图1示出了双薄膜MEMS扩音器10的示意/框图表示。MEMS扩音器10包括两个MEMS传感器12A，12B、两个MEMS偏置网络14A、14B、测试电路16、两个输入偏压节点18A、18B、两个输出偏压节点20A、20B、两个MEMS电压节点22A、22B、差分前置放大器24以及两个输出电压节点26A、26B。MEMS传感器 12A、12B具有匹配的电气和机械特性，并且被配置和定位成相互同相地移动。测试电路16（例如，处理器、ASIC等）可配置成从外部生产和测试设备接收信号，并将其连接到MEMS传感器12A、12B以及MEMS偏置网络14A、14B。该信号被以指定电压水平施加到测试电路16的特定引脚、输入或节点。偏压被施加到输入偏压节点18A、18B。偏压的量值是基于MEMS扩音器10的制造规格、MEMS扩音器10的预定用途及其它因素而预定的。在MEMS扩音器10的正常操作中，输入偏压节点18A处于正电压，并且输入偏压节点18B处于负电压。在扩音器的正常操作期间，测试电路16被配置成通过偏压，分别地从输入偏压节点18A、18B至输出偏压节点20A、20B未改变。在测试期间，测试电路16可以酌情地改变其在输出偏压节点20A、20B处提供给MEMS传感器12A、12B的偏压以实现测试。MEMS偏置网络14A、4B被连接到测试电路16以及MEMS电压节点22A、22B。MEMS偏置网络14A、14B能够在也称为重置模式的低阻抗状态（其中，偏压被施加于MEMS传感器12A、12B以对电容器充电）与高阻抗状态（其中，MEMS传感器12A、12B从偏压隔离）之间切换。MEMS传感器12A、12B在MEMS偏置网络14A、14B处于高阻抗状态（也称为感测模式）中时操作。测试电路16可配置成酌情地在阻抗状态之间切换MEMS偏置网络14A、14B以实现测试。MEMS传感器12A、12B的输出信号分别地存在于MEMS电压节点22A、22B处，并被耦合到差分前置放大器24。差分前置放大器24接收差分输入，其是通过存在于输出偏压节点20A、20B处的偏压的极性的反向（inversion）而创建的。差分前置放大器24在输出电压节点26A、26B处输出MEMS扩音器的输出信号。该输出信号可以在测试期间或在MEMS扩音器10的正常操作期间被外部设备读取。
如图2中所示，MEMS扩音器10可以利用方法30来确定用于MEMS传感器12A、12B的自噪声和用于MEMS扩音器10的总噪声。测试电路16接收用以进入测试模式的信号，并且进入测试模式（在方框32处），并且将MEMS偏置网络14A、14B置于重置模式中（在方框34处）。测试电路然后向MEMS传感器12A、12B施加偏压的全量值以便引发任何故障（由于颗粒、差的氧化物质量、硅结损坏等），并且测试电路16调整从输入偏压节点18A、18B接收到的输入偏压以将输出偏压节点20A、20B设置成公共极性（在方框36处）。测试电路16然后等待短的时间（约数十毫秒）以使偏压沉降（在方框38处），并使MEMS偏置网络14A、14B回到感测模式中（在方框40处）。
在优选实施例中，差分前置放大器24具有非常好的共模抑制比（CMRR）（例如，＞40—60dB），并且因此其将操作以使其两个输入所共有的信号无效（null）或拒绝该信号。MEMS传感器12A、12B具有匹配的电气和机械特性，并且被配置和定位成相互同相地移动，并且因此其将响应于相同的声学刺激而产生相同的输出信号。然而，在正常操作模式期间，用相反的极性对MEMS传感器12A、12B进行偏置，并且输出信号（虽然由相同的声学输入引起）未被差分前置放大器24拒绝，而是被组合并通过至输出电压节点26A、26B。相反地，在测试模式期间，到差分前置放大器的两个输入具有共同的极性，因此差分前置放大器24拒绝由到MEMS扩音器10的外部声学输入产生的输出信号的那个部分。只有并未为两个MEMS传感器12A、12B所共有的输出的那些部分通过差分前置放大器24。那些输出由每个MEMS传感器12A、12B的自噪声引起且被差分前置放大器24组合。结果是跨输出电压节点26A、26B测量的MEMS扩音器10的总噪声（在方框42处）。因为差分前置放大器24拒绝由外部声学输入引起的信号，诸如在生产和测试环境中的环境噪声，所以在没有将扩音器声学隔离的情况下测量MEMS扩音器10的总自噪声是可能的。
在获取总噪声测量结果之后，测试电路16接收用以退出测试模式的信号（在方框44处）。测试电路然后将MEMS偏置网络14A、14B置于重置模式中（在方框34处），并停止调整从输入偏压节点18A、18B接收到的偏压，其使输出偏压节点20A、20B返回至相反的极性（在方框48处）。测试电路16然后等待短的时间（约数十毫秒）以使偏压沉降（在方框50处），并使MEMS偏置网络14A、14B回到感测模式中（在方框52处）。最后，测试电路16退出测试模式并返回至正常操作模式（在方框54处）。
如上所述，执行方法30，假设MEMS传感器12A、12B具有匹配的电气和机械特性。正常地，用双薄膜MEMS扩音器情况如此。然而，如果该特性失配，则这可以降低方法30检测MEMS扩音器10的总噪声的能力。失配特性的效果在具有较高环境噪声SPL的环境中可能更加明显。
如图3中所示，使用方法80来检测和缓解失配特性的效果。方法80由测试电路16、由在MEMS扩音器10外部的测试设备或其两者的组合执行。首先，测量以dB为单位的环境噪声的SPL（在方框82处）。接下来，确定准确测试所需的拒绝的量（在方框82处）。使用以下等式来确定给定生产环境中的测试MEMS传感器12A、12B所需的拒绝：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，dBSPL是生产环境的环境噪声的声压水平，dBEIN是MEMS传感器12A、12B的指定EIN，并且dBREJ是在那个生产环境中测试MEMS传感器12A、12B所需的拒绝水平。理想地，应至少在MEMS扩音器10的内部噪声以下10dB来拒绝外部噪声。当确定dBREJ时，将此额外10dB的拒绝考虑在内。
然后通过比较MEMS传感器的特性（诸如电容或灵敏度）来确定MEMS传感器12A、12B之间的失配的百分比（在方框86处）。可以使用传统声学测试或通过电自测试的使用来测量MEMS传感器12A、12B的电气和机械特性。无论测量技术如何，必须单独地测量MEMS传感器12A、12B中的每一个的特性。这可以通过将未被测试的MEMS传感器的偏压降低至零（这将其禁用）并测试其它MEMS传感器来实现。
然后使用以下等式来确定（在方框88处）以dB为单位的失配的效果；
Figure 26867DEST_PATH_IMAGE002
其中，Mismatchpercent是失配百分比，被表示为小数（decimal），并且dBMIS是以dB为单位的失配的效果（例如，1%失配是-40dB效果：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
）。
在下一步骤中，比较dBREJ和dBMIS（在方框90处）。如果dBMIS大于dBREJ，则没有调整是必要的以计及失配（在方框92处），并且使用方法30来测试MEMS扩音器。然而，如果dBMIS小于或等于dBREJ，则必须减小失配以便增加dBMIS的值直至其大于dBREJ为止。测试电路16通过调整用于MEMS传感器12A、12B中的一个或两个的偏压以实现特性的变化来实现这个（在方框94处）。例如，如果一个传感器的灵敏度低于其它的，则可以将偏压向上或向下调整，因此灵敏度匹配。当匹配实现时，测试电路16可以使用新的偏压而不是默认偏压继续进行方法30，因此使失配最小化并增加噪声测试的准确度。
因此，本发明提供了（除其它事物之外）用于获得不受存在于生产测试地板上的公共外部声学和振动腐化限制的用于双薄膜MEMS扩音器的可靠总***噪声（电加声学/机械）和SNR值的***和方法。在以下权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (13)

1.一种微机电***（MEMS）扩音器***，该***包括：
MEMS扩音器，其包括第一和第二MEMS传感器、第一和第二MEMS偏置网络、差分前置放大器；以及
处理器，其中所述处理器连接到第一MEMS传感器和第二MEMS传感器的第一端子以及连接到所述第一和第二MEMS偏置网络，并且第一MEMS传感器和第二MEMS传感器的第二端子分别连接到第一MEMS偏置网络和第二MEMS偏置网络，以及所述第一MEMS传感器和第二MEMS传感器的第二端子连接到差分前置放大器，其中所述处理器被配置成
在接收信号时激活测试模式，该测试模式包括
将所述第一和第二MEMS偏置网络置于重置模式中，
调整用于第一MEMS传感器的第一偏压，使得第一偏压的第一极性与第二MEMS传感器的第二偏压的第二极性匹配，
等待沉降时间，
将所述第一和第二MEMS偏置网络置于感测模式中，
获得用于MEMS扩音器***的总噪声值，以及
在接收第二信号时退出测试模式。
2.权利要求1的***，其中，获得总噪声值包括测量差分前置放大器的输出。
3.权利要求1的***，其中，所述MEMS扩音器和所述处理器被组合在单个封装中。
4.权利要求1的***，其中，所述处理器进一步被配置成
接收环境噪声水平，
接收等效输入噪声水平，
根据环境噪声水平和等效输入噪声水平来确定所期望的拒绝水平，
接收第一MEMS传感器的第一参数，
接收第二MEMS传感器的第二参数，
根据第一和第二参数来确定失配百分比，
根据失配百分比来确定失配效果，其中使用以下等式来确定以dB为单位的失配效果：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Mismatchpercent是失配百分比，被表示为小数，并且dBMIS是以dB为单位的失配效果，
将失配效果与所期望的拒绝水平相比较，并且
当拒绝水平超过失配效果时，通过调整偏压采取修正动作以降低失配百分比。
5.权利要求4的***，其中，所述第一参数是第一MEMS传感器的第一灵敏度，并且所述第二参数是第二MEMS传感器的第二灵敏度。
6.权利要求4的***，其中，所述修正动作包括调整第一偏压和第二偏压中的至少一个。
7.权利要求1的***，其中，退出测试模式包括
将所述第一和第二MEMS偏置网络置于重置模式中，
调整用于第一MEMS传感器的第一偏压，使得第一偏压的第一极性与第二MEMS传感器的第二偏压的第二极性相反，
将所述第一和第二MEMS偏置网络置于感测模式中，并且重新开始正常操作模式。
8.一种用于测试包括处理器的微机电***（MEMS）扩音器***中的噪声的方法，该方法包括：
由处理器将第一MEMS偏置网络和第二MEMS偏置网络置于重置模式中，
由处理器调整用于第一MEMS传感器的第一偏压，使得第一偏压的第一极性与第二MEMS传感器的第二偏压的第二极性匹配，
等待沉降时间，
由处理器将第一和第二MEMS偏置网络置于感测模式中，
获得用于MEMS扩音器***的总噪声值，
其中所述处理器连接到第一MEMS传感器和第二MEMS传感器的第一端子以及连接到所述第一和第二MEMS偏置网络，并且第一MEMS传感器和第二MEMS传感器的第二端子分别连接到第一MEMS偏置网络和第二MEMS偏置网络，以及所述第一MEMS传感器和第二MEMS传感器的第二端子连接到差分前置放大器。
9.权利要求8的方法，其中，获得总噪声值包括测量差分前置放大器的输出。
10.权利要求8的方法，还包括
由处理器接收环境噪声水平，
由处理器接收等效输入噪声水平，
由处理器根据环境噪声水平和等效输入噪声水平来确定期望的拒绝水平，
由处理器接收第一MEMS传感器的第一参数，
由处理器接收第二MEMS传感器的第二参数，
由处理器根据第一和第二参数来确定失配百分比，
由处理器根据失配百分比来确定失配效果，其中使用以下等式来确定以dB为单位的失配效果：
Figure 699307DEST_PATH_IMAGE001
其中，Mismatchpercent是失配百分比，被表示为小数（decimal），并且dBMIS是以dB为单位的失配效果，
由处理器将失配效果与期望的拒绝水平相比较，以及
当拒绝水平超过失配效果时，由处理器通过调整偏压采取修正动作以降低失配百分比。
11.权利要求10的方法，其中，所述第一参数是第一MEMS传感器的第一灵敏度，并且所述第二参数是第二MEMS传感器的第二灵敏度。
12.权利要求10的方法，其中，所述修正动作包括调整第一偏压和第二偏压中的至少一个。
13.权利要求8的方法，还包括
由处理器将第一和第二MEMS偏置网络置于重置模式中，
由处理器调整用于第一MEMS传感器的第一偏压，使得第一偏压的第一极性与第二MEMS传感器的第二偏压的第二极性相反，以及
由处理器将第一和第二MEMS偏置网络置于感测模式中。
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