用于mems換能器的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總的涉及傳感器技術(shù)，并且特別的實施例中，涉及用于MEMS換能器(transducer)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]換能器將信號從一個域(domain)轉(zhuǎn)換至另一個域，并且常常在傳感器中被使用。日常生活中所見的一種具有換能器的常見傳感器是將聲波轉(zhuǎn)換為電信號的麥克風(fēng)。
[0003]基于傳感器的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS, microelectromechanical system)包括使用微加工技術(shù)生產(chǎn)的換能器系列。MEMS(比如，MEMS麥克風(fēng))通過對換能器中的物理狀態(tài)的變化進(jìn)行測量以及對將由連接至MEMS傳感器的電子進(jìn)行處理的信號的傳送來從環(huán)境收集信息。MEMS設(shè)備可使用類似于那些用于集成電路的微加工制造技術(shù)來制造。
[0004]MEMS設(shè)備可被設(shè)計為起以下作用:振蕩器、諧振器、加速計、陀螺儀、壓力傳感器、麥克風(fēng)、微反射鏡(micro-mirror)。許多MEMS設(shè)備使用用于將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電信號的電容檢測技術(shù)。在此種應(yīng)用中，使用接口電路將傳感器中的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。然而，當(dāng)寄生效應(yīng)存在時微型化傳感器，這些接口電路的設(shè)計可變得具有挑戰(zhàn)性。例如，耦接的寄生電容的存在可降低傳感器的有效增益，其結(jié)合小尺寸的MEMS傳感器可導(dǎo)致設(shè)備將更容易受到機(jī)械或電氣噪音的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種如本文所描述的實施例包括具有第一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)換能器元件、第二MEMS換能器元件和半導(dǎo)體襯底的MEMS。第一 MEMS換能器元件和第二 MEMS換能器元件布置在半導(dǎo)體襯底的頂面處，并且半導(dǎo)體襯底包括在聲學(xué)上(acoustically)親接至第一 MEMS換能器元件和第二 MEMS換能器元件的共享的腔體。
【附圖說明】
[0006]為了更完整的理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)參考了下述結(jié)合附圖的【具體實施方式】，其中:
[0007]圖1示出了一種實施例換能器系統(tǒng)的方框圖；
[0008]圖2示出了一種使用兩個偏置電壓的實施例換能器系統(tǒng)的示意圖；
[0009]圖3示出了使用兩個放大器的另一種實施例換能器系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖4示出了一種使用多個MEMS設(shè)備的進(jìn)一步實施例換能器系統(tǒng)的示意圖；
[0011]圖5示出了一種實施例換能器接口電路的簡化方框圖；
[0012]圖6示出了一種實施例換能器接口電路的更詳細(xì)的方框圖；
[0013]圖7示出了一種實施例MEMS換能器的示意圖；
[0014]圖8a_8d示出了實施例聲音端口配置的示意圖；
[0015]圖9不出了一種實施例制造順序的不意圖；
[0016]圖10不出了另外一種的實施例制造順序的不意圖；
[0017]圖1la-1lb示出了一種實施例換能器系統(tǒng)的示意圖；
[0018]圖12a_12c示出了實施例換能器配置的示意圖；
[0019]圖13示出了一種實施例雙背板(dual backplate)MEMS換能器的示意圖；
[0020]圖14示出了一種實施例雙背板MEMS換能器系統(tǒng)的示意圖；
[0021]圖15示出了另一種實施例雙背板MEMS換能器系統(tǒng)的示意圖；
[0022]圖16示出了另外一種的實施例雙背板MEMS換能器系統(tǒng)的示意圖；
[0023]圖17示出了一種運行換能器系統(tǒng)的實施例方法的方框圖；以及
[0024]圖18a和圖18b示出了實施例頂部端口麥克風(fēng)封裝的橫截面。
[0025]除非另有說明，在不同附圖中的對應(yīng)附圖標(biāo)記和符號通常指對應(yīng)的部件。所繪附圖是為了清楚地說明實施例的有關(guān)方面，并不一定按比例繪制。
【具體實施方式】
[0026]各種實施例的制造和使用在下文中進(jìn)行了詳細(xì)地討論。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所描述的各種實施例適用于各種各樣的特定環(huán)境。所討論的特定實施例僅僅說明制造和使用各種實施例的特定方法，并且不應(yīng)當(dāng)在受限的范圍內(nèi)進(jìn)行解釋。
[0027]描述是相對于特定環(huán)境中的各種實施例(也就是麥克風(fēng)換能器，更具體地，MEMS麥克風(fēng))進(jìn)行的。本文所描述的各種實施例中的一些包括MEMS換能器系統(tǒng)、MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)、用于換能器系統(tǒng)和MEMS換能器系統(tǒng)的接口電路、產(chǎn)生差分信號的MEMS麥克風(fēng)以及具有差分信號的多個換能器麥克風(fēng)系統(tǒng)。在其他實施例中，方面也可被應(yīng)用于根據(jù)本領(lǐng)域已知的任何形式的涉及將物理信號轉(zhuǎn)換至另一個域并與電子相連接的任何類型傳感器或換能器的其他應(yīng)用中。
[0028]圖1示出了包括MEMS換能器10UMEMS換能器102、放大器110和偏置生成器120的實施例傳感器系統(tǒng)100的方框圖。如圖所示，第一差分信號通過連接112和連接114由MEMS換能器101和102提供給放大器110。放大器110放大第一差分信號，并在輸出端116和輸出端118處提供第二差分信號。
[0029]根據(jù)實施例，MEMS換能器101和102被配置為麥克風(fēng)，并將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號。在該實施例中，MEMS換能器101和102可通過共享的聲音端口(未示出)接收聲信號130，將聲信號130轉(zhuǎn)換為電域，并通過連接112和114將差分電信號提供給放大器110。在所示實施例中，偏置生成器120為MEMS換能器101和102提供偏置電壓。根據(jù)各種實施例，偏置生成器120為MEMS換能器101提供第一偏置電壓并且為MEMS換能器102提供第二偏置電壓。第一偏置電壓可不同于第二偏置電壓。在各種實施例中，MEMS換能器101和102接收聲信號130，并在連接112和114上產(chǎn)生相等大小的反相電信號，形成差分信號。在一些實施例中，第一偏置電壓與第二偏置電壓在極性上相反，這使得由MEMS換能器101和102產(chǎn)生的電信號是反相的。
[0030]在替代的實施例中，偏置生成器120為MEMS換能器101和102提供相同的偏置電壓。在該實施例中，由MEMS換能器101和102產(chǎn)生的電信號可以是同相的。在一些實施例中，MEMS換能器與共享的轉(zhuǎn)換元件(例如，雙背板MEMS麥克風(fēng))耦接。在該實施例中，偏置生成器可為MEMS換能器101和102提供相同的偏置電壓，并且所產(chǎn)生的電信號是反相的。各種配置將參考其余附圖進(jìn)行更詳細(xì)地討論。
[0031]根據(jù)各種實施例，MEMS換能器101和102包括多個換能器元件。在特定實施例中，MEMS換能器101可包括兩個換能器元件，并且MEMS換能器102可包括兩個換能器元件。MEMS換能器101和MEMS換能器102也可包括多于兩個換能器元件。每個MEMS換能器或換能器元件可使用單背板電容式MEMS麥克風(fēng)來實施。在一些實施例中，每個MEMS換能器使用雙背板MEMS麥克風(fēng)或許多雙背板MEMS麥克風(fēng)來實施。在其他實施例中，MEMS換能器101和102是一個雙背板MEMS麥克風(fēng)中的兩個背板。
[0032]圖2示出了具有耦接至兩個MEMS麥克風(fēng)201和202的兩個偏置電壓源222和224的實施例換能器系統(tǒng)200的示意圖。偏置電壓源222為MEMS麥克風(fēng)201的隔膜(diaphragm)提供第一偏置電壓Vmiel,并且偏置電壓源224為MEMS麥克風(fēng)202的隔膜提供第二偏置電壓Vmic；2。如參考圖1所討論的，MEMS麥克風(fēng)201和202可聲學(xué)上耦接至相同的輸入聲音端口。在一些實施例中，Vmic;jP V *2的極性可以是相反的。在特定的實施例中，第一偏置電壓和第二偏置電壓可通過方程式Vmiel= -V mic2+2.Vtjffset相關(guān)聯(lián)，其中V。伽丨(未示出)是電路205內(nèi)可幫助偏置差分放大器210的偏置電壓。例如，在特定的實施中，Vtjffsrt可以是0.5V。在各種實施例中，被提供給MEMS麥克風(fēng)201和202的偏置電壓可使得由MEMS麥克風(fēng)201和202產(chǎn)生的并且被提供給線212和214的信號反相。線212和214上的反相信號可形成差分信號。
[0033]該差分信號被提供給在線216和218上提供放大的差分輸出的差分放大器210。差分放大器210被包括在電路205中。在各種實施例中，電路205可在集成電路(IC)上實施。在進(jìn)一步的實施例中，IC可被附接在具有MEMS麥克風(fēng)201和202的芯片上，或者電路205可制造在具有MEMS麥克風(fēng)201和202的制造共享的襯底上。根據(jù)所示實施例，MEMS麥克風(fēng)201和202的背板分別地耦接至線212和214。在替代的實施例中，MEMS麥克風(fēng)201和202的背板和隔膜以各種其他配置進(jìn)行耦接。
[0034]圖3示出了放大器塊305中具有兩個放大器310和315的另一個實施例換能器系統(tǒng)300的示意圖。在所示實施例中，偏置電壓源320為MEMS麥克風(fēng)301和302提供偏置電SVmi。。放大器310具有增益A1，并且放大器315具有增益A2。增益AjPA2可具有相同大小和相反的符號。在此實施例中，放大器塊305可接收來自MEMS麥克風(fēng)301和302的線312和314上的同相信號，并產(chǎn)生線316和318上的放大的差分輸出信號。
[0035]圖4示出了使用多個MEMS設(shè)備的進(jìn)一步實施例換能器系統(tǒng)400的示意圖。MEMS換能器401和402可每一個包括多個換能器元件。在特定的實施例中，MEMS換能器401可包括電容式MEMS麥克風(fēng)401a-4