用于麦克风的高电压倍增器和制造方法
【专利摘要】一种麦克风电路包括电容式麦克风和电荷泵。电容式麦克风被配置成接收声能并且响应地将声能转换成麦克风输出电压。电荷泵以低电压CMOS工艺实现。其耦接至麦克风并且被配置成向麦克风提供偏置电压，以允许麦克风操作。通过利用最大输出电压受到NWELL与基板之间的击穿电压限制的适当电路拓扑并通过阻止按预定距离围绕所述NWELL形成PWELL以使NWELL被极轻微掺杂基板完全包围，显著增加了电荷泵的最大输出电压。
【专利说明】用于麦克风的高电压倍增器和制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利根据35U.S.C.§ 119(e)要求2011年8月31日提交的、名称为“HighVoltage Multiplier For A Microphone And Method Of Manufacture” 的美国临时申请N0.61/529612的权益，其内容通过引用其全部内容而并入于此。
【技术领域】
[0003]本申请涉及麦克风和与这些麦克风相关联的电压倍增器。
【背景技术】
[0004]不同类型的麦克风系统经过多年已经用于各种应用。这些系统中的麦克风通常接收声能并将声能转换成电压。所述电压可以通过其它应用或出于其它目的而被进一步处理。例如，在助听器系统中，麦克风可以接收声能，并将声能转换成电压。电压可以通过放大器或其它信号处理电子电路来放大或以其它方式处理，并接着通过接收器作为声能呈现给助听器的用户或佩戴者。再举一个具体例子，蜂窝电话中的麦克风系统通常接收声能，将该能量转换成电压，并接着可以进一步处理电压以供其它应用使用。麦克风同样用于其它应用和其它装置中。
[0005]已知并使用的一类麦克风是电容式麦克风。电容式麦克风操作为可变电容器，其值根据传入声波的压力来调制。电容器被视为具有两个板，一个电容器板是静止的，而另一个是移动的(即，麦克风的振动膜)。声波改变板之间的距离，并由此改变电容器的电容C。
[0006]微机电系统(MEMS)麦克风是电容式麦克风的变型,并且通过利用娃微加工技术来形成。与常规电容式麦克风相比，其具有几个优点，如减小的尺寸、较低的温度系数、以及较高的抗机械冲击。另外，MEMS麦克风利用非常适于装置的大量生产的光刻工艺。
[0007]用于从这种麦克风获取有用的电信号的最常见方法之一是保持电容器C上的恒定电荷Q。根据方程V = Q/C，跨电容器的电压与传入声波压力成反比地改变，从而使得dV=-VdC/C。
[0008]遗憾的是，灵敏度(由dV指示)取决于电压V，而且在标准的低电压CMOS工艺下难于获取高电压V。这造成了麦克风对于许多应用来说灵敏度不足或者麦克风价格较高。结果，以前的方法不令人满意。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]为更全面理解本公开，参照下面详细描述和附图进行说明，其中:
[0010]图1包括根据本发明各种实施方式的麦克风系统的框图；
[0011]图2包括根据本发明各种实施方式的电压倍增器(或电荷泵)的电路图；
[0012]图3包括示出了 根据本发明各种实施方式的双阱构造的CMOS基板的截面图；
[0013]图4包括根据本发明各种实施方式的电压倍增器(或电荷泵)的电路图；
[0014]图5包括示出了根据本发明各种实施方式的三阱构造的CMOS基板的截面图；[0015]图6包括根据各种实施方式的两级选通升压电荷泵的电路图；
[0016]图7包括根据本发明各种实施方式的施加至图6的电路的定时信号的定时图；
[0017]图8包括根据本发明各种实施方式的电荷泵的另一示例的电路图。
[0018]技术人员应当清楚，附图中的部件为简单和清楚起见而例示。还应清楚的是，特定动作和/或步骤可以按出现的特定次序描述或描绘，而本领域技术人员应当明白这种对顺序的规定实际上不需要。还应明白的是，在此使用的术语和表达具有如按照这种术语和表达有关它们对应的各自调查和研究范围的本来样子的普通含义，除非在此阐述了特定含义。
【具体实施方式】
[0019]提供了在声音应用中使用的具有足够高的灵敏度的麦克风和其它声音装置。在此描述的方式不仅提供了具有足够高灵敏度的装置，而且这些装置在成本上以较低(与以前方法相比)。另外，这些装置具有卓越的电气特性，诸如低温系数和功效。还提供了用于制造这些麦克风的方法。
[0020]在一些方面，显著增加了根据标准CMOS装置布局而构造的电容式电压倍增器(即，电荷泵)的最大输出电压。这是利用包括构造在具有PWELL/NEWLL区的基板上的PMOS晶体管的电路和/或包括构造在具有PWELL/NWELL/深NWELL区的基板上的NMOS和PMOS晶体管的电路来实现的。通过选择性地将这些区域的至少一些与相邻的PWELL区物理地分隔开距离L，在NWELL区(和/或深NWELL区)周围执行并实现基板掺杂阻止。
[0021]利用这些方法，显著增加了所述电荷泵的所述最大输出电压。例如，电压可以从IOV增加至20V。克服了存在于按双阱标准CMOS工艺(其中，NWELL与基板之间的临界(限制)击穿电压受限于NWELL的侧壁组件到PWELL/基板结的击穿电压)实现的以前的电荷泵电路中的输出电压限制。类似地，克服了存在于按三阱标准CMOS工艺(其中，NWELL与基板之间和NWELL/深NWELL与基板之间的临界(限制)击穿电压也受限于NWELL的侧壁组件到PWELL/基板结的击穿电压)实现的以前的电荷泵电路中的输出电压限制。由此，消除了针对用于创建高电压的附加工艺和/或电路的需要。
[0022]在这些实施方式中的许多实施方式中，提供了一种麦克风电路，该麦克风电路包括电容式麦克风和电荷泵。该电容式麦克风被设置成接收声能并且响应地将声能转换成麦克风输出电压。该电荷泵耦接至麦克风，并且被设置成向麦克风提供偏置电压，以允许麦克风操作。该电荷泵包括基板、形成在该基板中的第一 PWELL区、形成在该基板中的NWELL区、以及形成在该基板中的第二 PWELL区。该第一 PWELL区和第二 PWELL区与NWELL区隔开预定距离，该预定距离使得可以围绕NWELL区创建掺杂阻止并使电荷泵的输出电压达到最大值。
[0023]在一些方面，第一 PWELL与和第二 PWELL区被轻微掺杂有受主原子，并且NWELL区被轻微掺杂有施主原子。在其它方面，放大器耦接至该电容式麦克风。在其它方面，深NWELL区设置在基板中。在一些示例中，该深NWELL区被设置为与NWELL区相邻。在另一些方面，基板被极轻微地掺杂并且完全包围NWELL区。(PWELL区比基板更重地掺杂)。
[0024]在这些实施方式中的其它实施方式中，提供了一种麦克风电路，该麦克风电路包括电容式麦克风和电荷泵。该电容式麦克风被设置成接收声能并且响应地将声能转换成麦克风输出电压。该电荷泵按标准的低电压CMOS工艺来实现。该电荷泵耦接至麦克风并且被设置成向麦克风提供偏置电压以允许麦克风操作。该电荷泵包括电路拓扑，该电路拓扑包括NWELL区和基板。通过利用最大输出电压被NWELL区与基板之间的击穿电压限制的适当电路拓扑并且通过按预定距离阻止围绕NWELL区形成PWELL区以使NWELL区被极轻微掺杂的基板全面包围，显著增加了电荷泵的最大输出电压。
[0025]下面，参照图1，描述了根据本方法构造的麦克风电路100的一个示例。电路100包括:麦克风102、电荷泵104、电阻器106以及缓冲器108。麦克风产生电压变化dV = -VdC/C，其中V是泵104的输出处的电压，并且C是麦克风102的电容。根据在此描述的方法，电荷泵104跨麦克风提供足够高的电压V。
[0026]电阻器106具有较高值以使其形成针对偏置电压的低通RC滤波器，同时具有针对跨麦克风的可变电压的高通特性。跨麦克风所需的高DC电压(例如，11.5V)由电压泵104提供。为简单起见，图1中未示出电荷泵104的输出滤波器。Vbias被设置成接地，以便具有跨麦克风的最大DC电压。在这个示例中，缓冲器108是单位增益缓冲器。针对适当操作，该单位增益缓冲器具有高输入电阻和极低的输入电容。输出可以连接至下一级(例如，放大器)。
[0027]为了减小麦克风电子装置的尺寸、成本及功耗，可以将其集成到单一芯片上。出于该目的，可以选择CMOS构造工艺，这是因为其低成本和具有极高输入阻抗的晶体管的可用性。而且，该工艺对于被实现为具有相对较大数字化核心的混合信号(模拟/数字)芯片的系统来说特别有利。
[0028]电荷泵104是系统100中的唯一的高电压构建模块，其需要在此描述的对应工艺来实现。为了更进一步降低成本，有利的是，能够仅利用市售的设计工具包中容易获得的装置按照标准的低电压CMOS工艺实现电荷泵104。
[0029]下面，参照图2，描述了电压泵电路200的一个示例(例如，图1的电压泵104)。图2的电路是两级Dickson型电荷泵,其省略了因体效应(body effect)而造成的劣化(即，其是三倍压电路)。就“体效应”来说，其表示作为MOS晶体管的源极-主体(bulk)电压变化的结果的MOS晶体管的阈值电压的变化。在一个方面，如果将源极连接(短接)至主体，则不存在“体效应”。图2的电路可以扩展至N级电荷泵，其中N为任意整数。
[0030]电路200包括电容器202 (Cl)、204(C2)及212 (COUT)。电路200还包括晶体管206 (Ml)、208 (M2)、210 (M3)、214(M4)、216(M5)、218(M6)、220(M7)、222(M8)、224(M9)。晶体管Ml至M9是PMOS晶体管。
[0031]最初，电容器202 (Cl)、204(C2)及212 (Cout)未充电。因此，跨全部电容器的电压为零，并且Vdk = OV ； vCik = vdd。应当理解，在此使用的电压使用下标，所述下标表示电路中的不同点或元件(例如，Vcdk是时钟电压，Vdd是电源电压，Vdsml是指晶体管Ml的漏源电压
坐^
寸/ ο
[0032]Vdd被施加至图2中的指定输入节点。二极管连接晶体管206(M1)导通，并且电容器202 (Cl)被充电至电压h = Vdd - VdsMl ,其中,是跨晶体管206 (Ml)的电压降。正常情况下，Vdd ? Vds51l以使Vdd。二极管连接晶体管208 (M2)截止。[0033]时钟信号改变其值Velk = Vdd ； Vcik = 0 F。节点201的电压为t-1 = I7Ci + Vcik - 2Vdd。晶体管208 (M2)导通。晶体管206 (Ml)同时截止。电容器204 (C2)被充电至电压Pts = Va.+ I7Cifc - ο此外，正常情况下，Ι,α + Vcm》Vds^2,以使稳态下|/Cs~VCl + Vak^Vdd。
[0034]时钟信号改变其值Velk = 0V; F^ = FcM。重复上述过程。同时，节点211的电压为^二卜匕4 Vm。电至电压= 1?+?-。此外，正常情况下，
vC1.vCik vdsMs ,以使稳态下 vCma:2 +输出电压(vout = Vcout)大约
为3倍的输入电压(Vdd)。由此，所述电路是三倍压电路。在不忽略跨二极管的电压降(Vds)的情况下，输出电压为:
[0035]Vout = Vcout = Vdd+2 (Vdd-Vds)
[0036]上述操作是循环的。在一般情况下，当存在N级时，电荷泵的输出电压为:
[0037]Vout = Vdd+N (Vdd-Vds)
[0038]晶体管对214 和 216 (M4-M5)、218 和 220 (M6-M7)以及 222 和 224 (M8-M9)充当比较器/开关。它们确保每一个电荷转移晶体管(对应地，206 (Ml)、208 (M2)及210 (M3))的主体被切换至其源极或者漏极，这取决于它们中的哪一个具有较高电位。这消除了晶体管206 (Ml)、208 (M2)及210 (M3)的体效应。结果，每一级的Vds被最小化并且不取决于级数。因此，输出电压Vout是级数N的线性函数。上述体切换还向晶体管的p-n结提供了适当偏压。
[0039]电荷转移PMOS晶体管的主体被切换至其源极或漏极，这取决于它们中的哪一个具有较高电位。这是利用充当比较器/开关的`两个辅助晶体管(例如，214(M4)和216((M5))完成的。在这些装置中，最大电压跨NWELL到基板结呈现。在一个标准的0.18um CMOS构造工艺中并且如本领域技术人员已知的，该电压大约为10伏特。然而，该电压受限于NWELL的侧壁组件到PWELL/基板结的击穿电压。在标准的深亚微米级CMOS工艺中，不是NWELL区的区域被自动形成(掺杂)为PWELL。
[0040]下面，参照图3，描述了用于图2的电路的晶体管的CMOS结构的一个示例。基板302被极轻微地掺杂了受主原子(P-)。基板302包括PWELL区304、HV NWELL区306及PffELL区308。PffELL区304和308被轻微地掺杂了受主原子，并且HV NWELL区306被轻微地掺杂了施主原子。这些区域形成了晶体管的主体。PWELL区形成NMOS晶体管的主体，并且NWELL区形成PMOS晶体管的主体。NMOS晶体管被置于PWELL内，并且PMOS晶体管被置于NWELL内。图2的电路仅具有PMOS晶体管。末级的晶体管(210 (M3)、222 (M8)及224 (M9))将它们的主体连接起来。它们被置于一个HV NWELL内。紧挨着末级的晶体管(208 (M2)、218 (M6)及220 (M7))被置于另一个HV NWELL内。仅电荷泵的末级经受高电压，因而它们需要被置于HV (高电压)NWELL中。第一级的晶体管可以被放置在NWELL内，而没有环绕其(它们)的基板阻止掺杂。
[0041]在双阱CMOS工艺中，NWELL与基板之间的击穿电压受限于NWELL的侧壁组件到PWELL/基板结的击穿电压(没有分隔距离L)。同一结的底部组件具有更高的击穿电压，这是因为基板具有比PWELL区304和308低的掺杂水平。通过阻止形成围绕NWELL区306的PffELL区304和308，确保了 NWELL区306完全被低掺杂的基板包围，由此增加NWELL区306到基板结的击穿电压。此外，这种阻止是利用具有长度L的阻止区来实现的。
[0042]根据阻止区的长度L，所讨论的击穿电压在标准的0.18um CMOS工艺中可以从10伏特增加至大约20伏特。恰当的电路拓扑(受限于最大Vnwell-sub)与围绕临界NWELL306的所述基板掺杂阻止的组合允许按标准的低电压CMOS工艺来实现高输出电压电荷泵。在一个示例中，L大约为1.8微米，并且范围在大约0.7微米与2微米之间。L的值的其它示例也是可能的。
[0043]下面，参照图4，描述了电压泵电路400的另一个示例(例如，图1的电压泵104)。图4的电路400是作为三倍压电路的两级电荷泵。其可以被扩展成N级，其中N为任意整数。跨该电路中的每一个晶体管的电压降从不高于Vdd。每一级都利用低电压晶体管来实现(其中至少一些根据参照图5描述的方法来构造)，并且开关被简单的两相时钟全部断开/接通。使用具有最小尺寸的晶体管在信号路径中提供了最小的对地杂散电容(straycapacitance to ground),使电荷(即，信号)损失减到最小。所有这些特征确保了高功率和面积效率。
[0044]图4的电荷泵400根据标准的三阱0.18um CMOS工艺实现。在一个示例中并且利用所提出的围绕NWELL的基板掺杂阻止，提供了测量到的输出电压11.5V，其在1.27V电源电压(fCLK = 512kHz)下消耗 720nA。
[0045]图4 的电路包括电容器 402 (Cl)、404(C2)、406(C3)、408(C4)、410(C5)、412(C6)及440 (Cout)。该电路还包括晶体管 414 (Ml) ,416 (M2) ,418 (M3)、420(M4)、422(M5)、424(M6)、426(M7)、428(M8)、430(M9)、432(M10)、434(M11)及 436(M12)。最初，电容器未充电。因此，
跨全部电容器的电压为零。另外，Vclk = OV ； 1? = Vdd。
[0046]Vdd被施加至图4中的指定输入节点。晶体管414 (Ml)导通，并且电容器402 (Cl)被充电至电压h = Vdd - VdsMi ,其中是跨晶体管414 (Ml)的电压降。正常情况下，￥dd ? VdsMl ,以使Vdd。晶体管 416 (M2)、418 (M3)及 420 (M4)截止。
[0047]时钟信号改变其值Vak = Vdd ； = 0V。节点401的电压为
K = Fci 士 Vak - 2Vdd。晶体管 416 (M2)、418 (M3)、420 (M4)及 432 (MlO)导通。晶体管414 (Ml)同时截止。晶体管422(M5)、424(M6)及426 (M7)也截止。电容器410 (C5)被充电至电压&5 = ^Ci + ^rCik - VdsMs - VdsjtflB (通过晶体管 416 (M2)和 432 (MlO))。
[0048]正常情况下，Vci + Vak VdSMs + Vdsma ,以使稳态下 = I7Ci + ^2Fciii。同时，电容器 406 (C3)被充电至电压 Vra = VCl + Vak — v^sMa。此
外，正常情况下，h + ^Cik ? Vdsiia ,以使稳态下Fb-Fc1.+ Vak^ZVdd。电容器406 (C3)向第一级的晶体管的NWELL/深NWELL提供适当偏压。
[0049]在电容器406 (C3)和410(C5)被充电的同时，电容器404 (C2)也被充电至电压
Fcs = Vdd -1Wswe。正常情况下，Vdd ? Vdsltu，以使稳态下FcM。
[0050]时钟信号改变其值Vak = OV ； = Vdd。重复上述过程。同时，节点403的电压为 K = + Vm。晶体管 434(M11)和 436 (M12)接通。晶体管 428 (M8)、430(M9)及432 (MlO)截止。电容器440 (Cout)被充电至电压
【权利要求】
1.一种麦克风电路，该麦克风电路包括: 电容式麦克风，所述电容式麦克风被配置成接收声能并且响应地将所述声能转换成麦克风输出电压； 电荷泵，所述电荷泵耦接至所述麦克风并且被配置成向所述麦克风提供偏置电压以允许所述麦克风操作，所述电荷泵包括: -电路拓扑，所述电路拓扑包括NWELL区和基板，所述电路拓扑具有受到所述NWELL区与所述基板之间的击穿电压限制的最大输出电压，所述拓扑按照低电压CMOS工艺实现；-其中，所述NWELL区与所述基板之间的所述击穿电压通过以下方式增大，S卩，阻止按预定距离围绕所述NWELL区形成PWELL区，以使得所述NWELL区被极轻微掺杂的基板基本完全包围，由此增加所述电荷泵的所述最大输出电压。
2.根据权利要求1所述的麦克风电路，其中，所述PWELL区轻微掺杂受主原子。
3.根据权利要求1所述的麦克风电路，其中，所述NWELL区轻微掺杂施主原子。
4.根据权利要求1所述的麦克风电路，该麦克风电路还包括耦接至所述电容式麦克风的放大器。
5.根据权利要求1所述的麦克风电路，该麦克风电路还包括设置在所述基板中的深NWELL 区。
6.根据权利要求5所述的麦克风电路，其中，所述深NWELL区被设置为与所述NWELL区相邻。
7.根据权利要求1所述的麦克风电路，其中，所述基板轻微掺杂并完全包围所述NWELL区。
8.一种电荷泵，该电荷泵被配置成向电容式麦克风提供足够的输出/偏置电压，以允许所述麦克风以足够的灵敏度操作，该电荷泵包括: -电路拓扑，所述电路拓扑包括NWELL区和基板，所述电路拓扑具有受到所述NWELL区与所述基板之间的击穿电压限制的最大输出电压，所述拓扑按照低电压CMOS工艺实现；-其中，所述NWELL区与所述基板之间的所述击穿电压通过以下方式增大，S卩，阻止按预定距离围绕所述NWELL形成PWELL区，以使得所述NWELL区被极轻微掺杂的基板基本完全包围，由此增加所述电荷泵的所述最大输出电压。
9.根据权利要求8所述的电荷泵，其中，所述PWELL区掺杂受主原子。
10.根据权利要求8所述的电荷泵，其中，所述NWELL区轻微掺杂施主原子。
11.根据权利要求8所述的电荷泵，该电荷泵还包括耦接至所述电容式麦克风的放大器。
12.根据权利要求8所述的电荷泵，该电荷泵还包括设置在所述基板中的深NWELL区。
13.根据权利要求12所述的电荷泵，其中，所述深NWELL区被设置成与所述NWELL区相邻。
14.根据权利要求8所述的电荷泵，其中，所述基板轻微掺杂并完全包围所述NWELL区。
【文档编号】H04R19/04GK103891315SQ201280052619
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年8月29日 优先权日:2011年8月31日
【发明者】S·R·吉尔古耶夫 申请人:美商楼氏电子有限公司