專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)電系統(tǒng)以及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及一種半導(dǎo)體電路，且特別涉及微機(jī)電系統(tǒng)以及其操作方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)相關(guān)于微型制造(microfabrication)科技的半導(dǎo)體基板上的
機(jī)構(gòu)元件與電子元件。然而電子元件使用集成電路(IC)工藝所制造，微機(jī)械元件是使用 相容的微加工(micromachining)工藝所制造，它們都選擇性地蝕刻硅晶片的部分以形成 機(jī)械與機(jī)電裝置。公知的電容式微加速計(jì)具有微機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)置于互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)電路上。公知的微機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力道變化產(chǎn)生電容信號(hào)。CMOS電路具有感應(yīng) 電容信號(hào)的模擬電路與數(shù)字電路。為了降低耦合在數(shù)字電路、模擬電路以及公知的微機(jī) 械結(jié)構(gòu)的噪聲，單屏蔽層設(shè)置于CMOS電路以及公知的微機(jī)械結(jié)構(gòu)之間。傳統(tǒng)上，調(diào)變感測(cè)的電容信號(hào)。調(diào)變的電容信號(hào)則轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)?？砂l(fā)現(xiàn)到 電壓信號(hào)是微弱的。耦合在數(shù)字電路、模擬電路以及公知的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的噪聲可能不必 要地干擾電壓信號(hào)。為了區(qū)別電壓信號(hào)與噪聲信號(hào)，使用放大器放大電壓信號(hào)。解調(diào)變 放大的電壓信號(hào)。另一放大器用于放大解調(diào)變的電壓信號(hào)。雙倍放大的電壓信號(hào)是低通 濾波過(guò)的且轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)。如所提，放大器用于放大轉(zhuǎn)換自電容式微加速計(jì)的電容的電壓信號(hào)。放大器在 操作期間消耗功率。也可發(fā)現(xiàn)到，放大器占據(jù)一部分的芯片面積。根據(jù)上述，具有合意的功率消耗及/或具有合意的面積的微機(jī)電系統(tǒng)以及其操 作方法是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，包括一微 機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生一第一電信號(hào)；以及一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，耦接該微機(jī)械結(jié) 構(gòu)，其中該微機(jī)電系統(tǒng)不包括任何放大器位于該微機(jī)械結(jié)構(gòu)與該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間。本發(fā)明還提供一種控制系統(tǒng)，包括一處理器；以及一微機(jī)電系統(tǒng)，耦接該處 理器，該微機(jī)電系統(tǒng)包括一微機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生一第一電信號(hào)；以及一模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換器，耦接該微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中該微機(jī)電系統(tǒng)不包括任何放大器于該微機(jī)械結(jié)構(gòu)與該模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間。本發(fā)明還提供一種操作微機(jī)電系統(tǒng)的方法，該微機(jī)電系統(tǒng)包括一微機(jī)械結(jié)構(gòu)， 該方法包括感測(cè)一微機(jī)械結(jié)構(gòu)的一第一電信號(hào)；以及以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換該第一 電信號(hào)成為至少一數(shù)字信號(hào)，其中在感測(cè)與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換該第一電信號(hào)期間該第一電信 號(hào)沒(méi)有被放大。 本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)以及其操作方法具有合意的功率消耗及/或具有合意的面 積。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合 附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1是一電路圖，說(shuō)明包括耦接模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的一個(gè)范例的微機(jī)電系 統(tǒng)(MEMS)；圖2A是一剖視圖，說(shuō)明設(shè)置于基板上的范例的MEMS ；圖2B是一剖視圖，說(shuō)明設(shè)置于基板上的另一范例的MEMS ；

圖3是一電路圖，說(shuō)明包括耦接模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的另一個(gè)范例的微機(jī)電 系統(tǒng)(MEMS)；圖4是一流程圖，顯示MEMS的切換操作模式的范例方法；圖5是一電路圖，說(shuō)明包括范例時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)的除頻器的一部分；圖6是一電路圖，說(shuō)明范例的內(nèi)插濾波器；以及圖7是一電路圖，顯示包括耦接處理器的范例MEMS的系統(tǒng)。其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下100 微機(jī)電系統(tǒng)；110 微機(jī)械結(jié)構(gòu)；120 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；130 轉(zhuǎn)換器；135 調(diào)變器；200 微機(jī)電系統(tǒng)；210 微機(jī)械結(jié)構(gòu)；211 基板；213 CMOS電路；214 介電結(jié)構(gòu)； 215 數(shù)字屏蔽層；217 模擬屏蔽層；218 介電層；219 導(dǎo)線層； 222 介電層；300 微機(jī)電系統(tǒng)；310 微機(jī)械結(jié)構(gòu)；320 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；330 轉(zhuǎn)換器；335 調(diào)變器； 340 檢測(cè)器；350 控制器； 360 時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)；370 內(nèi)插濾波器；371 開(kāi)關(guān)；372 開(kāi)關(guān)；410、420、430 方法步驟；500 除頻器； 511、513 反向器；515、157 邏輯門(mén)；521、523、525 寄存器；560 時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)；561、563、565 邏輯門(mén)；567 寄存器； 569 多工器；670 內(nèi)插濾波器；675 梳狀濾波；677 積分器；701 處理器； 710 微機(jī)電系統(tǒng)；
具體實(shí)施例方式可了解到，以下公開(kāi)提供許多不同實(shí)施例或范例，用于實(shí)施不同公開(kāi)的特征。 特定范例的要素與排列描述如下以簡(jiǎn)化本公開(kāi)。當(dāng)然，僅是范例而不是限制。此外，在 各種范例中本 公開(kāi)可能重復(fù)參考數(shù)字及/或字母。重復(fù)是為了簡(jiǎn)化及清楚的目的而不是 闡述各種實(shí)施例之間的關(guān)系及/或組態(tài)。另外，本公開(kāi)中特征在另一特征上，特征連接 至IJ，及/或耦接到另一特征上的形式緊接著可能包括形成特征直接接觸的實(shí)施例，并且 可能也包括形成額外特征插入特征的實(shí)施例，以至于特征可能不是直接接觸。此外，空 間相對(duì)的術(shù)語(yǔ)，舉例來(lái)說(shuō)，“較低”、“較高”、“水平的”、“垂直的”、“在...之 上”、“在...之下”、“上”、“下”、“頂”、“底”等等以及其衍生字(例如水平 地、向下地、向上地等等)用于本公開(kāi)的案例的一個(gè)特征相關(guān)另一特征?？臻g相關(guān)的術(shù) 語(yǔ)是要覆蓋具有特征的裝置的不同方向。圖1是一電路圖，說(shuō)明包括耦接模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的一個(gè)范例的微機(jī)電系 統(tǒng)(MEMS)。在圖1，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)可包括耦接ADC 120的微機(jī)械結(jié)構(gòu)110。 MEMS 100可包括微加速計(jì)、微傳感器、微致動(dòng)器、微陀螺儀、生物MEMS、其他適合 的MEMS，及/或其組合。在使用微加速計(jì)的各種實(shí)施例中，微機(jī)械結(jié)構(gòu)110能產(chǎn)生第一電信號(hào)，例如電 容信號(hào)。對(duì)應(yīng)力道的變化產(chǎn)生微機(jī)械結(jié)構(gòu)110的電容信號(hào)。微機(jī)械結(jié)構(gòu)110的電容信號(hào) 具有適合的信號(hào)噪聲比(SNR)。ADC 120可包括旋轉(zhuǎn)式編碼(delta encoded) ADC、快閃模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、連續(xù)漸進(jìn)ADC、斜率比較ADC、威金森ADC、積分式ADC、管線ADC、三角 積分(Sigma-delta)ADC、時(shí)序交錯(cuò)式ADC、其他可提供合適解析度及/或有合適芯片面 積，及/或其組合。在各種實(shí)施例中，ADC 120可提供合適解析度給微機(jī)械結(jié)構(gòu)110的 電子信號(hào)以至于微機(jī)械結(jié)構(gòu)110的電子信號(hào)在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換之前不用放大。參考圖1，在各種實(shí)施例中，MEMS 100可包括轉(zhuǎn)換器130。轉(zhuǎn)換器130可耦接 在微機(jī)械結(jié)構(gòu)110與ADC 120之間。轉(zhuǎn)換器130可轉(zhuǎn)換電信號(hào)，例如微機(jī)械結(jié)構(gòu)110的 電容信號(hào)成為其他電信號(hào)，例如電壓信號(hào)、電流信號(hào)或其組合。在各種實(shí)施例中，使用 微加速計(jì)，轉(zhuǎn)換器130可能是電容電壓轉(zhuǎn)換器或電容電流轉(zhuǎn)換器。以下是關(guān)于MEMS 100的范例操作的描述。參考圖1，調(diào)變器135可調(diào)變電信 號(hào)，例如微機(jī)械結(jié)構(gòu)Iio的電容信號(hào)。調(diào)變器135可提供頻率高于微機(jī)械結(jié)構(gòu)110的電 容信號(hào)的載波信號(hào)。電容信號(hào)的調(diào)變可適當(dāng)?shù)胤珠_(kāi)微機(jī)械結(jié)構(gòu)的電容信號(hào)與噪聲。再參考圖1，轉(zhuǎn)換器130，例如電容-電壓轉(zhuǎn)換器，可轉(zhuǎn)換調(diào)變的電容信號(hào)到電 壓信號(hào)。電壓信號(hào)可輸出到ADC，例如2階三角積分ADC。ADC 120可解調(diào)變電壓信 號(hào)。ADC 120可濾波，例如低通濾波，解調(diào)變的電壓信號(hào)以至于可得到低通電壓信號(hào)。 ADC 120可轉(zhuǎn)換低通電壓信號(hào)為至少一數(shù)字信號(hào)。表1顯示公知的微加速計(jì)與MEMS 100之間的比較。在同樣SNR下，MEMS 100的操作電流可實(shí)質(zhì)上地小于公知微加速計(jì)的電流。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)，包括一微機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生一第一電信號(hào)；以及一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，耦接該微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中該微機(jī)電系統(tǒng)不包括任何放大器位于 該微機(jī)械結(jié)構(gòu)與該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其中該微機(jī)械結(jié)構(gòu)包括一數(shù)字屏蔽層以及一模擬 屏蔽層，且該屏蔽層與該模擬屏蔽層間隔一距離，該距離介于大約2μιη與大約5μιη之 間。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其中該微機(jī)械結(jié)構(gòu)包括一數(shù)字屏蔽層以及一模擬 屏蔽層位于一 CMOS電路上，該數(shù)字屏蔽層經(jīng)由一連接區(qū)域耦接到該模擬屏蔽層，且該 連接區(qū)域具有一樣式，實(shí)質(zhì)上等于該CMOS電路的至少一金屬層的一布線樣式的至少一 部分。
4.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，還包括一轉(zhuǎn)換器，耦接在該微機(jī)械與該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間，用以轉(zhuǎn)換該第一電信號(hào)成為 一第二電信號(hào)，其中該第二電信號(hào)包括一電壓信號(hào)、一電流信號(hào)或其組合的其中至少一 個(gè)。
5.如權(quán)利要求4所述的微機(jī)電系統(tǒng)，還包括一檢測(cè)器，用于檢測(cè)該第二電信號(hào)；一控制器，耦接該檢測(cè)器；以及一時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)，耦接該控制器；其中假如該第二電信號(hào)實(shí)質(zhì)上地小于一既定時(shí)間間隔的一既定值，該控制器用于 控制該時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)輸出具有一第一取樣頻率的一第一時(shí)鐘脈沖信號(hào)以取樣該第二電信 號(hào)；以及假如該第二電信號(hào)非實(shí)質(zhì)上地小于一既定時(shí)間間隔的一既定值，該控制器用于控制 該時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)輸出具有一第二取樣頻率的一第二時(shí)鐘脈沖信號(hào)以取樣該第二電信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的微機(jī)電系統(tǒng)，還包括一內(nèi)插濾波器，耦接該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用以使得來(lái)自該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信 號(hào)平滑。
7.如權(quán)利要求6所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其中該內(nèi)插濾波器耦接該時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)，用于接 收來(lái)自該時(shí)鐘脈沖開(kāi)關(guān)的該第一時(shí)鐘脈沖信號(hào)或該第二時(shí)鐘脈沖信號(hào)。
8.—種操作微機(jī)電系統(tǒng)的方法，該微機(jī)電系統(tǒng)包括一微機(jī)械結(jié)構(gòu)，該方法包括感測(cè)一微機(jī)械結(jié)構(gòu)的一第一電信號(hào)；以及以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換該第一電信號(hào)成為至少一數(shù)字信號(hào)，其中在感測(cè)與模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換該第一電信號(hào)期間該第一電信號(hào)沒(méi)有被放大。
9.如權(quán)利要求8所述的操作微機(jī)電系統(tǒng)的方法，還包括轉(zhuǎn)換該第一電信號(hào)成為一第二電信號(hào)，其中該第二電信號(hào)包括一電壓信號(hào)、一電流 信號(hào)以及其組合的其中至少一個(gè)。
10.如權(quán)利要求9所述的操作微機(jī)電系統(tǒng)的方法，還包括檢測(cè)該第二電信號(hào)，其中假如該第二信號(hào)是實(shí)質(zhì)上地小于在一既定時(shí)間間隔的一既 定值，該第二電信號(hào)以一第一取樣頻率取樣；以及其中假如該第二信號(hào)是實(shí)質(zhì)上地非小于在一既定時(shí)間間隔的一既定值，該第二電信 號(hào)以一第二取樣頻率取樣
11.如權(quán)利要求10所述的操作微機(jī)電系統(tǒng)的方法，還包括內(nèi)插至少一數(shù)據(jù)于該至少一數(shù)字信號(hào)的二相鄰數(shù)字信號(hào)之間以使得該至少一數(shù)字信 號(hào)平滑。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)及其操作方法，該微機(jī)電系統(tǒng)包括一微機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生一第一電信號(hào)；以及一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，耦接該微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中該微機(jī)電系統(tǒng)不包括任何放大器位于該微機(jī)械結(jié)構(gòu)與該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間。本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)以及其操作方法具有合意的功率消耗及/或具有合意的面積。
文檔編號(hào)B81B7/02GK102020233SQ20101028227
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者彭永州, 林有為, 黃文宏 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司