用于调节mems传感器元件的测量电容器上的偏置电压的方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明提出一种用于调节MEMS传感器元件的测量电容器上的偏置电压的措施。为此，将基本电压加载到所述测量电容器上并且如此调节该基本电压，使得所述测量电容器的两个电极侧之间的电势差相应于期望电压。根据本发明在低压范围内调节所述基本电压。
【专利说明】
用于调节MEMS传感器元件的测量电容器上的偏置电压的方法和装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于调节MEMS传感器元件的测量电容器上的偏置电压的方法和装置，在该MEMS传感器元件中基本电压被施加到该测量电容器上，并且在该MEMS传感器元件中如此调节该基本电压，使得该测量电容器的两个电极侧之间的电势差相应于期望电压。
【背景技术】
[0002]MEMS麦克风的测量电容器上的或麦克风电容器上的偏置电压的调节是特别有意义的。这通常包括声压敏感的膜片和固定的对接元件。膜片和对接元件作为用于所述麦克风电容器的面电极的载体起作用，使得膜片与对接元件之间的声压决定的距离变化作为所述麦克风电容器的电容波动可检测。为了提高这种MEMS麦克风的敏感度，所述膜片加载有机械预应力，其方式是将直流电压施加到麦克风电容器上。由此所述膜片相对于所述对接元件静电吸引，其中，所述直流电压的静电力反作用于所述膜片的弹力。所述直流电压仅仅可以被提高直至所谓的吸合点(Pull-1n-Punkt)，在该吸合点上所述静电力与所述膜片的弹力同样大小。在超出吸合电压(Pull-1n-Spannung)的情况下，所述膜片突然地移向所述对接元件，由此使所述麦克风电容器短路。因为所述膜片在力平衡中位于吸合点上，所以任意的外力作用都导致膜片摆动，没有或仅仅非常小的弹力反作用于所述外力作用。相应地，所述膜片在吸合点中的敏感度是最高的。当应在最高敏感度的区域内运行MEMS麦克风时，必须连续地监视所述麦克风电容器上的偏置电压并且将所述偏置电压调节到吸合电压上。MEMS麦克风的所述吸合电压典型地处于5V至8V范围内。为了调节MEMS麦克风的偏置电压，因此在实践中使用如下调节器，该调节器的输出级能调节所述数量级的电压。
【发明内容】
[0003]借助本发明提出，在低压范围内调节施加到所述测量电容器上的基本电压。由此能够省去高电压输出驱动器(Hochvoltausgangstreiber)。相应地，降低了电路的耗电以及对于该电路所需的ASIC面积。
[0004]原则上存在不同的实现可能性以用于这样地调节所述测量电容器上的基本电压以及用于其电路技术方面的实施。
[0005]在第一方法变型方案中，将在所述期望电压的数量级的、预给定且不可变的基本电势施加到所述测量电容器的一个电极侧上。将可调节的反向电势施加到所述测量电容器的另一个电极侧上，该反向电势低于所述基本电势。然后如此调节所述反向电势，使得所述测量电容器上的电势差相应于所述期望电压。
[0006]可以简单地在模拟电路技术中借助标准晶体管实现所述第一方法变型方案。在一种优选的实施方式中，用于调节MEMS传感器元件的测量电容器上的偏置电压的装置在这种情况下包括:第一电压源，该第一电压源提供在所述期望电压的数量级的电压并且作为预给定的基本电势m连接到所述测量电容器的第一电极侧上;第二电压源，该第二电压源提供低于第一电压源所提供的电压的电压并且作为反向电势112连接到所述测量电容器的另外的第二电极侧上;运算放大器A，该运算放大器A的反相输入端与所述测量电容器的所述第二电极侧连接并且运算放大器A的输出端通过定义的电容Cint反馈到该运算放大器A的反相输入端上；以及连接在运算放大器A的输出端后面的调节器，该调节器的第二输入端与作为参考电压m的所述第一电压源连接并且该调节器的输出端反馈到运算放大器A的同相输入端上。以这种方式，通过所述调节器的输出信号调节施加在运算放大器A的反相输入端上的、在所述测量电容器的所述第二电极侧上的反向电势m。
[0007]在这种实施方式中，原则上可以使用完全不同的调节器。然而，模拟的PI调节器被证明是特别适合带有前置连接的处理逻辑部。这样的PI调节器包括至少一个运算放大器Api，该运算放大器Api通过定义的电容&和电阻R2反馈，该运算放大器Api的反相输入端前面连接有电阻Rl。
[0008]用于根据本发明地调节所述测量电容器上的基本电压的另一种方法变型方案设置:确定所述测量电容器的电容与参考电容之间的差，其中，该参考电容在施加期望电压的情况下相应于所述测量电容器的电容。然后根据所确定的电容差调节施加在所述测量电容器上的基本电压。
[0009]所述第二方法变型方案有利地能够简单地借助用于数字化所述输出信号的电路装置来实现。在所述方法变型方案的一种优选的电路技术实施中，用于调节所述测量电容器上的偏置电压的装置包括用作惠斯通电桥的电压供应的电压源。在所述惠斯通电桥中，所述测量电容器连同参考电容Crrf与两个另外的电容CjPC2连接，具体来说，使得所述惠斯通电桥的输出信号相应于所述测量电容器上的电势差与所述期望电压的偏差。所述惠斯通电桥的输出信号被输送给运算放大器A，该运算放大器A后面连接有滤波器和量化器。所述量化器的输出信号被输送回到所述惠斯通电桥上，使得所述测量电容器上的电势差通过所述量化器的比特流被调节。
[0010]电路技术方面特别简单的是:在施加期望电压的情况下，所述参考电容Crrf基本上相应于所述测量电容器的电容并且两个电容&和(:2基本上相同。
[0011]最后还应对此指出:根据本发明的调节原则上可以基于任意的期望电压。对MEMS传感器元件的测量电容器上的吸合电压的调整或者说调节仅仅表示根据本发明的措施的一种特别有利地应用。即使它结合MEMS麦克风被证明是特别有利的，这原则上在任意的应力敏感的电容性传感器元件中也都可以使用。
【附图说明】
[0012]如上所述，存在不同的可能性以有利的方式来构型和扩展本发明。为此，一方面参照以下列出的从属权利要求，另一方面参照以下结合附图对本发明的两个实施例的说明。
[0013]图1示出MEMS麦克风的电路技术方面的结构，其具有用于调节麦克风电容器Cmic上的偏置电压的第一电路变型方案；
[0014]图2示出用于图1示出的电路变型方案的调节器10的电路图；以及
[0015]图3示出MEMS麦克风的示意结构，其具有用于调节麦克风电容器Cmic上的偏置电压的第二电路变型方案。
【具体实施方式】
[0016]以下描述的实施例分别涉及具有用于信号检测的麦克风电容器Cmk的MEMS麦克风，为了提高麦克风敏感度该麦克风电容器被加载偏置电压。所述偏置电压应调节到MEMS麦克风结构元件的吸合电压上。为此在两个实施例中将基本电压施加到麦克风电容器Cmk上并且如此调节，使得麦克风电容器Cmk的两个电极侧之间的电势差相应于所述吸合电压。根据本发明在低压范围内实现所述基本电压的所述调节。
[0017]在图1中示出的第一实施例的情况下，借助两个电压源实现在麦克风电容器Cmic上的基本电压，所述两个电压源分别与麦克风电容器Cmk的一个电极侧连接。所述两个电压源中的一个电压源提供在所述期望电压数量级的电压，即吸合电压，并且作为预给定的、不可变的基本电势nl连接到麦克风电容器Cmk的一个电极侧上。另一个电压源提供低于上述电压源所提供的电压的电压，并且作为反向电势n2连接到麦克风电容器Cmk的另一个的电极侧上。麦克风电容器Cmk上的所述基本电压是基本电势与反向电势之间的差(nl-n2)。至少所述基本电势nl被以调制电压形式加载。在此例如可以涉及简单地通过两个电压和选择开关可实现的方波电压。
[0018]在本发明的这里描述的实施方式中，将所述基本电压(nl_n2)调节到所述吸合电压上，其方式是，将麦克风电容器Cmic的所述第一电极侧保持在高的基本电势nl，而相应地调节麦克风电容器Cmk的所述第二电极侧上的低的反向电势n2。所述吸合电压在MEMS麦克风中通常处于5V至8V范围内。施加在所述第一电极侧上的电压nl必须相应地高。
[0019]在这里示出的实施例中，借助用作电荷积分器的运算放大器A和调节器10进行较低的反向电势n2的调节，该调节器1的电路技术方面的实施将结合图2更详细地来阐述。
[0020]麦克风电容器Cmk的所述第二电极侧与运算放大器A的反相输入端连接，使得这里加载反向电势n2。运算放大器A的输出端n3—方面通过定义的积分电容Cint反馈到该运算放大器A的反相输入端。另一方面将运算放大器A的输出端n3输送给调节器10的一个输入端。调节器10的第二输入端与作为参考电压的所述第一电压源连接。也就是说在所述第二输入端上加载有固定的基本电势nl，麦克风电容器Cmic的所述第一电极侧将被保持在该基本电势nl上。调节器10的输出端n4被输送回到运算放大器A的同相输入端。
[0021]因为运算放大器A的这些输入端的差被调节到O，所以所述反相输入端跟随所述同相输入端。以这种方式，能够通过调节器10的输出信号n4控制在麦克风电容器Cmk的所述第二电极侧上的反向电势n2，并且借此也能够控制加载在麦克风电容器Cmk上的基本电压(nl_n2)ο
[0022]图2示出用于调节器10的实施变型方案。核心部件是PI调节器，该PI调节器由放大器AP1、电容器Cl和两个电阻Rl和R2组成。电阻Rl连接在放大器API的反相输入端。放大器API的同相输入端连接在参考电势Vref上，该参考电势在这里示出的实施例中相应于0V。放大器API的输出端n4通过电阻R2和电容器Cl反馈到该放大器API的反相输入端。三个减法器S1、S2、S3和一个因数器N或I /N连接在电阻Rl前面，使得当满足以下条件时在减法器S3的输出端上输出O = Cmic = N.CintXmic在此表示所述麦克风电容器的电容。通过在电容计算时使所述电容器电极的基本距离减少到2/3，能够简单地确定所述麦克风电容器在所述吸合点中的电容。因为运算放大器A的积分电容Cint是已知的，所以因数N能够简单地被计算并且在电路技术方面相应地被实现。
[0023]然后，放大器API提供输出电压n4，借助该输出电压n4如此调整麦克风电容器Cmic的一个电极侧上的反向电势n2，使得基本电压(nl-n2)相应于麦克风电容器Cmic的吸合电压。
[0024]在图3中示出的第二实施例中，麦克风电容器Cmic连同参考电容Cref和两个另外的电容CjPC2连接在惠斯通电桥中。该桥电路由自身稳定的电压源Uo馈电，该电压源Uo提供按照所述吸合电压的两倍的数量级的电压。参考电容Crrf和所述另外的电容CjPC2如此选择和连接，使得所述惠斯通电桥的输出信号相应于加载在麦克风电容器Cmk上的电压与所述吸合电压的偏差。在最简单的情形中，参考电容Cm在加载所述吸合电压的情况下相应于麦克风电容器Cmic的电容，并且两个电容Ci和C2基本上是相同的。
[0025]在所述第二实施例中，不是直接地调节加载在麦克风电容器Cmk上的基本电压，而是间接地，其方式是，根据所述惠斯通电桥的输出信号调节加载在所述惠斯通电桥上的电压。为此将所述惠斯通电桥的输出信号输送给运算放大器A。滤波器F和量化器Q连接在运算放大器A的后面。在此有利地涉及用于数字化输出信号的△ Σ调制器。经数字化的输出信号被反馈到所述惠斯通电桥上，使得Uwheat = Uo+Δ Uq，其中，Δ Uq相应于量化器Q的比特流。由此，如此调节在所述惠斯通电桥上的电压Uwheat,使得麦克风电容器Cmk的电容相应于参考电容Cref。也就是说，通过量化器Q的比特流AUq将麦克风电容器Cmk上的电势差调节到所述吸合电压。为此，如此匹配比特流A Uq的脉冲密度，使得平均产生对于麦克风电容器Cmk的吸合运行所需要的电压。
[0026]因为比特流AUq的电压量值与Uo相比且与麦克风电容器Cmk上的所述基本电压相比非常小，所以在此对麦克风电容器Cmk上的所述基本电压的调节也在低压范围内进行。
【主权项】
1.一种用于调节MEMS传感器元件的测量电容器上的偏置电压的方法，在该方法中，将基本电压施加到所述测量电容器上，并且在该方法中如此调节所述基本电压，使得所述测量电容器的两个电极侧之间的电势差相应于期望电压，其特征在于，所述基本电压的调节在低压范围内进行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 将在所述期望电压的数量级的、预给定的且不可变的基本电势施加到所述测量电容器的一个电极侧上； 将可调节的、低于所述基本电势的反向电势施加到所述测量电容器的另一个电极侧上，如此调节该反向电势，使得所述测量电容器上的电势差相应于所述期望电压。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 确定所述测量电容器的电容与参考电容之间的差，其中，所述参考电容在施加所述期望电压的情况下相应于所述测量电容器的电容； 根据所确定的电容差调节施加在所述测量电容器上的基本电压。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将所述测量电容器的吸合电压选为期望电压。5.—种用于根据权利要求1或2所述的方法来调节MEMS传感器元件的测量电容器上的偏置电压的装置，所述装置至少包括: 第一电压源，该第一电压源提供在所述期望电压的数量级的电压并且作为预给定的基本电势连接到所述测量电容器的第一电极侧上； 第二电压源，该第二电压源提供低于所述第一电压源所提供的电压的电压并且作为反向电势连接到所述测量电容器的另外的第二电极侧上； 运算放大器A，该运算放大器A的反相输入端与所述测量电容器的所述第二电极侧连接并且该运算放大器A的输出端通过定义的电容Cint反馈到该运算放大器A的反相输入端上； 连接在所述运算放大器A的输出端后面的调节器(10)，该调节器(10)的输出端反馈到该运算放大器A的同相输入端上，使得通过所述调节器(10)的输出信号调节施加在所述运算放大器的反相输入端上的、在所述测量电容器的所述第二电极侧上的反向电势。6.根据权利要求5所述的调节装置，其特征在于，所述调节器(10)涉及具有前置连接的处理逻辑部的模拟PI调节器，并且该PI调节器包括至少一个运算放大器API，该运算放大器API通过定义的电容Cl和电阻R2反馈，并且在该运算放大器API的反相输入端前面连接有电PlRlo7.—种用于根据权利要求1或3所述的方法调节MEMS传感器元件的测量电容器上的偏置电压的装置，所述装置至少包括: 电压源Uo，该电压源Uo用作惠斯通电桥的电压供应，所述测量电容器连接在该惠斯通电桥中； 参考电容Crrf和两个另外的电容&和&，所述参考电容Crrf和两个另外的电容CjPC2与所述测量电容器连接在所述惠斯通电桥中，其中，所述参考电容Crrf和另外的电容CjPC2如此选择和连接，使得所述惠斯通电桥的输出信号相应于所述测量电容器上的电势差与所述期望电压的偏差； 用于所述惠斯通电桥的输出信号的运算放大器A; 连接在所述运算放大器A的输出端后面的滤波器F; 连接在该滤波器F后面的量化器Q，该量化器Q的输出信号△ Uq被输送回到所述惠斯通电桥上，使得通过所述量化器的比特流AUq调节所述测量电容器上的电势差。8.根据权利要求7所述的调节装置，其特征在于，在施加所述期望电压的情况下，所述参考电容Cref基本上相应于所述测量电容器的电容，并且所述两个电容Ci和C2基本上相同。9.一种根据权利要求1至4中任一项所述的方法以及根据权利要求5至8中任一项所述的装置的应用，用于调整麦克风结构元件的麦克风电容器上的吸合电压或者用于调整加速度传感器元件的测量电容器上的吸合电压。
【文档编号】H04R3/06GK105981407SQ201480074972
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年12月1日
【发明人】T·诺尔特曼
【申请人】罗伯特·博世有限公司