用于具有减少的启动时间的MEMS声换能器的偏置电路的制作方法

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：

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。

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。

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。

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。

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泵类型的升压器电路，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。

已经提出的偏置电路8(在图2中示出)因而设想了电荷泵电路，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泵电压VCP呈现在该输出端子9a上。

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RB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)。

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。

前述第一端子因此构成与绝缘电路元件10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VMEMS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Vout。

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。

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。

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VMEMS。

绝缘电路元件10的存在进一步适当地减弱在电荷泵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。

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。

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100mV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。

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。

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。

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的第一端子与电荷泵电路9的输出端子9a(在其上呈现泵电压VCP)之间提供低阻抗连接。

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。

在MEMS麦克风以期望的偏置电压(即以泵电压VCP)被充电之后，启动阶段终止。

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VMEMS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。

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。

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N1(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ILEAK指定。

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)。

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。

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ΔV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。

因此，根据开关元件12的断开(在从启动阶段的开始起由tshort指定的时间间隔之后，图4仅示出了该启动阶段在电压VMEMS稳定到VCP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VCP的最初的电压值放电低至等于VCP-ΔV的、甚至是低了数百毫伏的新的值。

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tstart-up指定的启动时间间隔的不理想的延长。

这样长的时延在MEMS麦克风的使用的宽范围情况中可能不被接受，当其事实上必须确保在开启结合有MEMS麦克风的电子设备时以及在从待机或掉电状态重新返回时具有极短时延的标称性能(特别是基本上恒定的灵敏度)。

作为对该缺点的可能解决方案，已经提出了具有低阻抗、例如在数十千兆(giga)欧的区间的绝缘电路元件10的使用，由此生成较低的压降ΔV以及因此较短的时延td。

然而，该方案也引起不理想的噪声增大到绝缘电路元件10的较低值的阻抗以对于需要高性能的应用而言不可接受的方式劣化信噪比(SNR)的程度。

技术实现要素：

根据本公开，用于MEMS声换能器的偏置电路因而被提供。

本公开的一个实施例是一种MEMS换能器器件，该器件包括电容微机电感应结构和偏置电路。该偏置电路包括升压电路、设置在升压电路的输出与感应结构之间的绝缘电路元件、预充电级以及设置在所述预充电级的第一输出与由感应结构的端子定义的第一高阻抗节点之间的第一开关元件。该升压电路被配置为在输出端子上供应升高电压。绝缘电路元件具有高阻抗并且与第一高阻抗节点相关联。预充电级具有第一输出并且被配置为在第一输出上生成作为升高电压的函数并且与该升高电压不同的第一预充电压。第一开关元件被配置为在偏置电路的启动阶段期间将第一高阻抗节点可选择地耦接至第一输出，并且由此将第一高阻抗节点偏置到第一预充电压。

附图说明

为了更好地理解本发明，其优选的实施例现在仅通过非限制性的示例以及参照所附的附图进行描述，其中：

图1是已知类型的电容声换能器的微机电感应结构的示意性横截面；

图2是仍然的已知类型的声换能器的偏置电路的总体电路图；

图3示出了图2的偏置电路中的泄漏电流的存在；

图4示出了在偏置电路的启动阶段由声换能器的感应结构供应的电压的绘图；

图5是根据本方案的一个方面的声换能器的偏置电路的总体电路图；

图6是根据本方案的进一个方面的偏置电路的总体电路图；

图7示出了在偏置电路的启动阶段由声换能器的感应结构供应的电压的绘图；

图8示出了图7的偏置电路中的预充电压生成的级的可能的实施方式；

图9-11示出了图8的偏置电路的高阻抗绝缘电路元件的可能的实施方式；

图12是根据本方案的进一个方面的声换能器的校准系统的总体电路图；以及

图13是结合有声换能器的电子设备的示意性框图。

具体实施方式

首先参照图5(其中相同的附图标记通常被用于指定对应于之前描述的其它元件的元件)，本方案的一个方面设想MEMS麦克风的偏置电路(在此由20指定)被配置用于在启动阶段以适当的预充电电压对与绝缘电路元件10相关联的至少一个高阻抗节点进行预充电，该预充电电压即高阻抗节点本身由于在相同的绝缘电路元件10中流动的泄漏电流ILEAK的存在而要在启动阶段的终止处假定的电压。

以该方式，在启动阶段的终止处，高阻抗节点已经大致处于由于由泄漏电流ILEAK确定的压降导致要假定的电压，并且不存在由于由MEMS麦克风的感应结构1所定义的电容器的放电导致的实质的时延。

具体而言，偏置电路20包括至少一个第一开关元件SW1，其可以被控制用于将与绝缘电路元件10相关联的、在该情况下是第一高阻抗节点N1的至少一个高阻抗节点(被连接到MEMS麦克风的感应结构1的第一端子)连接到在其第一输出Out1上生成第一预充电压Vpre1的预充电级24。

预充电级24被连接到充电泵电路9的输出端子9a并且接收泵电压VCP，并且进一步被配置为生成作为泵电压VCP的值的函数的第一预充电压Vpre1。

特别地，预充电压Vpre1的值通过以下表达式给出：

Vpre1＝VCP–RB·ILEAK

其中RB是绝缘电路元件10的高电阻。

在偏置电路20的启动阶段期间(例如，根据接通随后的电能供应或者根据从待机或掉电状态的返回)，第一开关元件SW1被控制信号VSW闭合，以便于将第一高阻抗节点N1连接到预充电级24并且将第一高阻抗节点N1带到第一预充电压Vpre1。以该方式，绝缘电路元件10被旁路。

接下来，在启动阶段的终止处，相同的第一开关元件SW1被控制信号VSW驱动进入断开状态以便于基本上恢复感应结构1到绝缘电路元件10的连接，以及感应结构1通过绝缘电路元件10到电荷泵电路9的输出端子9a的连接。

偏置电路20因而包括控制单元25，其生成控制信号VSW以用于利用作为启动阶段的计时的函数的合适的计时控制第一开关元件SW1的闭合和断开。

在本身已知的方式下，启动阶段的终止例如可以在流逝了预设的时间间隔时由控制单元25建立，或者当通过监视电压VMEMS的值而检测到MEMS麦克风的电容被完全充电至期望的值时由控制单元25建立。出于该目的，控制单元25可以被电耦接至MEMS麦克风的感应结构1以用于检验其充电的状态。

如在图6中图示的，绝缘电路元件10可以方便地包括一定数量k(其中k大于或等于一)的、被串联连接在一起的高阻抗单元R1、R2……Rk，每个单元在该情况下提供总体高绝缘阻抗的一部分。

如之前所提及的并将在下文详细描述的，每个单元可以通过一对二极管元件的反平行连接而被实施。

以上方案因而在以下情况中被采用：在第一高阻抗节点N1上发展的信号具有与用于接通形成绝缘阻抗的二极管元件的电压可比较的或更高的幅度；在该情况下可以引入串联连接的一个或多个进一步的单元，从而防止对应的二极管单元的接通的状态。

除了被连接到MEMS麦克风的感应结构1的第一端子的第一高阻抗节点N1之外，高阻抗单元R1-Rk在它们之间定义了与绝缘电路元件10相关联的多个进一步的高阻抗节点N2-Nk；最后的高阻抗节点Nk经由最后的高阻抗单元Rk被连接到电荷泵电路9的输出端子9a。

在该实施例中，预充电级24因而被配置为将与绝缘电路元件10相关联的高阻抗节点N1-Nk中的每一个预充电至由预充电级24在相应的输出Out1-Outk上生成的相应的预充电压Vpre1-Vprek。

以上的预充电压Vpre1-Vprek表现相应的高阻抗节点N1-Nk在普通操作的条件(在启动阶段的终止处)下由于流过绝缘电路元件10并且通过对应的单元R1-Rk的泄漏电流ILEAK的存在而假定的电压。

特别地，一般的预充电压Vprei(其中下标i在从1到k的范围)的值由以下给出：

偏置电路20因而包括对应数量的开关元件SW1-SWk，每个接收控制信号VSW并由该控制信号VSW所控制，并且被配置为可选择地将相应的高阻抗节点N1-Nk连接到预充电级24以用于在启动阶段期间将相同的高阻抗节点N1-Nk带到相应的预充电压Vpre1-Vprek。

开关元件SW1-SWk因而通过由控制单元25生成的相同的控制信号VSW被一起驱动进入闭合状态(在启动期间)或者断开状态(在启动阶段的终止处)。

泄漏电流ILEAK的值可以在设计阶段针对温度和供电电压的预设值以及针对预设的制造过程经由仿真以可靠的方式被确定(在此方面，要强调的是MEMS麦克风的启动时间的规格也被提供用于温度和供电电压的预设值)。

如果要获得更高的精度，泄漏电流ILEAK的值可以在制造过程的终止处、直接在其中提供有偏置电路20(如前面所述，其可以是与提供与MEMS麦克风1相关联的读取电路处于相同的裸片)的半导体材料的裸片上实施而从一些相关的参数的测量开始被确定；例如，可以测量启动时间、检测灵敏度或者噪声特性。

在该情况下，预充电压Vpre1-Vprek的值通过适当的调整元件的调整的可能性可能是有利的，该调整元件呈现在裸片上并且可以在校准阶段(在制造过程的终止处)从外部被控制。出于该目的，预充电级24因而能够生成具有可调整值的、且作为在输入处被接收的调节信号的函数的预充电压Vpre1-Vprek。

在任何情况下，对与绝缘电路元件10相关联的高阻抗节点N1-Nk进行预充电的可能性使得由于一旦开关元件SW1-SWk被断开则由MEMS麦克风的感应结构1定义的电容器必须补偿基本上可忽略的电压差的事实能够显著减少启动时间。

本申请人已进一步发现在至少某些操作条件下可能推翻以上描述的方案的缺点与根据预充电状态的移除即开关元件SW1-SWK的断开、在高阻抗节点N1-Nk上的电荷注入(所谓的“馈通现象”)有关联。

事实上，已知的是在相同的开关元件SW1-SWk通过例如为PMOS晶体管之类的晶体管被制作的情况下，在关断期间，积累在这些晶体管的沟道中的电荷通常以相同的程度被注入到源端子和漏端子中，因而导致在MEMS麦克风的电容器中的电荷的增加。

因此，电压VMEMS关于正确的最终值的偏离可以再次升高，并且由于相继的电容器的放电导致的关联的时延升高(以与上面已经讨论过的相似的方式)。

然而，本申请人已经发现该缺点可以通过控制信号VSW的适当模式被解决；特别地，控制单元25被配置为生成具有用于确定开关元件SW1-SWk的快速闭合的快速下降沿、但用于确定相同的开关元件SW1-SWk的缓慢断开(以及定义相同开关的晶体管的关断)的慢速上升沿的前述的控制信号VSW。

以其将对本领域技术人员明显的方式，慢速上升沿具有例如斜率小于数伏每毫秒的逐渐的上升。特别地，慢速上升沿的存在使得存储在晶体管的沟道中的电荷能够沿着具有较低阻抗的路径流动，在该情况下，该路径明显向着电荷泵电路9的输出端子9a(考虑到绝缘电路元件10的单元R1-Rk的非常高的阻抗)。

因此，不存在存储在MEMS麦克风1的电容器中的电荷的增加，并且类似的是不存在与偏置电路20相关联的启动时间的不理想的增加。

本方案给予的启动时间的减少由图7的绘图所强调。

特别地，图7示出了控制信号VSW，以及根据开关元件SW1-SWk的关断对应的慢速上升沿(在时间tshort的终止处)的绘图，以及进一步的在MEMS麦克风的感应结构1的第一端子(以及第一高阻抗节点N1)上的电压VMEMS的对应的绘图。

与相似的图4比较仍然明显的是时延td的显著减少，时延td在该情况下不存在，或者仅仅由于可能的残留电荷注入，或者由于预充电压Vpre1-Vprek的值在普通操作状态中(在启动阶段的终止处)与在高阻抗节点N1-Nk上的实际电压值之间的非完美对应性，时延td具有受限的值。

特别地，电压VMEMS在启动阶段期间以及普通操作阶段期间具有基本上相同的值：

VMEMS＝VCP–RB·ILEAK

现在参照图8对用于生成预充电压Vpre1-Vprek的预充电级24的可能的实施方式进行描述。仅通过示例的方式，图8涉及具有两个串联的单元R1和R2的绝缘电路元件10的实施方式，与该两个单元R1和R2相关联的是两个高阻抗节点N1、N2(然而，明显的是将要讨论的同样适用于相同的绝缘电路元件10的一般性实施方式)。

具体而言，预充电级24包括分压器30，其被连接至电荷泵电路9的输出端子9a，特别是被连接至电荷泵电路9(已知类型的电荷泵电路，在此被概略地表示并不做出具体描述)的供应泵电压VCP的最终级32。

分压器30包括：作为整体由34指定的一个或多个分压电阻器元件，其在参考电势(接地)处的端子与内部节点35之间被串联地连接在一起；以及调整电阻器元件36，其在内部节点35与电荷泵电路9的输出端子9a之间，并且与前述分压电阻器元件34串联连接。

调整电阻器元件36具有一定数量k的输出分支T，其对应于绝缘电路元件10的单元的数量，在该情况下仅以示例的方式提供的，输出分支是由T1和T2指定的两个输出分支。

每个输出分支T1、T2经由相应的开关元件SW1、SW2被电气连接到绝缘电路元件10的相应的高阻抗节点N1、N2。

以明显的方式，输出分支将调整电阻器元件36的电阻值分开，并且因而泵电压VCP的分压比率与每个输出分支T1、T2相关联，并且相应的高阻抗节点N1、N2可以被可选择地连接到关联的预充电压Vpre1、Vpre2。

有利的是,调整电阻器元件36的电阻值是可调整的，以用于相应地调整在高阻抗节点N1、N2上的预充电压Vpre1、Vpre2的值。

图9进一步示出了绝缘电路元件10的单元的可能的实施方式，仅以示例的方式再次参照图8(再次，该方案可以被延伸到任意数量的单元)。

每个单元通过处于反平行配置(即，该对二极管中的第一二极管的阳极端子和阴极端子被相应地连接至该对二极管的第二二极管的阴极端子和阳极端子)的一对二极管元件38实施。以本身已知的方式，当二极管元件以跨它们而诸如不驱动它们进入导通的电压被偏置时，它们在它们的阳极端子与阴极端子之间提供了高阻抗。

以已知的但本文并未具体描述的方式，该对二极管元件可以进一步通过双极晶体管(BJT)被实施，如图10所示，使得基极端与集极端被连接在一起，或者可以通过CMOS晶体管被实施，如图11所示，使得栅极端和漏极端被连接在一起(再次仅以示例的方式参照仅具有两个串联连接的单元的绝缘电路元件10)。

如图12所示，本方案的进一步的方面设想了被耦接到在此以42指定的MEMS麦克风的校准系统40，如前面所强调的，该校准系统40包括：感应结构1、对应的读取电路11、对应的电荷泵电路9、以及对应的偏置电路20(其中读取电路11、电荷泵电路9以及偏置电路20可以在相同的裸片中制作，或者在不同的裸片中制作但被方便地容纳在相同的封装中)。

校准系统40被电耦接到读取电路11以及被电耦接到MEMS麦克风1并且被配置为在制造过程的终止处检测感兴趣的参数，诸如启动时间、灵敏度或者噪声性能。校准系统40进一步被耦接到偏置电路20，以便于调节作为检测到的参数的函数的偏置状态以及特别是在与绝缘电路元件10相关联的高阻抗节点上的预充电压Vprei，从而减少启动时间。

例如，调节系统40可以包括处理单元，其被设计为执行计算机程序，用于获得感兴趣的参数并且向偏置电路20供应调节信号Sr以用来调节预充电压Vprei，实施可能是迭代类型(即逐次逼近步骤)的反馈控制校准过程。

校准系统40可能被集成在与提供电荷泵电路9、读取电路11和/或偏置电路的裸片相同的裸片中，或者可以明显被提供在对应的测试机中以在制造过程的终止处使能校准操作的执行。

已经在前面描述的优点从以下说明书中变得清晰。

特别地，再次强调的是如何能够实现MEMS麦克风的操作特别是由于对应的偏置电路导致的启动时间的显著减少。

因而获得了非常短的接通时间，并且MEMS麦克风的灵敏度基本上保持恒定，尤其是避免在启动阶段的相同灵敏度的偏移。

以上讨论的特性利用MEMS麦克风42对于电子装置50特别有利，如图13所示(电子装置50可能以未示出的方式进一步包括MEMS麦克风)。

电子装置50优选地是移动电子设备，诸如举例而言是智能电话、PDA、平板电脑或者笔记本电脑，但也可能是录音机、具有录音能力的音频播放器等。可替代地，电子装置50可以是能够在水下工作的水听器或者助听设备。

电子装置50包括微处理器51、被连接至微处理器51的存储器块52以及例如装备有键盘和显示器的并且也连接至微处理器51的输入/输出接口53。MEMS麦克风42与微处理器51经由信号处理块54通信，如前所述，该信号处理块54被连接到读取电路11(在此未示出)。

进而，扬声器56可以存在，以用于在电子装置50的音频输出上生成声音。

最终，显然的是，可以对本文已经描述和示出的做出修改和变化，而不会因此脱离本发明如在所附的权利要求书中限定的范围。

特别地，根据本发明的偏置电路可以有利地与不同类型(模拟和数字两者)的电容声换能器一起使用。

不同的电路实施方式可以进一步被设想用于偏置电路20，特别是用于对应的预充电级24。

以上描述的各种实施例可以被组合以提供进一步的实施例。这些和其它变化可以根据以上的具体描述对实施例做出。通常，在所附的权利要求书中，使用的术语不应当被解释为将权利要求书限制为说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而应当被解释为包括与这样的权利要求书赋予的等同物的全部范围一起的所有可能的实施例。因此，权利要求书并不被本公开所限定。