專(zhuān)利名稱(chēng)：容性mems傳感器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于感應(yīng)機(jī)械量的容性MEMS傳感器設(shè)備、用于這樣的 容性MEMS傳感器設(shè)備的電子電路、以及用于操作這樣的容性MEMS傳 感器設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
目前，MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))傳感器和致動(dòng)器市場(chǎng)正在迅速發(fā)展。本 發(fā)明涉及諸如麥克風(fēng)、加速計(jì)以及壓力傳感器等容性MEMS傳感器。通 常，這樣的MEMS傳感器包括含有兩個(gè)平行極板的電容器。舉例而言， 其中一剛性極板固定在框架上，另一極板(例如膜)受所要測(cè)量的機(jī)械量 (如聲(氣))壓或加速度)的影響發(fā)生移動(dòng)或者彎曲。極板間距離的改 變將導(dǎo)致電容值(即可以進(jìn)行測(cè)量和處理的電信號(hào))的改變。
根據(jù)應(yīng)用，傳感器將不得不處理很寬幅度范圍內(nèi)的機(jī)械激勵(lì)。就 MEMS麥克風(fēng)而言，聲壓可以在34dB至120dB或更高的聲壓級(jí)(SPL) 范圍內(nèi)變化。膜的機(jī)械特性可以被設(shè)計(jì)為，在避免同固定極板的機(jī)械接觸 的同時(shí)，使膜的靈敏度達(dá)到最大化。盡管如此，依然存在瞬時(shí)聲壓超過(guò)最 大聲壓級(jí)的情形(如當(dāng)火車(chē)進(jìn)入或離開(kāi)隧道時(shí)火車(chē)內(nèi)部的聲壓)。在這種 情況下，極板間的距離可能會(huì)變得極小甚至距離為0。
在板間距離極小的情況下，作用于傳感器極板上的電荷在極板間產(chǎn)生 電吸引力，并可能導(dǎo)致膜粘接。這種現(xiàn)象將使得傳感器在電荷量得到充分 減少(如斷電后)之前無(wú)法工作。由于極板通常是由硅制成的，因此為了 避免硅間"冷焊(cold welding)"，通常在膜上覆蓋一電絕緣防粘層 (coating)。該防粘層阻隔了極板間的放電電流，從而可以自動(dòng)從粘接狀 態(tài)恢復(fù)過(guò)來(lái)。
由于較大的電信號(hào)將導(dǎo)致信號(hào)處理電子裝置(即前置放大器和/或模數(shù) 轉(zhuǎn)換器)的削波，因此這種近乎粘接在一起的情況也是不希望發(fā)生的。這使得輸出端產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)將持續(xù)至傳感器以及電子裝置返回 到正常工作模式的一刻為止。
US 2006/0008097 Al公開(kāi)了一種容性麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)含有換能器元 件，所述換能器元件包括帶有導(dǎo)電部分的膜片(diaphragm)、帶有導(dǎo)電 部分的背板、同膜片和背板有效耦合的DC偏置電壓元件、適于確定與膜 片和背板間的分離程度相關(guān)的物理參數(shù)值的損壞檢測(cè)元件；以及適于根據(jù) 確定得到的物理參數(shù)值控制DC偏置電壓元件的損壞控制元件。
參考US 2006/0008097 Al的圖1， "BIAS"端的DC電壓電平由電壓源 和串聯(lián)阻抗明確地限定。IN端不具有明確限定的DC電平。顯而易見(jiàn)，同 "IN"端子的接合焊盤(pán)相接的ESD (靜電放電)保護(hù)二極管起到該作用，因 為其通常被用于幾乎所有IC管腳以形成到地的放電路徑。這種配置具有 兩個(gè)不良副作用
a) 閉合開(kāi)關(guān)并不能使麥克風(fēng)完全放電。仍存在大小等于保護(hù)二極管門(mén) 限電壓的殘余電壓，后者對(duì)膜的恢復(fù)具有不利影響。
b) 閉合開(kāi)關(guān)還將在放大器輸入端形成較大的瞬時(shí)信號(hào)。由于該瞬時(shí)信 號(hào)超過(guò)輸入范圍，因此放大器將可能發(fā)生切削。
更糟糕的是，這還會(huì)在音頻信號(hào)中形成很大的氣爆噪聲。通常，將額 外的氣爆噪聲看做音頻應(yīng)用中極為嚴(yán)重、不可接受的副作用。
總之，US 2006/0008097 Al無(wú)法為膜的(接近)粘接問(wèn)題提供完全和 /或最佳的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于，提供一種能夠在發(fā)生機(jī)械過(guò)載情況后迅速?gòu)?(接近于)粘接狀態(tài)恢復(fù)過(guò)來(lái)的容性MEMS傳感器設(shè)備。本發(fā)明的另一 目的在于，為這樣的容性MEMS傳感器設(shè)備提供相應(yīng)的電子電路，并提 供操作這樣的容性MEMS傳感器設(shè)備的方法。
根據(jù)本發(fā)明所述目的是由權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備 予以實(shí)現(xiàn)的，所述容性MEMS傳感器設(shè)備包括
-容性MEMS傳感元件，具有兩個(gè)相隔一定間距的、平行放置的極板， 用于將感應(yīng)到的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，所述間距響應(yīng)于所述機(jī)械量而發(fā)生改變，
-第一偏壓?jiǎn)卧?，用于為所述MEMS傳感元件的第一極板提供第一偏 置電壓，
-第二偏壓?jiǎn)卧?，用于為所述MEMS傳感元件的第二極板提供第二偏 置電壓，
-信號(hào)處理單元，用于處理所述電學(xué)量，產(chǎn)生輸出信號(hào)，
-比較器單元，用于將所述輸出信號(hào)同參考信號(hào)進(jìn)行比較，以檢測(cè)所
述MEMS傳感元件的過(guò)載情況，并輸出比較器信號(hào)，
-控制單元，用于在所述比較器信號(hào)指示過(guò)載情況時(shí)，通過(guò)在過(guò)載情
況下在第一時(shí)間間隔內(nèi)將所述第一極板同第一放電端子相連，并在第二時(shí)
間間隔內(nèi)將所述第二極板同第二放電端子相連的方式，控制所述MEMS
傳感元件的放電。
權(quán)利要求11定義了與這樣的容性MEMS傳感器設(shè)備相對(duì)應(yīng)的電子電 路，權(quán)利要求12定義了與這樣的容性MEMS傳感器設(shè)備相對(duì)應(yīng)的電子電 路。從屬權(quán)利要求定義了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
本發(fā)明所基于的原理是，在過(guò)載情況下，應(yīng)用雙開(kāi)關(guān)原理分別控制傳 感元件的兩塊極板的放電(應(yīng)當(dāng)注意的是，"過(guò)載情況"的表述還應(yīng)包括接 近過(guò)載的情況)。該雙開(kāi)關(guān)原理可以確保盡可能快地從(接近)機(jī)械過(guò)載 的狀態(tài)中恢復(fù)過(guò)來(lái)。在恢復(fù)過(guò)程中，信號(hào)處理單元輸入端的電壓(DC) 電平保持為作用于第一極板的第一偏置電壓的標(biāo)稱(chēng)電平。在將本發(fā)明用于 MEMS麥克風(fēng)的情況下，這具有音頻靜噪的效果，即，瞬時(shí)效應(yīng)受到傳 感器靈敏度被減小至O的限制。此外，氣爆噪聲也得到了最小化。
同US 2006/0008097 Al所述的方案相比，本發(fā)明的方案同時(shí)克服了上 述兩個(gè)問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明，在兩個(gè)傳感器端子上接收明確的偏置電壓。由 于在(接近)過(guò)載的情況下，傳感元件將被短路，因此不會(huì)留有殘留電壓。 這將實(shí)現(xiàn)最快的膜恢復(fù)。此外，由于第一偏置電壓短路，信號(hào)處理單元處 的DC電平將不會(huì)改變，因此氣爆噪聲得到了最小化。
本方案同US 2006/0008097 Al的方案相比存在另一優(yōu)勢(shì)。US 2006/0008097 Al的圖1所示的比較器直接感應(yīng)麥克風(fēng)信號(hào)。比較器的輸 入電容相當(dāng)于傳感器的附加容性負(fù)載，從而引起非期望的信號(hào)損耗。然而，
7在本方案中，比較器在信號(hào)處理單元之后感應(yīng)信號(hào)，從而避免了額外的容 性負(fù)載。雖然比較器的輸入電容可能還不及傳感器電容的10%，但是由于 目前信噪比要求是一個(gè)限制性因素，因此，即使ldB的信號(hào)損耗也十分關(guān)鍵。
根據(jù)權(quán)利要求2定義的優(yōu)選實(shí)施例，適用于為感應(yīng)元件的第一極板提 供第一偏置電壓的第一偏壓?jiǎn)卧堑妥杩闺妷簡(jiǎn)卧?，適用于為感應(yīng)元件的 第二極板提供第二電壓的第二偏壓?jiǎn)卧歉咦杩闺妷簡(jiǎn)卧?。因此，?接 近)過(guò)載的情況下傳感元件的在充電時(shí)間幾乎完全取決于第二電壓?jiǎn)卧?高阻抗。盡可能短的再充電時(shí)間可以確保最短的、傳感器能夠繼續(xù)正常工 作前的恢復(fù)時(shí)間。
在另一實(shí)施例中，將所述第一電壓源和所述第一阻抗元件間的連接作 為所述第一和第二放電端子，即只使用了一個(gè)公共放電端子。
根據(jù)另一實(shí)施例，所述第一電壓源的供電電壓大于所述第二電壓源的 供電電壓。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，使傳感器的靈敏度同MEMS傳感器兩極 板間的電壓成正比關(guān)系。由于傳感器的靈敏度應(yīng)較高，因此作用于第一極 板的電壓(即第一偏置電壓)應(yīng)該較高(比如大于可用供電電壓)。對(duì)于 作用于第二極板的電壓(即第二偏置電壓)，在0至可用供電電壓間選擇 適當(dāng)?shù)碾妷海瑥亩鴮?shí)現(xiàn)至信號(hào)處理單元的簡(jiǎn)單的DC耦合。
優(yōu)選情況下，第一和所述第二時(shí)間間隔起始時(shí)間基本相等，但第一時(shí) 間間隔短于所述第二時(shí)間間隔。因此，在第一時(shí)間間隔內(nèi)，傳感元件的兩 個(gè)極板連接至各自的放電端子(或如優(yōu)選實(shí)施例中所用的公共放電端子)， 使作用于兩極板的電壓降低為0，而第二極板上的電壓電平保持不變。在 第一時(shí)間間隔之后，第一極板不再連接至放電端子，從而恢復(fù)傳感元件的 各偏置電壓(即作用于第一極板的第一偏置電壓)。然而，仍將第二極板 連接在第二電壓源上一段時(shí)間(直至第二時(shí)間間隔終止為止)，以確保再 充電時(shí)間根據(jù)第一和第二電壓?jiǎn)卧淖杩怪档玫娇s短。第二時(shí)間間隔之 后，再次對(duì)傳感元件的第二極板提供第二偏置電壓，電子電路再次從電壓 源模式(具有低阻抗)恢復(fù)至充電泵(具有高阻抗)模式。MEMS傳感器 設(shè)備再次做好精確地將機(jī)械輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)的準(zhǔn)備。
放電時(shí)間只受限于開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線的殘留電阻。優(yōu)選地，放電時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小
8于膜的機(jī)械恢復(fù)時(shí)間。優(yōu)選地，第一時(shí)間間隔稍長(zhǎng)于機(jī)械恢復(fù)時(shí)間。優(yōu)選 地，舉例而言，第二時(shí)間間隔足夠長(zhǎng)，以至于將傳感器再充電至最終值的
90%。
為了實(shí)現(xiàn)所述第一和第二時(shí)間間隔，在一優(yōu)選實(shí)施例中，控制單元包
括第一脈沖發(fā)生器，具有與所述第一時(shí)間間隔相對(duì)應(yīng)的第一脈沖時(shí)間； 以及第二脈沖發(fā)生器，具有與所述第二時(shí)間間隔相對(duì)應(yīng)的第二脈沖時(shí)間。 舉例而言，所述脈沖發(fā)生器控制權(quán)利要求8所定義的第一和第二開(kāi)關(guān)，以 將傳感元件的各極板連接至它們各自的放電端子。
根據(jù)本發(fā)明的MEMS傳感器的輸出信號(hào)可以是模擬或數(shù)字的。權(quán)利 要求9定義了一種用于獲得模擬輸出信號(hào)的實(shí)施例，權(quán)利要求10定義了 一種用于獲得數(shù)字輸出信號(hào)的實(shí)施例。優(yōu)選情況下，在所述數(shù)字實(shí)施例中， 比較器是作為簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器予以實(shí)現(xiàn)的，所述計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)預(yù)定數(shù)量的 連續(xù)的具有預(yù)定位值的位，例如，檢測(cè)一連串連續(xù)的'T'或"O"(具體取決 于計(jì)數(shù)器的極性)。
根據(jù)本發(fā)明的MEMS傳感器可用于不同的目的。舉例而言，MEMS 傳感器可以是MEMS麥克風(fēng)(如，用于蜂窩電話)、加速計(jì)、和壓力傳感 器。


以下將參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的說(shuō)明，附圖中
圖1示出了容性MEMS傳感器的原理，
圖2示出了簡(jiǎn)單的MEMS傳感器的偏置電路，
圖3示出了 MEMS傳感器的偏置電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)的電路圖，
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的容性MEMS傳感器設(shè)備的電路圖，
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的MEMS傳感器器件的模擬實(shí)現(xiàn)的電路圖，
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的MEMS傳感器器件的數(shù)字實(shí)現(xiàn)的電路圖，
圖7示出了模擬實(shí)現(xiàn)中信號(hào)的信號(hào)圖，并且
圖8示出了數(shù)字實(shí)現(xiàn)中信號(hào)的信號(hào)圖。
圖9示出了結(jié)合電壓倍增器應(yīng)用的RC濾波器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
在以下文本中，總體將MEMS麥克風(fēng)作為本發(fā)明的典型實(shí)施例予以 說(shuō)明。然而，本發(fā)明通常還可應(yīng)用于所有的容性MEMS傳感器，而不局 限于MEMS麥克風(fēng)。
圖1示出了容性MEMS傳感器10的原理，所述容性MEMS傳感器 用于將機(jī)械量P (如入射聲壓)轉(zhuǎn)換為電容值的變化，電容值的變化是通 過(guò)改變電容器極板11、 14間距離予以實(shí)現(xiàn)的。所述電容器包括兩個(gè)平行 極板，具體而言，包括固定于第一框架12上并連接至電接觸組件13的 剛性極板11;以及連接至第二框架15 (可以和第一框架12形成一剛性單 元，但與第一框架電氣隔離)并連接至電接觸組件16的另一極板14 (特 別是膜)。后一極板14受所要測(cè)量的機(jī)械量P (如聲(氣)壓或加速度) 的影響發(fā)生移動(dòng)或者彎曲。極板11和14間距離d。的改變將導(dǎo)致電容值(即 可測(cè)量電信號(hào))的改變。
標(biāo)稱(chēng)電容值為C。 = sA/do，
其中A是極板面積，do是極板ll、 14間的默認(rèn)距離。機(jī)械激勵(lì)將該 距離從d。改變?yōu)閐o+Ad。當(dāng)恒定電量Q作用于極板上時(shí)，極板ll、 14間 的電壓Vp根據(jù)下式發(fā)生改變
Q = CVP。
合并以上兩式，可得 △VP=QAd/sA。
假設(shè)Ad和所要測(cè)量的機(jī)械量之間呈線性關(guān)系，那么該線性關(guān)系對(duì)于 電壓AVp同樣成立。
應(yīng)當(dāng)注意的是，由于在極板11、 14間采用恒壓偏置將在距離d變小 的情況下引起極板U、 14間吸引力的提高，并且由于d和C間的反比(非 線性)關(guān)系的緣故，不建議在極板ll、 14間采用恒壓偏置。
在諸如駐極體麥克風(fēng)等某些非MEMS傳感器中，偏置電荷以靜態(tài)方 式存在于薄膜以?xún)?nèi)。而對(duì)于MEMS傳感器而言，這是不可能的。這正是
10圖2所示的，需要采用為MEMS傳感器IO提供偏置電壓Vb^的外部偏
置電路的原因，所述圖2示出了 MEMS傳感器的恒定電荷偏置電路的原
理。在IC技術(shù)中，偏置電阻器Rbias可以作為小占空因數(shù)開(kāi)關(guān)電路或弱反
型(weak inversion)長(zhǎng)溝道MOS晶體管予以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于1/2 7tRbiasC。以上
頻率，電路表現(xiàn)為恒定電荷偏置。該拐點(diǎn)頻率的實(shí)際值為音頻頻譜的下端 點(diǎn)(如50Hz)。
在IC技術(shù)中，希望同信號(hào)處理電子裝置(包括例如前置放大器)相 連接的電容器極板上具有適宜的DC電平。偏置電壓Vbiasl的實(shí)際值通常 高于前置放大器以及其他信號(hào)處理電子裝置的供電電壓。因此，包括電壓 源VS2以及偏置阻抗Rb^在內(nèi)的高阻抗偏壓發(fā)生器V2定義了該極板的 DC電平Vb^，而包括電壓源VS1 (例如，包括用于通過(guò)供電電壓Vsu^y 得到偏置電壓Vbiasl的電壓倍增器)和偏置阻抗RbM在內(nèi)的第二低阻抗偏 壓發(fā)生器VI定義了另一極板的(高)DC電平Vbi^。上述內(nèi)容示于圖3，
圖3示出了傳感器偏置的實(shí)際實(shí)現(xiàn)(其中優(yōu)選情況下Rbias2》Rbias,)。后一
發(fā)生器的一種可能的電路是Dickson電壓倍增器。用信號(hào)處理單元20對(duì) MEMS傳感器10的傳感器輸出信號(hào)加以處理，所述信號(hào)處理單元20特
別包括前置放大器，用于獲取傳感器配置的輸出信號(hào)VouT。
圖4示出了基于雙開(kāi)關(guān)恢復(fù)原理的根據(jù)本發(fā)明的MEMS傳感器配置 的第一實(shí)施例。
除了MEMS傳感器10、第一和第二偏置電壓?jiǎn)卧猇I、 V2、以及信 號(hào)處理單元20，根據(jù)本發(fā)明的MEMS傳感器設(shè)備還包括比較器21;以 及控制單元22，用于在過(guò)載情況下控制所述MEMS傳感器10的放電。 所述控制單元22包括第一和第二 (優(yōu)選為單觸發(fā))脈沖發(fā)生器23、 24， 用于分別產(chǎn)生分別具有預(yù)定脈沖時(shí)間Tl和T2的脈沖信號(hào)Vt,和VT2。各 開(kāi)關(guān)S1、 S2分別受所述脈沖發(fā)生器23、 24所產(chǎn)生的脈沖的控制，從而使 MEMS傳感器10的極板獨(dú)立地同放電端D連接預(yù)定的時(shí)間間隔。
優(yōu)選情況下，第一極板是被施加以第一偏置電壓VbM的膜。這種配 置有一點(diǎn)好處在于，減小了對(duì)襯底(圖1中的15)的寄生電容。然而，也 可以用膜作為第二極板。
圖4示出的用于應(yīng)對(duì)過(guò)載的恢復(fù)電流包含反饋環(huán)，反饋環(huán)主要包含以下組件
a) 比較器21 ，用于將信號(hào)處理單元20的輸出信號(hào)V0UT同預(yù)定參考電
平Vref進(jìn)行比較。瑜出信號(hào)Vout在(接近)過(guò)載的情況時(shí)變?yōu)橛行А⒖?電平Vw與Vbiasl和Vb^2有關(guān)。舉例而言，偏置電壓可以與帶隙參考電壓 (如1.2V)相關(guān)，比如說(shuō)，可以是固定倍數(shù)的帶隙參考電壓。傳感器靈敏 度等于Vb^-V^2。機(jī)械尺寸、硬度、柔性等決定了對(duì)應(yīng)于過(guò)載情況的輸 出電壓(V麗)。因此，參考電壓Vref相當(dāng)于Vbias廣Vbias2的一部分。V^被 設(shè)置與Vb^+V^相等。因此，精確定義靈敏度和過(guò)載水平是有可能的。
b) 比較器21的輸出信號(hào)Ve控制具有脈沖時(shí)間Tl的單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生
器23。該發(fā)生器23控制開(kāi)關(guān)Sl。它使幵關(guān)Sl在預(yù)定義的時(shí)間Tl內(nèi)保 持閉合，預(yù)定義的時(shí)間T1足夠長(zhǎng)使MEMS傳感器10 (具體而言是膜)的 第一極板能夠返回其正常位置。
c) 比較器21的輸出信號(hào)Ve還控制具有脈沖時(shí)間T2的單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā) 生器24。優(yōu)選情況下，T2大于T1。該第二發(fā)生器24控制開(kāi)關(guān)S2。當(dāng)兩 個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2均閉合時(shí)，就形成了傳感器IO的放電路徑。經(jīng)過(guò)時(shí)間間 隔T1之后，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，傳感器IO兩端電壓恢復(fù)。
由于RbiasP〉RbM，再充電時(shí)間幾乎完全取決于Rbias2。通過(guò)將幵關(guān)S2 保持閉合，就可以將再充電時(shí)間減少Rbias2/(Rbias!+Rbias2)。經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔丁2 之后，再釋放開(kāi)關(guān)S2，從而使偏置電路從電壓源(低阻抗)模式再次恢復(fù)
至充電泵(高阻抗)模式。此時(shí)，傳感器io再次做好精確轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)
的準(zhǔn)備。
正如前已闡釋的那樣，主要是為了使膜恢復(fù)至正常位置，因此有必要
使用單觸發(fā)脈沖Tl。恢復(fù)時(shí)間取決于設(shè)備的機(jī)械特性。由于閉合Sl和 S2將直接恢復(fù)輸出端VouT的電信號(hào)，弓l起比較器21重置，因此無(wú)法以電
子方式對(duì)恢復(fù)加以測(cè)量。
雙開(kāi)關(guān)原理可以確保盡可能快地從(接近)機(jī)械過(guò)載的狀態(tài)中恢復(fù)過(guò)
來(lái)。在恢復(fù)過(guò)程中，信號(hào)處理單元20輸入端的DC電平保持為等于標(biāo)稱(chēng) 電平Vb&2。在將本發(fā)明用于MEMS麥克風(fēng)的情況下，這具有音頻靜噪的 效果，換言之，由于傳感器靈敏度被減小至0，瞬時(shí)效應(yīng)得到了限制。此 外，氣爆噪聲也得到了最小化。態(tài)脈沖發(fā)生器在環(huán)路中起低通濾波 器的作用，確保了工作的穩(wěn)定性。
優(yōu)選情況下，由于MEMS傳感器的尺寸較小，在MEMS傳感器附近 進(jìn)行信號(hào)處理，以最小化互連寄生電容中的信號(hào)損耗。因此，優(yōu)選情況下， 將MEMS傳感器和電子電路一起封裝在多芯片模塊(MCM)或集成在同 一芯片中。
傳感器設(shè)備的輸出信號(hào)VouT可以是模擬或數(shù)字信號(hào)。在模擬輸出的 情況下，(如圖5電路圖中所示的)電子電路包括至少兩個(gè)功能模塊偏 置電壓?jiǎn)卧猇1、 V2;以及包括前置放大器25的信號(hào)處理單元20。此處， 比較器單元21包括模擬比較器。其參考電平與傳感器10上的偏置電壓 Vbi^有關(guān)，而傳感器10上的偏置電壓Vbiasl通常是通過(guò)提供參考電壓 V^的帶隙電壓參考單元VR獲得的。舉例而言，圖5所示的實(shí)現(xiàn)優(yōu)選情 況下用于MEMS麥克風(fēng)。
在數(shù)字輸出的情況下，(如圖6電路圖中所示的)電子電路包含作為 第三功能模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)26。在某些實(shí)現(xiàn)中，前置放大器25和 ADC26交織在一起，從而使得為了識(shí)別過(guò)載狀態(tài)只能訪問(wèn)數(shù)字輸出。由 于電流消耗(舉例而言，對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用十分重要)、設(shè)計(jì)的便利性、芯片 面積(成本)和精度等多種原因，數(shù)字比較器的功能優(yōu)于模擬比較器的功 能，因此這并不是一種缺陷。
常見(jiàn)的ADC類(lèi)型是1位的積分三角(Sigma-Ddta) ADC。其輸出信 號(hào)是脈沖密度調(diào)制比特流。在過(guò)載的情況下，比特流由一連串連續(xù)的"l" 或"0，，構(gòu)成(具體取決于極性)。因此，數(shù)字比較器21'可以是簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù) 器。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)預(yù)定義數(shù)量的'T，時(shí)，其輸出V'c變?yōu)橛行?。該?shù)字比較器 21，的特定優(yōu)勢(shì)在于，參考電平V^是一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程數(shù)量。
為了更清楚地闡釋本發(fā)明的功能，圖7示出了出現(xiàn)在圖5所示的模擬 實(shí)現(xiàn)中的信號(hào)的時(shí)序圖。
圖7a示出了 MEMS傳感器10兩極板間的距離d。為了說(shuō)明正常操 作，在時(shí)間間隔il內(nèi)施加正常幅度的正弦輸入信號(hào)。距離以小于dn^的幅 度在do附近變化。在時(shí)間間隔i2的起始位置，出現(xiàn)了機(jī)械過(guò)載信號(hào)，將 距離減小至d。-dmax。此時(shí)(時(shí)間間隔i2的終止位置，時(shí)間間隔i3的起始
13位置)，出現(xiàn)了被檢測(cè)到的過(guò)載情況。
圖7b示出了信號(hào)處理器的輸出電壓VouT。當(dāng)VouT超過(guò)Vref時(shí)，檢測(cè) 到過(guò)載情況。圖7C示出了比較器輸出信號(hào)Vc。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)載情況時(shí)，比
較器輸出變?yōu)橛行А?br> 圖7d和7e示出了脈沖發(fā)生器23和24的輸出信號(hào)VT1禾Q VT2。由圖 可見(jiàn)，檢測(cè)到過(guò)載情況使脈沖發(fā)生器23和24同時(shí)變?yōu)橛行В瑥亩鴮㈤_(kāi)關(guān) Sl和S2閉合。
圖7f示出了傳感器的兩極板11、 14間的電壓Vp— Vplatel-Vplate2)。關(guān) 閉開(kāi)關(guān)Sl和S2將導(dǎo)致極板間短路，使Vp變?yōu)?。
從圖7a可見(jiàn)，在時(shí)間間隔T1內(nèi)，膜恢復(fù)至正常位置。此時(shí)，它相當(dāng) 于一純機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。不存在電力。如圖7d可見(jiàn)，時(shí)間間隔T1之后， 脈沖發(fā)生器23恢復(fù)至無(wú)效狀態(tài)，開(kāi)關(guān)S1再次斷開(kāi)。如圖7f所示，通過(guò) (低電阻值的)RbM迅速地對(duì)傳感器進(jìn)行再充電。舉例而言，電壓達(dá)到最 終數(shù)值Vbiasl-Vbias2的90%,傳感器設(shè)備再次準(zhǔn)備好進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。
在時(shí)間間隔T2之后，脈沖發(fā)生器24恢復(fù)至無(wú)效狀態(tài)，且開(kāi)關(guān)S2再 次斷開(kāi)(參見(jiàn)圖7e)。如圖7f所示，傳感器通過(guò)Rbw和Rbias2緩慢再充電
至其最終值，其中Rb^2是高電阻值的因此起主要作用。
圖8示出了圖6所示的數(shù)字實(shí)現(xiàn)中的比較器(計(jì)數(shù)器)21'的輸入信號(hào)
V。ut和輸出信號(hào)Vc的時(shí)序圖。
圖8a示出了就圖7a所示的距離信號(hào)d而言的積分三角ADC 26的輸 出信號(hào)Vout (所示信號(hào)是示意性，不是按精確的時(shí)間尺度繪制的)。在時(shí) 間間隔il內(nèi)，傳感器正常工作。ADC產(chǎn)生一個(gè)"1"和"0"以平均相等的出 現(xiàn)率出現(xiàn)的流。在時(shí)間間隔i2中，傳感器趨向過(guò)載。ADC流中"1"的比例 從50%上升至幾乎100%。時(shí)間間隔i3表示過(guò)載的情況，其中流中只含有
由示出了比較器(計(jì)數(shù)器)2r的輸出信號(hào)V'e的圖8b可見(jiàn)，起初計(jì)
數(shù)器輸出是無(wú)效的。在時(shí)間間隔i2的終止位置，ADC流(見(jiàn)圖8a)不再 含有"0"，且計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)而不進(jìn)行重置。在計(jì)數(shù)長(zhǎng)度L期間，計(jì)算器 未接收到"0"。 L之后，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到預(yù)置數(shù)量個(gè)連續(xù)的"l"，且計(jì)數(shù)器輸 出變?yōu)橛行?。在時(shí)間間隔i3的終止位置，傳感器離開(kāi)過(guò)載區(qū)，且ADC26再次產(chǎn)生首個(gè)"0"，重置計(jì)數(shù)器21'。
應(yīng)當(dāng)注意的是，即使流Vout中只有一個(gè)"O"，也足以重置計(jì)數(shù)器21，， 還應(yīng)注意，預(yù)置數(shù)量是用于模擬實(shí)現(xiàn)中的參考電壓Vref的數(shù)字等價(jià)物，兩 者都被看作是本申請(qǐng)中的"參考信號(hào)"。
在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，積分三角ADC 26可能無(wú)法達(dá)到0%或100°/。的調(diào)制程 度(即輸出只包括"o"或"r)，而只能達(dá)到一個(gè)稍低的調(diào)制程度(如5% -95%)。在這種情況下，比較器(計(jì)數(shù)器)21'的輸出必須在"1"和"0"的比 率超過(guò)預(yù)定義比率(如10:1)的情況下變?yōu)橛行?。在一?shí)施例中，估計(jì)統(tǒng)
計(jì)"r的第一計(jì)數(shù)器的輸出和統(tǒng)計(jì)"o"的第二計(jì)數(shù)器的輸出間的比率?？蛇x
地，在單個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出變?yōu)橛行r(shí)，相對(duì)于100%調(diào)制程度的計(jì)數(shù)器， 可以減小預(yù)置的連續(xù)'T'的數(shù)量，使得放電過(guò)程在出現(xiàn)過(guò)載狀況的同時(shí)啟 動(dòng)。這意味著，對(duì)預(yù)置的連續(xù)'T'的數(shù)量的定義取決于過(guò)載情況的可容忍 持續(xù)時(shí)間、積分三角ADC26的輸出頻率和過(guò)載時(shí)達(dá)到的調(diào)制程度。
實(shí)際設(shè)計(jì)中積分三角ADC 26應(yīng)用的另一個(gè)限制是積分三角ADC 26 中的信號(hào)余量。在某些電路設(shè)計(jì)中，前置放大器25和積分三角ADC 26 的總增益大小使得最大ADC調(diào)制程度恰好等于最大輸入信號(hào)擺動(dòng)。采用 這種設(shè)計(jì)的原因之一是，積分三角ADC 26的信噪比可能是信號(hào)路徑中的 一個(gè)限制因素，意味著對(duì)于SNR而言，積分三角ADC26可能是鏈路中最 弱的環(huán)節(jié)。因此，甚至正常工作模式下的信號(hào)都可能導(dǎo)致積分三角ADC 26 輸出端的最大信號(hào)，即積分三角ADC26可能甚至在正常工作模式下產(chǎn)生 切削。然而，這意味著，并未給較大的信號(hào)偏移留有可用于識(shí)別即將到來(lái) 的過(guò)載情況的余量。在這種情況下，必須用圖5所示的(附加的)模擬比 較器21執(zhí)行過(guò)載檢測(cè)。在圖3中，用包括電壓源VS1 (例如，包括用于 通過(guò)供電電壓Vsuppty得到偏置電壓Vbias,的電壓倍增器)和偏置阻抗RbiasI 在內(nèi)的低阻抗的偏壓發(fā)生器Vi來(lái)定義另一極板的(高)DC電平Vbiasl。 一種常用的實(shí)現(xiàn)所述電壓倍增器的方式是由幵關(guān)和電容器組成的電路。通 過(guò)堆疊充電電容器，無(wú)載輸出電壓變?yōu)楠?dú)立電容電壓之和。不利的是，電 阻式負(fù)載以電壓倍增器的開(kāi)關(guān)頻率使輸出電壓上產(chǎn)生脈動(dòng)。雖然脈動(dòng)頻率 剛好位于音頻頻段(20kHz)以上，但由于積分三角ADC 26中的混疊可 能將脈動(dòng)頻率折回音頻頻段，脈動(dòng)頻率仍可能破壞音頻性能。因此，當(dāng)負(fù)載電流從電壓倍增器流出時(shí)，使用RC濾波器抑制偏置電壓的脈動(dòng)。
圖9示出了與傳統(tǒng)的完全集成抗混疊濾波器相比，芯片面積有所節(jié)約 的實(shí)際方案。在一實(shí)施例中，電阻器RbM可作為二極管(如PN結(jié)或柵極
同漏極相連的、相當(dāng)于二極管的長(zhǎng)溝道MOS晶體管TR1)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電容 器由MOS晶體管TR3的柵極予以實(shí)現(xiàn)。電容器的典型值比傳感器電容大 一個(gè)數(shù)量級(jí)。較大的去耦合電容器為音頻頻率提供低阻抗，使上部的傳感 器節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)虛地。
對(duì)Rbiasl使用非線性二極管具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 一方面，二極管(各起二 極管作用的三極管TR1)相當(dāng)于低電阻值的電阻器，并且當(dāng)傳感器兩端的 偏置電壓低于電壓倍增器輸出(加電之后或從過(guò)載中恢復(fù)過(guò)來(lái)之后)時(shí)， 可以實(shí)現(xiàn)快速充電。另一方面，二極管不得不在穩(wěn)定狀態(tài)下僅僅提供傳感 器的(極低)的泄漏電流。因此，二極管兩端的電壓很低，二極管從而可 以表現(xiàn)出非常高的阻抗。因此，濾波器的RC時(shí)間常數(shù)將變得足夠長(zhǎng)，以 至于能夠?qū)⒚}動(dòng)抑制到混疊產(chǎn)物仍保持在底噪聲以下的程度。此外，位于 傳感器上部節(jié)點(diǎn)的DC阻抗極高。較大的去耦合電容器為音頻頻率提供較 低的AC阻抗，使上部節(jié)點(diǎn)事實(shí)上充當(dāng)一個(gè)虛地。在另一實(shí)施例中，電阻 器Rbias2和電壓源Vbias2還可以作為二極管或柵極同漏極相連的、相當(dāng)于二 極管的長(zhǎng)溝道MOS晶體管TR2予以實(shí)現(xiàn)。類(lèi)似地，它將在穩(wěn)定狀態(tài)下傳 導(dǎo)一個(gè)極小的泄漏電流。對(duì)于PN二極管，這將導(dǎo)致幾百mV的正向偏置。 對(duì)于長(zhǎng)溝道MOS晶體管TR2，這也將導(dǎo)致幾百mV的Vds，對(duì)于前置放 大器25這是一個(gè)適宜的DC水平。
本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域是所有的容性MEMS傳感器(如MEMS麥克風(fēng)、 加速計(jì)以及壓力傳感器)。例如，本發(fā)明可用作蜂窩電話的麥克風(fēng)。在另 一應(yīng)用中，將磁羅盤(pán)、GPS和MEMS加速計(jì)傳感器加以組合，以實(shí)現(xiàn)諸 如蜂窩電話等便攜式電子裝置中的精確定位。
總之，本發(fā)明為容性MEMS傳感器設(shè)備中的電子裝置提供了一種新 穎的反饋環(huán)。其目的在于，使傳感器及其信號(hào)處理電子裝置從過(guò)度的機(jī)械 激勵(lì)所引起的過(guò)載中迅速恢復(fù)過(guò)來(lái)。本發(fā)明極大地縮短了結(jié)果誤差信號(hào)的 持續(xù)時(shí)間，提高了應(yīng)用的質(zhì)量?？焖倩謴?fù)是通過(guò)改進(jìn)的偏置電路獲得的， 不產(chǎn)生可聞的副作用(在用作麥克風(fēng)的情況下)。
權(quán)利要求
1. 一種用于感應(yīng)機(jī)械量的容性MEMS傳感器設(shè)備，包括-容性MEMS傳感元件(10)，具有兩個(gè)間距為d0的、平行放置的極板(11、14)，用于將感應(yīng)到的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，所述間距d0響應(yīng)于所述機(jī)械量(P)而發(fā)生改變，-第一偏壓?jiǎn)卧?V1)，用于為所述MEMS傳感元件的第一極板提供第一偏置電壓(Vbias1)，-第二偏壓?jiǎn)卧?V2)，用于為所述MEMS傳感元件的第二極板提供第二偏置電壓(Vbias2)，-信號(hào)處理單元(20)，用于處理所述電學(xué)量，產(chǎn)生輸出信號(hào)(VOUT)，-比較器單元(21)，用于將所述輸出信號(hào)(VOUT)同參考信號(hào)(Vref)進(jìn)行比較，以檢測(cè)所述MEMS傳感元件(10)的過(guò)載情況，并輸出比較器信號(hào)，-控制單元(22)，用于在所述比較器信號(hào)指示過(guò)載情況時(shí)，通過(guò)在過(guò)載情況下在第一時(shí)間間隔(T1)內(nèi)將所述第一極板同第一放電端子(D)相連，并在第二時(shí)間間隔(T2)內(nèi)將所述第二極板同第二放電端子(D)相連的方式，控制所述MEMS傳感元件(10)的放電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述第一偏壓?jiǎn)卧?VI)包括第一電壓源(VSO;以及具 有低阻抗的、連接在所述第一電壓源和所述第一極板間的第一阻抗元件(Rbiasl)， 并且其中，所述第二偏壓?jiǎn)卧?V2)包括第二電壓源(VS2);以及具 有高阻抗的、連接在所述第二電壓源和所述第二極板間的第二阻抗元件 (Rbias2 ^ 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述第二電壓源(VS2)和所述第二阻抗元件(Rbias2)間的連 接作為所述第一和第二放電端子(D)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述第一電壓源(VS1)的供電電壓大于所述第二電壓源(VS2)的供電電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述第一和所述第二時(shí)間間隔(Tl、 T2)起始時(shí)間基本相同， 所述第一時(shí)間間隔(Tl)短于所述第二時(shí)間間隔(T2)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述控制單元(22)包括第一脈沖發(fā)生器(23)，具有與所 述第一時(shí)間間隔相對(duì)應(yīng)的第一脈沖時(shí)間(Tl);以及第二脈沖發(fā)生器(24)， 具有與所述第二時(shí)間間隔相對(duì)應(yīng)的第二脈沖時(shí)間(T2)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述第一和第二放電端子(D)是相同的，具體與所述第二偏 壓?jiǎn)卧?V2)的偏置電壓供應(yīng)端子相對(duì)應(yīng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述控制單元(22)包括第一開(kāi)關(guān)(Sl)，用于在所述第一 時(shí)間間隔內(nèi)將所述第一極板同所述第一放電端子相連；以及第二開(kāi)關(guān) (S2)，用于在所述第二時(shí)間間隔內(nèi)將所述第二極板同所述第二放電端子 相連。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述信號(hào)處理單元(20)包括模擬信號(hào)放大器(25)， 所述比較器單元(21)包括模擬比較器，并且 所述第一偏置電壓(Vbiasl)是從所述參考電壓(Vref)得到的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性MEMS傳感器設(shè)備，其中，所述信號(hào)處理單元(20)包括模擬信號(hào)放大器(25);以及 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(26)，用于將放大器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)(Vout)， 并且所述比較器單元(21，)包括數(shù)字比較器，具體為計(jì)數(shù)器，用于檢測(cè)預(yù) 定數(shù)量的連續(xù)的具有預(yù)定位值的位。
11. 一種用于感應(yīng)機(jī)械量的容性MEMS傳感器設(shè)備的電子電路，所 述性MEMS傳感器設(shè)備具有容性MEMS傳感元件(10)，所述容性MEMS 傳感元件具有兩個(gè)相隔一定間距(dQ)的、平行放置的極板(11、 14),用 于將感應(yīng)到的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，所述間距響應(yīng)于所述機(jī)械量(P)而 發(fā)生改變，所述電子電路包括--第一偏壓?jiǎn)卧?VI )，用于為所述MEMS傳感元件的第一極板提供 第一偏置電壓(Vbias])，-第二偏壓?jiǎn)卧?V2)，用于為所述MEMS傳感元件的第二極板提供第二偏置電壓(Vbias2)，-信號(hào)處理單元(20)，用于處理所述電學(xué)量，產(chǎn)生輸出信號(hào)(V0UT)， -比較器單元(21)，用于將所述輸出信號(hào)(V0UT)同參考信號(hào)(Vref)進(jìn)行比較，以檢測(cè)所述MEMS傳感元件(10)的過(guò)載情況，并輸出比較器信號(hào)，-控制單元(22)，用于在所述比較器信號(hào)指示過(guò)載情況時(shí)，通過(guò)在過(guò) 載情況下在第一時(shí)間間隔(Tl)內(nèi)將所述第一極板同第一放電端子(D) 相連，并在第二時(shí)間間隔(T2)內(nèi)將所述第二極板同第二放電端子(D) 相連的方式，控制所述MEMS傳感元件(IO)的放電。
12. —種操作容性MEMS傳感器設(shè)備的方法，所述容性MEMS傳感 器設(shè)備用于感應(yīng)機(jī)械量，具有容性MEMS傳感元件(10)，所述容性MEMS 傳感元件具有兩個(gè)間距為do的、平行放置的極板(11、 14)，用于將感應(yīng) 到的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，所述間距do響應(yīng)于所述機(jī)械量(P)而發(fā)生改 變，所述方法包括以下步驟-為所述MEMS感應(yīng)元件的第一極板提供第一偏置電壓(Vbias)，-為所述MEMS感應(yīng)元件的第二極板提供第二偏置電壓(Vbias2)，-處理所述電學(xué)量，產(chǎn)生輸出信號(hào)(V0UT)，-將所述輸出信號(hào)(V0UT)同參考信號(hào)(Vref)進(jìn)行比較，以檢測(cè)所述 MEMS傳感元件(10)的過(guò)載情況，并輸出比較器信號(hào)，-在所述比較器信號(hào)指示過(guò)載情況時(shí)，通過(guò)在過(guò)載情況下在第一時(shí)間 間隔(Tl)內(nèi)將所述第一極板同第一放電端子(D)相連，并在第二時(shí)間 間隔(T2)內(nèi)將所述第二極板同第二放電端子(D)相連的方式，控制所 述MEMS傳感元件(IO)的放電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于感應(yīng)機(jī)械量的容性MEMS傳感器設(shè)備。為了提供這樣的能夠在發(fā)生機(jī)械過(guò)載情況后迅速?gòu)?接近于)粘接狀態(tài)恢復(fù)過(guò)來(lái)的容性MEMS傳感器設(shè)備，提出了這樣一種傳感器設(shè)備包括-第一偏壓?jiǎn)卧?V1)，用于為所述MEMS傳感元件的第一極板提供第一偏置電壓(V_bias1)，-第二偏壓?jiǎn)卧?V2)，用于為所述MEMS傳感元件的第二極板提供第二偏置電壓(V_bias2)，-信號(hào)處理單元(20)，用于處理所述電學(xué)量，產(chǎn)生輸出信號(hào)(V_OUT)，-比較器單元(21)，用于將所述輸出信號(hào)(V_OUT)同參考信號(hào)(V_ref)進(jìn)行比較，以檢測(cè)所述MEMS傳感元件(10)的過(guò)載情況，并輸出比較器信號(hào)，-控制單元(22)，用于在所述比較器信號(hào)指示過(guò)載情況時(shí)，通過(guò)在過(guò)載情況下在第一時(shí)間間隔(T1)內(nèi)將所述第一極板同第一放電端子(D)相連，并在第二時(shí)間間隔(T2)內(nèi)將所述第二極板同第二放電端子(D)相連的方式，控制所述MEMS傳感元件(10)的放電。
文檔編號(hào)H04R19/00GK101443633SQ200780017652
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
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