半导体器件和西格玛-德尔塔回路mems获取的制作方法
【专利说明】
[0001] 要求国内优先权 本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请号61/788, 286的优先权，该申请通 过引用被合并在本文中。
技术领域
[0002] 本发明大体上涉及半导体器件，并且更具体而言涉及使用西格玛-德尔塔 (sigma-delta)回路测量MEMS的状态的测量电路和方法。
【背景技术】
[0003] 半导体器件通常存在于现代电子产品中。半导体器件在电部件的数目和密度上变 化。集成半导体器件典型地含有数百到数百万个电部件。集成半导体器件的示例包含微控 制器、微处理器、专用集成电路（ASIC)、以及其它特定功能电路。分立半导体器件通常含有 一种类型的电部件，例如发光二极管（LED)、小信号晶体管、电阻器、电容器、电感器、以及功 率金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)。
[0004] 半导体器件执行各种各样的功能，诸如信号处理、高速计算、传输和接收电磁信 号、控制电子器件的操作、以及控制机械器件的移动。半导体器件存在于在下述领域中：通 信、功率转换、机械控制、网络、计算机、以及消费者产品。半导体器件也存在于军事应用、航 空、汽车、工业控制器、以及办公室设备中。
[0005] 微机电系统（MEMS)经常与以上半导体器件使用。比如，MEMS能够是梳式致动器、 用于手机相机的透镜、可移动镜子、加速度计、或陀螺仪。MEMS可以呈现来自两个电极或元 件(其中电介质在电极之间）的电容。MEMS的电容随两个电极之间的相对位移或距离而改 变。在用于相机的透镜的情形中，通过移动透镜的焦点或通过关于传感器移动透镜来改变 电容，即电容随透镜的位移而变化。透镜的移动或位移能够通过测量MEMS的电容来确定。 MEMS的当前状态和操作能够通过测量有效电容的改变来控制。
[0006] 图1示出用于测量MEMS的电容的测量电路10的传统框图和示意图，该MEMS的电 容由在结点14和操作在地电位的端子16之间耦合的可变电容器12来表示。电荷栗20通 过连接电路22被耦合到结点14以改变跨过电容器12的电压，这生成对MEMS施加力的电 场以例如诱导MEMS电容器的一个电极的移动。MEMS电容器12的值随后被测量以确定由施 加电荷栗电压引起的MEMS电容器的电极的位移量或新位置。连接电路22能够是晶体管、 电阻器、或电子开关。电容器24被親合在结点14和结点26之间，并且电容器28被親合在 结点14和结点30之间。重置电路32能够是耦合在结点26和结点30之间的晶体管或电 子开关。脉冲或阶梯信号发生器34具有親合到放大器36的非反相输入的输出。放大器36 的反相输入被親合到结点26,并且放大器36的输出在测量电路10的输出端子38处被親合 到结点30以提供模拟输出信号作为电容器12的值的代表性测量。
[0007] 测量电路10提供MEMS电容器12的模拟测量，即电容器12的值要被确定。假设 连接电路22和重置电路32是闭合的或低阻抗。来自电荷栗20的电压被施加到电容器12 以引起MEMS的状态的改变或位移。电容器24和28将放大器36与结点14上的来自电荷 栗20的高电压隔离，即对使MEMS位移或改变MEMS的状态所要求的电压能够大于有源放大 器的击穿电压。电容器28被耦合到结点14以将电荷注入到MEMS电容器12中。电容器24 感测在结点14处的电压（V 14)的改变。由于重置电路32是低阻抗，所以放大器36的反相 输入的电压基本上等于放大器的输出电压，其等于来自脉冲发生器34的在放大器的非反 相输入处的电压。
[0008] 连接电路22和重置电路32被断开或被设置到高阻抗，即连接电路22和重置电路 32在测量阶段期间被禁用。脉冲发生器34将脉冲或阶梯函数V p提供给放大器36的非反 相输入。注意在放大器36的反相输入处的电压将与施加到放大器的非反相输入的Vp基本 上相同。放大器36的输出改变以使放大器的反相输入跟随V p。放大器36的输出电压基于 电容器和Vp的比率来改变，即响应于V p的放大器36的输出电压通过电容器28来施加以引 起作为电容器12的函数的V14的改变，其随后跨过放大器的输入通过电容器24被测量并且 在放大器的输出处被提供。电容器12的值(MEMS的位移或状态）归因于由电荷栗20施加 的力是不可知的。然而，电容器12的值能够从作为电容器12的函数的V 14的改变来确定并 且被提供为在输出端子38处的放大器36的模拟输出电压。放大器36的模拟输出电压随 电容器12的值而改变。
[0009] 图2示出用于测量MEMS的电容的测量电路40的另一个传统框图和示意图，该 MEMS的电容由在结点44和操作在地电位的端子46之间耦合的可变电容器42来表示。电 荷栗50通过连接电路52被耦合到结点44以改变跨过电容器42的电压，这生成对MEMS施 加力的电场以例如诱导透镜的移动。MEMS电容器42的值随后被测量以确定由施加电荷栗 电压引起的MEMS的位移量或新位置或状态。连接电路52能够是晶体管、电阻器、或电子开 关。电容器54被耦合在结点44和结点56之间，并且电容器58被耦合在结点44和结点60 之间。重置电路62能够是耦合在结点56和结点60之间的晶体管或电子开关。脉冲或阶 梯信号发生器64具有通过电容器66親合到放大器68的反相输入的输出。放大器68的非 反相输入接收DC参考电压V refi。放大器68的反相输入在测量电路40的输出端子70处被 耦合到结点60以提供电容器42的值的模拟输出信号代表性测量。
[0010] 假设连接电路52和重置电路62是闭合的或低阻抗。来自电荷栗50的电压被施 加到电容器42以引起MEMS的状态的改变或位移。电容器54和58将放大器68与结点44 上的来自电荷栗50的高电压隔离，即对使MEMS元件位移所要求的电压能够大于有源放大 器的击穿电压。连接电路52和重置电路62被断开或被设置到高阻抗，即连接电路和重置 电路在测量阶段期间被禁用。电容器58被耦合到结点44以将电荷注入到MEMS电容器42 中。电容器54感测在结点44处的电压（V 44)的改变。脉冲发生器64通过电容器66将脉 冲或阶梯函数Vp提供给放大器68的反相输入。放大器68的输出电压基于电容器和V ^勺 比率来改变。因而，电容器42的值能够从放大器68的模拟输出电压的变化来确定并且在 输出端子70处成为可获得。
[0011] MEMS电容器的测量使用传统模拟电路，例如放大器36或68。来自放大器36或 68的MEMS电容器的模拟测量值必须例如通过含有测量电路的半导体管芯内的模数转换器 (ADC)被转换到数字格式，或外部地被转换到数字格式用于通过数字电路的进一步处理。 MEMS电容器的模拟测量可能缺少在一些应用中需要的分辨率。
【发明内容】
[0012] 存在对在紧凑电路布局中以高分辨率来测量MEMS的需要。所以，在一个实施例中 本发明是用于MEMS的测量电路，该用于MEMS的测量电路包括用于测量MEMS的状态的感测 结点。第一电容器被親合在感测结点和积分器的输入之间。ADC包含親合到积分器的输出 的输入和提供表示MEMS的状态的数字信号的输出。DAC包含耦合到ADC的输出的输入。第 二电容器被耦合在DAC的输出和感测结点之间。
[0013] 在另一个实施例中，本发明是测量MEMS的方法，该测量MEMS的方法包括下述步 骤：在感测结点处感测MEMS的状态作为第一电压变化，通过第一电容器将第一电压变化传 递到第二结点作为第一信号，通过第二电容器将第二电压变化提供给第二结点作为第二信 号，将第一信号和第二信号积分以提供积分信号，将积分信号转换到表示MEMS的状态的数 字信号，将数字信号转换到模拟信号，并且通过第三电容器将模拟信号路由到感测结点。
[0014] 在另一个实施例中，本发明是用于测量MEMS的半导体器件，该用于测量MEMS的半 导体器件包括用于测量MEMS的感测结点。第一电容器被耦合在感测结点和第一积分器的 输入之间。ADC包含耦合到第一积分器的输出的输入和提供表示MEMS的状态的数字信号的 输出。反馈电路被親合在ADC的输出和感测结点之间。
[0015] 在另一个实施例中，本发明是测量MEMS的方法，该测量MEMS的方法包括下述步 骤：在感测结点处感测MEMS的状态作为第一电压变化，通过第一电容器将第一电压变化传 递到第二结点作为第一信号，将第一信号积分以提供积分信号，并且将积分信号转换到表 示MEMS的状态的数字信号。
【附图说明】
[0016] 图1是用于测量MEMS的电容的传统测量电路的示意图和框图； 图2是用于测量MEMS的电容的另一个传统测量电路的示意图和框图； 图3图解MEMS和分离的测量电路； 图4图解含有测量电路的带有外部管脚的半导体封装； 图5是使用带有反馈的西格玛-德尔塔回路的用于MEMS的测量电路的示意图和框图； 图6图解西格玛-德尔塔回路的操作的波形图； 图7a-7d是在西格玛-德尔塔回路和反馈的操作的各种阶段期间测量电路的示意图和 框图；并且 图8是使用二阶西格玛-德尔塔回路的用于MEMS的测量电路的示意图和框图。
【具体实施方式】
[0017] 参考附图在下面描述中的一个或多个实施例中描述本发明，在附图中相似的数字 表示相同或类似的元件。尽管依据用于实现本发明的目标的最佳模式来描述本发明，但是 本领域技术人员将意识到意图覆盖如可以被包含在本发明的精神和范围内的替选方式、修 改、和等价物，本发明的精神和范围如由所附权利要求和它们的等价物限定，所附权利要求 和它们的等价物如由下面公开内容和附图支持。
[0018] 半导体器件执行各种各样