本申請(qǐng)涉及與電容性傳感器的測(cè)試有關(guān)的設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

電容性傳感器（也稱為電容性換能器）對(duì)要通過(guò)傳感器的電容的改變而測(cè)量的物理量做出響應(yīng)，該改變進(jìn)而可以被適當(dāng)?shù)淖x出電路檢測(cè)。這樣的電容性傳感器的示例包括壓強(qiáng)傳感器或麥克風(fēng)。近來(lái)，這樣的電容性傳感器已經(jīng)越來(lái)越多地被實(shí)現(xiàn)為微機(jī)電系統(tǒng)（mems），其中傳感器本身連同附加電路一起可以例如被實(shí)現(xiàn)在單個(gè)硅芯片管芯上。具有兩個(gè)或更多分離的管芯（例如，一個(gè)管芯具有機(jī)械傳感器并且一個(gè)管芯具有電子電路）的實(shí)現(xiàn)方式。在這樣的情況下，分離的管芯可以例如利用其他技術(shù)（比如硅穿孔（tsv））而引線接合或連接。

這樣的電容性傳感器通常包括可移動(dòng)膜以及一個(gè)或多個(gè)背板，在該膜與該一個(gè)或多個(gè)背板之間形成電容。要測(cè)量的物理量（例如，壓強(qiáng)或聲音）使該膜移動(dòng)，從而改變?cè)撃づc該一個(gè)或多個(gè)背板之間的電容。在差分實(shí)現(xiàn)方式中，膜被布置在兩個(gè)背板之間，從而形成兩個(gè)電容。當(dāng)膜移動(dòng)時(shí)，（處于膜與背板中的一個(gè)之間的）電容之一增加，而（在膜與背板中的另一個(gè)之間形成的）另一個(gè)電容減小。為了讀出傳感器，將偏置施加到電容。電容的改變?nèi)缓笠疠敵鲂盘?hào)。

存在用于讀取這樣的電容性傳感器的各種一般方案。第一方案在本文中被稱為恒定電壓偏置。在該方案中，偏置電壓被保持為恒定，并且電容的改變使電流流動(dòng)，其充當(dāng)輸出信號(hào)。另一個(gè)方案在本文中被稱為恒定電荷偏置。此處，電容經(jīng)由高阻抗連接而偏置。當(dāng)電容改變時(shí)，電容上的電荷至少在電容變化的典型時(shí)間尺度上保持實(shí)質(zhì)上恒定，這是因?yàn)椋河捎诟咦杩?，電荷不能足夠快地離開(kāi)電容。這引起電壓信號(hào)的生成，該電壓信號(hào)可以經(jīng)由高阻抗放大器而讀出。

當(dāng)制造這樣的電容性傳感器時(shí)，電容可以例如由于工藝變化而變化。此外，在差分傳感器的情況下，在以上提及的膜的靜止位置中可具有名義上相等的值的電容可能由于這樣的工藝變化而事實(shí)上具有不同值。出于這些和其他原因，對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試?yán)缫员銣y(cè)量電容或電容之間的差異是合期望的。

已經(jīng)針對(duì)這樣的測(cè)量做出各種方案，其通常涉及將測(cè)試信號(hào)施加到傳感器。雖然這些方案中的許多相當(dāng)適合于正在恒定電壓偏置方案中使用的傳感器，但它們可能不完全適合于恒定電荷偏置方案。特別地，在恒定電荷偏置方案中，可能處于gω范圍或更高范圍中的所使用的高阻抗實(shí)際上充當(dāng)具有比較慢的時(shí)間常量的濾波器，這使施加合適的測(cè)試信號(hào)而不干擾傳感器的實(shí)際操作變得困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一方面，提供了一種傳感器設(shè)備，包括：電容性傳感器；以及電壓源，其被配置成提供偏置電壓。電壓源經(jīng)由高阻抗組件耦合到電容性傳感器的端子，所述高阻抗組件提供至少1mω的歐姆電阻。傳感器設(shè)備還包括測(cè)試信號(hào)生成器，其被配置成提供測(cè)試信號(hào)，其中測(cè)試信號(hào)生成器經(jīng)由不包括高阻抗組件的路徑耦合到電容性傳感器的端子。

根據(jù)另一方面，提供了一種方法，包括：經(jīng)由高阻抗組件將偏置電壓施加到電容性傳感器的端子，所述高阻抗組件具有至少1mω的歐姆電阻；以及經(jīng)由排除高阻抗組件的路徑將測(cè)試信號(hào)施加到電容性傳感器。

根據(jù)又一方面，提供了一種傳感器設(shè)備，包括：差分電容性傳感器，其包括第一可變電容和第二可變電容；以及偏置電壓源。偏置電壓源與高阻抗組件的第一端子耦合，并且高阻抗組件的第二端子與第一可變電容和第二可變電容之間的節(jié)點(diǎn)耦合。傳感器還包括測(cè)試信號(hào)生成器，其中測(cè)試信號(hào)生成器的輸出與交流電（ac）耦合電容的第一端子耦合，并且ac耦合電容的第二端子與第一高阻抗組件的第二端子耦合。又進(jìn)一步，所述傳感器設(shè)備包括耦合在第一可變電容和參考電壓之間的第二高阻抗組件、耦合在第二可變電容和參考電壓之間的第三高阻抗組件、耦合到第一可變電容的第一高阻抗放大器以及耦合到第二可變電容的第二高阻抗放大器。

以上發(fā)明內(nèi)容僅意圖給出對(duì)一些實(shí)施例和方面的一些特征的簡(jiǎn)要概覽，且不被解釋為進(jìn)行限制，這是由于實(shí)現(xiàn)方式還可以具有與以上討論的特征不同的特征。

附圖說(shuō)明

圖1是用于解釋用于實(shí)施例的應(yīng)用環(huán)境的示圖。

圖2是根據(jù)實(shí)施例的傳感器設(shè)備的示意性框圖。

圖3是根據(jù)實(shí)施例的傳感器設(shè)備的電路圖。

圖4示出了圖示一些實(shí)施例的操作的示意性示例信號(hào)。

圖5是根據(jù)實(shí)施例的傳感器設(shè)備的電路圖。

圖6是根據(jù)實(shí)施例的傳感器設(shè)備的電路圖。

圖7a和7b圖示了針對(duì)實(shí)現(xiàn)方式的仿真結(jié)果。

圖8是根據(jù)實(shí)施例的方法的流程圖。

圖9圖示了用于解釋一些實(shí)施例的一些特征的示例靈敏度曲線。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖來(lái)詳細(xì)描述各種實(shí)施例。這些實(shí)施例僅通過(guò)示例的方式給出，且不應(yīng)被解釋為進(jìn)行限制。例如，雖然可以利用眾多細(xì)節(jié)、特征或元件來(lái)描述實(shí)施例，但這不應(yīng)被解釋為指示所有這些細(xì)節(jié)、特征或元件對(duì)于實(shí)現(xiàn)方式而言是必要的。取而代之，在其他實(shí)施例中，這些細(xì)節(jié)、特征或元件中的一些可以被省略，以及/或者被可替換細(xì)節(jié)、特征或元件所替代。此外，在除明確描述或在附圖中示出的特征或元件外的實(shí)施例中，可以提供附加特征或元件，例如在電容性傳感器設(shè)備中常規(guī)使用的特征或元件。

在附圖中示出或在本文中描述的任何連接或耦合可以是直接連接或耦合（即，沒(méi)有居間元件（比如，簡(jiǎn)單的金屬線或?qū)樱┑倪B接或耦合），或者還可以是包括一個(gè)或多個(gè)附加居間元件的間接連接或耦合，只要實(shí)質(zhì)上維持連接或耦合的一般目的例如以便傳輸某種信息或某種信號(hào)或者執(zhí)行某種控制即可。來(lái)自各種實(shí)施例的特征可以被組合以形成另外的實(shí)施例，除非互相排斥。針對(duì)實(shí)施例之一描述的變型和修改還可以適用于其他實(shí)施例。

貫穿附圖，相似的元件利用相同的參考標(biāo)號(hào)而指定，并且為了簡(jiǎn)明，將不詳細(xì)重復(fù)對(duì)應(yīng)描述。這不應(yīng)被解釋為指示所有這些特征必須在各種實(shí)施例中以完全相同的方式實(shí)現(xiàn)。

雖然在一些實(shí)施例中出于說(shuō)明的目的而給出數(shù)值作為示例，但這些數(shù)值僅服務(wù)于進(jìn)一步說(shuō)明的目的，且不應(yīng)被解釋為進(jìn)行限制，這是由于實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式中的值可以取決于實(shí)現(xiàn)方式細(xì)節(jié)而變化。

如本文中使用的術(shù)語(yǔ)電路不限于包括多個(gè)電路組件的電路，而是還可以指代僅具有單個(gè)組件（例如，單個(gè)電容器）的電路。

一些實(shí)施例涉及使用恒定電荷偏置和電壓讀出的傳感器設(shè)備。作為一些實(shí)施例的詳細(xì)描述的前奏，參考圖1，將解釋具有這樣的恒定電荷偏置的傳感器設(shè)備，以使得能夠更好地理解其中可以實(shí)現(xiàn)一些實(shí)施例的環(huán)境。

圖1中圖示的傳感器設(shè)備包括差分電容性傳感器，其被表示為可變電容12a和12b。這樣的傳感器可以例如是麥克風(fēng)或壓強(qiáng)傳感器。傳感器可以被實(shí)現(xiàn)為微機(jī)電系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，這允許在單個(gè)硅芯片管芯上連同圖1中示出的電路或其部分一起的實(shí)現(xiàn)。例如，如圖1中所示，傳感器可以被實(shí)現(xiàn)為具有兩個(gè)背板19、110之間的可移動(dòng)膜111。電容12a可以例如是背板19和膜111之間的電容，并且電容12b可以是背板110和膜111之間的電容。當(dāng)膜111由于要測(cè)量的物理量（例如，壓強(qiáng)或聲波）而移動(dòng)時(shí)，隨著膜111位移，電容12a、12b改變其值。還可以使用其他傳感器實(shí)現(xiàn)方式。

在圖1中圖示的恒定電荷偏置方案中，電容12a、12b之間的節(jié)點(diǎn)（例如，膜111）被由電壓源10生成的偏置電壓vbias經(jīng)由高阻抗11而偏置。高阻抗11可以例如具有超過(guò)1mω、超過(guò)10mω或超過(guò)100mω（例如大約1gω或更高）的歐姆電阻。電容12a和12b之間的節(jié)點(diǎn)處的作為結(jié)果的電壓（例如，膜111處的電壓）在圖1中被標(biāo)記為vm。

vp指定電容12a處（例如，背板19處）的電壓，并且vn指定電容12b（例如，背板110）處的電壓。電容12a是利用參考電壓vref經(jīng)由高阻抗13來(lái)偏置的，并且電容12b（例如，背板110）是利用vref經(jīng)由高阻抗14來(lái)偏置的。高阻抗13、14均可以具有下述歐姆電阻：至少一mω，例如10mω或更多、100mω或更多，例如大約一gω或甚至更多（10gω或大約100gω）。

由于所施加的信號(hào)（例如，引起膜111的移動(dòng)的聲壓）而引起的電容的改變導(dǎo)致電壓的改變，在圖1中示意性地示為vp(t)和vn(t)。電壓被具有高阻抗輸入的放大器15、16放大。可以在輸出17、18處分接（tap）輸出信號(hào)，并對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行評(píng)估以確定所測(cè)量的物理量（例如，壓強(qiáng)或聲音）。

在物理量的測(cè)量期間，電容12a、12b上的電荷至少在vp(t)和vn(t)的變化的時(shí)間尺度上保持實(shí)質(zhì)上恒定，這是由于高阻抗防止了電流的快速流動(dòng)（對(duì)應(yīng)于電荷的改變）。

一般地，經(jīng)過(guò)電容器的電流由其電荷相對(duì)于時(shí)間的變化給出。

（1）。

在等式（1）中，ic是經(jīng)由電容器的電流，q是電容器的電荷，c是電容器的電容，并且v是跨電容器的電壓。要測(cè)量的物理量引起電容的改變（dc/t≠0）。在恒定電荷偏置中，沒(méi)有電流流動(dòng)（ic=0），并且因此，根據(jù)等式（1），發(fā)生電壓改變（dv/dt≠0）。類似地，通過(guò)使電壓發(fā)生變化，可以引起電容的改變。

在實(shí)施例中，如將在下文中更詳細(xì)討論的那樣，為了獨(dú)立于要測(cè)量的物理量（例如，對(duì)于靜止位置，在沒(méi)有施加聲音的情況下）而測(cè)量電容12a、12b，需要將交流電（ac）測(cè)試信號(hào)施加于電容12a、12b之間的節(jié)點(diǎn)。然而，由于高阻抗11的濾波效應(yīng)，提供這樣的ac測(cè)試信號(hào)疊加在vbias上可能是困難的。此外，必須注意，電容12a、12b上的電荷在施加測(cè)試信號(hào)時(shí)保持實(shí)質(zhì)上恒定，以便不干擾物理量的測(cè)量。類似的考慮適用于被施加于vref的測(cè)試信號(hào)，其中高阻抗13、14連同電容12a、12b一起充當(dāng)?shù)屯V波器。

圖2圖示了根據(jù)實(shí)施例的提供針對(duì)可以如何施加這樣的測(cè)試信號(hào)的機(jī)制的傳感器設(shè)備。

圖2的傳感器設(shè)備包括差分電容性傳感器22，例如，如電容12a、12b所表示和/或如參考圖1中的19、110和111所解釋。差分電容性傳感器22（例如，其電容之間的膜或中間節(jié)點(diǎn)）被傳感器偏置電路20經(jīng)由高阻抗21來(lái)偏置。高阻抗21可以是例如1mω或更多、10mω或更多、100mω或更多、或者甚至在gω范圍中。

差分電容性傳感器22的輸出（例如，圖1中的vp、vn）在圖2中被標(biāo)記為25和26。

圖2的設(shè)備附加地包括測(cè)試信號(hào)生成器24，其經(jīng)由ac耦合23將測(cè)試信號(hào)施加于高阻抗21和差分電容性傳感器22之間的節(jié)點(diǎn)。ac耦合23是阻塞dc（直流電）信號(hào)但令ac（交流電）信號(hào)至少在某種程度上通過(guò)的耦合。可以例如使用一個(gè)或多個(gè)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)ac耦合23。

以此方式，測(cè)試信號(hào)可以被施加于差分電容性傳感器22而沒(méi)有高阻抗21提供低通濾波。

然后可以經(jīng)由評(píng)估電路27來(lái)評(píng)估差分電容性傳感器22對(duì)由測(cè)試生成器24生成的測(cè)試信號(hào)的響應(yīng)。評(píng)估電路27可以例如被實(shí)現(xiàn)為專用集成電路（asic）或具體編程的微處理器，但不限于此。響應(yīng)于評(píng)估，評(píng)估電路27然后可以例如校準(zhǔn)差分電容性傳感器22，可以調(diào)整偏置電壓（例如，如傳感器偏置電路20所提供），或者可以采取其他動(dòng)作，例如存儲(chǔ)值以用于文檔化目的。該分析和對(duì)該分析做出響應(yīng)的可能性的一些細(xì)節(jié)將在下文中進(jìn)一步解釋。

圖3圖示了傳感器設(shè)備的另外的實(shí)施例。圖3的傳感器設(shè)備基于圖1的傳感器設(shè)備，并且為了避免重復(fù)，相似元件承載相同參考標(biāo)號(hào)且將不再次詳細(xì)描述。

除了已經(jīng)參考圖1描述和討論的組件之外，圖3的傳感器設(shè)備還包括測(cè)試信號(hào)生成器30，其生成ac測(cè)試信號(hào)。ac測(cè)試信號(hào)可以例如是實(shí)質(zhì)上矩形的信號(hào)，如在圖3中圖示的那樣，其可以是至少部分地使用數(shù)字電路來(lái)容易地生成的。然而，在實(shí)施例中可使用的測(cè)試信號(hào)不限于在圖3中示出的波形，而是還可以使用其他波形，例如正弦波形。

由測(cè)試信號(hào)生成器30生成的對(duì)應(yīng)于測(cè)試電壓vtest的測(cè)試信號(hào)經(jīng)由由電容31（也標(biāo)記為ctest）實(shí)現(xiàn)的ac耦合而施加于電容12a和12b之間的節(jié)點(diǎn)。特別地，測(cè)試信號(hào)被施加于高阻抗11與電容12a和12b之間的節(jié)點(diǎn)之間，如圖3中所示，使得由于高阻抗11而引起的濾波不是對(duì)于施加ac測(cè)試信號(hào)而言的顯著問(wèn)題。當(dāng)施加ac測(cè)試信號(hào)時(shí)，電壓vp、vn響應(yīng)于此而展現(xiàn)出時(shí)間行為，如還在圖3中針對(duì)vp(t)和vn(t)示意性地圖示的那樣?？梢越?jīng)由放大器15、16讀出對(duì)測(cè)試信號(hào)的這些響應(yīng)。因此，在圖3的實(shí)施例中，當(dāng)感測(cè)到期望的物理量時(shí)，放大器15、16被用于測(cè)試目的和用于傳感器的正常讀出二者，如圖3中圖示的那樣。雖然在圖3中示出了其中放大器15、16用于讀出的簡(jiǎn)化電路圖，但在實(shí)施例中可以使用任何常規(guī)讀出方案，例如常規(guī)開(kāi)關(guān)電容器讀出方案。解調(diào)電路（例如，圖2的評(píng)估電路27）可以輸出耦合到放大器15、16的輸出（即，到端子17、18）以評(píng)估信號(hào)vp(t)和vn(t)，其可以例如涉及基于ac測(cè)試信號(hào)的解調(diào)。特別地，在一個(gè)實(shí)施例中，ac測(cè)試信號(hào)可以使用晶體振蕩器或用于例如計(jì)時(shí)目的的其他片上參考振蕩器而生成。cmos驅(qū)動(dòng)器或cmos驅(qū)動(dòng)器鏈然后可以用于提供具有足夠強(qiáng)度的ac測(cè)試信號(hào)，如所期望的那樣。解調(diào)電路可以基于開(kāi)關(guān)電容器。

如此生成的測(cè)試信號(hào)可以是cmos兼容的，且可以從在芯片上可用的振蕩器導(dǎo)出，這實(shí)際上是在大部分芯片中的情況。例如，常規(guī)地，這樣的振蕩器可以用于啟動(dòng)/定時(shí)/計(jì)時(shí)目的，例如以便對(duì)電荷泵計(jì)時(shí)。由于電容31而引起的測(cè)試信號(hào)在節(jié)點(diǎn)vm處在較高電壓處移位。

特別地，電容12a、12b充當(dāng)電容性分壓器，其將所施加的測(cè)試信號(hào)拆分成vp(t)和vn(t)。在電容12a、12b具有相同值的情況下，信號(hào)vp(t)和vn(t)應(yīng)當(dāng)相等。在不同電容的情況下，信號(hào)不相等。

這在圖4中圖示。圖4示出了針對(duì)沒(méi)有不對(duì)稱性（電容12a、12b相等；圖4中信號(hào)的左列）的情況和針對(duì)不相等電容12a、12b（圖4中信號(hào)的右列）的示例信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖4中圖示的信號(hào)僅僅充當(dāng)用于解釋構(gòu)成一些實(shí)施例的基礎(chǔ)的一些原理的簡(jiǎn)化示例，并且實(shí)際信號(hào)波形可以不同。

所施加的測(cè)試信號(hào)（圖4中的第一行）對(duì)于這兩種情況而言相等。在沒(méi)有不對(duì)稱性的情況下，信號(hào)vp(t)和vn(t)相等，并且信號(hào)之間的差vpn,diff(t)（圖4中的最后一行）是零。相比而言，在電容不平衡的情況下，信號(hào)vp(t)和vn(t)不相等（圖4的右列中的實(shí)線；虛線示出左列的信號(hào)以供參考），并且差信號(hào)vpn,diff(t)在至少一部分時(shí)間不同于零。以此方式，可以檢測(cè)到例如由于制造容限而引起的電容不平衡。稍后將討論這樣的測(cè)量的應(yīng)用。

在一些實(shí)施例中，圖3中示出的電路可以完全由標(biāo)準(zhǔn)cmos（互補(bǔ)金屬氧化物硅）工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。在其他實(shí)施例中，可以使用其他制造工藝。在一些情況下，（例如，大約5pf的）比較大的電容可以是必要的作為電容31，以便能夠施加具有充分準(zhǔn)確度和強(qiáng)度的測(cè)試信號(hào)。由于這樣的電容需要（例如，大約200μmx200μm的）比較大的電路面積，因此在一些實(shí)施例中，它可以被實(shí)現(xiàn)為外部電容。在其他實(shí)施例中，在電荷泵中使用的電容可以附加地用作電容31，使得不需要附加電容。

例如，在許多應(yīng)用中，電壓vm需要比較高（例如，大約9到11v），并且因此，偏置電壓vbias也需要在該范圍中。這樣的電壓比通常的cmos供給電壓更高，通常的cmos供給電壓通常是例如5v、3.3v或以下。為了生成這樣的高電壓，偏置電壓生成器10可以包括電荷泵，其將標(biāo)準(zhǔn)供給電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)于偏置而言需要的更高電壓。這樣的電荷泵通常需要高電容。這些電容之一然后可以附加地用作電容31以提供用于信號(hào)的ac耦合。開(kāi)關(guān)可以被提供以在需要測(cè)試時(shí)將該電容耦合到測(cè)試信號(hào)生成器30和電容12a、12b（即，到傳感器）。特別地，這樣的電容常規(guī)地用在電荷泵中以使電荷泵輸出平滑，這是由于否則電荷泵具有殘余波紋，其在輸出信號(hào)中將是噪聲貢獻(xiàn)。由于高阻抗11，這樣的電容常常在數(shù)十pf的數(shù)量級(jí)，以具有低于音頻帶寬的極點(diǎn)，且因此也可以用作電容31。

圖5圖示了根據(jù)另外的實(shí)施例的傳感器設(shè)備。

在圖5中，圖示了更詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方式，其基于圖3的實(shí)施例，并且相似的元件再次承載相同參考標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)50一般指定負(fù)責(zé)具有電容12a、12b的傳感器54的高電壓高歐姆偏置的部分。部分50包括偏置電壓源10，其如已經(jīng)討論的那樣可以使用電荷泵而實(shí)現(xiàn)。為了提供到傳感器54的高阻抗耦合，提供了如所示的那樣耦合的電阻器51（例如具有1mω或更多、10mω或更多、100mω或更多或者甚至在gω范圍中的歐姆電阻）和偏置電容52。電阻器51和電容52形成圖3的高阻抗11的示例。其他實(shí)現(xiàn)方式也是可能的。

標(biāo)號(hào)53一般指定用于施加測(cè)試信號(hào)的電路部分，其如已經(jīng)參考圖3討論的那樣包括測(cè)試信號(hào)源30和電容31。如已經(jīng)解釋的那樣，電容31可以是也在偏置電壓生成器10的電荷泵中使用的電容。

標(biāo)號(hào)55a和55b指定用于電容12a、12b（例如用于如參考圖1解釋的傳感器的背板（例如，背板19、110））的偏置級(jí)。它們包括高歐姆電阻器56、57（例如，具有1mω或更多、10mω或更多、100mω或更多或者甚至在gω范圍中的歐姆電阻），其分別是圖3的高阻抗元件13、14的示例。標(biāo)號(hào)510a和510b一般指定電路的高輸入阻抗放大器級(jí)，其分別利用如已經(jīng)參考圖3討論的具有輸出17、18的放大器15、16而實(shí)現(xiàn)。

此外，在圖5中，圖示了寄生電容58、59。這樣的寄生電容可以包括放大器15、16的輸入級(jí)的有源寄生效應(yīng)（例如，輸入晶體管的柵極電容）、例如處于傳感器54的背板與襯底之間的寄生效應(yīng)和/或例如由引線接合引起的寄生效應(yīng)。這樣的寄生電容影響如先前解釋的那樣由電容12a、12b形成的分壓器。還可以以關(guān)于圖4圖示的方式檢測(cè)由這樣的寄生電容引起的不對(duì)稱性。這樣的寄生電容還可以由雙芯片解決方案引起，其中例如，在分離的芯片管芯上提供傳感器54和電路的其他部分。這樣的寄生電容通常在組裝中被良好地控制。然而，可以如參考圖4解釋的那樣測(cè)量由這些電容引起的偏移并通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償該偏移。

在圖5的實(shí)施例中，提供了到放大級(jí)510a、510b（也稱為前端或其部分）的dc耦合。在其他實(shí)施例中，可以提供ac耦合。在圖6中示出了具有這樣的ac耦合的傳感器設(shè)備的示例。在圖6中，偏置級(jí)55a、55b已經(jīng)分別被偏置級(jí)60a、60b所替代。以其他方式，圖6的實(shí)施例對(duì)應(yīng)于圖5的實(shí)施例，并且因此，將僅詳細(xì)討論偏置級(jí)60a、60b以避免重復(fù)。

在圖6中，偏置級(jí)60a、60b中的每一個(gè)包括：兩個(gè)偏置電阻器61、63，在偏置級(jí)60a的情況下耦合到參考電壓vref；以及兩個(gè)偏置電阻器65、67，在偏置級(jí)60b的情況下耦合到vref。電阻器61、63、65和67均可以具有一mω或更多、10mω或更多、100mω或更多或者甚至在gω范圍中的歐姆電阻。此外，提供了ac耦合電容器62、66，其提供傳感器54和放大器級(jí)510a、510b之間的ac耦合。在該方面中ac耦合特別地如先前針對(duì)由電容器31提供的ac耦合而解釋的那樣意指dc信號(hào)實(shí)質(zhì)上被阻塞。標(biāo)號(hào)64、68指定寄生電容。

電容器62、66的電容值cac處于幾pf的范圍中，且因此當(dāng)與寄生電容64、68串聯(lián)時(shí)是可忽略的，寄生電容64、68表示放大器15、16的輸入寄生效應(yīng)。電容64、68可以具有大約幾百ff的電容值。電容器62、66的值cac特別地被選擇成使得在傳感器54是麥克風(fēng)（通常具有20-80hz的下界）的情況下的典型音頻信號(hào)或要測(cè)量的其他信號(hào)（例如，壓強(qiáng)信號(hào)）經(jīng)由電容62、66而傳輸。換言之，電容62、66實(shí)質(zhì)上充當(dāng)具有轉(zhuǎn)角頻率的高通濾波器，使得音頻信號(hào)或者其他期望信號(hào)可以通過(guò)。

由于電容62、66具有由于寄生電容而引起的實(shí)質(zhì)上可忽略的效應(yīng)，如所解釋的那樣，因此與圖5的dc耦合相比，傳感器54的操作及其讀出（特別是傳感器54的靈敏度）并不顯著地被圖6中圖示的ac耦合的讀出所更改。

為了進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例的操作，圖7a和7b圖示了針對(duì)如上公開(kāi)的在靜止位置（即，沒(méi)有要測(cè)量的比如聲音或壓強(qiáng)之類的信號(hào)）中具有兩個(gè)電容12a、12b之間的變化的不平衡性的示例設(shè)備的仿真結(jié)果。圖7b圖示了針對(duì)不同不平衡性的測(cè)試信號(hào)的一個(gè)循環(huán)內(nèi)的曲線。在圖7b中示出的示例中，測(cè)試信號(hào)的循環(huán)長(zhǎng)度（周期）是1μs。圖7b中的曲線圖示了在一個(gè)周期內(nèi)的差分輸出信號(hào)（實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)于圖4的最后一行的信號(hào)）vpn,diff(t)。

圖7a示出了在電容不平衡性（即，電容之間的差）上針對(duì)具體時(shí)間（即499ns）的圖7b的曲線的值。如可以看到的那樣，在仿真示例中，存在實(shí)質(zhì)上線性的關(guān)系。因此，可以測(cè)量電容不平衡性。應(yīng)當(dāng)注意的是，在圖7a和7b中給出的數(shù)值、周期長(zhǎng)度等僅服務(wù)于說(shuō)明目的，并且電壓值、時(shí)間值等可以取決于實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式而變化。

因此，如從圖7a和7b中可見(jiàn)，可以測(cè)量電容不平衡性。這些進(jìn)而可以用于確定傳感器性質(zhì)，比如拉入（pull-in）電壓，和/或可以用于校準(zhǔn)目的，其將參考圖8和9進(jìn)一步解釋。

圖8是圖示了根據(jù)實(shí)施例的方法的流程圖。圖8的方法可以例如使用先前討論的傳感器設(shè)備而實(shí)現(xiàn)，并且圖8的方法的執(zhí)行可以由比如圖2的評(píng)估電路27之類的控制器來(lái)控制。然而，圖8的方法還可以適用于其他傳感器設(shè)備。此外，雖然圖8的方法被表示為一系列動(dòng)作或事件，但這些動(dòng)作或事件被呈現(xiàn)和示出的次序不應(yīng)被解釋為進(jìn)行限制。例如，動(dòng)作或事件中的一些可以同時(shí)被不同電路部分執(zhí)行，以及/或者可以重復(fù)或連續(xù)地執(zhí)行。

在80處，將測(cè)試信號(hào)施加于偏置阻抗（特別地，如上討論的那樣，具有多于一mω的歐姆電阻的偏置阻抗）與傳感器之間的節(jié)點(diǎn)。在特定實(shí)現(xiàn)方式中，測(cè)試信號(hào)可以被施加于偏置阻抗與處于差分電容性傳感器的兩個(gè)電容之間的節(jié)點(diǎn)（例如，如先前討論的兩個(gè)背板之間的可移動(dòng)膜）之間的節(jié)點(diǎn)。在實(shí)施例中，經(jīng)由ac耦合來(lái)施加測(cè)試信號(hào)。使用ac耦合可以防止節(jié)點(diǎn)以dc電流的形式放電。

在81處，測(cè)量傳感器的信號(hào)輸出。例如，可以測(cè)量信號(hào)vp(t)和vn(t)，如參考圖3和4討論的那樣。在82處，可以基于信號(hào)輸出來(lái)確定傳感器性質(zhì)或傳感器的狀態(tài)。例如，可以確定電容不平衡性，如參考圖7a和7b討論的那樣，或者，可以確定拉入電壓。拉入電壓是用于偏置的電壓（例如，在先前討論的實(shí)施例中，vbias），其中傳感器結(jié)構(gòu)由于靜電力而崩潰，例如通過(guò)將膜拉向背板之一。當(dāng)達(dá)到拉入電壓時(shí)，傳感器的靈敏度降低。另一方面，對(duì)于許多實(shí)現(xiàn)方式，靈敏度保持朝向拉入電壓而提高，使得為了在一些情況下獲得高靈敏度，選擇僅略微低于拉入電壓的偏置電壓可以是合期望的。

可以由圖8的方法通過(guò)掃描偏置電壓（例如，從0向上）并且重復(fù)執(zhí)行關(guān)于80和81描述的操作來(lái)檢測(cè)拉入電壓。由于當(dāng)達(dá)到拉入電壓時(shí)，膜例如被拖到背板之一，因此在此時(shí)，電容不平衡性顯著增加。因此，通過(guò)在掃描期間監(jiān)視電容不平衡性，可以檢測(cè)拉入電壓。

拉入電壓可以取決于用于制造相應(yīng)傳感器的工藝條件（工藝變化）而變化，或者還可以取決于其他參數(shù)而變化。這現(xiàn)在將參考圖9加以解釋。

圖9圖示了不同傳感器類型的偏置電壓上的示例傳感器的靈敏度。曲線90和91與具有標(biāo)稱性質(zhì)（即，如設(shè)計(jì)的那樣）的傳感器設(shè)備有關(guān)，曲線92和93是針對(duì)其中拉入電壓由于工藝變化而顯著較低的情況的示例曲線，并且曲線94和95示出其中拉入電壓由于工藝變化而顯著較高的示例情況。

線96指定-38dbv/pa（分貝伏特每帕斯卡）的靈敏度，并且線97標(biāo)記-40dbv/pa的靈敏度。

曲線90、92和94示出當(dāng)偏置電壓vbias從0v斜升到15v時(shí)的靈敏度。在每一種情況下，在特定電壓處，發(fā)生迅速下降，對(duì)于曲線90，大約12v，對(duì)于曲線92，在大約10v，并且對(duì)于曲線94，在大約14.2v。這對(duì)應(yīng)于拉入電壓，其中結(jié)構(gòu)崩潰并且因此靈敏度顯著下降。曲線91、93和95示出當(dāng)偏置電壓再次從15v斜降到0v時(shí)的情況。由于遲滯效應(yīng)，靈敏度僅在低于拉入電壓的電壓處被恢復(fù)。在其處?kù)`敏度再次達(dá)到拉入前的值的電壓可以被稱為釋放電壓。當(dāng)如參考圖8討論的那樣掃描和測(cè)量電容不平衡性時(shí)，可以通過(guò)電容不平衡性的顯著降低來(lái)檢測(cè)該電壓。

此外，在圖9中，在靈敏度達(dá)到或處于-38dbv/pa處，坐標(biāo)被標(biāo)記（x是偏置電壓，并且y是靈敏度）。如可以看到的那樣，對(duì)應(yīng)偏置電壓顯著變化。

現(xiàn)在返回到圖8，在83處，可以做出對(duì)傳感器性質(zhì)或傳感器狀態(tài)（例如，檢測(cè)到的拉入狀態(tài)）的某種響應(yīng)。例如，如果在82處檢測(cè)到拉入狀態(tài)，則電壓可以被設(shè)置成參考圖9解釋的釋放電壓以恢復(fù)靈敏度。如果檢測(cè)到靜止位置處的電容不平衡性，則這可以用于校準(zhǔn)目的，例如以便補(bǔ)償由電容不平衡性引起的偏移。此外，通過(guò)測(cè)量拉入電壓，如參考圖9所描述，可以將偏置電壓設(shè)置得略低于拉入電壓（例如低于拉入電壓1v或2v），以確保高靈敏度和/或高信噪比。提供較高偏置電壓提高了信噪比（snr），這是因?yàn)榭鐐鞲衅麟娙莸妮^高電壓降（vbias-vref），其導(dǎo)致由傳感器生成的較高信號(hào)幅度。因此，對(duì)于固定量的噪聲，信噪比對(duì)于較高偏置電壓而言較高。通過(guò)測(cè)量拉入電壓并且將偏置電壓設(shè)置得略低于拉入電壓，可以優(yōu)化相應(yīng)傳感器的信噪比。

在常規(guī)方案中，偏置電壓必須被設(shè)置成使得不達(dá)到拉入電壓，無(wú)論相應(yīng)傳感器的相應(yīng)拉入電壓（如以上解釋的那樣，其可能由于工藝變化或其他因素而變化）如何。例如，在圖9的情況下，常規(guī)方案中的偏置電壓可以被設(shè)置成8v，以對(duì)于所有情況都必定低于拉入電壓，然而，這導(dǎo)致根據(jù)曲線94、95而表現(xiàn)的針對(duì)傳感器的比較低的靈敏度。偏置電壓的這樣的設(shè)置可以例如由評(píng)估電路（比如圖2的評(píng)估電路27）來(lái)控制。如果偏置電壓被設(shè)置在釋放電壓和拉入電壓之間，在要測(cè)量的高信號(hào)強(qiáng)度（例如，在麥克風(fēng)的情況下的高聲壓）處，拉入可能發(fā)生。該拉入同樣可以由以上討論的測(cè)量方法來(lái)檢測(cè)，并且然后，可以施加釋放電壓以重置麥克風(fēng)。

在其他實(shí)施例中，自校準(zhǔn)可以通過(guò)自校準(zhǔn)例程而執(zhí)行，該自校準(zhǔn)例程掃描偏置電壓，且針對(duì)每一個(gè)步長(zhǎng)測(cè)量靈敏度，并且偏置電壓然后被編程成根據(jù)目標(biāo)靈敏度的值（例如在圖9的示例中，-38dbv/pa），以確保所有傳感器具有相同的靈敏度。

這樣的偏移還可能由于微機(jī)械傳感器中的制造殘余應(yīng)力。

應(yīng)當(dāng)注意的是，如以上討論的測(cè)試測(cè)量還可以在后臺(tái)中運(yùn)行，同時(shí)傳感器正在實(shí)際操作，例如同時(shí)麥克風(fēng)傳感器正在記錄語(yǔ)音。對(duì)于這樣的應(yīng)用，例如，測(cè)試信號(hào)的頻率可以被選擇成處于要測(cè)量的信號(hào)的范圍之外（例如，在語(yǔ)音記錄的情況下處于語(yǔ)音頻率范圍之外），并且然后，濾波（低通濾波器/高通濾波器）可以用于將傳感器對(duì)測(cè)試信號(hào)的響應(yīng)與傳感器對(duì)由要測(cè)量的物理量（例如，聲波）引起的信號(hào)的響應(yīng)相分離。這樣，例如，可以檢測(cè)在聲音記錄期間的拉入，并且可以觸發(fā)重置。

如以上所提及，由于用于耦合測(cè)試信號(hào)的ac耦合（例如，圖2的23或電容器31），偏置電壓（例如，vbias）可以被設(shè)置成實(shí)質(zhì)上任何值而不影響測(cè)試測(cè)量。這還可以用于測(cè)量變化的vbias對(duì)電容不平衡性的影響，例如，到使靜電力不同的初始機(jī)械偏移。

在一些實(shí)現(xiàn)方式中，傳感器設(shè)備可以具有所謂的低阻抗模式（低z模式），其中例如圖3的阻抗11被橋接以用于啟動(dòng)和快速穩(wěn)定（settling）。以上實(shí)施例的測(cè)試方案還與這樣的低z模式兼容。

如從各種實(shí)施例的以上描述、可替換方案和修改中顯而易見(jiàn)，本申請(qǐng)不應(yīng)限于任何特定實(shí)施例，并且實(shí)施例僅作為示例而給出。