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。
[0019] 图3图解用于在一个或多个以上应用中使用的MEMS 100。比如，仅举几个例子， MEMS 100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 100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 100的电容随两 个电极之间的相对距离或位移而改变。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 100的电容来确定。MEMS 100的当前位移、位置、状态和操作能够通过 测量电容的改变来控制。
[0020] 半导体器件102是接近MEMS 100分离且分开定位并且电耦合到MEMS 100的部 件。半导体器件102含有半导体管芯，该半导体管芯具有模拟和数字电路，该模拟和数字 电路被实施为依据管芯的电设计和功能在管芯内形成并且电互连的有源器件、无源器件、 导电层、和电介质层。比如，电路可以包含一个或多个晶体管、二极管、以及在管芯的有源表 面内形成的以实施模拟和数字电路的其它电路元件，诸如放大器、调制器、解调器、积分器、 ADC、DAC、或其它信号处理电路。半导体器件102也可以含有集成无源器件（IH))，诸如电感 器、电容器、和电阻器。半导体管芯包含基础衬底材料诸如硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、 氮化镓、磷化铟、碳化硅、或其它体半导体材料用于结构支撑。图4图解封闭半导体管芯用 于结构支撑和环境保护的半导体封装104。半导体封装104包含用于与其它系统部件(包含 MEMS 100)互连的管脚106。
[0021] 特别地，半导体封装104含有测量电路108,该测量电路108体现为电耦合到分离 的MEMS 100用于测量MEMS的状态或值的半导体管芯。测量电路108通过半导体封装104 的一个或多个管脚106被耦合到MEMS 100。在一个实施例中，如设置在半导体封装104内 的测量电路108测量设置在分离的半导体封装或其它物理结构内的MEMS 100的电容。所 以，测量电路108测量定位在半导体封装104外部的MEMS 100。
[0022] 图5是用于测量MEMS 100的电容的测量电路108的示意图和框图，该MEMS 100 的电容由在感测结点112处的半导体封装104的管脚106a和操作在地电位的端子114之 间耦合的可变电容器110 (Cn。）来表示。管脚106a操作为半导体封装104的感测电极外 部连接到MEMS 100并且测量电容器110的值，该值表示MEMS的当前位移、位置、状态或操 作。
[0023] 电荷栗116通过连接电路118被耦合到感测结点112以改变跨过电容器110的电 压V 112，这生成对MEMS 100施加力的电场以例如诱导透镜的移动。连接电路118能够是晶 体管、电阻器、或电子开关。MEMS电容器110的值随后被测量以确定由施加电荷栗电压引 起的MEMS 100的位移量或新位置或状态。电容器120 (C12。)被耦合在结点112和结点122 之间。重置电路124在结点122和操作在地电位的端子126之间被耦合。重置电路124能 够是晶体管或电子开关。
[0024] DC参考电压￥_2被施加到调制器130的第一输入。调制器130的第二输入接收 调制时钟信号Fsi以相位或幅度调制参考电压V ref2。电容器132 (C132)被耦合在调制器130 的输出和结点122之间。解调器134具有耦合到结点122的第一输入，以及接收时钟信号 Fs2用于解调结点122处的信号的第二输入。解调器134的输出被耦合到积分器138的输 入。积分器138对西格玛-德尔塔回路的输入路径和反馈路径之间的差积分。如果输入/ 反馈差非零，则积分器138驱动回路的输出直到差收敛到零。积分器138的输出被耦合到 ADC 140的输入。ADC 140的输出在结点142处被耦合到可选数字信号处理块143用于校 准或滤波。结点142或数字信号处理块143的输出将表示电容器110的值的数字代码D qut 提供给半导体封装104的管脚106b。
[0025] ADC 140的输出也被耦合到数模转换器（DAC) 144的输入。DAC 144也接收DC参 考电压VREF3。DAC 144的输出被耦合到调制器148的第一输入。调制器148的第二输入接 收时钟信号Fs3以相位或幅度调制DAC 144的输出信号。调制器148的输出提供反馈电压 VBACK。电容器150 (C15。）被耦合在调制器148的输出和感测结点112之间。DAC 144、调制 器148、和电容器150组成ADC 140的输出和感测结点112之间的反馈电路。
[0026] 测量电路108使用带有反馈的西格玛-德尔塔回路以通过下述方式来测量MEMS 100的电容：感测响应于施加到包含Cn。、C12。、和C15。的电容器分压器的反馈电SV bm的结 点112处的电压的改变。西格玛-德尔塔回路在紧凑电路布局中以高分辨率在结点142或 半导体封装104的管脚106b处提供表示MEMS 100的电容的数字信号Di3ut。测量电路108 的功能能够通过下面操作原理和相关联的等式来描述。
[0027] 假设连接电路118和重置电路124是闭合的或低阻抗。来自电荷栗116的电压被 施加到结点112和电容器110以施加力并且引起MEMS 100的位移或位置、状态、或操作的 其它改变。电容器120和150为重置电路124、解调器134、积分器138、ADC 140、DAC 144、 以及调制器148提供与结点112上的来自电荷栗116的高电压的流电隔离，即对使MEMS 100位移所要求的电压能够大于有源电路的击穿电压。连接电路118和重置电路124被断 开或被设置到高阻抗，即连接电路118和重置电路124在电容器110的测量阶段期间被禁 用。替选地，连接电路118保持闭合并且重置电路124被断开或被设置到高阻抗。电容器 110的值表示或指示在通过电荷栗116施加力之后MEMS 100的位移、位置、状态、和操作。
[0028] DC参考电压Vref2通过调制器130由时钟信号Fsi相位或幅度调制。在一个实施例 中，F si=Fs2=Fs3，并且通常被指定为Fs。在另一个实施例中，F si、Fs2、和Fs3每个呈现共用或同 步时钟频率的不同相位、延迟、或占空比。调制器130、148、解调器134、以及时钟信号F si-Fs3 能够是+1/-1方波调制器、0-1方波调制器、三角形调制器、锯齿调制器、正弦波调制器、或 其它周期调制器。VREFjP V _3是稳定的DC参考电压。调制器130的输出信号被指定为V 13。， 其中电压变化A V13。指示归因于通过Fsi对V ,2的调制的V13。的改变。图6示出FjPV130 的波形图。反馈电压Vbm在感测结点112处通过电容器110、120、和150引起电压V112的 改变（AV 112)。电压变化AV112是感兴趣的值，即通过电容器150响应于Vbao^ AV112与用 于确定电容器110的未知值的西格玛-德尔塔回路的测量操作相关，该电容器110的未知 值表示MEMS 100的当前位移、位置、状态、和操作。
[0029] 转移到积分器138的电荷（Qt)的总和来自两个来源，即通过电容器120的电压变 化A V112和通过电容器132的电压变化AV13。，其中通过调制器130中的时钟信号F si和通 过调制器148中的时钟信号Fs3进行调制并且通过解调器134中的时钟信号F S2进行解调。 积分器138将来自电容器120和132的总电荷Qt积分并且将平均积分信号提供给ADC 140。 当西格玛-德尔塔回路收敛时，Qt接近平均值零。假定AV13。、电容器120、和电容器132是 固定的，则到积分器138的总电荷Qt的信息内容变为通过电容器150的响应于反馈V ΒΑα^9 A V112的函数，如在等式（1)中表达：
(1) 图6示出V14JP V _的波形图。依据等式（2)电压AV112随通过电容性分压器C η。、 C120、和C15。（C12。参考虚拟地）操作的反馈电压V隊〖的改变（Δ V咖κ)而变化。
[0030]
(2) 假定调制器130和148具有单位增益，则AVbm等于DAC 144的输出电压（VREF3 XDqut), 并且AV13。等于Vref2，如在等式（3)和（4冲示出。Di3ut是位流，该位流具有以位流内的特定 值的密度表达的信息上下文。西格玛-德尔塔回路将输入路径和反馈路径之间的差积分并 且驱动回路的输出直到该差收敛到零。图6示出数字代码D tw的波形图。
(3) (4) 将等式（1) - (4)组合，每个循环被注入到积分器138中的电荷Qt在等式（5)中示出：
(5) 当Qt接近平均值零时西格玛-德尔塔回路收敛。假定C 12(]、C132、C1M、VREF2jPV REF^S， 则〇_随C n。线性改变，该C n。表示MEMS 100的当前位移、位置、状态、和操作。假设通过 C15。的反馈是稳定的，则在积分器138的输入处闭合回路西格玛-德尔塔函数能够被表达为 等式（6 )，其中<QT>和〈D^〉指示平均值。
[0032]
(6) 通过设定VREF3=-VREF2, UP C n。之间的关系能够在等式（7) - (8)中被表达：
(7) (8) 从等式（7)- (8)