微机电系统以及其操作方法 |
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申请号 | CN201010282276.5 | 申请日 | 2010-09-09 | 公开(公告)号 | CN102020233B | 公开(公告)日 | 2013-01-30 |
申请人 | 台湾积体电路制造股份有限公司; | 发明人 | 彭永州; 黄文宏; 林有为; | ||||
摘要 | 一种微 机电系统 及其操作方法,该 微机电系统 包括:一微机械结构,用于产生一第一电 信号 ;以及一模拟数字转换器(ADC),耦接该微机械结构,其中该微机电系统不包括任何 放大器 位于该微机械结构与该模拟数字转换器之间。本 发明 的微机电系统以及其操作方法具有合意的功率消耗及/或具有合意的面积。 | ||||||
权利要求 | 1.一种微机电系统,包括: |
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说明书全文 | 微机电系统以及其操作方法技术领域背景技术[0002] 微机电系统(MEMS)相关于微型制造(microfabrication)科技的半导体基板上的机构元件与电子元件。然而电子元件使用集成电路(IC)工艺所制造,微机械元件是使用相 容的微加工(micromachining)工艺所制造,它们都选择性地蚀刻硅晶片的部分以形成机 械与机电装置。 [0003] 公知的电容式微加速计具有微机械结构设置于互补式金属氧化物半导体(CMOS)电路上。公知的微机械结构对应力道变化产生电容信号。CMOS电路具有感应电容信号的模 拟电路与数字电路。为了降低耦合在数字电路、模拟电路以及公知的微机械结构的噪声,单屏蔽层设置于CMOS电路以及公知的微机械结构之间。 [0004] 传统上,调变感测的电容信号。调变的电容信号则转换为电压信号。可发现到电压信号是微弱的。耦合在数字电路、模拟电路以及公知的微机械结构的噪声可能不必要地 干扰电压信号。为了区别电压信号与噪声信号,使用放大器放大电压信号。解调变放大的 电压信号。另一放大器用于放大解调变的电压信号。双倍放大的电压信号是低通滤波过的 且转换到数字信号。 [0005] 如所提,放大器用于放大转换自电容式微加速计的电容的电压信号。放大器在操作期间消耗功率。也可发现到,放大器占据一部分的芯片面积。 [0007] 为克服现有技术中的缺陷,本发明提供一种微机电系统(MEMS),包括:一微机械结构,用于产生一第一电信号;以及一模拟数字转换器(ADC),耦接该微机械结构,其中该微机电系统不包括任何放大器位于该微机械结构与该模拟数字转换器之间。 [0008] 本发明还提供一种控制系统,包括:一处理器;以及一微机电系统,耦接该处理器,该微机电系统包括:一微机械结构,用于产生一第一电信号;以及一模拟数字转换器,耦接该微机械结构,其中该微机电系统不包括任何放大器于该微机械结构与该模拟数字转 换器之间。 [0009] 本发明还提供一种操作微机电系统的方法,该微机电系统包括一微机械结构,该方法包括:感测一微机械结构的一第一电信号;以及以模拟数字转换方式转换该第一电信 号成为至少一数字信号,其中在感测与模拟数字转换该第一电信号期间该第一电信号没有 被放大。 [0010] 本发明的微机电系统以及其操作方法具有合意的功率消耗及/或具有合意的面积。 [0012] 图1是一电路图,说明包括耦接模拟数字转换器(ADC)的一个范例的微机电系统(MEMS); [0013] 图2A是一剖视图,说明设置于基板上的范例的MEMS; [0014] 图2B是一剖视图,说明设置于基板上的另一范例的MEMS; [0015] 图3是一电路图,说明包括耦接模拟数字转换器(ADC)的另一个范例的微机电系统(MEMS); [0016] 图4是一流程图,显示MEMS的切换操作模式的范例方法; [0018] 图6是一电路图,说明范例的内插滤波器;以及 [0019] 图7是一电路图,显示包括耦接处理器的范例MEMS的系统。 [0020] 其中,附图标记说明如下: [0021] 100~微机电系统; 110~微机械结构; [0022] 120~模拟数字转换器;130~转换器; [0023] 135~调变器; [0024] 200~微机电系统; 210~微机械结构; [0025] 211~基板; 213~CMOS电路; [0026] 214~介电结构; 215~数字屏蔽层; [0027] 217~模拟屏蔽层; 218~介电层; [0028] 219~导线层; 222~介电层; [0029] 300~微机电系统; 310~微机械结构; [0030] 320~模拟数字转换器;330~转换器; [0031] 335~调变器; 340~检测器; [0032] 350~控制器; 360~时钟脉冲开关; [0033] 370~内插滤波器; 371~开关; [0034] 372~开关; [0035] 410、420、430~方法步骤; [0036] 500~除频器; 511、513~反向器; [0038] 560~时钟脉冲开关; 561、563、565~逻辑门; [0039] 567~寄存器; 569~多工器; [0040] 670~内插滤波器; 675~梳状滤波; [0041] 677~积分器; [0042] 701~处理器; 710~微机电系统; 具体实施方式[0043] 可了解到,以下公开提供许多不同实施例或范例,用于实施不同公开的特征。特定范例的要素与排列描述如下以简化本公开。当然,仅是范例而不是限制。此外,在各种范例中本公开可能重复参考数字及/或字母。重复是为了简化及清楚的目的而不是阐述各种实施例之间的关系及/或组态。另外,本公开中特征在另一特征上,特征连接到,及/或耦接 到另一特征上的形式紧接着可能包括形成特征直接接触的实施例,并且可能也包括形成额 外特征插入特征的实施例,以至于特征可能不是直接接触。此外,空间相对的术语,举例来说,“较低”、“较高”、“水平的”、“垂直的”、“在...之上”、“在...之下”、“上”、“下”、“顶”、“底”等等以及其衍生字(例如水平地、向下地、向上地等等)用于本公开的案例的一个特征相关另一特征。空间相关的术语是要覆盖具有特征的装置的不同方向。 [0044] 图1是一电路图,说明包括耦接模拟数字转换器(ADC)的一个范例的微机电系统(MEMS)。在图1,微机电系统(MEMS)可包括耦接ADC 120的微机械结构110。MEMS 100可 包括微加速计、微传感器、微致动器、微陀螺仪、生物MEMS、其他适合的MEMS,及/或其组合。 [0046] ADC 120可包括旋转式编码(delta encoded)ADC、快闪模拟数字转换器(ADC)、连续渐进ADC、斜率比较ADC、威金森ADC、积分式ADC、管线ADC、三角积分(sigma-delta)ADC、时序交错式ADC、其他可提供合适解析度及/或有合适芯片面积,及/或其组合。在各种实 施例中,ADC 120可提供合适解析度给微机械结构110的电子信号以至于微机械结构110的 电子信号在模拟数字转换之前不用放大。 [0047] 参考图1,在各种实施例中,MEMS 100可包括转换器130。转换器130可耦接在微机械结构110与ADC 120之间。转换器130可转换电信号,例如微机械结构110的电容信 号成为其他电信号,例如电压信号、电流信号或其组合。在各种实施例中,使用微加速计,转换器130可能是电容电压转换器或电容电流转换器。 [0048] 以下是关于MEMS 100的范例操作的描述。参考图1,调变器135可调变电信号,例如微机械结构110的电容信号。调变器135可提供频率高于微机械结构110的电容信号的 载波信号。电容信号的调变可适当地分开微机械结构的电容信号与噪声。 [0049] 再参考图1,转换器130,例如电容-电压转换器,可转换调变的电容信号到电压信号。电压信号可输出到ADC,例如2阶三角积分ADC。ADC 120可解调变电压信号。ADC 120可滤波,例如低通滤波,解调变的电压信号以至于可得到低通电压信号。ADC 120可转换低通电压信号为至少一数字信号。 [0050] 表1显示公知的微加速计与MEMS 100之间的比较。在同样SNR下,MEMS 100的操作电流可实质上地小于公知微加速计的电流。 [0051] [0052] 如所提,公知微加速计使用放大器放大转换自电容信号的电压信号。因为使用放大器,公知微加速计的操作电流大约445μA。相反于公知的微加速计,MEMS 100不用包括 放大器在微机械结构与ADC 120之间,或在转换器130与ADC 120之间。如所提,微机械 结构110的电信号可能有合适的SNR。在各种实施例中,ADC 120是2阶三角积分ADC或 较高阶三角积分ADC。2阶三角积分ADC或较高阶三角积分ADC可能提供适当的解析度给 低通电压信号而不用放大低通电压信号。在各种实施例中,MEMS 100的操作电流可能大约 258μA。因为操作电流降低,MEMS 100所损耗的功率降低。可发现到MEMS 100的微机械 结构110与ADC 120之间不包括任何放大器。MEMS 100的面积也可降低,如表1所显示。 在其他实施例中,MEMS 100可能不用包括介于微机械结构100与ADC 120之间的低通滤波 器。 [0053] 在其他实施例中,ADC 120可转换微机械结构110的电容信号为电压信号。ADC120可滤波,例如高通滤波电压信号。ADC 120解调变高通电压信号。ADC 120可转换高通 电压信号为至少一数字信号。 [0054] 图2A是一剖视图,说明设置于基板上的范例的MEMS。在图2A,MEMS200可包括微机械结构210,电耦接互补式金属氧化物半导体(CMOS)电路213。MEMS 200可能类似于 MEMS 100且微机械结构210可类似于上述图1的微机械结构110。 [0055] CMOS电路213可形成在基板211之上。基板211可包括基础的半导体,包括硅晶或锗晶、多晶或非晶结构;化合物半导体,包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化铟;合金半导体,包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP以及GaInAsP;任何其他适当的材料;或梯度SiGe特征,Si与Ge成份由在一位置的一比例改变成在另一位置的 另一比例。在其他实施例中,合金SiGe形成在硅基板上。在另一实施例中,SiGe基板应变。 此外,半导体基板可能是绝缘底半导体,例如绝缘层上覆硅(SOI),或薄膜晶体管(TFT)。于一些实施例中,半导体基板可能包括参杂的epi层或埋层。于其他实施例中,化合物半导体基板可能有多层结构,或基板可能包括多层化合物半导体结构。 [0056] CMOS电路213可能包括各种二极管、晶体管、装置、数字电路、模拟电路、其他CMOS电路、ASIC电路及/或其组合。在各种实施例中,CMOS电路213可能包括上述图1的调变器135、转换器130及/或ADC 120。 [0057] 参考图2A,介电结构214可形成环绕CMOS电路213。介电结构214可绝缘CMOS电路213与其他电路(未显示)。在各种实施例中,介电结构214可包括至少一介电材料,例 如氧化物、氮化物、氮氧化合物、低k介电材料、其他适合的介电材料,及/或其组合。举例来说,介电结构214可通过化学气相沉积(CVD)工艺、高密度等离子体化学气相沉积工艺、 高深宽比工艺(HARP)、旋转涂布工艺、其他沉积工艺,及/或其组合。 [0058] 参考图2A,数字屏蔽层215与模拟屏蔽层217可形成在CMOS电路。介电层218可形成在数字屏蔽层215以及模拟屏蔽层217周围。数字屏蔽层215与模拟屏蔽层217可包 括至少一金属成份,例如铝、铜、钨、钛、其他金属成份或其组合。介电层218可能包括至少一个介电材料,例如氧化物、氮化物、氮氧化合物、低k介电材料、其他适合的介电材料,及/或其组合。举例来说,介电结构218可通过化学气相沉积(CVD)工艺、高密度等离子体化学 气相沉积工艺、高深宽比工艺(HARP)、旋转涂布工艺、其他沉积工艺,及/或其组合。 [0059] 参考图2A,导线层219可形成于CMOS电路213与微机械结构210之间。介电层222可形成于导线层219周围。导线层219可电耦接具有CMOS电路213的微机械结构210。 导线层219可包括金属线、总线、接点、介孔、其他连接结构及/或其组合。导线层219可包括至少一金属成份,例如铝、铜、钨、钛、其他金属成份或其组合。介电层222可能包括至少一个介电材料,例如氧化物、氮化物、氮氧化合物、低k介电材料、其他适合的介电材料,及/或其组合。举例来说,介电结构222可通过化学气相沉积(CVD)工艺、高密度等离子体化学 气相沉积工艺、高深宽比工艺(HARP)、旋转涂布工艺、其他沉积工艺,及/或其组合。 [0060] 如所提,数字屏蔽层215可能屏蔽耦接在CMOS电路的数字电路区域(未显示)与微机械结构210的噪声。模拟屏蔽层217可能屏蔽耦接于CMOS电路213的模拟电路区域 (未显示)与微机械结构210之间的噪声。数字屏蔽层215可能隔离模拟屏蔽层217大约 2μm与大约5μm之间的距离“d”。数字屏蔽层215与模拟屏蔽层217可适当地降低耦合 在数字电路区域、模拟电路区域及/或微机械结构210之间的噪声。因为耦合在数字电路 区域、模拟电路区域及/或微机械结构210之间的噪声可适当地降低,微机械结构210的电 信号可被感测到且与噪声分离。放大微机械结构210的电信号可以选择性的。须注意到上 述的MEMS 200仅仅是范例。任何可提供合适的SNR的MEMS都可被使用。 [0061] 图2B是一剖视图,说明设置于基板上的另一范例的MEMS。在图2B的项目类似于上述图2A的项目。在图2B,数字屏蔽层215可经由连接区域230与模拟屏蔽层217耦接。 连接区域230可能有实质上等于CMOS电路213的至少一金属层的布线样式的至少一部分 相同的样式。数字屏蔽层215、模拟屏蔽层217与连接层230可适当地降低耦接在CMOS电 路213与微机械结构210之间的噪声。 [0062] 如所提,CMOS电路213可包括至少一金属层,例如金属层M1-M5,用于互相连接。连接区域230的样式可类似于CMOS电路213的上金属层的布线样式,如M5,其直接位在连 接区域230之下。在各种实施例中,连接区域230的样式可类似于CMOS电路213的金属层 的至少一个的布线层,如M1-M5,其直接位于连接区域230的下面。 [0063] 图3是一电路图,说明包括耦接模拟数字转换器(ADC)的另一个范例的微机电系统(MEMS)。图3的项目与图1的项目相同,且以相同附图标记指示,递增200。在图3,MEMS 300可包括检测器340,例如压扁检测器,可检测来自转换器330的电信号,例如电压信号。 时钟脉冲开关360可耦接控制器350。 [0064] 在各种实施例中,MEMS 300可操作在具有不同取样频率的模式。图4是一流程图,显示MEMS的切换操作模式的范例方法。参考图3与图4,步骤410可决定是否MEMS 300操作在正常模式或高性能模式。在各种实施例中,正常模式是高性能模式的时钟脉冲信号Φ1的取样频率,例如1MHz的大约一半的取样频率,例如500kHz的时钟脉冲信号Φ2。 [0065] 在各种实施例中,MEMS 300可操作在正常模式。在步骤420,检测器340可检测是否电信号,例如来自转换器330的电压信号在既定区间,例如10ms或更多,会实质上地小于既定电压,例如共模电压或接地。假如这样,控制器350可控制输出时钟脉冲信号Φ3的时 钟脉冲开关360,时钟脉冲信号Φ3具有取样频率,例如250kHz,用于取样来自转换器330 的电信号。在各种实施例中,操作在250kHz的MEMS 300的模式可称为省电模式。 [0066] 假如检测器340检测来自转换器330的电信号不是实质上地小于既定电压及/或不是在特定区间,控制器350可控制输出时钟脉冲信号Φ2的时钟脉冲开关360,时钟脉冲 信号Φ2具有取样频率,例如500KHz,用于取样来自转换器330的电信号。如所提,省电模 式时,取样频率相较正常模式是降低的。省电模式的操作电流可能被降低。MEMS 300所消 耗的功率可被降低。 [0067] 参考图4,在其他实施例中,MEMS 300可操作在高性能模式。在步骤430,检测器340可检测在既定区间,例如大约10m或更久,来自转换器330的电信号,如电压信号,是否实质上地小于既定电压,例如共模电压或接地。假如这样,控制器350可控制输出时钟脉冲信号Φ3的时钟脉冲开关360,时钟脉冲信号Φ3具有取样频率,例如250kHz,用于取样来 自转换器330的电信号。在各种实施例中,操作具有250kHz的MEMS 300的模式可称为省 电模式。 [0068] 假如检测器340检测来自转换器330的电信号不是实质上地小于既定电压及/或不是在特定区间,控制器350可控制输出时钟脉冲信号Φ1的时钟脉冲开关350,时钟脉冲 信号Φ2具有取样频率,例如1MHz,用于取样来自转换器330的电信号。如所提,省电模式 时,取样频率相较正常模式是降低的。省电模式的操作电流可能被降低。MEMS 300所消耗 的功率可被降低。须注意到,上述的时钟脉冲信号的数目以及取样频率仅仅是范例。本领 域普通技术人员可变更它们达到MEMS 300想要的操作。 [0069] 再次参考图3,在各种实施例中,MEMS 300可包括使得来自ADC 320的数字信号平滑的内插滤波器370。在各种实施例中,内插滤波器370可耦接时钟脉冲开关360。内插滤 波器370可接收来自时钟脉冲开关360的时钟脉冲信号。 [0070] 举例来说,MEMS 300可操作在如图4所述的省电模式。如所提,省电模式可使用具有取样频率低于高性能模式与正常模式的时钟脉冲信号Φ3。在各种实施例中,操作在 省电模式,开关控制信号可打开开关371。另一开关控制信号可关闭开关372,其耦接具有 内插滤波器370的ADC 320的输出末端。内插滤波器370可接收来自时钟脉冲开关360的 时钟脉冲信号Φ3。内插滤波器370可内插至少一个数据于输出自ADC 320的数字信号之 间,内插滤波器370可使得输出自ADC 320的数字信号平滑。 [0071] 于其他实施例中,MEMS 300可操作在如图4所描述的正常模式或高性能模式。如所提,正常模式与高性能模式可能有高于省电模式的频率。ADC320可适当地取样来自转换 器330的电压信号。在各种实施例中,操作在正常模式或高性能模式,开关控制信号可打开开关372。另一开关控制信号可关闭开关371以至于来自ADC 320的数字信号绕过内插滤 波器370。来自ADC 320的数字信号输出不需要内插。对于正常模式或高性能模式不用实 施信号平滑。须注意到,上述数据内插及/或平滑仅仅是范例。在其他实施例中,可以内插在正常模式及/或高性能模式底下来自ADC 320的数字信号。本公开的范围不限于此。 [0072] 图5是一电路图,说明包括范例时钟脉冲开关的除频器的一部分。以下是相关于时钟脉冲信号Φ1与时钟脉冲信号Φ3之间切换的描述。公开的范围不限于此。 [0073] 在图5,除频器500的一部分可包括时钟脉冲开关560。时钟脉冲开关560可能类似于上述图3的时钟脉冲开关360。在各种实施例中,除频器500可包括至少一个反向器,例如反向器511以及513,至少一个逻辑门,例如逻辑门515与517,以及至少一个寄存器,例 如寄存器521、523以及525。时钟脉冲开关560可能包括至少一个逻辑门561、563与565, 至少一个寄存器,例如寄存器567,以及至少一个多工器569。 [0074] 参考图5,除频器500可能接收具有取样频率,例如1MHz的时钟脉冲信号Φ1以及控制信号。控制信号可由控制器350输出(如图3所示)。除频器500可除时钟脉冲信号 Φ1的取样频率成为时钟脉冲信号Φ3的低取样频率,例如250kHz。时钟脉冲信号Φ1以 及时钟脉冲信号Φ3可传送到时钟脉冲开关560。控制信号可控制对应MEMS 300的操作模 式输出时钟脉冲信号Φ1或时钟脉冲信号Φ3的MUX 569。须注意到,图5仅仅描述切换时 钟脉冲信号Φ1与时钟脉冲信号Φ3的除频器的一部分。本领域普通技术人员可变更除频 器500的部分完成合适的除频器,以用于切换时钟脉冲信号Φ1、时钟脉冲信号Φ2与时钟 脉冲信号Φ3。 [0075] 图6是一电路图,说明范例的内插滤波器。在图6,内插滤波器670可类似于图3所描述的内插滤波器370。内插滤波器670可包括至少一个梳状滤波器670,例如梳状滤波 器675,以及至少一积分器,例如积分器677。在各种实施例中,操作MEMS在省电模式,梳状滤波器675可接收来自时钟脉冲开关360(显示在图3)的时钟脉冲信号Φ3,且积分器677 可接收时钟脉冲信号Φ1。内插滤波器670可适当地使来自ADC 320(显示于图3)的数字 信号平滑。 [0076] 图7是一电路图,显示包括耦接处理器的范例MEMS的系统。在图7,系统可包括耦接MEMS 710的处理器701。处理器701可控制MEMS 710的操作。在各种实施例中,MEMS 710可类似于图1-图3的MEMS 100、200与300。 [0078] 在各种实施例中,处理器701以及MEMS 710可实体上地以及电气上地耦接印刷线路板或印刷电路板(PCB)以形成电子组装。电子组装可能是电子系统,例如计算机、无线通信装置、计算机相关周边、娱乐装置,或其类似装置的一部分。 [0079] 在各种实施例中,包括MEMS 710的系统700可提供在IC中的整体系统,所谓系统单芯片(SOC)或系统集成电路(SOIC)装置。举例来说,这些SOC装置可能提供需要实施手 机、个人数字助理(PDA)、数字VCR、数字摄影机、数字相机、MP3播放器、或其类似装置的电路在单一集成电路中。 [0080] 虽然本发明已以优选实施例公开如上,然其并非用以限定本发明,任何本领域普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可做些许更动与润饰,因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的保护范围为准。 |