用于調(diào)節(jié)mems傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種用于調(diào)節(jié)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的措施。為此，將基本電壓加載到所述測(cè)量電容器上并且如此調(diào)節(jié)該基本電壓，使得所述測(cè)量電容器的兩個(gè)電極側(cè)之間的電勢(shì)差相應(yīng)于期望電壓。根據(jù)本發(fā)明在低壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)所述基本電壓。
【專利說(shuō)明】
用于調(diào)節(jié)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的方法和裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的方法和裝置，在該MEMS傳感器元件中基本電壓被施加到該測(cè)量電容器上，并且在該MEMS傳感器元件中如此調(diào)節(jié)該基本電壓，使得該測(cè)量電容器的兩個(gè)電極側(cè)之間的電勢(shì)差相應(yīng)于期望電壓。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS麥克風(fēng)的測(cè)量電容器上的或麥克風(fēng)電容器上的偏置電壓的調(diào)節(jié)是特別有意義的。這通常包括聲壓敏感的膜片和固定的對(duì)接元件。膜片和對(duì)接元件作為用于所述麥克風(fēng)電容器的面電極的載體起作用，使得膜片與對(duì)接元件之間的聲壓決定的距離變化作為所述麥克風(fēng)電容器的電容波動(dòng)可檢測(cè)。為了提高這種MEMS麥克風(fēng)的敏感度，所述膜片加載有機(jī)械預(yù)應(yīng)力，其方式是將直流電壓施加到麥克風(fēng)電容器上。由此所述膜片相對(duì)于所述對(duì)接元件靜電吸引，其中，所述直流電壓的靜電力反作用于所述膜片的彈力。所述直流電壓僅僅可以被提高直至所謂的吸合點(diǎn)(Pull-1n-Punkt)，在該吸合點(diǎn)上所述靜電力與所述膜片的彈力同樣大小。在超出吸合電壓(Pull-1n-Spannung)的情況下，所述膜片突然地移向所述對(duì)接元件，由此使所述麥克風(fēng)電容器短路。因?yàn)樗瞿て诹ζ胶庵形挥谖宵c(diǎn)上，所以任意的外力作用都導(dǎo)致膜片擺動(dòng)，沒(méi)有或僅僅非常小的彈力反作用于所述外力作用。相應(yīng)地，所述膜片在吸合點(diǎn)中的敏感度是最高的。當(dāng)應(yīng)在最高敏感度的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行MEMS麥克風(fēng)時(shí)，必須連續(xù)地監(jiān)視所述麥克風(fēng)電容器上的偏置電壓并且將所述偏置電壓調(diào)節(jié)到吸合電壓上。MEMS麥克風(fēng)的所述吸合電壓典型地處于5V至8V范圍內(nèi)。為了調(diào)節(jié)MEMS麥克風(fēng)的偏置電壓，因此在實(shí)踐中使用如下調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器的輸出級(jí)能調(diào)節(jié)所述數(shù)量級(jí)的電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]借助本發(fā)明提出，在低壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)施加到所述測(cè)量電容器上的基本電壓。由此能夠省去高電壓輸出驅(qū)動(dòng)器(Hochvoltausgangstreiber)。相應(yīng)地，降低了電路的耗電以及對(duì)于該電路所需的ASIC面積。
[0004]原則上存在不同的實(shí)現(xiàn)可能性以用于這樣地調(diào)節(jié)所述測(cè)量電容器上的基本電壓以及用于其電路技術(shù)方面的實(shí)施。
[0005]在第一方法變型方案中，將在所述期望電壓的數(shù)量級(jí)的、預(yù)給定且不可變的基本電勢(shì)施加到所述測(cè)量電容器的一個(gè)電極側(cè)上。將可調(diào)節(jié)的反向電勢(shì)施加到所述測(cè)量電容器的另一個(gè)電極側(cè)上，該反向電勢(shì)低于所述基本電勢(shì)。然后如此調(diào)節(jié)所述反向電勢(shì)，使得所述測(cè)量電容器上的電勢(shì)差相應(yīng)于所述期望電壓。
[0006]可以簡(jiǎn)單地在模擬電路技術(shù)中借助標(biāo)準(zhǔn)晶體管實(shí)現(xiàn)所述第一方法變型方案。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，用于調(diào)節(jié)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的裝置在這種情況下包括:第一電壓源，該第一電壓源提供在所述期望電壓的數(shù)量級(jí)的電壓并且作為預(yù)給定的基本電勢(shì)m連接到所述測(cè)量電容器的第一電極側(cè)上;第二電壓源，該第二電壓源提供低于第一電壓源所提供的電壓的電壓并且作為反向電勢(shì)112連接到所述測(cè)量電容器的另外的第二電極側(cè)上;運(yùn)算放大器A，該運(yùn)算放大器A的反相輸入端與所述測(cè)量電容器的所述第二電極側(cè)連接并且運(yùn)算放大器A的輸出端通過(guò)定義的電容Cint反饋到該運(yùn)算放大器A的反相輸入端上；以及連接在運(yùn)算放大器A的輸出端后面的調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器的第二輸入端與作為參考電壓m的所述第一電壓源連接并且該調(diào)節(jié)器的輸出端反饋到運(yùn)算放大器A的同相輸入端上。以這種方式，通過(guò)所述調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)施加在運(yùn)算放大器A的反相輸入端上的、在所述測(cè)量電容器的所述第二電極側(cè)上的反向電勢(shì)m。
[0007]在這種實(shí)施方式中，原則上可以使用完全不同的調(diào)節(jié)器。然而，模擬的PI調(diào)節(jié)器被證明是特別適合帶有前置連接的處理邏輯部。這樣的PI調(diào)節(jié)器包括至少一個(gè)運(yùn)算放大器Api，該運(yùn)算放大器Api通過(guò)定義的電容&和電阻R2反饋，該運(yùn)算放大器Api的反相輸入端前面連接有電阻Rl。
[0008]用于根據(jù)本發(fā)明地調(diào)節(jié)所述測(cè)量電容器上的基本電壓的另一種方法變型方案設(shè)置:確定所述測(cè)量電容器的電容與參考電容之間的差，其中，該參考電容在施加期望電壓的情況下相應(yīng)于所述測(cè)量電容器的電容。然后根據(jù)所確定的電容差調(diào)節(jié)施加在所述測(cè)量電容器上的基本電壓。
[0009]所述第二方法變型方案有利地能夠簡(jiǎn)單地借助用于數(shù)字化所述輸出信號(hào)的電路裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在所述方法變型方案的一種優(yōu)選的電路技術(shù)實(shí)施中，用于調(diào)節(jié)所述測(cè)量電容器上的偏置電壓的裝置包括用作惠斯通電橋的電壓供應(yīng)的電壓源。在所述惠斯通電橋中，所述測(cè)量電容器連同參考電容Crrf與兩個(gè)另外的電容CjPC2連接，具體來(lái)說(shuō)，使得所述惠斯通電橋的輸出信號(hào)相應(yīng)于所述測(cè)量電容器上的電勢(shì)差與所述期望電壓的偏差。所述惠斯通電橋的輸出信號(hào)被輸送給運(yùn)算放大器A，該運(yùn)算放大器A后面連接有濾波器和量化器。所述量化器的輸出信號(hào)被輸送回到所述惠斯通電橋上，使得所述測(cè)量電容器上的電勢(shì)差通過(guò)所述量化器的比特流被調(diào)節(jié)。
[0010]電路技術(shù)方面特別簡(jiǎn)單的是:在施加期望電壓的情況下，所述參考電容Crrf基本上相應(yīng)于所述測(cè)量電容器的電容并且兩個(gè)電容&和(:2基本上相同。
[0011]最后還應(yīng)對(duì)此指出:根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)原則上可以基于任意的期望電壓。對(duì)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的吸合電壓的調(diào)整或者說(shuō)調(diào)節(jié)僅僅表示根據(jù)本發(fā)明的措施的一種特別有利地應(yīng)用。即使它結(jié)合MEMS麥克風(fēng)被證明是特別有利的，這原則上在任意的應(yīng)力敏感的電容性傳感器元件中也都可以使用。
【附圖說(shuō)明】
[0012]如上所述，存在不同的可能性以有利的方式來(lái)構(gòu)型和擴(kuò)展本發(fā)明。為此，一方面參照以下列出的從屬權(quán)利要求，另一方面參照以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明。
[0013]圖1示出MEMS麥克風(fēng)的電路技術(shù)方面的結(jié)構(gòu)，其具有用于調(diào)節(jié)麥克風(fēng)電容器Cmic上的偏置電壓的第一電路變型方案；
[0014]圖2示出用于圖1示出的電路變型方案的調(diào)節(jié)器10的電路圖；以及
[0015]圖3示出MEMS麥克風(fēng)的示意結(jié)構(gòu)，其具有用于調(diào)節(jié)麥克風(fēng)電容器Cmic上的偏置電壓的第二電路變型方案。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下描述的實(shí)施例分別涉及具有用于信號(hào)檢測(cè)的麥克風(fēng)電容器Cmk的MEMS麥克風(fēng)，為了提高麥克風(fēng)敏感度該麥克風(fēng)電容器被加載偏置電壓。所述偏置電壓應(yīng)調(diào)節(jié)到MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)元件的吸合電壓上。為此在兩個(gè)實(shí)施例中將基本電壓施加到麥克風(fēng)電容器Cmk上并且如此調(diào)節(jié)，使得麥克風(fēng)電容器Cmk的兩個(gè)電極側(cè)之間的電勢(shì)差相應(yīng)于所述吸合電壓。根據(jù)本發(fā)明在低壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所述基本電壓的所述調(diào)節(jié)。
[0017]在圖1中示出的第一實(shí)施例的情況下，借助兩個(gè)電壓源實(shí)現(xiàn)在麥克風(fēng)電容器Cmic上的基本電壓，所述兩個(gè)電壓源分別與麥克風(fēng)電容器Cmk的一個(gè)電極側(cè)連接。所述兩個(gè)電壓源中的一個(gè)電壓源提供在所述期望電壓數(shù)量級(jí)的電壓，即吸合電壓，并且作為預(yù)給定的、不可變的基本電勢(shì)nl連接到麥克風(fēng)電容器Cmk的一個(gè)電極側(cè)上。另一個(gè)電壓源提供低于上述電壓源所提供的電壓的電壓，并且作為反向電勢(shì)n2連接到麥克風(fēng)電容器Cmk的另一個(gè)的電極側(cè)上。麥克風(fēng)電容器Cmk上的所述基本電壓是基本電勢(shì)與反向電勢(shì)之間的差(nl-n2)。至少所述基本電勢(shì)nl被以調(diào)制電壓形式加載。在此例如可以涉及簡(jiǎn)單地通過(guò)兩個(gè)電壓和選擇開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)的方波電壓。
[0018]在本發(fā)明的這里描述的實(shí)施方式中，將所述基本電壓(nl_n2)調(diào)節(jié)到所述吸合電壓上，其方式是，將麥克風(fēng)電容器Cmic的所述第一電極側(cè)保持在高的基本電勢(shì)nl，而相應(yīng)地調(diào)節(jié)麥克風(fēng)電容器Cmk的所述第二電極側(cè)上的低的反向電勢(shì)n2。所述吸合電壓在MEMS麥克風(fēng)中通常處于5V至8V范圍內(nèi)。施加在所述第一電極側(cè)上的電壓nl必須相應(yīng)地高。
[0019]在這里示出的實(shí)施例中，借助用作電荷積分器的運(yùn)算放大器A和調(diào)節(jié)器10進(jìn)行較低的反向電勢(shì)n2的調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)器1的電路技術(shù)方面的實(shí)施將結(jié)合圖2更詳細(xì)地來(lái)闡述。
[0020]麥克風(fēng)電容器Cmk的所述第二電極側(cè)與運(yùn)算放大器A的反相輸入端連接，使得這里加載反向電勢(shì)n2。運(yùn)算放大器A的輸出端n3—方面通過(guò)定義的積分電容Cint反饋到該運(yùn)算放大器A的反相輸入端。另一方面將運(yùn)算放大器A的輸出端n3輸送給調(diào)節(jié)器10的一個(gè)輸入端。調(diào)節(jié)器10的第二輸入端與作為參考電壓的所述第一電壓源連接。也就是說(shuō)在所述第二輸入端上加載有固定的基本電勢(shì)nl，麥克風(fēng)電容器Cmic的所述第一電極側(cè)將被保持在該基本電勢(shì)nl上。調(diào)節(jié)器10的輸出端n4被輸送回到運(yùn)算放大器A的同相輸入端。
[0021]因?yàn)檫\(yùn)算放大器A的這些輸入端的差被調(diào)節(jié)到O，所以所述反相輸入端跟隨所述同相輸入端。以這種方式，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)器10的輸出信號(hào)n4控制在麥克風(fēng)電容器Cmk的所述第二電極側(cè)上的反向電勢(shì)n2，并且借此也能夠控制加載在麥克風(fēng)電容器Cmk上的基本電壓(nl_n2)ο
[0022]圖2示出用于調(diào)節(jié)器10的實(shí)施變型方案。核心部件是PI調(diào)節(jié)器，該P(yáng)I調(diào)節(jié)器由放大器AP1、電容器Cl和兩個(gè)電阻Rl和R2組成。電阻Rl連接在放大器API的反相輸入端。放大器API的同相輸入端連接在參考電勢(shì)Vref上，該參考電勢(shì)在這里示出的實(shí)施例中相應(yīng)于0V。放大器API的輸出端n4通過(guò)電阻R2和電容器Cl反饋到該放大器API的反相輸入端。三個(gè)減法器S1、S2、S3和一個(gè)因數(shù)器N或I /N連接在電阻Rl前面，使得當(dāng)滿足以下條件時(shí)在減法器S3的輸出端上輸出O = Cmic = N.CintXmic在此表示所述麥克風(fēng)電容器的電容。通過(guò)在電容計(jì)算時(shí)使所述電容器電極的基本距離減少到2/3，能夠簡(jiǎn)單地確定所述麥克風(fēng)電容器在所述吸合點(diǎn)中的電容。因?yàn)檫\(yùn)算放大器A的積分電容Cint是已知的，所以因數(shù)N能夠簡(jiǎn)單地被計(jì)算并且在電路技術(shù)方面相應(yīng)地被實(shí)現(xiàn)。
[0023]然后，放大器API提供輸出電壓n4，借助該輸出電壓n4如此調(diào)整麥克風(fēng)電容器Cmic的一個(gè)電極側(cè)上的反向電勢(shì)n2，使得基本電壓(nl-n2)相應(yīng)于麥克風(fēng)電容器Cmic的吸合電壓。
[0024]在圖3中示出的第二實(shí)施例中，麥克風(fēng)電容器Cmic連同參考電容Cref和兩個(gè)另外的電容CjPC2連接在惠斯通電橋中。該橋電路由自身穩(wěn)定的電壓源Uo饋電，該電壓源Uo提供按照所述吸合電壓的兩倍的數(shù)量級(jí)的電壓。參考電容Crrf和所述另外的電容CjPC2如此選擇和連接，使得所述惠斯通電橋的輸出信號(hào)相應(yīng)于加載在麥克風(fēng)電容器Cmk上的電壓與所述吸合電壓的偏差。在最簡(jiǎn)單的情形中，參考電容Cm在加載所述吸合電壓的情況下相應(yīng)于麥克風(fēng)電容器Cmic的電容，并且兩個(gè)電容Ci和C2基本上是相同的。
[0025]在所述第二實(shí)施例中，不是直接地調(diào)節(jié)加載在麥克風(fēng)電容器Cmk上的基本電壓，而是間接地，其方式是，根據(jù)所述惠斯通電橋的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)加載在所述惠斯通電橋上的電壓。為此將所述惠斯通電橋的輸出信號(hào)輸送給運(yùn)算放大器A。濾波器F和量化器Q連接在運(yùn)算放大器A的后面。在此有利地涉及用于數(shù)字化輸出信號(hào)的△ Σ調(diào)制器。經(jīng)數(shù)字化的輸出信號(hào)被反饋到所述惠斯通電橋上，使得Uwheat = Uo+Δ Uq，其中，Δ Uq相應(yīng)于量化器Q的比特流。由此，如此調(diào)節(jié)在所述惠斯通電橋上的電壓Uwheat,使得麥克風(fēng)電容器Cmk的電容相應(yīng)于參考電容Cref。也就是說(shuō)，通過(guò)量化器Q的比特流AUq將麥克風(fēng)電容器Cmk上的電勢(shì)差調(diào)節(jié)到所述吸合電壓。為此，如此匹配比特流A Uq的脈沖密度，使得平均產(chǎn)生對(duì)于麥克風(fēng)電容器Cmk的吸合運(yùn)行所需要的電壓。
[0026]因?yàn)楸忍亓鰽Uq的電壓量值與Uo相比且與麥克風(fēng)電容器Cmk上的所述基本電壓相比非常小，所以在此對(duì)麥克風(fēng)電容器Cmk上的所述基本電壓的調(diào)節(jié)也在低壓范圍內(nèi)進(jìn)行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于調(diào)節(jié)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的方法，在該方法中，將基本電壓施加到所述測(cè)量電容器上，并且在該方法中如此調(diào)節(jié)所述基本電壓，使得所述測(cè)量電容器的兩個(gè)電極側(cè)之間的電勢(shì)差相應(yīng)于期望電壓，其特征在于，所述基本電壓的調(diào)節(jié)在低壓范圍內(nèi)進(jìn)行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 將在所述期望電壓的數(shù)量級(jí)的、預(yù)給定的且不可變的基本電勢(shì)施加到所述測(cè)量電容器的一個(gè)電極側(cè)上； 將可調(diào)節(jié)的、低于所述基本電勢(shì)的反向電勢(shì)施加到所述測(cè)量電容器的另一個(gè)電極側(cè)上，如此調(diào)節(jié)該反向電勢(shì)，使得所述測(cè)量電容器上的電勢(shì)差相應(yīng)于所述期望電壓。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 確定所述測(cè)量電容器的電容與參考電容之間的差，其中，所述參考電容在施加所述期望電壓的情況下相應(yīng)于所述測(cè)量電容器的電容； 根據(jù)所確定的電容差調(diào)節(jié)施加在所述測(cè)量電容器上的基本電壓。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所述測(cè)量電容器的吸合電壓選為期望電壓。5.—種用于根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法來(lái)調(diào)節(jié)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的裝置，所述裝置至少包括: 第一電壓源，該第一電壓源提供在所述期望電壓的數(shù)量級(jí)的電壓并且作為預(yù)給定的基本電勢(shì)連接到所述測(cè)量電容器的第一電極側(cè)上； 第二電壓源，該第二電壓源提供低于所述第一電壓源所提供的電壓的電壓并且作為反向電勢(shì)連接到所述測(cè)量電容器的另外的第二電極側(cè)上； 運(yùn)算放大器A，該運(yùn)算放大器A的反相輸入端與所述測(cè)量電容器的所述第二電極側(cè)連接并且該運(yùn)算放大器A的輸出端通過(guò)定義的電容Cint反饋到該運(yùn)算放大器A的反相輸入端上； 連接在所述運(yùn)算放大器A的輸出端后面的調(diào)節(jié)器(10)，該調(diào)節(jié)器(10)的輸出端反饋到該運(yùn)算放大器A的同相輸入端上，使得通過(guò)所述調(diào)節(jié)器(10)的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)施加在所述運(yùn)算放大器的反相輸入端上的、在所述測(cè)量電容器的所述第二電極側(cè)上的反向電勢(shì)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)器(10)涉及具有前置連接的處理邏輯部的模擬PI調(diào)節(jié)器，并且該P(yáng)I調(diào)節(jié)器包括至少一個(gè)運(yùn)算放大器API，該運(yùn)算放大器API通過(guò)定義的電容Cl和電阻R2反饋，并且在該運(yùn)算放大器API的反相輸入端前面連接有電PlRlo7.—種用于根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法調(diào)節(jié)MEMS傳感器元件的測(cè)量電容器上的偏置電壓的裝置，所述裝置至少包括: 電壓源Uo，該電壓源Uo用作惠斯通電橋的電壓供應(yīng)，所述測(cè)量電容器連接在該惠斯通電橋中； 參考電容Crrf和兩個(gè)另外的電容&和&，所述參考電容Crrf和兩個(gè)另外的電容CjPC2與所述測(cè)量電容器連接在所述惠斯通電橋中，其中，所述參考電容Crrf和另外的電容CjPC2如此選擇和連接，使得所述惠斯通電橋的輸出信號(hào)相應(yīng)于所述測(cè)量電容器上的電勢(shì)差與所述期望電壓的偏差； 用于所述惠斯通電橋的輸出信號(hào)的運(yùn)算放大器A; 連接在所述運(yùn)算放大器A的輸出端后面的濾波器F; 連接在該濾波器F后面的量化器Q，該量化器Q的輸出信號(hào)△ Uq被輸送回到所述惠斯通電橋上，使得通過(guò)所述量化器的比特流AUq調(diào)節(jié)所述測(cè)量電容器上的電勢(shì)差。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，在施加所述期望電壓的情況下，所述參考電容Cref基本上相應(yīng)于所述測(cè)量電容器的電容，并且所述兩個(gè)電容Ci和C2基本上相同。9.一種根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法以及根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的裝置的應(yīng)用，用于調(diào)整麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)元件的麥克風(fēng)電容器上的吸合電壓或者用于調(diào)整加速度傳感器元件的測(cè)量電容器上的吸合電壓。
【文檔編號(hào)】H04R3/06GK105981407SQ201480074972
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2014年12月1日
【發(fā)明人】T·諾爾特曼
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