微机电系统(MEMS)麦克风偏置电压技术方案

本发明专利技术描述了微机电系统(MEMS)传感器和相关的偏置电压技术。示例性MEMS传感器，诸如本文描述的示例性MEMS声学传感器或麦克风，可以采用一个或多个偏置电压发生器和单端或差分放大器布置。所描述的各种实施例可以有效地增加传感器元件可用的偏置电压，而不需要采用高击穿电压半导体工艺。另外，基于许多因素的考虑，描述了在各种操作模式下对一个或多个偏置电压发生器的控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微机电系统(MEMS)麦克风偏置电压相关申请的交叉引用：本申请要求于2016年4月29日提交的名称为微机电系统(MEMS)麦克风偏置电压的美国非临时申请序列号15/142,696的权益，其全部内容通过引用结合于此。
本专利技术公开的主题涉及微机电系统(MEMS)传感器，诸如MEMS麦克风和相关的电压偏置技术。
技术介绍
常规上，微机电系统(MEMS)麦克风可以由基板、背板和柔性振膜制成，其中靠近柔性振膜的背板可以形成可变电容器件。在一个方面，可以对背板进行穿孔，使得通过端口进入MEMS麦克风封装的声压可以穿过被穿孔的背板并使振膜变形。在其他实施方式中，通过端口进入MEMS麦克风封装的声压可以直接撞击与背板相对的振膜。在这种常规的MEMS麦克风中，施加到背板(或振膜)的直流(DC)偏置电压(Vbias)有助于将声压引起的柔性振膜的变形测量为交流AC电压，从而为进一步处理提供有用的信号。注意，对于施加到穿孔背板的正Vbias，其中声压穿过穿孔背板以使振膜变形，穿过穿孔背板并使柔性振膜偏离穿孔背板的正向压力波将导致可变电容减小，这可能导致负向输出信号。换句话说，产生的输出信号将出现反相、180度异相或者与正向压力波具有相反的极性，这在某些情况下是不理想的。另外，一些常规的MEMS麦克风解决方案可能无法准确地感测非常高的声压级。例如，使用MEMS麦克风准确感测高声压级的能力可能受到振膜和背板之间的距离以及振膜的刚度的限制，其设计反过来又会受到麦克风前端的可用Vbias或相关专用集成电路(ASIC)的工作电压影响。然而，对于通常用于这种MEMS麦克风前端的常规偏置电压发生器半导体电路，半导体电路的电压阈值电平限制了可用的Vbias，而高压半导体电路在技术成本和管芯尺寸方面可能是昂贵的，这可能会对传感器封装尺寸和成本造成负面影响。因此，期望提供改进这些和其他缺陷的MEMS装置偏置电压技术。MEMS麦克风的上述缺陷仅旨在提供常规实施方式的一些问题的概述，并且不旨在详尽无遗。通过阅读以下描述，常规实施和技术的其他问题以及本文描述的各种非限制性实施例的相应益处可以变得更加明显。
技术实现思路
以下呈现了说明书的简要概述，以提供对说明书的一些方面的基本理解。本概述不是对说明书的广泛概述。其既不旨在标识说明书的关键或重要元素，也不旨在描述特定于说明书的任何实施例或权利要求的任何范围的任何范围。其唯一目的是以简化形式呈现说明书的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。在所公开的主题的各种非限制性实施例中，描述了用于向示例性MEMS传感器或设备提供偏置电压的系统、设备和方法。例如，示例性非限制性实施方式提供了示例性MEMS麦克风，其包括可以包括一个或多个偏置电压发生器的专用集成电路(ASIC)。例如，各种非限制性实施方式可以有助于向示例性MEMS麦克风元件提供有效的更高偏置电压，例如，通过向示例性MEMS麦克风元件的一部分提供第二偏置电压，其与提供给示例性MEMS麦克风元件的另一部分的第一偏置电压的极性相反。在进一步的非限制性示例中，示例性ASIC可以包括耦合到示例性MEMS麦克风元件的电子电路，例如，其可以包括单端或差分放大器，其可以有助于提供单端或差分输出。在如本文所述的各种非限制性实施例中，所公开的主题有助于在考虑多种因素的情况下以多种模式操作一个或多个偏置电压发生器中的一个或多个，所述因素包括但不限于功耗、声压级、预定噪声性能等。因此，在不采用高击穿电压半导体工艺的情况下，所公开的主题的各种实施例有助于提供具有与入射声波或声压相同极性的输出信号，同时提供改进示例性MEMS麦克风元件的稳健性和动态范围或与有效较高偏置电压相关的声压电平能力中的一个或多个，以及抵抗共模干扰等的机会。在进一步的非限制性实施方式中，所公开的主题提供示例性MEMS麦克风，其包括具有正偏置电压发生器或负偏置电压发生器的ASIC，其有助于提供具有与入射声波或声压相同极性的输出信号。在进一步的非限制性实施方式中，所公开的主题提供示例性MEMS麦克风，其包括具有单个偏置电压发生器和差分放大器布置的ASIC，所述差分放大器布置有助于提供具有与入射声波或声压相同极性的输出信号以及提供用于抵抗共模干扰的改良机会。所公开主题的其他非限制性实施方式提供了针对本文描述的这些和/或其他方面的示例性系统和方法。附图说明参考附图进一步描述各种非限制性实施例，其中：图1描绘了适合于结合如本文所述的各种非限制性方面的示例性MEMS传感器装置或麦克风的非限制性示意性横截面；图2描绘了示出MEMS传感器偏置电压技术的非限制性方面的示例性电路框图；图3描绘了根据本文描述的各种实施例的另一示例性电路框图，其示出了示例性MEMS传感器偏置电压技术的进一步的非限制性方面；图4描绘了根据本文描述的进一步的实施例的示例性电路框图，其示出了进一步的示例性MEMS传感器偏置电压技术；图5描绘了根据本文描述的进一步的实施例的另一示例性电路框图，其示出了又进一步非限制性MEMS传感器偏置电压技术；图6描绘了根据本文描述的又进一步实施例的另一示例性电路框图，其示出了进一步的非限制性MEMS传感器偏置电压技术；图7描绘了根据本文描述的又进一步实施例的进一步示例性电路框图，其示出了其他示例性MEMS传感器偏置电压技术；图8描绘了根据所公开主题的各种非限制性方面的与MEMS传感器或麦克风的示例性偏置电压相关联的非限制性方法的示例性流程图；图9描绘了根据所公开主题的其他非限制性方面的与MEMS传感器或麦克风的示例性偏置电压相关联的非限制性方法的另一示例性流程图；图10描绘了根据所公开主题的各种非限制性方面的与MEMS传感器或麦克风的示例性偏置电压相关联的非限制性方法的又一示例性流程图；图11描绘了根据所公开主题的进一步的非限制性方面的与MEMS传感器或麦克风的示例性偏置电压相关联的非限制性方法的进一步示例性流程图；和图12描绘了根据所公开主题的其他非限制性方面的与MEMS传感器或麦克风的示例性偏置电压相关联的非限制性方法的另一示例性流程图。具体实施方式概述：虽然提供了简要概述，但是出于说明而非限制的目的，本文描述或描绘了所公开主题的某些方面。因此，由所公开的设备、系统和方法所建议的所公开实施例的变型旨在包含在本文公开的主题的范围内。例如，在诸如MEMS麦克风和相关电压偏置技术的MEMS传感器的背景下描述了所公开主题的设备、技术和方法的各种实施例。然而，如下面进一步详述的，各种示例性实施方式可以应用于MEMS传感器的其他应用，而不脱离本文描述的主题。如在
技术介绍
中所描述的，施加到穿孔背板的正Vbias，其中声压穿过穿孔背板以使振膜变形，正向压力波穿过穿孔背板并使柔性振膜偏离穿孔背板将导致可变电容减小，这可能导致负向输出信号。这可以通过参考例如图1和图2来理解。此外，使用MEMS麦克风感应高声压级(SPL)的能力可能受到振膜和背板之间的距离以及振膜的刚度的限制，而振膜的设计又可以是受麦克风前端可用的Vbias或相关ASIC的工作电压的影响。因此，通常采用的常规半导体电路的电压阈值电平限制了可用的Vbias，而高压半导体电路在技术成本和管芯尺寸方面可能是昂贵的，这可能会对传感器封装尺寸和成本造成负面影响。因本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机电系统(MEMS)麦克风，其特征在于，所述微机电系统麦克风包含：MEMS麦克风元件，包含设置在麦克风封装中的振膜和背板；设置在麦克风封装中的专用集成电路(ASIC)，包括第一偏置电压发生器和第二偏置电压发生器，其中第一偏置电压发生器可操作地耦合到振膜并且被配置为向振膜提供第一偏置电压并且第二偏置电压发生器可操作地耦合到背板并且被配置为向背板提供第二偏置电压，并且其中第二偏置电压具有与第一偏置电压相反的极性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.29 US 15/142,6961.一种微机电系统(MEMS)麦克风，其特征在于，所述微机电系统麦克风包含：MEMS麦克风元件，包含设置在麦克风封装中的振膜和背板；设置在麦克风封装中的专用集成电路(ASIC)，包括第一偏置电压发生器和第二偏置电压发生器，其中第一偏置电压发生器可操作地耦合到振膜并且被配置为向振膜提供第一偏置电压并且第二偏置电压发生器可操作地耦合到背板并且被配置为向背板提供第二偏置电压，并且其中第二偏置电压具有与第一偏置电压相反的极性。2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一偏置电压具有正极性，并且其中所述第二偏置电压具有负极性。3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一偏置电压发生器包括正电荷泵，并且其中所述第二偏置电压发生器包括负电荷泵。4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述ASIC还包括电子电路，所述电子电路可操作地耦合到所述MEMS麦克风元件并且被配置为接收对应于施加到所述振膜的声压的至少一个信号。5.根据权利要求4所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述电子电路包括缓冲放大器，并且其中所述缓冲放大器的输入通过电容器可操作地耦合到所述振膜或所述背板中的至少一个。6.根据权利要求4所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述电子电路包括差分放大器，其中所述差分放大器的第一输入通过第一电容器可操作地耦合到所述振膜，并且其中所述差分放大器的第二输入通过第二个电容器可操作地耦合到所述背板。7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述差分放大器被配置为至少部分地基于与施加到所述振膜的声压对应的所述至少一个信号提供单个输出信号或差分输出信号。8.根据权利要求6所述的MEMS麦克风，其特征在于，被配置为向所述振膜提供所述第一偏置电压的所述第一偏置电压发生器或被配置为向所述背板提供所述第二偏置电压的所述第二偏置电压发生器包括将所述背板耦合到固定直流(DC)电位或高阻抗接地连接中的至少一个。9.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述ASIC被进一步配置为至少部分地基于MEMS麦克风的功耗、声压级或预定噪声性能在一组模式中的至少一个模式下操作所述第一偏置电压发生器或所述第二偏置电压发生器中的至少一个。10.根据权利要求9所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述一组模式中的至少一个包括在与零和与第一偏置电压发生器或第二偏置电压发生器中的至少一个相关联的最大电压电平之间的与第一偏置电压发生器或第二偏置电压发生器中的至少一个相关联的至少一个电压的变化。11.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一偏置电压和所述第二偏置电压被配置为使得它们的幅值实质相等或者使得与所述振膜和所述背板相关联的信号不会扭曲。12.一种方法，其特征在于，所述方法包括：将第一偏置电压施加到电容式微机电系统(MEMS)传感器的第一部分；将第二偏置电压施加到电容式MEMS传感器的第二部分；在与电容式MEMS传感器相关联的专用集成电路(ASIC)中的差分放大器的第一输入处接收来自第一部分并响应在电容式MEMS传感器的第一部分和第二部分之间的传感器信号变化的第一信号；在差分放大器的第二输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：基耶朗·哈尼，亚得里安努斯·玛莉亚·拉福德，布莱恩·摩斯，迪昂·伊弗·德·卢，
申请(专利权)人：应美盛公司，
类型：发明
国别省市：美国,US