Mems声换能器器件和电子装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及用于声换能器的偏置电路，特别是涉及MEMS(微机电系统）电容麦克 风，下面的讨论将明确提及该MEMS电容麦克风，但其并不暗指一般性的任何损失。
【背景技术】
[0002] 如已知的，电容类型的声换能器（例如MEMS麦克风）通常包括微机电感应结构， 该结构包括作为膜片或薄膜提供的移动电极，其被设置为朝向固定的电极，从而提供可变 电容感应电容器的极板。移动电极通常通过其外周部分被锚固到基底，但其中央部分响应 于由入射的声波施加的压力而自由地移动或弯曲。移动电极和固定电极提供了电容器，并 且构成该移动电极的该薄膜的向上或向下弯曲致使该电容器的电容的变化。在使用中，作 为待被检测的声信号的函数的电容变化被转换为电信号，其作为声换能器的输出信号被供 应。
[0003] 更详细地并且参照图1，已知类型的MEMS电容麦克风的感应结构1包括例如为硅 的半导体材料的基底2 ;腔3 (通常称为"背腔")，其例如经由来自背部的化学蚀刻而被形成 在基底2中。薄膜或膜片4被耦接至基底2并且在顶部封闭腔3。薄膜4是柔性的，并且在 使用中经受作为来自腔3的入射声波的压力的函数的形变。刚性板5 (通常称为"背板"） 经由用于限定架空层（所谓的"空气间隙"）的间隔件6 (例如，诸如氧化硅之类的绝缘材料 的间隔件）的插入而被设置在薄膜4以上并且朝向它。刚性板5构成可变电容的电容器的 固定电极，该电容器的移动电极由薄膜4构成，该固定电极具有例如带有圆形横截面的多 个孔7,其被设计为使得空气能够朝向薄膜4自由流通。
[0004] MEMS电容麦克风要求适当的电气偏置，使得它们可以被用作声信号到电信号的换 能器。通常，MEMS电容麦克风操作在电荷偏置状态。
[0005] 为了保证用于普通应用的充分性能，要求这些麦克风在高直流电压（例如15至 20V)处被偏置，该直流电压通常比在对应的读取电路处提供的供电电压（例如1. 6至3V的 逻辑电压）高得多。
[0006] 出于该目的，常见的是使用升压器电路、特别是使用集成技术制作的电荷栗类型 的升压器电路，其能够从参考电压开始生成高电压。通常，已知的是，麦克风的偏置电压越 高，产生的相同麦克风的检测声信号的灵敏度就越大。
[0007] 已经提出的偏置电路8 (在图2中示出）因而设想了电荷栗电路，其被概略地且整 体由9指定并具有输出端子9a，从较低值的供电电压开始生成的升压电压或栗电压V cp呈 现在该输出端子9a上。
[0008] 输出端子9a利用具有非常高的阻抗（例如通常具有兆兆（tera)欧区间的阻抗 值）、由10指定并且作为具有电阻R b的电阻器所概略地表示的绝缘电路元件的插入被连接 至MEMS麦克风的感应结构1(利用可变电容的电容器Cmems的等效电路概略地表示）的第一 端子（例如由背板5构成）。
[0009] 感应结构1的第二端子（例如，由薄膜4构成）反而被连接至电路的参考电势，例 如接地。
[0010] 前述第一端子因此构成与绝缘电路元件?ο相关联的第一高阻抗节点N1，并被进一 步连接至概略地图示的读取级11，该读取级11接收由V mems指定的、呈现在相同的第一段子 上的电压，并且生成指示检测到的声信号的输出电压ν_。
[0011] 读取级11通常作为ASIC(专用集成电路）以集成的方式提供在半导体材料的裸 片中，并与在其中提供MEMS麦克风的感应结构1的裸片不同。两个裸片可以进一步被容纳 在相同的封装中，或者容纳在不同的封装中但被电连接在一起。
[0012] 偏置电路8还可以被集成在其中提供读取电路11的裸片中，或者被提供在不同的 裸片中但被容纳在相同的封装中。
[0013] 绝缘电路元件10具有针对MEMS麦克风的绝缘功能，其对存储在MEMS麦克风的电 容器中的电荷从高于几赫兹的频率开始进行绝缘（换言之，产生的截止频率远小于在20Hz 至20kHz之间包括的音频带）。考虑到对于在音频带中的频率而言存储在电容器中的电荷 是固定的，入射在感应结构1的薄膜上产生的声信号调制空气间隙以及因而调制电压V MEMS。
[0014] 绝缘电路元件10的存在进一步适当地减弱在电荷栗9的输出处的脉动和噪声两 者，与MEMS麦克风的电容形成滤波模块。
[0015] 考虑到以已知的方式不可能以集成电路技术提供具有这样高的电阻值的电阻器， 已经提出了非线性器件的使用，其能够提供绝缘电路元件10所要求的高阻值。
[0016] 例如，出于该目的已经提出的是使用处于反平行配置的至少一对二极管元件，当 其上呈现低值的压降（取决于技术，例如在IOOmV区间）时提供了充分高的电阻，从而不使 它们接通。相同的二极管元件可以进一步以由二极管适当连接的三极管获得。
[0017] 偏置电路8进一步包括开关元件12,其平行于绝缘电路元件10被连接。该开关元 件12的功能是克服由偏置电路8在接通时或者在其从所谓的"待机"或"掉电"状态（在 这些期间器件本身被部分地关断以进入节能状态）返回时，即当其被再次供电时的长启动 时间所呈现的问题。
[0018] 由于高阻抗，绝缘电路元件10实际上确定MEMS麦克风的电容一个高时间常数。
[0019] 开关元件12因而可以作为控制信号Vsw的函数被可选择地操作，从而在前述的启 动步骤期间，在感应结构1的第一端子与电荷栗电路9的输出端子9a(在其上呈现栗电压 Vcp)之间提供低阻抗连接。
[0020] 特别地，开关元件12从控制逻辑（本文未示出）接收控制信号Vsw，使得其可以在 偏置电路8的启动阶段期间被闭合，并因而保证感应结构1的第一端子到期望的偏置值的 快速建立，并且在偏置电路8的随后的正常操作的阶段期间被断开，因而保证第一端子的 合适偏置以及通过绝缘电路元件10保证的绝缘和噪声性能。
[0021] 在MEMS麦克风以期望的偏置电压（即以栗电压Vcp)被充电之后，启动阶段终止。
[0022] 换言之，开关元件12因而使得在偏置电路8的供电之后能够旁路绝缘电路元件10 一定的时间间隔，并且随后当MEMS麦克风的电容已经达到充分的电荷值并且输出电压V mems 具有期望的直流偏置值时，断开及重新建立MEMS麦克风的感应结构1与绝缘电路元件10 之间的连接。
[0023] 然而，本发明人已经认识到前述偏置电路8具有最少一个缺点，使得不能完全利 用其优点。
[0024] 该缺点被联系到共同在MEMS麦克风的感应结构1与绝缘电路元件10之间处、在 该示例中是在第一高阻抗节点N 1(与相同的感应结构1的第一端子重合）处的寄生电流 (通常定义为"泄漏电流"）的存在，如图3所概略表示的，泄漏电流由L eak指定。
[0025] 以已知的方式，泄漏电流例如可以从以下中的一个或多个导出：MEMS麦克风的感 应结构1 ;晶体管器件的提供开关元件12的半导体结；感应结构1与对应的读取级11之间 的电气连接（考虑到ASIC可以提供在不同的裸片中或者甚至在不同的封装中）；可呈现在 ASIC中的静电放电（ESD)保护电路；或者其它已知的因素（未在此列出）。
[0026] 在任何情况下，已知的是泄漏电流是寄生存在的并且可能无法避免。
[0027] 与泄漏电流（如图4所示）相关联的缺点是由于它们导致跨绝缘电路元件10的 压降A V的值较高，即使在由于绝缘电路元件10的电阻值造成的数百毫伏的区间。
[0028] 因此，根据开关元件12的断开（在从启动阶段的开始起由tshc]rt指定的时间间隔 之后，图4仅示出了该启动阶段在电压V mems稳定到V CP的时间段的最终部分），MEMS麦克风 的电容器由开关元件12强制必须从等于电压Vep的最初的电压值放电低至等于V ep-A V的、 甚至是低了数百毫伏的新的值。
[0029] 以上的放电以高时间常数被再一次执行，导致由td指定的显著的时延，其确定由 tst^ up指定的启动时间间隔的不