具有灵敏度调整电路以及调整过程的微机电系统装置

摘要

本发明提供了一种微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)装置，此MEMS装置包括：隔膜电容器，此隔膜电容器连接在电容器偏压源以及接地端之间；源极随耦电路，此源极随耦电路耦合到隔膜电容器；放大器，此放大器耦合到源极随耦电路，以将感测电压信号放大为输出电压信号；以及可编程调整电路，此可编程调整电路与放大器一起来调整增益，或者与电容器偏压源一起来调整施加到隔膜电容器上的电压。从而，输出电压信号具有目标灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)装置，特别是涉及一种具有灵敏度调整电路(sensitivity trimming circuit)的MEMS传声器(microphone)。

背景技术

MEMS传声器具有感测隔膜(sensing diaphragm)以感测压力下的声音的振动(vibration)。感测隔膜形成为感测电容器的一部分，从而声音被转换为电信号。

图1是具有隔膜的感测装置的示意图。在图1中，隔膜100，诸如薄膜(thin film)，绘示在透视图(perspective view)中。在侧视图(side view)中，隔膜100具有半径R以及处于自由状态(free state)102，从而隔膜100处于平面(flat plane)中。在通过声音信号而产生的气压被施加到隔膜100的情况下，隔膜100变为弯曲状态(bending state)，这导致了隔膜100的位移(displacement)。总所周知，隔膜100随着声音的压力变化而振动。如果作为一个电极的隔膜100由作为电容器的固定电极所组成，则隔膜100的位移将改变电容量关系式C＝εA/d中的电容量，其中d随着声音压力而变化。因此，感测电容器可以感测声音。

图2是MEMS传声器的电路的示意图。在图2中，MEMS传声器120的隔膜电容器122具有两个电极，一个电极在隔膜中。经由高阻抗电阻器129连接到隔膜电容器122的电容器偏压源(capacitor biasing voltagesource)128在隔膜上提供恒定的电荷Q。隔膜感测声音压力以及产生位移Δd，从而导致电容量的改变。已知的规则是Q＝CV以及C＝εA/d。其中，ε是自由空间(free space)的介电常数(permittivity)，A是电容器面积。在固定的电荷Q的情况下，接着可以获得关系式ΔV/VPP＝Δd/d，其中d是在没有声音的自然状态下的电容器的两个电极的距离。Δd是由于隔膜上的压力改变而产生的位移。电压信号ΔV被具有放大倍数Av1的源极随耦电路(sourcefollower circuit)124以及具有放大倍数Av2的放大器126放大，以获得Vout＝Av1*Av2*ΔV。

然而，通过标准的CMOS处理而制造的隔膜电容器122的感测隔膜的机械性能将由于薄膜厚度以及残余应力(residual stress)而改变，从而使得灵敏度不会容易地制造为具有预设的水平。这使得MEMS传声器的性能不稳定。

如何获得稳定的灵敏度是一个技术难题，这需要付出操作性的劳动。一种解决方法是开发精确的制造过程，但这会导致高昂的成本。

发明内容

本发明提供了一种具有灵敏度调整电路的MEMS传声器，从而灵敏度可以最终被调节而不需要在改进制造过程上付出努力。

根据本发明的一个观点，本发明提供了一种微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)装置。MEMS装置包括隔膜电容器，放大器以及可编程的调整电路。隔膜电容器连接在电容器偏压源以及接地端之间，以用于产生感测电压信号。放大器被用于将感测电压信号放大为输出电压信号。可编程调整电路与放大器一起实施以调整增益，或者与电容器偏压源一起实施以调整施加到隔膜电容器上的电容器偏压源的电压，从而输出电压信号具有目标灵敏度。

根据本发明的一个观点，本发明提供了一种用于调整微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)装置的灵敏度的方法。此方法包括测量放大器上的输出电压信号以获得初始灵敏度。接着，测量初始灵敏度以及目标灵敏度之间的差异，以及决定对应于差异的补偿水平的内容(content)。根据补偿水平，可编程调整电路根据内容来编程以调整放大器的增益或者调整用于施加到隔膜电容器上的电容器偏压源的电压。

根据本发明的一个观点，本发明提供了一种包括微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)结构、放大器以及可编程的调整电路的微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)装置。MEMS结构具有电容感测元件、其中电容感测元件具有至少一个电容器，电容器连接在电容器偏压源以及接地端之间，以用于产生感测电压信号。放大器将感测电压信号放大为输出电压信号。可编程调整电路与放大器一起实施以调整增益，或者与电容器偏压源一起实施以调整施加到电容器上的电容器偏压源的电压，从而输出电压信号具有目标灵敏度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

本发明的附图是本发明说明书的一部分，用于更好地说明本发明。附图所绘示的本发明的示例实施例与本发明的说明书一起来说明本发明的原理。

图1是具有隔膜的感测装置的示意图。

图2是MEMS传声器的电路的示意图。

图3A和3B是具有隔膜的MEMS结构的剖面图。

图4是不同灵敏度中的输出信号的图形。

图5是用于没有调整的多个MEMS装置的灵敏度的统计结果的图形。

图6是根据本发明示例实施例的MEMS传声器的电路图。

图7是根据本发明示例实施例的具有调整装置的放大器的电路的图形。

图8是根据本发明示例实施例的调整电路的图形。

图9是根据本发明示例实施例的具有可编程能力的调整电路的图形。

图10A是用于本发明示例实施例的存储单元(memory cell)的结构的俯视图。

图10B是图10B中的存储单元的结构的透视侧视图。

图11是存储单元的结构的剖视图。

图12是存储单元的另一结构的剖视图。

图13是熔丝结构的存储单元的结构的图形。

图14是熔丝结构的存储单元的另一结构的图形。

图15是具有调整效果以及没有调整效果的MEMS装置的灵敏度的图形。

图16是用于调整MEMS装置的配置的图形。

图17是用于MEMS装置的调整过程的图形。

图18是具有电源的调整电路的电路图。

图19是根据本发明示例实施例的用于加速度计(acceleration meter)的MEMS装置的结构的俯视图。

图20是加速度计的电路图。

具体实施方式

在本发明中，可以调整放大器的增益和/或电容器偏压的电压，从而以可编程的方式补偿灵敏度，以获得目标灵敏度。几个实施例被用于说明本发明，但是本发明并非限定于所提供的示例实施例。此外，实施例也可以适当地相互结合。

图3A和3B是具有隔膜的MEMS结构的剖面图。一般情况下，在图3A中，绘示了具有隔膜136的MEMS装置。MEMS装置具有半导体衬底(semiconductorsubstrate)130以及位于硅衬底130上的介电结构层(dielectric structurallayer)132。半导体衬底130具有空腔(cavity)131以及位于主动区域(activeregion)130a中的几个通气孔(venting hole)134，主动区域130a也用作MEMS电容器的固定电极。介电结构层132容纳隔膜136。隔膜136感测声音信号。其它的电路部分也可以在介电结构层132中形成。当隔膜136处于正常状态时，隔膜136以及主动区域130a上的衬底130之间存在距离。需要知道的是，MEMS结构并非限定于图3A。一般情况下，因为隔膜136的末端被固定在介电结构层132中，所以灵敏度不能被很好的控制以匹配设计的目标。

在图3B中，隔膜136的结构也可以是波纹结构(corrugated structure)的具有内部电介质(inner dielectric)138以及导电层140的复合膜(composite film)，以减小薄膜残余应力对灵敏度的影响。然而，隔膜会由于薄膜厚度的变化而变化，从而将导致灵敏度的变化。

图4是不同灵敏度中的输出信号的图形。在图4中，基于图3中的结构，如果隔膜136满足设计的灵敏度，则输出电压信号显示在正常输出的实线(solid line)中。然而，如果隔膜136的灵敏度较高，则输出电压信号具有更高的输出电压放大振幅，如点划线(dot-broken line)所示。如果隔膜136的灵敏度较低，则输出电压信号具有更低的输出电压放大振幅，如虚线(dashline)所示。

图5是用于没有调整的多个MEMS装置的灵敏度的统计结果的图形。在图5中，将没有调整的10个MEMS装置样本作为示例实施例。以dB单位来测量灵敏度。MEMS装置被设计为具有-40dB的灵敏度。然而，由于制造差异，隔膜也具有顺从差异(compliance variation)，这导致了输出信号的输出差异。

至少在隔膜顺从差异所引起的灵敏度问题上，本发明还提供了一种装置来调整灵敏度。图6是根据本发明示例实施例的MEMS传声器的电路图。在图6中，以MEMS传声器作为示例实施例。经由高阻抗电阻器129而施加到隔膜电容器122的电容器偏压源VPP 128在隔膜上提供恒定的电荷。源极随耦电路124经由去耦合电容器(de-couple capacitor)Cc耦合到隔膜电容器122，以提供高输入阻抗以及放大通过隔膜振动而生成的电压信号。然而，在本示例实施例中，放大器200也可以实施调整电路。换句话说，放大器200的增益可以通过编程装置来调整。因此，放大器200的增益Av2可以被编程以达到目标灵敏度。

电路中的装置说明如下。MEMS电容器122根据施加的声音压力而产生Δd，从而产生ΔV＝(Δd/d)*VPP。灵敏度(S)被定义为：

S＝Vout/压力(表示为V/PA)＝(Av1*Av2*Vpp/d)*Δd

换句话说，当参数Δd不是已设计的数值的时候，参数Av1、Av2、和/或Vpp可以被调整以补偿参数Δd。这对于MEMS装置获得目标灵敏度是非常必要的，因为隔膜不容易被控制和制造为具有理想的性能。

图7是根据本发明示例实施例的具有调整装置的放大器的电路的图形。在图7中，例如，放大器200可以是运算放大器150，以及具有可变电阻器152以及154。运算放大器的增益和电阻器154与电阻器152的电阻值的比率成正比。可变电阻器152和154可以被编程，从而通过以SL表示的多位的内容，诸如7位的内容，可以设置可变电阻器152和154的电阻。例如，第一个5位SL[4:0]被用于控制可变电阻器154以及2位SL[6:5]被用于控制可变电阻器152。电压信号ΔV(delta_V1)被输入到放大器150的一个终端，而其它的终端被施加有参考电压VBIAS。因此，输出信号具有输出电压VOUT。

图8是根据本发明示例实施例的调整电路的图形。在图8中，形成可编程可变电阻器的更详细的电路例如包括一组串联的电阻器，诸如R1-R5。开关电路160可以与电阻器的一部分并联连接。每一开关160，诸如图8中的上面所示的电路，可以由1位来控制。实际的电路并非限定于所示的电路。当开关160中的已经选择的一个被导通，则导致电阻器的已连接的部分变得更短。因此，总的电阻被改变。

例如，如果SL0＝0以及SL1＝0，则总的电阻值是400K欧姆。如果SL0＝0以及SL1＝1，则电阻器R2和R 3与开关的连接部分变得更短，因此总的电阻值变为285K欧姆。

根据控制位的数目来配置可变电阻的数目以及开关的数目，可以预设电阻器的电阻值。因为运算放大器的增益至少根据两个电阻器，所以被5位控制的其它的可变电阻器154可以以相同的方式来配置。因此，每一调整步骤可以增加或者降低预设的灵敏度，诸如每次改变会增加或者降低3dB的灵敏度。然而，不仅仅只有上述的方法可以改变灵敏度。对于更容易的方法，就是设置表。具体的实施例是，每次调整步骤改变3dB的灵敏度。例如，设置表1。

表1

  SL[6:0]  错误的增益差异  增益  1100000  6db  35db  0100000  3db  32db  0000000  0db  29db  0010000  -3db  26db  0011000  -6db  23db

  SL[6:0]  错误的增益差异  增益  0011100  -9db  20db  0011110  -12db  17db  0011111  -15db  14db

此外，如果MEMS装置具有29dB的灵敏度，位SL＝0000000的内容不会改变灵敏度。例如，如果需要增加3dB而调整增益，则可以设置SL＝0100000的内容。同样，例如，如果需要降低6dB而调整增益，则设置SL＝0011000的内容。

相同的原理可以用于实际的设计，而不限定于表1以及用于控制而使用的7位。实际上，位的数目不限定于7位。实质上，更多的位可以获得更精确的调整过程，但会导致成本的增加。换句话说，在考虑制造成本的情况下，位的数目依赖于获得怎样的调整精度。

因为开关可以分别由位来控制。可以一起实施非易失性可编程存储器(non-volatile programmable memory)以设置位的内容SL。为了写入一个位，存在几个方法来达到该目的。下面提供一些实施例作为示例。图9是根据本发明示例实施例的具有可编程能力的调整电路的图形。在图9中，用于一个单元的可编程电路300是存储单元302，存储单元302可以是MOS存储单元或者熔丝。MOS存储单元302可以通过字线WL以及位线BL来写入。例如，单元302在编程之前用作低电阻值电阻器，单元302在编程之后用作高电阻值电阻器。通过具有PMOS晶体管304和306的反相器308和310的影响，位中的内容SL在单元302被编程之前被写入“0”，位中的内容SL在单元302被编程之后被写入“1”。编程存储单元302的方式可以是常用的方式。然而，必需的部分包括获得目标灵敏度的MEMS装置中的放大器。

非易失性存储单元可以通过MOS装置来形成。图10A是用于本发明示例实施例的存储单元(memory cell)的结构的俯视图。图10B是图10B中的存储单元的结构的透视侧视图。在图10A和10B中，MOS存储单元在P型衬底(P-type substrate，PSUB)400上形成。用作控制栅极(control gate，CG)的N型掺杂阱(N-type doped well，NWELL)402在衬底400中形成，而MOS晶体管404也是在衬底400上形成。浮动栅极(floating gate，FG)耦合到NWELL 402上面的区域，从而当操作电压VCG被施加到用于读取或者写入的作为控制栅极的NWELL 402的时候，如果高电压VCG被施加到控制栅极上，则浮动栅极包括对应的电压以及使得电子注入到浮动栅极中。另一方面，当正常的读取电压被施加到控制栅极上的时候，根据FG是否捕获电子，晶体管402将关闭或者导通。根据电阻值的大小，可以决定存储单元所存储的内容。

作为选择，基于堆叠的两个多晶硅层，本发明还可以使用其它的常用的非易失性存储单元。图11是存储单元的结构的剖视图。在图11中，总所周知，衬底420具有源极区域422以及漏极区域424。栅极氧化层426位于源极区域422以及漏极区域424之间的衬底之上。用作浮动栅极(floating gate，FG)的多晶硅层428位于栅极氧化层426之上。另一绝缘层430位于多晶硅层428之上，以及作为控制栅极的多晶硅层432位于绝缘层430之上。使用这个通常的存储单元以存储用于SL的控制位的二进制内容。

此外，图12是存储单元的另一结构的剖视图。在存储单元的另一结构中，用作O/N/O(氧化物/氮化物/氧化物)堆叠层434中的电荷存储层的氮化物可以代替图11中的浮动栅极。存储单元也可以是现有技术中传统公知的一个，以及其可以容易地被实施到可编程开关电路中，以用于存储控制位的内容。

本发明并非限定于特定类型的存储单元。此外，为了存储控制位SL的内容，熔丝也可以被用于代替MOS存储单元。图13是熔丝结构的存储单元的结构的图形。在图13中，在编程之前，熔丝502连接在阴极500以及阳极504之间，因此存在低电阻值，表示“0”以及“1”中的一个状态。当通过熔断熔丝502以编程存储单元的时候，在阴极500以及阳极504之间存在高电阻值，这表示“0”以及“1”中的另一个状态。同样，图14是熔丝结构的存储单元的另一结构的图形。在图14中，其类似于图13的结构，然而，熔丝502在编程之前是断开状态，从而在阴极500以及阳极504之间存在高电阻值。在编程之后，熔丝502被变为连接状态，从而在阴极500以及阳极504之间存在低电阻值。根据两个状态的电阻值的水平，二进制数据可以被存储。本发明并非限定于采取特定类型的存储器来编程以及存储控制位SL。

图15是具有调整效果以及没有调整效果的MEMS装置的灵敏度的图形。在图15中，与图5中的灵敏度进行比较，MEMS装置被适当地调整以达到-40dB的目标灵敏度。以MEMS装置1为示例实施例来进行说明，小于理想的-40dB的灵敏度，从而调整增益以增加增益。对于MEMS装置2，因为灵敏度太高，因此调整灵敏度以具有更低的灵敏度。因为灵敏度的调整步骤不是连续的，根据调整步骤之间的差异，已调整的灵敏度可能不是恰好在-40dB，但是很接近-40dB。

图16是用于调整MEMS装置的配置的图形。在图16中，在实际的调整过程中，MEMS装置通常形成为包括I/O垫的MEMS芯片(chip)。编程命令可以从I/O垫被输入，以编程MEMS芯片的调整电路中的存储器。

图17是用于MEMS装置的调整过程的图形。在图17中，例如，基于具有调整电路的MEMS装置，调整过程可以以几个步骤来执行。下面将以MEMS传声器作为图16中的MEMS芯片的示例实施例来进行说明调整的过程。在步骤S100中，在调整之前测量传声器灵敏度。因此，获得目标灵敏度以及已测量的灵敏度之间的差异。在步骤S102中，用于编程操作的测试模式命令被输入到MEMS传声器。因为目标灵敏度以及已测量的灵敏度之间的差异是已知的，因此根据调整电路，通过依据诸如表1的内容之类的内容来进行编程，可以调整放大器增益。从而，在步骤104中，选择适当的非易失性单元来用于编程，以调整放大器的增益，以及满足传声器灵敏度的目标。基本上，当获得灵敏度差异的时候，通过查找诸如表1之类的表可以决定待被调整的增益的量，以决定用于编程的最近的一个。在步骤S106中，在编程调整电路以调整放大器的增益之后，可以再次测量传声器灵敏度以确保是否正确地调整。

上述的调整电路是与放大器一起来实施的。然而，可以将相同的调整装置实施到需要的另一部分，诸如施加到MEMS隔膜电容器的电容器偏压Vpp。电压Vpp的变化将导致信号ΔV的变化。在相同的放大器增益的情况下，也可以通过调整电压Vpp来调整灵敏度。

通过变化不同的电压位阶可以设置电压Vpp。接着，可编程电路可以调整电压Vpp。图18是具有电源的调整电路的电路图。在图18中，在调整电路的输入终端IN上可以输入固定的电压电源。例如，根据用于电压泵的不同的泵阶段，可以获得5V和10V的两个电压。然而，例如，分别通过两个位SL[0]以及SL[1]，可以控制两个开关晶体管。根据选择位内容SL[1:0]，结合的电压可以作为电压VPPX被输出，电压VPPX待被施加到MEMS隔膜电容器122。由于通过可编程的方式来调整电压Vpp，因此可以调整MEMS装置的灵敏度。

本发明可以在传声器中应用，但是并非限定于此。其它的MEMS装置，诸如陀螺仪装置(gyro device)以及压力感测器，基于MEMS电容器也可以使用本发明以用于调整增益。

图19是根据本发明示例实施例的用于加速度计(acceleration meter)的MEMS装置的结构的俯视图。在图19中，本发明的各种可选择的应用中的一个是加速度计。MEMS结构的加速度计可以包括锚定器(anchor)1000以及用于感测加速度的质量主体(mass body)1002。弹簧(spring)1006容纳质量主体1002。可以形成电容器1004，可以用电容器组中的一个电容器来表示电容器1004。沿I-I线的剖视图如图所示。在本示例实施例中，电容器C1和C2的电容量是可以改变的。当有加速度存在的情况下，质量主体1002被加速以及使得C1和C2的电容量发生改变，从而决定加速度。换句话说，电容器的电容量的改变可以被检测。然而，可以调整感测的增益至理想的水平。

图20是加速度计的电路图。在图20中，图19中的两个电容器C1和C2可以被用作电路1010中的电容器1012和1014。因此，通过Δd的数量而引起的信号可以被放大器1020放大，此信号也可以被调整到理想的水平。感测以及调整装置与现有技术中是一样的，但是在MEMS装置上的实际应用是不同的。

值得一提的是，调整电路可以根据所设计的实际电路而改变。然而，可编程方式中的调整电路的功能依然存在于MEMS装置中。本发明并非限定于图18中的电路。因此，MEMS装置的灵敏度可以最终被调整到目标灵敏度。

一般情况下，尽管实际的电路可以是不同的，但是任何可以影响灵敏度的电子装置都可以被相同的原理来调整。本发明通过使用MEMS装置来实施可编程调整电路。因此，灵敏度可以被调整到目标灵敏度，从而隔膜的制造过程可以通过成本更低的更简单的过程而被简化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。