MEMS换能器以及用于操作该MEMS换能器的方法技术

公开了MEMS换能器以及用于操作该MEMS换能器的方法。MEMS换能器，包括第一和第二差分MEMS传感器设备。第一差分MEMS传感器设备包括用于提供第一差分输出信号的第一电极结构和第二电极结构，以及在第一电极结构和第二电极结构之间的第三电极结构。第二差分MEMS传感器设备包括用于提供第二差分输出信号的第一电极结构和第二电极结构，以及在第一电极结构和第二电极结构之间的第三电极结构。一种偏置电路，用于将第一偏置电压提供给第一差分MEMS传感器设备的第三电极结构，并将第二偏置电压提供给第二差分MEMS传感器设备的第三电极结构，第一偏置电压和第二偏置电压相对于参考电压对称地偏移。读出电路被配置为以反并行方式组合第一差分输出信号和第二差分输出信号。合第一差分输出信号和第二差分输出信号。合第一差分输出信号和第二差分输出信号。

【技术实现步骤摘要】
MEMS换能器以及用于操作该MEMS换能器的方法


[0001]本专利技术总体地涉及电子设备，并且在特别的实施例中，涉及MEMS换能器和用于操作该MEMS换能器的方法。MEMS换能器将能量从一种形式转换到另一种形式。MEMS换能器、特别是差分MEMS换能器的常见示例包括麦克风、扬声器、位置和压力传感器。首字母缩略词MEMS是微机电系统的简称。

技术介绍

[0002]音频麦克风通常在各种消费者应用(诸如，蜂窝电话、数字录音机、个人计算机和电话会议系统)中被使用。在设计电容性MEMS设备(例如声音换能器、压力传感器、加速度传感器、麦克风或扬声器)时，通常被期望的是实现换能器输出信号的高信噪比(SNR)。换能器的持续小型化可能相对于被期望的高信噪比造成新的挑战。MEMS麦克风以及在相同程度上也可以在例如移动电话、膝上型计算机和类似的(移动或固定)设备中被使用的MEMS扬声器如今可以被实现为半导体(硅)麦克风或微机电系统(MEMS)。为了具有竞争力以及提供预期的性能，高性能硅麦克风被需要以实现声学性能(信噪比和总谐波分布)以及对外部环境的鲁棒性二者。如此一来，两个或更多个单独的麦克风可以被组合，以实现比大型单独麦克风更高的性能和鲁棒性，以及更好的冲击恢复。
[0003]在以小形状因子封装实现MEMS麦克风的应用中(诸如智能电话或平板式计算机)，MEMS麦克风通常被耦合到集成电路，该集成电路偏置MEMS麦克风，放大MEMS麦克风的输出，并且在MEMS麦克风的电输出上执行模数转换。在MEMS设备的制造期间，在中心定子和夹着该定子的膜或电极之间的距离可能会出现小的不对称，这可能会影响信噪比和总谐波失真。然而，高性能麦克风需要既具有改善的声学性能，又对外部环境具有改善的鲁棒性。
[0004]总体上，在本领域中存在针对实现改善的MEMS感测设备(诸如具有减少的故障敏感性并且提供改善的SNR)的需要。
[0005]这样的需要可以由根据权利要求1所述的MEMS换能器、根据权利要求11所述的声学感测设备以及根据权利要求13所述的操作MEMS换能器的方法解决。

技术实现思路

[0006]根据实施例，MEMS换能器包括至少一对差分MEMS传感器设备。一对差分MEMS传感器设备包括第一差分MEMS传感器设备和第二差分MEMS传感器设备。第一差分MEMS传感器设备包括用于提供第一差分输出信号的第一电极和第二电极结构。被提供在第一电极结构和第二电极结构之间的第三电极结构。提供了偏置电路，用于将第一偏置电压提供给第一差分MEMS传感器设备的第三电极结构，以及将第二偏置电压提供给第二差分MEMS传感器设备的第三电极结构，其中第一偏置电压和第二偏置电压相对于参考电压对称地偏移。读出电路被配置为在反并行方式中组合第一差分输出信号和第二差分输出信号。通过提供在反并行配置中的两个差分MEMS传感器设备(尤其是基本相等的构造)，孪生MEMS换能器被引入。通过将至少两个差分MEMS传感器设备作为具有反并行配置的孪生MEMS传感器进行操作，所
发现的是其声学性能和对外界环境的鲁棒性二者都得到了改善。根据另一实施例，声感测设备包括：外壳；声音端口，具有用于使声波传递到在声学感测设备内部的声音端口入口；以及本文所公开的MEMS换能器。根据另一实施例，操作本文所公开的MEMS换能器的方法包括：将偏置电压提供给第一差分MEMS传感器设备和第二差分MEMS传感器设备的第三电极结构的每个第三电极结构，其中第一偏置电压和第二偏置电压相对于参考电压(尤其通用参考电压)对称地偏移。该方法还包括通过连接第一差分MEMS传感器设备的第一输出抽头和第二差分MEMS传感器设备的第二输出抽头，以及通过连接第一差分MEMS传感器设备的第二输出抽头和第二差分MEMS传感器设备的第一输出抽头来读出第一差分输出信号和第二差分输出信号；以及将第一差分输出信号和第二差分输出信号反并行组合。
附图说明
[0007]为了更完整地理解所呈现的实施例，以及由其产生的技术效果，现在将在以下参考附图来描述，其中：
[0008]图1图示了间隙不对称到电容不对称的转换的示意性表示；
[0009]图2图示了反并行耦合到可编程增益放大器PGA的两个差分MEMS传感器设备的示意图；
[0010]图3图示了反并行耦合到可编程增益放大器PGA的两个差分MEMS传感器设备的示意图；
[0011]图4图示了作为电路图示的麦克风的示意性设置，该电路图用于模拟被反并行耦合的两个差分MEMS传感器设备的读出；
[0012]图5图示了基于反并行耦合的两个MEMS传感器设备的间隙不对称的信号不对称的图；
[0013]图6图示了基于针对在以并行方式耦合的孪生MEMS的间隙不对称的信号不对称的图；
[0014]图7图示了基于针对以反并行方式耦合的MEMS传感器设备的间隙不对称的信号不对称的图，其中至少一个偏置电压源具有电压偏移；
[0015]图8图示了针对MEMS的不同配置的响应于冲击的图(即，基于时间的输出信号)；
[0016]图9图示了针对MEMS设备的不同配置的基于时间的感测到的信号的图；以及
[0017]图10图示了操作孪生MEMS设备的实施例方法的流程图。
[0018]在使用附图进一步详细讨论所呈现的实施例之前，要指出的是在附图和说明书中，相同的元件和具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元件通常具有相同的附图标记或用相同的名称标识，以便在不同实施例中所图示的这些元件及其功能的描述是可相互交换的，或者可以在不同实施例中被应用。
具体实施方式
[0019]在以下描述中详细讨论了实施例，然而，应当被认识到的是，实施例提供了许多可以在多种半导体设备中实施的适用的构思。所讨论的具体实施例只是制作和使用本构思的特定方法的说明，并且不限制实施例的范围。在以下对实施例的描述中，具有相同功能的相同或类似元件与相同的附图标记或相同的名称相关联，并且针对每个实施例将不重复对这
样的元件的描述。此外，除非另有特别说明，否则下文描述的不同实施例的特征可以被彼此组合。
[0020]要理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以被直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相对地，当元件被称为“直接”连接(“连接”或“耦合”)到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述在元件之间关系的其他术语应当在类似的方式中进行解释(例如，“在
……
之间”与“直接在
……
之间”，“相邻”与“直接地相邻”，“在
……
上”与“直接在
……
上”等)。
[0021]为了促进对不同实施例的描述，图1至图3包括笛卡尔坐标系x、y、z，其中x-y平面对应于(即并行于)MEMS传感器设备的第一主表面区域(＝第一电极结构、第二电极结构或第三电极结构)，以及其中，垂直于第一主表面区域的方向对应于“z”方向(即与z方向并行)。在以下公开中，术语“横向”要被理解为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS换能器(30)，包括：至少一对差分MEMS传感器设备(10、20)，其中第一差分MEMS传感器设备(10)包括用于提供第一差分输出信号的第一电极结构和第二电极结构(14、16)，以及在所述第一电极结构和所述第二电极结构(14、16)之间的第三电极结构(12)，其中第二差分MEMS传感器设备(20)包括用于提供第二差分输出信号的第一电极结构和第二电极结构(24、26)，以及在所述第一电极结构和所述第二电极结构(24、26)之间的第三电极机构(22)，偏置电路(11)，用于将第一偏置电压提供给所述第一差分MEMS传感器设备(10)的所述第三电极结构(12)，以及用于将第二偏置电压提供给所述第二差分MEMS传感器设备(20)的所述第三电极结构(22)，其中所述第一偏置电压和所述第二偏置电压相对于参考电压对称地偏移，以及读出电路系统(15、17、40)，被配置为以反并行方式组合所述第一差分输出信号和所述第二差分输出信号。2.根据权利要求1所述的MEMS换能器(30)，其中所述MEMS换能器(30)包括双膜配置，其中所述第一电极结构(14、24)是第一膜，所述第二电极结构(16、26)是第二膜，并且其中所述第三电极结构(12、22)是背板。3.根据权利要求1所述的MEMS换能器(30)，其中所述MEMS换能器包括双背板配置，其中所述第一电极结构(14、24)是第一背板，所述第二电极结构(16、26)是第二背板，并且其中所述第三电极结构(12、22)是膜。4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS换能器(30)，其中除了制造偏差之外，所述第一差分MEMS传感器设备和所述第二差分MEMS传感器设备(10、20)被相同地构造，以及其中所述第一差分MEMS传感器设备和所述第二差分MEMS传感器设备(10、20)被布置为孪生配置。5.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS换能器(30)，其中所述第一差分输出信号被提供在所述第一差分MEMS传感器设备(10)的第一输出抽头和第二输出抽头(18、19)之间，并且所述第二差分输出信号被提供在所述第二差分MEMS传感器设备(20)的第一输出抽头和第二输出抽头(28、29)之间，其中所述第一差分MEMS传感器(10)的所述第一输出抽头(18)与所述第一差分MEMS传感器设备(10)的所述第一电极结构(14)连接，并且所述第一差分MEMS传感器设备(10)的所述第二输出抽头(19)与所述第一差分MEMS传感器设备(10)的所述第二电极结构(16)连接，以及其中所述第二差分MEMS传感器设备(20)的所述第一输出抽头(28)与所述第二差分MEMS传感器设备(20)的所述第一电极结构(24)连接，并且所述第二差分MEMS传感器设备(20)的所述第二输出抽头(29)与所述第二差分MEMS传感器设备(20)的所述第二电极结构(26)连接；以及其中组合的第一差分输出信号和第二差分输出信号的读出由所述第一差分MEMS传感器和所述第二差分MEMS传感器(10、20)的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：