专利名称：容性mems传感器设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于感应机械量的容性MEMS传感器设备、用于这样的 容性MEMS传感器设备的电子电路、以及用于操作这样的容性MEMS传 感器设备的方法。
背景技术：
目前，MEMS (微机电系统)传感器和致动器市场正在迅速发展。本 发明涉及诸如麦克风、加速计以及压力传感器等容性MEMS传感器。通 常，这样的MEMS传感器包括含有两个平行极板的电容器。举例而言， 其中一刚性极板固定在框架上，另一极板(例如膜)受所要测量的机械量 (如声(气))压或加速度)的影响发生移动或者弯曲。极板间距离的改 变将导致电容值(即可以进行测量和处理的电信号)的改变。
根据应用，传感器将不得不处理很宽幅度范围内的机械激励。就 MEMS麦克风而言，声压可以在34dB至120dB或更高的声压级(SPL) 范围内变化。膜的机械特性可以被设计为，在避免同固定极板的机械接触 的同时，使膜的灵敏度达到最大化。尽管如此，依然存在瞬时声压超过最 大声压级的情形(如当火车进入或离开隧道时火车内部的声压)。在这种 情况下，极板间的距离可能会变得极小甚至距离为0。
在板间距离极小的情况下，作用于传感器极板上的电荷在极板间产生 电吸引力，并可能导致膜粘接。这种现象将使得传感器在电荷量得到充分 减少(如断电后)之前无法工作。由于极板通常是由硅制成的，因此为了 避免硅间"冷焊(cold welding)"，通常在膜上覆盖一电绝缘防粘层 (coating)。该防粘层阻隔了极板间的放电电流，从而可以自动从粘接状 态恢复过来。
由于较大的电信号将导致信号处理电子装置(即前置放大器和/或模数 转换器)的削波，因此这种近乎粘接在一起的情况也是不希望发生的。这使得输出端产生误差信号，该误差信号将持续至传感器以及电子装置返回 到正常工作模式的一刻为止。
US 2006/0008097 Al公开了一种容性麦克风，该麦克风含有换能器元 件，所述换能器元件包括带有导电部分的膜片(diaphragm)、带有导电 部分的背板、同膜片和背板有效耦合的DC偏置电压元件、适于确定与膜 片和背板间的分离程度相关的物理参数值的损坏检测元件；以及适于根据 确定得到的物理参数值控制DC偏置电压元件的损坏控制元件。
参考US 2006/0008097 Al的图1， "BIAS"端的DC电压电平由电压源 和串联阻抗明确地限定。IN端不具有明确限定的DC电平。显而易见，同 "IN"端子的接合焊盘相接的ESD (静电放电)保护二极管起到该作用，因 为其通常被用于几乎所有IC管脚以形成到地的放电路径。这种配置具有 两个不良副作用
a) 闭合开关并不能使麦克风完全放电。仍存在大小等于保护二极管门 限电压的残余电压，后者对膜的恢复具有不利影响。
b) 闭合开关还将在放大器输入端形成较大的瞬时信号。由于该瞬时信 号超过输入范围，因此放大器将可能发生切削。
更糟糕的是，这还会在音频信号中形成很大的气爆噪声。通常，将额 外的气爆噪声看做音频应用中极为严重、不可接受的副作用。
总之，US 2006/0008097 Al无法为膜的(接近)粘接问题提供完全和 /或最佳的解决方案。
发明内容
本发明的一目的在于，提供一种能够在发生机械过载情况后迅速从 (接近于)粘接状态恢复过来的容性MEMS传感器设备。本发明的另一 目的在于，为这样的容性MEMS传感器设备提供相应的电子电路，并提 供操作这样的容性MEMS传感器设备的方法。
根据本发明所述目的是由权利要求1所述的容性MEMS传感器设备 予以实现的，所述容性MEMS传感器设备包括
-容性MEMS传感元件，具有两个相隔一定间距的、平行放置的极板， 用于将感应到的机械量转换为电学量，所述间距响应于所述机械量而发生改变，
-第一偏压单元，用于为所述MEMS传感元件的第一极板提供第一偏 置电压，
-第二偏压单元，用于为所述MEMS传感元件的第二极板提供第二偏 置电压，
-信号处理单元，用于处理所述电学量，产生输出信号，
-比较器单元，用于将所述输出信号同参考信号进行比较，以检测所
述MEMS传感元件的过载情况，并输出比较器信号，
-控制单元，用于在所述比较器信号指示过载情况时，通过在过载情
况下在第一时间间隔内将所述第一极板同第一放电端子相连，并在第二时
间间隔内将所述第二极板同第二放电端子相连的方式，控制所述MEMS
传感元件的放电。
权利要求11定义了与这样的容性MEMS传感器设备相对应的电子电 路，权利要求12定义了与这样的容性MEMS传感器设备相对应的电子电 路。从属权利要求定义了本发明的优选实施例。
本发明所基于的原理是，在过载情况下，应用双开关原理分别控制传 感元件的两块极板的放电(应当注意的是，"过载情况"的表述还应包括接 近过载的情况)。该双开关原理可以确保尽可能快地从(接近)机械过载 的状态中恢复过来。在恢复过程中，信号处理单元输入端的电压(DC) 电平保持为作用于第一极板的第一偏置电压的标称电平。在将本发明用于 MEMS麦克风的情况下，这具有音频静噪的效果，即，瞬时效应受到传 感器灵敏度被减小至O的限制。此外，气爆噪声也得到了最小化。
同US 2006/0008097 Al所述的方案相比，本发明的方案同时克服了上 述两个问题。根据本发明，在两个传感器端子上接收明确的偏置电压。由 于在(接近)过载的情况下，传感元件将被短路，因此不会留有残留电压。 这将实现最快的膜恢复。此外，由于第一偏置电压短路，信号处理单元处 的DC电平将不会改变，因此气爆噪声得到了最小化。
本方案同US 2006/0008097 Al的方案相比存在另一优势。US 2006/0008097 Al的图1所示的比较器直接感应麦克风信号。比较器的输 入电容相当于传感器的附加容性负载，从而引起非期望的信号损耗。然而，
7在本方案中，比较器在信号处理单元之后感应信号，从而避免了额外的容 性负载。虽然比较器的输入电容可能还不及传感器电容的10%，但是由于 目前信噪比要求是一个限制性因素，因此，即使ldB的信号损耗也十分关键。
根据权利要求2定义的优选实施例，适用于为感应元件的第一极板提 供第一偏置电压的第一偏压单元是低阻抗电压单元，适用于为感应元件的 第二极板提供第二电压的第二偏压单元是高阻抗电压单元。因此，在(接 近)过载的情况下传感元件的在充电时间几乎完全取决于第二电压单元的 高阻抗。尽可能短的再充电时间可以确保最短的、传感器能够继续正常工 作前的恢复时间。
在另一实施例中，将所述第一电压源和所述第一阻抗元件间的连接作 为所述第一和第二放电端子，即只使用了一个公共放电端子。
根据另一实施例，所述第一电压源的供电电压大于所述第二电压源的 供电电压。这样做的优势在于，使传感器的灵敏度同MEMS传感器两极 板间的电压成正比关系。由于传感器的灵敏度应较高，因此作用于第一极 板的电压(即第一偏置电压)应该较高(比如大于可用供电电压)。对于 作用于第二极板的电压(即第二偏置电压)，在0至可用供电电压间选择 适当的电压，从而实现至信号处理单元的简单的DC耦合。
优选情况下，第一和所述第二时间间隔起始时间基本相等，但第一时 间间隔短于所述第二时间间隔。因此，在第一时间间隔内，传感元件的两 个极板连接至各自的放电端子(或如优选实施例中所用的公共放电端子)， 使作用于两极板的电压降低为0，而第二极板上的电压电平保持不变。在 第一时间间隔之后，第一极板不再连接至放电端子，从而恢复传感元件的 各偏置电压(即作用于第一极板的第一偏置电压)。然而，仍将第二极板 连接在第二电压源上一段时间(直至第二时间间隔终止为止)，以确保再 充电时间根据第一和第二电压单元的阻抗值得到縮短。第二时间间隔之 后，再次对传感元件的第二极板提供第二偏置电压，电子电路再次从电压 源模式(具有低阻抗)恢复至充电泵(具有高阻抗)模式。MEMS传感器 设备再次做好精确地将机械输入信号转换为电输出信号的准备。
放电时间只受限于开关和导线的残留电阻。优选地，放电时间远远小
8于膜的机械恢复时间。优选地，第一时间间隔稍长于机械恢复时间。优选 地，举例而言，第二时间间隔足够长，以至于将传感器再充电至最终值的
90%。
为了实现所述第一和第二时间间隔，在一优选实施例中，控制单元包
括第一脉冲发生器，具有与所述第一时间间隔相对应的第一脉冲时间； 以及第二脉冲发生器，具有与所述第二时间间隔相对应的第二脉冲时间。 举例而言，所述脉冲发生器控制权利要求8所定义的第一和第二开关，以 将传感元件的各极板连接至它们各自的放电端子。
根据本发明的MEMS传感器的输出信号可以是模拟或数字的。权利 要求9定义了一种用于获得模拟输出信号的实施例，权利要求10定义了 一种用于获得数字输出信号的实施例。优选情况下，在所述数字实施例中， 比较器是作为简单的计数器予以实现的，所述计数器用于统计预定数量的 连续的具有预定位值的位，例如，检测一连串连续的'T'或"O"(具体取决 于计数器的极性)。
根据本发明的MEMS传感器可用于不同的目的。举例而言，MEMS 传感器可以是MEMS麦克风(如，用于蜂窝电话)、加速计、和压力传感 器。
以下将参考附图，对本发明进行更加详细的说明，附图中
图1示出了容性MEMS传感器的原理，
图2示出了简单的MEMS传感器的偏置电路，
图3示出了 MEMS传感器的偏置电路的实际实现的电路图，
图4示出了根据本发明的容性MEMS传感器设备的电路图，
图5示出了根据本发明的MEMS传感器器件的模拟实现的电路图，
图6示出了根据本发明的MEMS传感器器件的数字实现的电路图，
图7示出了模拟实现中信号的信号图，并且
图8示出了数字实现中信号的信号图。
图9示出了结合电压倍增器应用的RC滤波器的实际实现。
具体实施例方式
在以下文本中，总体将MEMS麦克风作为本发明的典型实施例予以 说明。然而，本发明通常还可应用于所有的容性MEMS传感器，而不局 限于MEMS麦克风。
图1示出了容性MEMS传感器10的原理，所述容性MEMS传感器 用于将机械量P (如入射声压)转换为电容值的变化，电容值的变化是通 过改变电容器极板11、 14间距离予以实现的。所述电容器包括两个平行 极板，具体而言，包括固定于第一框架12上并连接至电接触组件13的 刚性极板11;以及连接至第二框架15 (可以和第一框架12形成一刚性单 元，但与第一框架电气隔离)并连接至电接触组件16的另一极板14 (特 别是膜)。后一极板14受所要测量的机械量P (如声(气)压或加速度) 的影响发生移动或者弯曲。极板11和14间距离d。的改变将导致电容值(即 可测量电信号)的改变。
标称电容值为C。 = sA/do，
其中A是极板面积，do是极板ll、 14间的默认距离。机械激励将该 距离从d。改变为do+Ad。当恒定电量Q作用于极板上时，极板ll、 14间 的电压Vp根据下式发生改变
Q = CVP。
合并以上两式，可得 △VP=QAd/sA。
假设Ad和所要测量的机械量之间呈线性关系，那么该线性关系对于 电压AVp同样成立。
应当注意的是，由于在极板11、 14间采用恒压偏置将在距离d变小 的情况下引起极板U、 14间吸引力的提高，并且由于d和C间的反比(非 线性)关系的缘故，不建议在极板ll、 14间采用恒压偏置。
在诸如驻极体麦克风等某些非MEMS传感器中，偏置电荷以静态方 式存在于薄膜以内。而对于MEMS传感器而言，这是不可能的。这正是
10图2所示的，需要采用为MEMS传感器IO提供偏置电压Vb^的外部偏
置电路的原因，所述图2示出了 MEMS传感器的恒定电荷偏置电路的原
理。在IC技术中，偏置电阻器Rbias可以作为小占空因数开关电路或弱反
型(weak inversion)长沟道MOS晶体管予以实现。对于1/2 7tRbiasC。以上
频率，电路表现为恒定电荷偏置。该拐点频率的实际值为音频频谱的下端 点(如50Hz)。
在IC技术中，希望同信号处理电子装置(包括例如前置放大器)相 连接的电容器极板上具有适宜的DC电平。偏置电压Vbiasl的实际值通常 高于前置放大器以及其他信号处理电子装置的供电电压。因此，包括电压 源VS2以及偏置阻抗Rb^在内的高阻抗偏压发生器V2定义了该极板的 DC电平Vb^，而包括电压源VS1 (例如，包括用于通过供电电压Vsu^y 得到偏置电压Vbiasl的电压倍增器)和偏置阻抗RbM在内的第二低阻抗偏 压发生器VI定义了另一极板的(高)DC电平Vbi^。上述内容示于图3，
图3示出了传感器偏置的实际实现(其中优选情况下Rbias2》Rbias,)。后一
发生器的一种可能的电路是Dickson电压倍增器。用信号处理单元20对 MEMS传感器10的传感器输出信号加以处理，所述信号处理单元20特
别包括前置放大器，用于获取传感器配置的输出信号VouT。
图4示出了基于双开关恢复原理的根据本发明的MEMS传感器配置 的第一实施例。
除了MEMS传感器10、第一和第二偏置电压单元VI、 V2、以及信 号处理单元20，根据本发明的MEMS传感器设备还包括比较器21;以 及控制单元22，用于在过载情况下控制所述MEMS传感器10的放电。 所述控制单元22包括第一和第二 (优选为单触发)脉冲发生器23、 24， 用于分别产生分别具有预定脉冲时间Tl和T2的脉冲信号Vt,和VT2。各 开关S1、 S2分别受所述脉冲发生器23、 24所产生的脉冲的控制，从而使 MEMS传感器10的极板独立地同放电端D连接预定的时间间隔。
优选情况下，第一极板是被施加以第一偏置电压VbM的膜。这种配 置有一点好处在于，减小了对衬底(图1中的15)的寄生电容。然而，也 可以用膜作为第二极板。
图4示出的用于应对过载的恢复电流包含反馈环，反馈环主要包含以下组件
a) 比较器21 ，用于将信号处理单元20的输出信号V0UT同预定参考电
平Vref进行比较。瑜出信号Vout在(接近)过载的情况时变为有效。参考 电平Vw与Vbiasl和Vb^2有关。举例而言，偏置电压可以与带隙参考电压 (如1.2V)相关，比如说，可以是固定倍数的带隙参考电压。传感器灵敏 度等于Vb^-V^2。机械尺寸、硬度、柔性等决定了对应于过载情况的输 出电压(V丽)。因此，参考电压Vref相当于Vbias广Vbias2的一部分。V^被 设置与Vb^+V^相等。因此，精确定义灵敏度和过载水平是有可能的。
b) 比较器21的输出信号Ve控制具有脉冲时间Tl的单稳态脉冲发生
器23。该发生器23控制开关Sl。它使幵关Sl在预定义的时间Tl内保 持闭合，预定义的时间T1足够长使MEMS传感器10 (具体而言是膜)的 第一极板能够返回其正常位置。
c) 比较器21的输出信号Ve还控制具有脉冲时间T2的单稳态脉冲发 生器24。优选情况下，T2大于T1。该第二发生器24控制开关S2。当两 个开关S1和S2均闭合时，就形成了传感器IO的放电路径。经过时间间 隔T1之后，开关S1断开，传感器IO两端电压恢复。
由于RbiasP〉RbM，再充电时间几乎完全取决于Rbias2。通过将幵关S2 保持闭合，就可以将再充电时间减少Rbias2/(Rbias!+Rbias2)。经过时间间隔丁2 之后，再释放开关S2，从而使偏置电路从电压源(低阻抗)模式再次恢复
至充电泵(高阻抗)模式。此时，传感器io再次做好精确转换输入信号
的准备。
正如前已阐释的那样，主要是为了使膜恢复至正常位置，因此有必要
使用单触发脉冲Tl。恢复时间取决于设备的机械特性。由于闭合Sl和 S2将直接恢复输出端VouT的电信号，弓l起比较器21重置，因此无法以电
子方式对恢复加以测量。
双开关原理可以确保尽可能快地从(接近)机械过载的状态中恢复过
来。在恢复过程中，信号处理单元20输入端的DC电平保持为等于标称 电平Vb&2。在将本发明用于MEMS麦克风的情况下，这具有音频静噪的 效果，换言之，由于传感器灵敏度被减小至0，瞬时效应得到了限制。此 外，气爆噪声也得到了最小化。态脉冲发生器在环路中起低通滤波 器的作用，确保了工作的稳定性。
优选情况下，由于MEMS传感器的尺寸较小，在MEMS传感器附近 进行信号处理，以最小化互连寄生电容中的信号损耗。因此，优选情况下， 将MEMS传感器和电子电路一起封装在多芯片模块(MCM)或集成在同 一芯片中。
传感器设备的输出信号VouT可以是模拟或数字信号。在模拟输出的 情况下，(如图5电路图中所示的)电子电路包括至少两个功能模块偏 置电压单元V1、 V2;以及包括前置放大器25的信号处理单元20。此处， 比较器单元21包括模拟比较器。其参考电平与传感器10上的偏置电压 Vbi^有关，而传感器10上的偏置电压Vbiasl通常是通过提供参考电压 V^的带隙电压参考单元VR获得的。举例而言，图5所示的实现优选情 况下用于MEMS麦克风。
在数字输出的情况下，(如图6电路图中所示的)电子电路包含作为 第三功能模块的模数转换器(ADC)26。在某些实现中，前置放大器25和 ADC26交织在一起，从而使得为了识别过载状态只能访问数字输出。由 于电流消耗(举例而言，对于移动应用十分重要)、设计的便利性、芯片 面积(成本)和精度等多种原因，数字比较器的功能优于模拟比较器的功 能，因此这并不是一种缺陷。
常见的ADC类型是1位的积分三角(Sigma-Ddta) ADC。其输出信 号是脉冲密度调制比特流。在过载的情况下，比特流由一连串连续的"l" 或"0，，构成(具体取决于极性)。因此，数字比较器21'可以是简单的计数 器。当连续出现预定义数量的'T，时，其输出V'c变为有效。该数字比较器 21，的特定优势在于，参考电平V^是一个简单的可编程数量。
为了更清楚地阐释本发明的功能，图7示出了出现在图5所示的模拟 实现中的信号的时序图。
图7a示出了 MEMS传感器10两极板间的距离d。为了说明正常操 作，在时间间隔il内施加正常幅度的正弦输入信号。距离以小于dn^的幅 度在do附近变化。在时间间隔i2的起始位置，出现了机械过载信号，将 距离减小至d。-dmax。此时(时间间隔i2的终止位置，时间间隔i3的起始
13位置)，出现了被检测到的过载情况。
图7b示出了信号处理器的输出电压VouT。当VouT超过Vref时，检测 到过载情况。图7C示出了比较器输出信号Vc。当检测到过载情况时，比
较器输出变为有效。
图7d和7e示出了脉冲发生器23和24的输出信号VT1禾Q VT2。由图 可见，检测到过载情况使脉冲发生器23和24同时变为有效，从而将开关 Sl和S2闭合。
图7f示出了传感器的两极板11、 14间的电压Vp— Vplatel-Vplate2)。关 闭开关Sl和S2将导致极板间短路，使Vp变为0。
从图7a可见，在时间间隔T1内，膜恢复至正常位置。此时，它相当 于一纯机械弹簧质量系统。不存在电力。如图7d可见，时间间隔T1之后， 脉冲发生器23恢复至无效状态，开关S1再次断开。如图7f所示，通过 (低电阻值的)RbM迅速地对传感器进行再充电。举例而言，电压达到最 终数值Vbiasl-Vbias2的90%,传感器设备再次准备好进行信号转换。
在时间间隔T2之后，脉冲发生器24恢复至无效状态，且开关S2再 次断开(参见图7e)。如图7f所示，传感器通过Rbw和Rbias2缓慢再充电
至其最终值，其中Rb^2是高电阻值的因此起主要作用。
图8示出了图6所示的数字实现中的比较器(计数器)21'的输入信号
V。ut和输出信号Vc的时序图。
图8a示出了就图7a所示的距离信号d而言的积分三角ADC 26的输 出信号Vout (所示信号是示意性，不是按精确的时间尺度绘制的)。在时 间间隔il内，传感器正常工作。ADC产生一个"1"和"0"以平均相等的出 现率出现的流。在时间间隔i2中，传感器趋向过载。ADC流中"1"的比例 从50%上升至几乎100%。时间间隔i3表示过载的情况，其中流中只含有
由示出了比较器(计数器)2r的输出信号V'e的图8b可见，起初计
数器输出是无效的。在时间间隔i2的终止位置，ADC流(见图8a)不再 含有"0"，且计数器开始计数而不进行重置。在计数长度L期间，计算器 未接收到"0"。 L之后，计数器计数到预置数量个连续的"l"，且计数器输 出变为有效。在时间间隔i3的终止位置，传感器离开过载区，且ADC26再次产生首个"0"，重置计数器21'。
应当注意的是，即使流Vout中只有一个"O"，也足以重置计数器21，， 还应注意，预置数量是用于模拟实现中的参考电压Vref的数字等价物，两 者都被看作是本申请中的"参考信号"。
在实际实现中，积分三角ADC 26可能无法达到0%或100°/。的调制程 度(即输出只包括"o"或"r)，而只能达到一个稍低的调制程度(如5% -95%)。在这种情况下，比较器(计数器)21'的输出必须在"1"和"0"的比 率超过预定义比率(如10:1)的情况下变为有效。在一实施例中，估计统
计"r的第一计数器的输出和统计"o"的第二计数器的输出间的比率。可选
地，在单个计数器的输出变为有效时，相对于100%调制程度的计数器， 可以减小预置的连续'T'的数量，使得放电过程在出现过载状况的同时启 动。这意味着，对预置的连续'T'的数量的定义取决于过载情况的可容忍 持续时间、积分三角ADC26的输出频率和过载时达到的调制程度。
实际设计中积分三角ADC 26应用的另一个限制是积分三角ADC 26 中的信号余量。在某些电路设计中，前置放大器25和积分三角ADC 26 的总增益大小使得最大ADC调制程度恰好等于最大输入信号摆动。采用 这种设计的原因之一是，积分三角ADC 26的信噪比可能是信号路径中的 一个限制因素，意味着对于SNR而言，积分三角ADC26可能是链路中最 弱的环节。因此，甚至正常工作模式下的信号都可能导致积分三角ADC 26 输出端的最大信号，即积分三角ADC26可能甚至在正常工作模式下产生 切削。然而，这意味着，并未给较大的信号偏移留有可用于识别即将到来 的过载情况的余量。在这种情况下，必须用图5所示的(附加的)模拟比 较器21执行过载检测。在图3中，用包括电压源VS1 (例如，包括用于 通过供电电压Vsuppty得到偏置电压Vbias,的电压倍增器)和偏置阻抗RbiasI 在内的低阻抗的偏压发生器Vi来定义另一极板的(高)DC电平Vbiasl。 一种常用的实现所述电压倍增器的方式是由幵关和电容器组成的电路。通 过堆叠充电电容器，无载输出电压变为独立电容电压之和。不利的是，电 阻式负载以电压倍增器的开关频率使输出电压上产生脉动。虽然脉动频率 刚好位于音频频段(20kHz)以上，但由于积分三角ADC 26中的混叠可 能将脉动频率折回音频频段，脉动频率仍可能破坏音频性能。因此，当负载电流从电压倍增器流出时，使用RC滤波器抑制偏置电压的脉动。
图9示出了与传统的完全集成抗混叠滤波器相比，芯片面积有所节约 的实际方案。在一实施例中，电阻器RbM可作为二极管(如PN结或栅极
同漏极相连的、相当于二极管的长沟道MOS晶体管TR1)来实现。电容 器由MOS晶体管TR3的栅极予以实现。电容器的典型值比传感器电容大 一个数量级。较大的去耦合电容器为音频频率提供低阻抗，使上部的传感 器节点相当于一个虚地。
对Rbiasl使用非线性二极管具有两个优点。 一方面，二极管(各起二 极管作用的三极管TR1)相当于低电阻值的电阻器，并且当传感器两端的 偏置电压低于电压倍增器输出(加电之后或从过载中恢复过来之后)时， 可以实现快速充电。另一方面，二极管不得不在稳定状态下仅仅提供传感 器的(极低)的泄漏电流。因此，二极管两端的电压很低，二极管从而可 以表现出非常高的阻抗。因此，滤波器的RC时间常数将变得足够长，以 至于能够将脉动抑制到混叠产物仍保持在底噪声以下的程度。此外，位于 传感器上部节点的DC阻抗极高。较大的去耦合电容器为音频频率提供较 低的AC阻抗，使上部节点事实上充当一个虚地。在另一实施例中，电阻 器Rbias2和电压源Vbias2还可以作为二极管或栅极同漏极相连的、相当于二 极管的长沟道MOS晶体管TR2予以实现。类似地，它将在稳定状态下传 导一个极小的泄漏电流。对于PN二极管，这将导致几百mV的正向偏置。 对于长沟道MOS晶体管TR2，这也将导致几百mV的Vds，对于前置放 大器25这是一个适宜的DC水平。
本发明的应用领域是所有的容性MEMS传感器(如MEMS麦克风、 加速计以及压力传感器)。例如，本发明可用作蜂窝电话的麦克风。在另 一应用中，将磁罗盘、GPS和MEMS加速计传感器加以组合，以实现诸 如蜂窝电话等便携式电子装置中的精确定位。
总之，本发明为容性MEMS传感器设备中的电子装置提供了一种新 颖的反馈环。其目的在于，使传感器及其信号处理电子装置从过度的机械 激励所引起的过载中迅速恢复过来。本发明极大地縮短了结果误差信号的 持续时间，提高了应用的质量。快速恢复是通过改进的偏置电路获得的， 不产生可闻的副作用(在用作麦克风的情况下)。
权利要求
1. 一种用于感应机械量的容性MEMS传感器设备，包括-容性MEMS传感元件(10)，具有两个间距为d0的、平行放置的极板(11、14)，用于将感应到的机械量转换为电学量，所述间距d0响应于所述机械量(P)而发生改变，-第一偏压单元(V1)，用于为所述MEMS传感元件的第一极板提供第一偏置电压(Vbias1)，-第二偏压单元(V2)，用于为所述MEMS传感元件的第二极板提供第二偏置电压(Vbias2)，-信号处理单元(20)，用于处理所述电学量，产生输出信号(VOUT)，-比较器单元(21)，用于将所述输出信号(VOUT)同参考信号(Vref)进行比较，以检测所述MEMS传感元件(10)的过载情况，并输出比较器信号，-控制单元(22)，用于在所述比较器信号指示过载情况时，通过在过载情况下在第一时间间隔(T1)内将所述第一极板同第一放电端子(D)相连，并在第二时间间隔(T2)内将所述第二极板同第二放电端子(D)相连的方式，控制所述MEMS传感元件(10)的放电。
2. 根据权利要求1所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述第一偏压单元(VI)包括第一电压源(VSO;以及具 有低阻抗的、连接在所述第一电压源和所述第一极板间的第一阻抗元件(Rbiasl)， 并且其中，所述第二偏压单元(V2)包括第二电压源(VS2);以及具 有高阻抗的、连接在所述第二电压源和所述第二极板间的第二阻抗元件 (Rbias2 ^ 。
3. 根据权利要求2所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述第二电压源(VS2)和所述第二阻抗元件(Rbias2)间的连 接作为所述第一和第二放电端子(D)。
4. 根据权利要求2所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述第一电压源(VS1)的供电电压大于所述第二电压源(VS2)的供电电压。
5. 根据权利要求1所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述第一和所述第二时间间隔(Tl、 T2)起始时间基本相同， 所述第一时间间隔(Tl)短于所述第二时间间隔(T2)。
6. 根据权利要求1所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述控制单元(22)包括第一脉冲发生器(23)，具有与所 述第一时间间隔相对应的第一脉冲时间(Tl);以及第二脉冲发生器(24)， 具有与所述第二时间间隔相对应的第二脉冲时间(T2)。
7. 根据权利要求1所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述第一和第二放电端子(D)是相同的，具体与所述第二偏 压单元(V2)的偏置电压供应端子相对应。
8. 根据权利要求1所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述控制单元(22)包括第一开关(Sl)，用于在所述第一 时间间隔内将所述第一极板同所述第一放电端子相连；以及第二开关 (S2)，用于在所述第二时间间隔内将所述第二极板同所述第二放电端子 相连。
9. 根据权利要求1所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述信号处理单元(20)包括模拟信号放大器(25)， 所述比较器单元(21)包括模拟比较器，并且 所述第一偏置电压(Vbiasl)是从所述参考电压(Vref)得到的。
10. 根据权利要求1所述的容性MEMS传感器设备，其中，所述信号处理单元(20)包括模拟信号放大器(25);以及 模数转换器(26)，用于将放大器输出信号转换为数字输出信号(Vout)， 并且所述比较器单元(21，)包括数字比较器，具体为计数器，用于检测预 定数量的连续的具有预定位值的位。
11. 一种用于感应机械量的容性MEMS传感器设备的电子电路，所 述性MEMS传感器设备具有容性MEMS传感元件(10)，所述容性MEMS 传感元件具有两个相隔一定间距(dQ)的、平行放置的极板(11、 14),用 于将感应到的机械量转换为电学量，所述间距响应于所述机械量(P)而 发生改变，所述电子电路包括--第一偏压单元(VI )，用于为所述MEMS传感元件的第一极板提供 第一偏置电压(Vbias])，-第二偏压单元(V2)，用于为所述MEMS传感元件的第二极板提供第二偏置电压(Vbias2)，-信号处理单元(20)，用于处理所述电学量，产生输出信号(V0UT)， -比较器单元(21)，用于将所述输出信号(V0UT)同参考信号(Vref)进行比较，以检测所述MEMS传感元件(10)的过载情况，并输出比较器信号，-控制单元(22)，用于在所述比较器信号指示过载情况时，通过在过 载情况下在第一时间间隔(Tl)内将所述第一极板同第一放电端子(D) 相连，并在第二时间间隔(T2)内将所述第二极板同第二放电端子(D) 相连的方式，控制所述MEMS传感元件(IO)的放电。
12. —种操作容性MEMS传感器设备的方法，所述容性MEMS传感 器设备用于感应机械量，具有容性MEMS传感元件(10)，所述容性MEMS 传感元件具有两个间距为do的、平行放置的极板(11、 14)，用于将感应 到的机械量转换为电学量，所述间距do响应于所述机械量(P)而发生改 变，所述方法包括以下步骤-为所述MEMS感应元件的第一极板提供第一偏置电压(Vbias)，-为所述MEMS感应元件的第二极板提供第二偏置电压(Vbias2)，-处理所述电学量，产生输出信号(V0UT)，-将所述输出信号(V0UT)同参考信号(Vref)进行比较，以检测所述 MEMS传感元件(10)的过载情况，并输出比较器信号，-在所述比较器信号指示过载情况时，通过在过载情况下在第一时间 间隔(Tl)内将所述第一极板同第一放电端子(D)相连，并在第二时间 间隔(T2)内将所述第二极板同第二放电端子(D)相连的方式，控制所 述MEMS传感元件(IO)的放电。
全文摘要
本发明涉及一种用于感应机械量的容性MEMS传感器设备。为了提供这样的能够在发生机械过载情况后迅速从(接近于)粘接状态恢复过来的容性MEMS传感器设备，提出了这样一种传感器设备包括-第一偏压单元(V1)，用于为所述MEMS传感元件的第一极板提供第一偏置电压(V<sub>bias1</sub>)，-第二偏压单元(V2)，用于为所述MEMS传感元件的第二极板提供第二偏置电压(V<sub>bias2</sub>)，-信号处理单元(20)，用于处理所述电学量，产生输出信号(V<sub>OUT</sub>)，-比较器单元(21)，用于将所述输出信号(V<sub>OUT</sub>)同参考信号(V<sub>ref</sub>)进行比较，以检测所述MEMS传感元件(10)的过载情况，并输出比较器信号，-控制单元(22)，用于在所述比较器信号指示过载情况时，通过在过载情况下在第一时间间隔(T1)内将所述第一极板同第一放电端子(D)相连，并在第二时间间隔(T2)内将所述第二极板同第二放电端子(D)相连的方式，控制所述MEMS传感元件(10)的放电。
文档编号H04R19/00GK101443633SQ200780017652
公开日2009年5月27日 申请日期2007年5月14日 优先权日2006年5月17日
发明者耶罗恩·范登博门 申请人:Nxp股份有限公司