MEMS传感器制造技术

本申请涉及用于操作MEMS传感器(特别是MEMS电容式传感器(CMEMS)，诸如麦克风)的方法和装置。放大器装置(300)被布置为放大在感测节点(104)处从所述MEMS电容式传感器接收的输入信号(VINP)。反相信号生成器(201；304)生成与所述输入信号(VINP)反相的第二信号(VINN)，且放大器布置(105；305)被配置为在第一输入处接收所述输入信号(VINP)且在第二输入处接收所述第二信号(VINN)且输出对应的经放大的第一输出信号和第二输出信号。这将单端输入信号有效地转换为差分输入信号。

MEMS sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MEMS传感器本申请涉及用于操作微机电系统(MEMS)传感器(诸如，MEMS麦克风)的方法和装置，且尤其涉及来自MEMS传感器的信号的读出和放大。MEMS传感器(诸如，MEMS电容式麦克风)正变得越来越普及，这至少部分地是由于它们的小尺寸。例如，MEMS麦克风可以有效地用在便携式电子设备(诸如，移动电话或平板计算机等)上。语音控制的越来越普及也正导致麦克风被设置在一系列设备上，诸如，被设置在智能手表或其他可穿戴设备上或被设置在其他消费者电子产品上，且MEMS麦克风正有效地用在这些产品上。MEMS电容式麦克风通常包括一个电极，该电极响应于入射声波而相对于至少一个固定电极可移动，以形成可变电容，通常为大约1pf左右。该可移动的电极可以例如由柔性膜支撑。在使用中，所述电极中的第一电极可以通过相对高的稳定的偏置电压VBIAS(比如，在某些情况下为12V左右)偏置，而第二电极经由非常高的阻抗而被偏置到另一固定电压VREF，通常为地，例如大约10GΩ。入射在电容式换能器上的声波将导致该可移动的电极相对于该固定电极的移位，因此改变这些电极之间的间隔，从而改变电极间电容。由于换能器的第二电极经由非常高的阻抗而被偏置，所以这些电容改变导致信号电压出现在输入端子处。考虑到MEMS传感器的小电容，输入信号是相对小的，从而该信号通过低噪声放大器布置来放大。这样的MEMS麦克风出现的一个问题是提供足够的动态范围。为了在较低的输入声学信号电平下提供可接受的输出信号电平，要求一定的放大器增益。然而，在较高的声学信号电平下，这可能导致过载，在过载的情况下，所得到的相对大的输入信号量级超过输入和/或输出处的放大器的线性范围且引入失真。在大多数情况下，可以被放大的最大信号电平受功率供应电压减去净空(headroom)的限制。解决此问题的一种方法是使用压缩，在压缩的情况下，系统参数被调整以基于对信号幅度的指示来有效地降低传感器的灵敏度，例如可以减小供应至第一电极的偏置电压。然而，这增加了复杂性且导致在操作范围内的可变灵敏度。因此，本公开内容的实施方案涉及用于MEMS传感器的方法和装置，所述方法和装置至少减轻了上文所提及的问题中的至少一些。因此，根据一方面，提供了一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：一个感测节点，用于接收所述输入信号；一个反相信号生成器，用于生成与所述输入信号反相的第二信号；以及一个放大器布置，所述放大器布置被配置为在第一输入处接收所述输入信号和在第二输入处接收第二信号，且输出对应的第一输出信号和第二输出信号。所述放大器装置还可以包括偏置电路系统，用于在偏置节点处生成偏置电压，所述偏置电压用于偏置所述MEMS电容式传感器。在一些实施方案中，所述放大器装置被配置为使得用基于所述第二信号的调制信号来调制所述偏置节点处的偏置电压。在一些实施方案中，存在一个反馈路径，用于将所述第二信号或所述第二输出信号反馈至所述偏置节点。所述反馈路径可以包括一个偏置电容器。在一些实施方案中，所述反相信号生成器基于所述第一输出信号和第二输出信号的共模电压生成所述第二信号。所述反相信号生成器可以包括一个反馈放大器，所述反馈放大器被配置为接收共模参考电压和指示所述第一输出信号和第二输出信号的共模电压的共模信号，以及驱动所述放大器布置的第二输入处的所述第二信号，从而保持所述第一输出信号和第二输出信号的共模电压等于所述共模参考电压。可以存在第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻串联连接在用所述第一输出信号驱动的第一输出节点和用所述第二输出信号驱动的第二输出节点之间，其中所述共模信号是从所述第一电阻和第二电阻的中点导出的。共模参考生成器可以基于输入参考电压生成所述共模参考电压。所述共模参考生成器可以包括一个晶体管，所述晶体管是所述放大器布置的输入晶体管的缩放复制品。在一些实施方式中，所述反相信号生成器可以包括一个倒相放大器，该倒相放大器被配置为从所述感测节点接收所述输入信号。所述放大器布置可以包括用于放大所述输入信号的第一单端放大器。在一些实施方式中，还可以存在用于放大所述第二信号的第二单端放大器。所述第一单端放大器和第二单端放大器(如果存在的话)中的每个可以包括一个源极跟随器或超级源极跟随器放大器，所述超级源极跟随器放大器具有用于驱动相应的第一输出信号或第二输出信号的AB类驱动器。第一放大器可以包括一个输入晶体管和一个自举电路，所述输入晶体管具有连接至所述感测节点的栅极端子，所述自举电路用于驱动所述输入晶体管的漏极端子与所述第一输出信号同相。在一些情况下，输入旁路开关可以将所述放大器布置的所述第一输入连接至所述第二输入。箝位控制器可以选择性地控制所述输入旁路开关，以将所述输入信号箝位在一个限定的电压范围内。所述箝位控制器可以被配置为对照一个输入信号箝位限制来监控所述输入信号和/或对照一个输出信号箝位限制来监控所述第一输出信号和第二输出信号中的至少一个。所述装置可以被配置为响应于启动控制信号来闭合所述输入旁路开关。所述偏置电路系统包括用于输出所述偏置电压的电压源以及位于所述电压源与所述偏置节点之间的电阻。偏置旁路开关可以提供一个旁路路径，所述旁路路径将位于所述电压源和所述偏置节点之间的电阻旁路。所述偏置旁路开关可以包括至少一个PMOS晶体管。所述电压源可以被配置为生成控制电压，所述控制电压高于所述偏置电压，其中所述偏置电路系统被配置为使得在正常操作中所述控制电压被施加至所述偏置旁路开关的栅极端子。多个实施方案涉及一种具有耦合至所述感测节点的MEMS电容式传感器的装置。在一些实施方式中，所述MEMS电容式换能器与所述放大器布置集成在集成电路中。所述MEMS电容式传感器可以是MEMS麦克风。多个方面涉及一种电子设备，包括如上文变体中的任何一个中所描述的放大器布置。所述设备可以是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；通信设备；移动电话；计算设备；平板计算机、膝上型计算机或笔记本计算机；可穿戴设备；语音控制设备。在另一方面，提供了一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：一个放大器布置，所述放大器布置具有第一输入和第二输入；其中所述第一输入被配置为接收所述输入信号，且所述第二输入被配置为接收与所述输入信号反相的第二信号；一个信号生成器，用于生成所述第二输入处的所述第二信号；以及一个偏置源，用于用偏置电压偏置所述MEMS电容式传感器；其中基于所述第二信号调制所述偏置电压。又一方面提供了一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器布置，包括：第一单端输入放大器，所述第一单端输入放大器被配置为接收且放大所述输入信号作为第一输出信号；第二单端输入放大器，所述第二单端输入放大器被配置为接收且放大第二信号作为第二输出信号；其中所述第二信号由所述放大器布置生成为与所述第一信号反相；以及一个调制器，用于基于所述第二信号调制施加至所述MEMS电容式传感器的偏置电压。为了解释本公开内容的多个方面，现在将仅通过实施例的方式参考附图描述多个实施方案，其中：图1例示了MEMS传感器布置的一个实施例；图2例示了根据一个实施方案的MEMS传感器布置；图3a和图3b例示了根据其他实施方案的MEMS传感器布置；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：一个感测节点，用于接收所述输入信号；一个反相信号生成器，用于生成与所述输入信号反相的第二信号；以及一个放大器布置，所述放大器布置被配置为在第一输入处接收所述输入信号且在第二输入处接收所述第二信号，且输出对应的第一输出信号和第二输出信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.03.20 GB 1704396.9;2017.02.27 US 62/464,1371.一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：一个感测节点，用于接收所述输入信号；一个反相信号生成器，用于生成与所述输入信号反相的第二信号；以及一个放大器布置，所述放大器布置被配置为在第一输入处接收所述输入信号且在第二输入处接收所述第二信号，且输出对应的第一输出信号和第二输出信号。2.根据权利要求1所述的放大器布置，还包括偏置电路系统，用于在偏置节点处生成用于偏置所述MEMS电容式传感器的偏置电压，其中所述放大器布置被配置为用基于所述第二信号的调制信号来调制所述偏置节点处的偏置电压。3.根据权利要求2所述的放大器布置，包括一个反馈路径，用于将所述第二信号或所述第二输出信号反馈至所述偏置节点。4.根据权利要求3所述的放大器布置，其中所述反馈路径包括一个偏置电容器。5.根据任一项前述权利要求所述的放大器装置，其中所述反相信号生成器基于所述第一输出信号和所述第二输出信号的共模电压生成所述第二信号。6.根据任一项前述权利要求所述的放大器装置，其中所述反相信号生成器包括一个反馈放大器，所述反馈放大器被配置为接收共模参考电压和指示所述第一输出信号和所述第二输出信号的共模电压的共模信号，且驱动所述放大器布置的第二输入处的所述第二信号，以保持所述第一输出信号和所述第二输出信号的共模电压等于所述共模参考电压。7.根据权利要求6所述的放大器装置，包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联连接在用所述第一输出信号驱动的第一输出节点和用所述第二输出信号驱动的第二输出节点之间，其中所述共模信号是从所述第一电阻和所述第二电阻的中点导出的。8.根据权利要求6或7所述的放大器装置，包括一个共模参考生成器，用于基于输入参考电压生成所述共模参考电压，其中所述共模参考生成器包括一个晶体管，所述晶体管是所述放大器布置的输入晶体管的缩放复制品。9.根据权利要求1至4中任一项所述的放大器装置，其中所述反相信号生成器包括一个倒相放大器，所述倒相放大器被配置为从所述感测节点接收所述输入信号。10.根据任一项前述权利要求所述的放大器装置，其中所述放大器布置包括用于放大所述输入信号的第一单端放大器。11.根据权利要求10所述的放大器装置，其中所述放大器布置还包括用于放大所述第二信号的第二单端放大器。12.根据权利要求11所述的放大器装置，其中所述第一单端放大器和第二单端放大器中的每个包括一个源极跟随器或超级源极跟随器放大器，所述超级源极跟随器放大器具有用于驱动相应的第一输出信号或第二输出信号的AB类驱动器。13.根据权利要求10至12中任一项所述的放大器装置，其中第一放大器包括一个输入晶体管和一个自举电路，所述输入晶体管具有连接至所述感测节点的栅极端子，所述自举电路用于驱动所述输入晶体管的漏极端子与所述第一输出信号同相。14...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·威尔逊，K·科杜尔，
申请(专利权)人：思睿逻辑国际半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB