技术领域
[0001] 本
发明涉及差动型的MEMS(微
机电系统)声换能器。
背景技术
[0002] 如公知的，MEMS声换能器(例如电容类型的麦克
风)通常包括：微机械检测结构，其被设计为将声压波转换为电量(具体为电容变化)；以及电读取
接口，其被设计为对相同的电量执行适当的处理操作(放大和滤波操作)以提供电输出
信号(例如，
电压)。
[0003] 微机械结构通常包括设置为隔板或隔膜的移动
电极，其被布置为以较小的分离距离(所谓的“气隙”)面对固定电极，用于为检测电容器的板提供可根据被检测的声压波变化的电容。移动电极通常通过其边缘部分固定至固定结构，而其中心部分响应于进入
声波所施加的压
力而不能移动或经受
变形，因此引起检测电容器的电容变化。
[0004] 通过示例，图1示出了已知类型的MEMS声换能器的微机械结构1，其包括
半导体材料(例如，
硅)的结构层或衬底2，其中例如从背面开始经由化学蚀刻来设置腔3。隔膜或隔板4耦合至结构层2并从顶部闭合腔3；隔膜4是柔性的，并且在使用中根据进入声波的压力而经受变形。
[0005] 刚性板5(通常已知为“
背板”)被布置为经由间隔件6(例如，绝缘材料，诸如
氧化硅)的插入而面对隔膜4，在这种情况下为在隔膜4上方。背板5构成可变电容检测电容器的固定电极，通过隔膜4构成可变电容检测电容器的移动电极，并且背板5具有多个孔7，它们被设计为能够实现朝向相同隔膜4的空气的自由循环(使得背板5实现“声透明”的效果)。
[0006] 微机械结构还包括(未示出的方式)隔膜和刚性板
接触件，其用于偏置隔膜4和背板5并获取表示由于进入的声压波引起的隔膜4的变形所导致的电容变化的信号。通常，这些电接触件被布置在其中制造微机械结构的裸片的表面部分中。
[0007] 如公知的，除其他因素外，MEMS声换能器的敏感性取决于微机械结构的隔膜4的机械特性，尤其取决于隔膜4的尺寸(例如表面积)并且取决于其电偏置。
[0008] 典型地，MEMS声换能器的微机械结构是电荷偏置的。具体地，通常从电荷
泵级施加DC偏置电压(该电压越高，麦克风的敏感度越大)，并且高阻元件(具有兆欧级别的阻抗，例如在100GΩ和100TΩ之间)插入到
电荷泵级和微机械结构之间。
[0009] 高阻元件通常通过背对背结构(例如并联连接)的一对
二极管来设置，两个二极管中的一个的
阴极端连接至另一个二极管的
阳极端(反之亦然)，或者通过再次以背对背结构的
串联的一对二极管来设置。在高于几赫兹的
频率下，高阻的存在将存储在微机械结构中的DC电荷与电荷泵级“隔离”。
[0010] 由于电荷量是固定的，所以撞击隔膜4的声信号(声压)调整相对于背板5的间隙，产生对应的电容变化并由此产生电压变化。
[0011] 该电压被具有高输入阻抗(为了防止存储在微机械结构中的电荷被扰乱)的
电子接口
电路检测到，然后被转换为低阻信号(被设计为驱动外部负载)。
[0012] 图2示出了由符号10表示的电子接口电路的可能
实施例，在这种情况下具有信号输出(即，所谓的“单端”)电路；MEMS声换能器的微机械结构1被示意性表示为检测电容器12，其具有根据所检测声信号而变化的电容CMIC。
[0013] 在图2(及后续
附图)中，符号“m”表示微机械结构1的隔膜4。通常，假设隔膜4具有关于衬底2的大寄生电容(可与微机械结构本身的检测电容器的电容相比较)，而背板5具有较低的寄生电容，隔膜4电连接至第一低阻
节点N1(例如，电路的操作电压的地)，从而防止信号的任何衰减，而背板5电连接至第二节点N2，在第二节点上得到表示检测电容器的电容变化的检测信号。
[0014] 第二节点N2进一步通过插入第一隔离元件13(具有高阻，由背对背结构的一对二极管组成)电连接至电荷泵级(这里未示出)，从而接收偏置电压VCP。
[0015] 接口电路10进一步包括去耦电容器14(具有电容CDEC)和具有
缓冲器或电压跟随单端结构的
放大器15(即，具有连接至单个输出的
反相输入端)。
[0016] 去耦电容器14连接在第二节点N2和放大器15的
非反相输入端之间，其中该非反相输入端经由插入第二隔离元件16(具有高阻，由背对背结构的相应一对二极管构成)从适当的基准发生器级(这里未示出)接收操作电压VCM。
[0017] 操作电压VCM是DC偏置电压，适当地对其进行选择来用于设置放大器15的操作点。例如，在包括在供应电压VDD和地参考电压之间的间隔中选择该操作电压VCM。在MEMS声换能器的操作期间，由此在DC操作电压VCM上
叠加(AC)检测信号。
[0018] 放大器15根据MEMS声换能器的微机械结构1检测的信号来在信号输出端上提供
输出电压VOUT。
[0019] 这种单端电路具有一些
缺陷，其中，针对由于具有时变信号的附近器件所引起的例如源于供应噪声或源于串扰的任何共模干扰分量的较差拒绝。
[0020] 为了克服上述缺陷，单端解决方案可以被差动型结构代替，其应该理论上给出较大的
信噪比(SNR)。
[0021] 如图3所示，在这种情况下，接口电路10包括所谓的“虚拟”电容器22，其具有等于微机械结构1的检测电容器12的静止(即，不存在外部
应力的情况下)的电容值CMIC的标称值的电容CDUM。
[0022] 此外，接口电路10包括具有四个输入端和两个输出端的差动放大器25(所谓的“全平衡差动
差分放大器”(FDDA或FBDDA))，其具有全差动架构和整体增益。
[0023] 具体地，在这种情况下，检测电容器12的第二节点N2经由插入去耦电容器14连接至差分放大器25的第一非反相输入端25a，差分放大器的第一反相输入端25b以反馈模式直接连接至第一输出端Out1。
[0024] 类似地，虚拟电容器22具有由N1’表示的连接至地端的相应第一节点以及经由插入相应的去耦电容器24连接至差分放大器25的第二反相输入端25c的第二节点N2’，差分放大器的第二非反相输入端25d进一步直接反馈连接至第二输出端Out2(输出电压Vout在第一和第二输出端Out1和Out2之间)。
[0025] 虚拟电容器22的相应第二节点N2’还通过相应的第一隔离元件23接收偏置电压VCP，其中第一隔离元件23通过背对背结构的一对二极管构成并接收偏置电压VCP。类似地，第二反相输入端25c经由相应的第二隔离元件26(具有高阻，在该示例中也通过背对背结构的一对二极管构成)接收操作电压VCM(因此，操作电压VCM是差分放大器25的第一非反相输入端25a和第二反相输入端25c公用的偏置电压)。
[0026] 在这种情况下，虚拟电容器22能够为差分放大器25的缓冲输入(即，非反相输入端25a和反相输入端25c)创建基本平衡的路径，用于干扰或噪声的更好的共模拒绝。
[0027] 即使上面参照图3描述的差动型结构能够提高干扰拒绝能力，但这并不能够根据期望增加信噪比SNR。
[0028] 通常，由此需要提供一种用于MEMS声换能器的电子接口电路，其能够增加信噪比(SNR)，同时不改变换能器的敏感度，其中敏感度被定义为针对1帕斯卡(Pa)声压等级的增加的接口电路的输出电压的变化。应该注意，后一种特性表明由MEMS声换能器生成的信号保持基本相同，同时降低相同换能器的固有噪声，这通常是难以获得的，因为MEMS
传感器通常被设计为提供最大的信噪比(SNR)。
发明内容
[0029] 本公开的目的在于解决先前着重描述的一些或所有问题以及满前述需求，具体为提供一种简单且廉价实施并能够增加MEMS声换能器的信噪比(SNR)的解决方案。
附图说明
[0030] 为了更好的理解本公开，现在仅通过非限制性示例并参照附图来描述优选实施例，其中：
[0031] 图1是已知类型的MEMS声换能器的微机械结构的示意性截面图；
[0032] 图2是已知类型的MEMS声换能器的单端接口电路的电路图；
[0033] 图3是已知类型的MEMS声换能器的差动型接口电路的电路图；
[0034] 图4是用于MEMS声换能器的又一差动型接口电路的电路图；
[0035] 图5是根据本发明一个实施例的用于MEMS声换能器的具有差动输出的接口电路的电路图；
[0036] 图6示出了图5的接口电路中的偏置级的可能电路实施例；以及
[0037] 图7是根据本发明一个实施例的结合MEMS声换能器的电子设备的示意性
框图。
具体实施方式
[0038] 用于增加MEMS声换能器的信噪比的可能解决方案可以设想增加换能器的物理面积，即，对应隔膜和背板的表面。实际上，已知统计定律(这里不再详细讨论)表明，为了提高电子部件的信噪比(SNR)，可以相应地增加其物理面积。
[0039] 例如，电容型的MEMS声换能器的信噪比(SNR)可以通过使对应隔膜和对应背板的面积加倍来增加约3dB。
[0040] 因此，可能的解决方案可以设想“复制”或“加倍”MEMS声换能器的微机械结构。然而，为了防止机械长度的问题和随之发生的故障风险，可以设置两个微机械检测结构，每一个都基本类似于上面参照图1描述的微机械结构，从而每一个都包括耦合至相应背板5的对应隔膜4。
[0041] 如图4示意性示出的，在结构和大小方面彼此基本相同的两个微机械结构(这里用1a和1b表示)由此可以并联，具体地，对应的检测电容器12可以相互并联电连接(通过例如线连接的电连接，图4中未示出)。基本地，两个微机械结构的隔膜4电连接在一起，并且类似地，两个微机械结构的背板5电连接在一起(在图4中利用与电容CMIC相关联的表示“2x”来示意性示出并联连接)。
[0042] 再次利用符号10表示(通常，与先前已经描述的元件类似的元件通过相同的参考标号表示，并且不再进行任何进一步的描述)的图4所示的接口电路基本类似于参照图3所描述的差动解决方案，唯一的差异在于设想作为结果发生的“加倍”还针对去耦电容器(这里用14’、24’表示)和虚拟电容器(这里用22’表示)。
[0043] 在接口电路10中，检测信号的幅度由此与图3的传统解决方案的幅度相同，而噪声降低了因子 (得益于前述被MEMS声换能器占用的物理面积的增加)。该解决方案能够增加MEMS声换能器的信噪比而不损害敏感度方面的性能。
[0044] 然而，该解决方案不是没有缺陷。
[0045] 首先，接口电路10在这种情况下也要求具有虚拟电容器22’来提供与检测电容器12的并联(实际上，其本身限定单端输出)相关联的差动系统。然而，假设虚拟电容器22’的面积加倍，所产生的面积增加会至少对于特定应用(例如，对于便携式电子设备，占用面积的降低是重要的设计参数)来说太大。关于这点，再次强调去耦电容器14’、24’也具有加倍的面积。
[0046] 此外，如前所述，差动实施例设想使用具有四个输入端和两个输出端的差分放大器25，众所周知其是复杂且昂贵的。如本领域技术人员所公知的，这种类型的放大器针对具有大幅度的
输入信号来说具有较大失真，并且这导致需要限定失真和输入处涉及的噪声之间的折中，除非复杂的辅助电路用于动态地偏置输入级(在这种情况下，进一步增加制造的复杂度、电消耗等级和占用面积)。此外，由于检测电容器12的电容CMIC的分割，放大器25的输入电容可能不是充分低来防止信号的衰减。
[0047] 参照图5，描述了本发明的实施例，其能够至少部分地克服先前列出的缺陷。
[0048] 详细地，MEMS声换能器的接口电路(这里用30表示)在这种情况下也设想将微机械检测结构“复制”为第一微机械结构1a和第二微机械结构1b，它们相互不同但在结构和大小方面相对应，以减少其固有噪声(由于先前讨论的已知效应)。
[0049] 因此，接口电路30设想具有电容CMIC1和CMIC2的第一检测电容器12a和第二检测电容器12b，它们均与相应的微机械结构1a、1b相关联，它们也以与上面参照图1讨论的类似方式来设置，因此包括有利地设置在相同衬底2上(并集成在半导体材料的相同裸片中)的相应隔膜4和相应背板5。
[0050] 根据本发明的一个方面，第一和第二检测电容器12a、12b在偏置线31(接收来自电荷泵级(这里未示出)的偏置电压VCP)与(地)参考电位线32之间电串联在一起。
[0051] 具体地，在该示例中，检测电容器12a、12b的隔膜4相互电连接。换句话说，第一和第二检测电容器12a、12b具有电连接至公共节点33的相应第一节点N1。
[0052] 此外，第一检测电容器12a的第二节点N2通过高阻隔离元件34(例如通过背对背结构布置的一对二极管构成)连接至偏置线31，并且第二检测电容器12b的相应第二节点N2通过相应的高阻隔离元件35(例如也通过背对背结构布置的一对二极管构成)连接至参考线32。
[0053] 根据本发明的一个方面，公共节点33还设置为公共电压VS，其构成偏置电压VCP的分压，具体为基本等于偏置电压的一半VCP/2，使得检测电容器12a、12b均在对应的隔膜4和对应背板5之间具有相同的DC压降(即，等于VCP/2)。
[0054] 具体地，在偏置级36的输出处提供公共电压VS，其中偏置级36连接在偏置线31和参考线32之间并且其在接口电路30的操作频率处具有低输出阻抗且具有低功耗(从而不损害提供偏置电压VCP的电荷泵级的
电流驱
动能力)。
[0055] 在可能的实施例(图6所示)中，偏置级36包括
电阻分压器，其由第一分压
电阻器38a和第二分压电阻器38b形成，它们串联在偏置线31和参考线32之间，具有连接至公共节点33的公共端。第一和第二分压电阻器38a、38b具有相同的高阻抗(例如，数十兆欧的级别)。
[0056] 此外，偏置级36包括相应的去耦电容器39，其连接在公共节点33和参考线32之间并例如具有数十微微法拉的电容。
[0057] 有利地，给定高阻抗的分压电阻器38a、38b降低了偏置线31的DC功耗，而去耦电容器39能够在接口电路30的操作频率处在偏置级36的输出处得到低阻抗。
[0058] 此外，接口电路30(再次参见图5)包括具有缓冲器或电压跟随器单端结构的第一放大器40和第二放大器41(即，具有单个输出端，以及具有连接至同一输出端反相输入端；以下它们被简称为“单端放大器”)。在单端放大器40、41的输出端Out1、Out2之间存在输出电压Vout，其值是响应于外部应力由MEMS声换能器1的微机械结构生成的检测信号的函数。
[0059] 更详细地，第一检测电容器12a的第二节点N2经由去耦电容器44(具有电容CDEC1)的插入连接至第一单端放大器40的非反相输入端。类似地，第二检测电容器12b的相应第二节点N2经由相应去耦电容器45(具有电容CDEC2)的插入连接至第二单端放大器41的非反相输入端。
[0060] 此外，第一和第二单端放大器40、41的非反相输入端经由相应隔离元件46、47(具有高阻抗，由背对背结构的相应一对二极管构成)的插入接收来自适当参考发生器级(这里未示出)的操作电压VCM。如先前所讨论的，操作电压VCM是适当的DC偏置电压，其设置单端放大器40、41的操作点。
[0061] 因此，接口电路30在其提供两个单个输出的限度内提供了真实的差动结构，这两个输出相对于彼此
相位偏移180°，它们的差限定了输出电压(Vout)。
[0062] 具体地，在每个检测电容器12a、12b上存在DC偏置电压，其近似为传统解决方案(例如，参照图3或图4讨论的类型)的一半，实际上为偏置电压的一半VCP/2。从而，取决于DC偏置的相应检测敏感度也减半。
[0063] 然而，由于差动结构，通过检测电容器12a、12b提供的检测信号的差来给出输出电压VOUT(在该示例中，在对应的背板5处)，使得在输出处得到等于2的增益因子或放大倍率(实际上强调检测信号相互相关且相位相反)。
[0064] 此外，可能设想偏置电压VCP的值的适当增加(例如，达到17V-20V的区域中的值)，然而可以容易地通过确定对应电荷泵级的大小来实现。
[0065] 从而，与传统的解决方案相比，来自MEMS声换能器的输出没有显著的敏感度的变化(给出各个微机械检测结构的相同操作条件和特性)。
[0066] 同时，有利地，得到了噪声的降低以及信噪比(SNR)的相应增加。实际上，针对MEMS声换能器中生成的噪声得到因子 的显著降低(由两个微机械结构1a、1b生成的噪声信号(它们具有基本为传统解决方案的一半的值)实际上在输出处完全不相互相关)。
[0067] 所提出的解决方案的优势从前面的描述中可以明确得出。
[0068] 在任意情况下，再次强调MEMS声换能器的接口电路30提供了由两个检测信号(相位相反)的差给出的真实差分输出，其敏感度不比传统解决方案的差，但同时具有较低的固有噪声(在该实施例中，近似为3dB以下)。
[0069] 此外，不要求虚拟电容器，也不需要加倍去耦电容器的面积，从而对应地节省了集成实施方案中的面积。
[0070] 也不需要使用要求执行微机械检测结构的单端输出与接口电路的差分输出之间的转换的复杂四输入
运算放大器，由此避免了相关联的谐波失真(在噪声和信号衰减之间要求的折中)。实际上使用简单的单端运算放大器。
[0071] 相对于传统的解决方案，所提出的解决方案不对用于生产MEMS声换能器的制造工艺或技术进行任何
修改。
[0072] 因此，前述优势表明MEMS声换能器的使用尤其有利于图7示意性示出的电子设备50。具体地，在图7中，由符号51表示的MEMS声换能器在同一封装件52中包括微机械检测结构，其包括微机械结构1a、1b以及提供对应读取接口的接口电路30(其可以在设置微机械结构的同一裸片或者不同裸片中得到，在任何情况下它们可以容纳在相同的封装件52中)。
[0073] 电子设备50优选为便携式移动通信设备，诸如
移动电话、PDA(
个人数字助理)、便携式计算机，但是也可以是具有声音记录能力的数字音频播放器、
照相机或
数码相机、用于视频游戏的
控制器等；电子设备50通常能够处理、存储和/或传输并接收信号和信息。
[0074] 电子设备50还包括：
微处理器54，接收被MEMS声换能器51检测的信号；以及输入/输出接口55，例如包括
键盘和显示器，连接至微处理器55。此外，电子设备50可以包括用于在音频输出(未示出)上生成声音的扬声器以及内部
存储器58。
[0075] 最后，明显的是在不背离由所附
权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对本文描述和示出的实施例进行修改和变化。
[0076] 具体地，可以针对偏置级36设想不同的电路实施例，其在任何情况下将能够生成具有适当值的公共电压Vs，并且将在电路的操作频率下具有低输出阻抗以及降低的功耗。
[0077] 此外，所描述的解决方案可以有利地应用于模拟声换能器和数字声换能器。
[0078] 上述各个实施例可以组合以提供其他实施例。在本
说明书中提到和/或在
申请数据表中列出的所有美国
专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开均结合于此作为参考。如果需要使用各个专利、申请和公开的概念以提供又一些实施例，可以修改实施例的各个方面。
[0079] 可以根据上面的详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应该将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应该包括所有可能的实施例以及这些权利要求的等效物的所有范围。因此，权利要求不限于本公开。
