CN114222232B - Mems系统及信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS系统及信号处理电路，电容式MEMS传感模块的MEMS电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，电容式MEMS传感模块连接偏置电压生成模块以接入偏置电压，并根据电容变化量及偏置电压输出表征声音信号的第一电压信号；利用缓冲模块接入第一电压信号并进行阻抗转换，输出第二电压信号；利用增益调节模块接入第二电压信号，并对第二电压信号进行增益调节后反馈至电容式MEMS传感模块。本发明通过增益调节模块可以实现电容式MEMS传感模块的灵敏度的正负增益调节，扩大了MEMS系统的应用场景；同时，通过控制增益调节模块和缓冲模块的等效输入噪声可以大大降低灵敏度调节过程中的信噪比损失，在增益调节过程维持系统的信噪比固定。

Description

MEMS系统及信号处理电路

技术领域

本发明涉及微麦克风技术领域，尤其涉及一种MEMS系统及信号处理电路。

背景技术

电容式MEMS麦克风是采用微加工工艺制造的MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微电子机械系统)器件。由于具有体积小、灵敏度高、与现有半导体技术兼容性好的优点，电容式MEMS麦克风在手机等移动终端上的应用越来越广泛。

电容式MEMS麦克风的结构具有振动膜、背板电极及支撑墙体，支撑墙体围合成一空腔，背板电极位于支撑墙体上且遮盖空腔，振动膜悬于空腔内且边缘延伸至支撑墙体内进行固定。当振动膜在外部的声音信号的激励下，振动膜与背板电极之间的距离改变，改变电容大小，再通过集成电路芯片将电容变化转化为电压信号的变化并进行输出。

目前，振动膜和背板电极可被制作在一起，间距做到1.5um以下，大大提高了电容式MEMS麦克风的性能，随着电容式MEMS麦克风的灵敏度的提高，我们可以制作出更高信噪比水平的MEMS麦克风器件，但是目前电容式MEMS麦克风制备完成之后，灵敏度无法调节，当灵敏度超出规格之后，低灵敏度场景的使用会受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS系统及信号处理电路，能够调节电容式MEMS麦克风的增益。

为了达到上述目的，本发明提供了一种MEMS系统，包括：

偏置电压生成模块，用于生成偏置电压；

电容式MEMS传感模块，包括MEMS电容，所述MEMS电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，所述电容式MEMS传感模块连接所述偏置电压生成模块，以接入所述偏置电压，并根据所述电容变化量及所述偏置电压输出表征所述声音信号的第一电压信号，所述第一电压信号通过一个输出端输出；

缓冲模块，连接所述电容式MEMS传感模块的输出端，以接入所述第一电压信号并进行阻抗转换，输出第二电压信号；

增益调节模块，连接所述缓冲模块的输出端，以接入所述第二电压信号，并对所述第二电压信号进行增益调节后经过第二耦合模块反馈至所述偏置电压生成模块的输出端。

可选的，所述偏置电压生成模块的输出端及所述电容式MEMS传感模块的输出端均呈高阻态。

可选的，所述MEMS电容的数量为一个，且所述偏置电压生成模块通过一个输出端输出一个所述偏置电压。

可选的，所述MEMS电容的数量为两个，两个所述MEMS电容在所述声音信号的激励下产生反向的电容变化量。

可选的，所述偏置电压生成模块通过一个输出端输出一个所述偏置电压。

可选的，还包括：

第一高阻模块，一端连接在所述电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲模块之间的节点上，另一端接入第一共模电压。

可选的，所述偏置电压生成模块通过两个输出端分别输出一个所述偏置电压，所述电容式MEMS传感模块还接入第二共模电压，所述电容式MEMS传感模块根据所述电容变化量、两个所述偏置电压以及所述第二共模电压输出所述第一电压信号。

可选的，还包括：

第二高阻模块，一端连接所述电容式MEMS传感模块，另一端接入所述第二共模电压。

可选的，所述电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲模块的输入端之间连接有第一耦合模块。

可选的，所述第二耦合模块包括：

耦合电容，所述耦合电容的第一端连接所述增益调节模块的输出端，所述耦合电容的第二端连接所述偏置电压生成模块的输出端。

可选的，所述第二耦合模块还包括：

调节电容，所述调节电容的第一端连接所述耦合电容的第二端，所述调节电容的第二端接入第三共模电压。

可选的，所述偏置电压生成模块包括：

电荷泵模块，用于输出基础偏置电压；以及，

第三高阻模块，连接所述电荷泵模块，以接入所述基础偏置电压，并将所述基础偏置电压转换为所述偏置电压。

可选的，所述MEMS系统输出所述第二电压信号。

可选的，还包括：

单转双模块，连接所述缓冲模块的输出端，以接入所述第二电压信号，并将所述第二电压信号转换为差分信号，所述MEMS系统输出所述差分信号。

可选的，所述增益调节模块的增益系数为负。

可选的，所述增益调节模块的增益系数为-1，所述缓冲模块输出的所述第二电压信号及所述增益调节模块输出的信号构成差分信号，所述MEMS系统输出所述差分信号。

可选的，所述增益调节模块的增益系数为正。

可选的，还包括数字处理模块，所述数字处理模块包括：

模拟数字采样单元，用于对所述MEMS系统的输出信号进行采样，得到数字采样信号；

数字逻辑单元，连接所述模拟数字采样单元，用于对所述数字采样信号进行格式转换，得到数字电压信号，所述MEMS系统输出所述数字电压信号。

可选的，所述数字逻辑单元还在外部的时钟信号以及外部的第一使能信号的驱动下输出数字控制信号，所述数字控制信号用于实现整个所述MEMS系统的数字控制。

可选的，还包括：

数字控制模块，用于在时钟信号以及外部的第二使能信号的驱动下输出数字控制信号，所述数字控制信号用于实现整个所述MEMS系统的数字控制。

可选的，还包括：

LDO模块，用于接收外部的电源电压，并根据所述外部的电源电压生成恒定的电源电压，为所述缓冲模块及所述增益调节模块供电。

可选的，所述偏置电压生成模块、所述缓冲模块及所述增益调节模块集成在同一ASIC芯片上，所述ASIC芯片通过打线的方式与所述电容式MEMS传感模块连接。

可选的，还包括：

ESD模块，连接所述ASIC芯片，用于对所述ASIC芯片及所述电容式MEMS传感模块进行ESD防护。

可选的，所述电容式MEMS传感模块包括电容式MEMS麦克风、电容式MEMS声换能器或电容式MEMS传声器。

可选的，本发明还提供了一种信号处理电路，包括：

偏置电压生成模块，用于生成并输出偏置电压，所述偏置电压生成模块向电容式MEMS传感器模块提供所述偏置电压，所述电容式MEMS传感器模块生成第一电压信号；

缓冲模块，以接入所述第一电压信号并进行阻抗转换，输出第二电压信号；

增益调节模块，连接所述缓冲模块的输出端，接入所述第二电压信号，并对所述第二电压信号进行增益调节后经过第二耦合模块反馈至偏置电压生成模块的输出端。

本发明提供的MEMS系统及信号处理电路中，电容式MEMS传感模块的MEMS电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，所述电容式MEMS传感模块连接偏置电压生成模块以接入所述偏置电压，并根据电容变化量及偏置电压输出表征所述声音信号的第一电压信号；利用缓冲模块接入所述第一电压信号并进行阻抗转换，输出第二电压信号；利用增益调节模块接入所述第二电压信号，并对所述第二电压信号进行增益调节后反馈至所述电容式MEMS传感模块。本发明通过所述增益调节模块可以实现所述电容式MEMS传感模块的灵敏度的正负增益调节，扩大了所述MEMS系统的应用场景；同时，通过控制所述增益调节模块和所述缓冲模块的等效输入噪声可以大大降低灵敏度调节过程中的信噪比损失，在增益调节过程维持系统的信噪比固定。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的MEMS系统的结构框图；

图2为本发明实施例一提供的第三高阻模块的电路图；

图3为本发明实施例一提供的快速启动电路的电路图；

图4为图1中的MEMS系统的简化结构图的电路图；

图5为本发明实施例二提供的MEMS系统的结构框图；

图6为本发明实施例三提供的MEMS系统的结构框图；

图7a、图7b及图7c为本发明实施例四提供的三种MEMS系统的结构框图；

图8a、图8b及图8c为本发明实施例五提供的三种MEMS系统的结构框图；

图9a、图9b及图9c为本发明实施例六提供的三种MEMS系统的结构框图；

图10a、图10b及图10c为本发明实施例七提供的三种MEMS系统的结构框图；

其中，附图标记为：

10-偏置电压生成模块；11、111、112-第三高阻模块；12-电荷泵模块；13-吸合检测模块；20-电容式MEMS传感模块；31-缓冲模块；32-增益调节模块；33-第一高阻模块；34-第二高阻模块；35-单转双模块；40-时钟信号生成模块；50-LDO模块；60-数字控制模块；70-ESD模块；801-第三单向导通单元；802-快速启动电路；90-数字处理模块；91-模拟数字采样单元；92-数字逻辑单元；

Clk-时钟信号；CLK’-外部的时钟信号；Vcp、Vcp01、Vcp02-偏置电压；Vin-第一电压信号；Vcp1、Vcp11、Vcp12-基础偏置电压；Vs-第二电压信号；Vf-第三电压信号；Vout、Voutm、Voutp、Voutb、Voutn、Dout、Doutm、Doutp、Doutb、Doutn-MEMS系统的输出信号；GainCtrl-数字控制信号；Vcom1-第一共模电压；Vcom2-第二共模电压；Vcom3-第三共模电压；V1-第三高阻节点；V2-第三低阻节点；Vdd-恒定的电源电压；VDD-外部的电源电压；Din-外部的第二使能信号；Lr-外部的第一使能信号；Gnd-接地端；K-节点；C1、C3-耦合电阻；C2-调节电阻。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

图1为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图1所示，所述MEMS系统包括：

偏置电压生成模块10，用于生成偏置电压Vcp；

电容式MEMS传感模块20，包括MEMS电容，所述MEMS电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，所述电容式MEMS传感模块20连接所述偏置电压生成模块10，以接入所述偏置电压Vcp，并根据所述电容变化量及所述偏置电压Vcp输出表征所述声音信号的第一电压信号Vin，所述第一电压信号Vin通过一个输出端输出；

缓冲模块31，连接所述电容式MEMS传感模块20的输出端，以接入所述第一电压信号Vin并进行阻抗转换，输出第二电压信号Vs；

增益调节模块32，连接所述缓冲模块31的输出端及所述电容式MEMS传感模块20，以接入所述第二电压信号Vs，并对所述第二电压信号Vs进行增益调节后经过第二耦合模块反馈至所述偏置电压生成模块10的输出端。

具体而言，本实施例中，所述电容式MEMS传感模块20包括一个MEMS电容，所述MEMS电容的输入端连接所述偏置电压生成模块10，用于接入所述偏置电压Vcp；所述MEMS电容的输出端作为所述电容式MEMS传感模块20的输出端，所述MEMS电容根据所述电容变化量及所述偏置电压Vcp输出表征所述声音信号的第一电压信号Vin。

本实施例中，所述电容式MEMS传感模块20为电容式MEMS麦克风。但应理解，本发明中的电容式MEMS传感模块20不限于是电容式MEMS麦克风，还可以是电容式MEMS声换能器或电容式MEMS传声器等，这里不再一一解释说明。

进一步地，所述MEMS系统还包括第一高阻模块33，所述第一高阻模块33的一端连接在所述电容式MEMS传感模块20的输出端与所述缓冲模块31之间的节点K上，另一端用于接入第一共模电压Vcom1，以提供所述第一共模电压Vcom1给所述节点K，并为所述电容式MEMS传感模块20的输出端建立静态工作点。

请继续参阅图1，所述电容式MEMS传感模块20的输出端呈高阻态，输出的所述第一电压信号Vin没有驱动能力。为了进行后续的处理，所述缓冲模块31的输入端连接所述电容式MEMS传感模块20的输出端，用于接入所述第一电压信号Vin并进行阻抗转换(高阻态转换为低阻态)，以输出第二电压信号Vs，从而增强驱动能力。本实施例中，所述缓冲模块31输出的所述第二电压信号Vs同时也作为所述MEMS系统的输出信号Vout。

进一步地，所述增益调节模块32连接所述缓冲模块31的输出端，用于接入所述第二电压信号Vs，并对所述第二电压信号Vs进行增益调节。为了便于描述，将所述增益调节模块32输出的信号称为第三电压信号Vf，也即，所述第三电压信号Vf即为进行了增益调节的第二电压信号Vs。

应理解，所述增益调节模块32可以是现有的带有增益调节的电路，此处不再过多赘述。

请继续参阅图1，所述第二耦合模块用于将所述第三电压信号Vf耦合至所述偏置电压生成模块10的输出端，从而耦合至所述电容式MEMS传感模块20中，也即将所述第三电压信号Vf耦合至所述MEMS电容的输入端。所述增益调节模块32及所述第二耦合模块构成反馈回路，当反馈回路上的反馈系数为正值时，反馈回路为正反馈，可以实现所述电容式MEMS传感模块20的灵敏度的正增益调节；反之，当反馈回路上的反馈系数为负值时，反馈回路为负反馈，可以实现所述电容式MEMS传感模块20的灵敏度的负增益调节。可见，本实施例通过所述增益调节模块32及所述第二耦合模块可以实现所述电容式MEMS传感模块20的灵敏度的正负增益调节，扩大了所述MEMS系统的应用场景。

本实施例中，所述第二耦合模块包括耦合电容C1。所述耦合电容C1的第一端连接所述增益调节模块32的输出端，用于接入所述第三电压信号Vf，所述耦合电容C1的第二端连接至所述偏置电压生成模块10的输出端，用于将所述第三电压信号Vf耦合至所述电容式MEMS传感模块20。

进一步地，所述第二耦合模块还包括调节电容C2，所述调节电容C2的第一端连接所述耦合电容C1的第二端，所述调节电容C2的第二端连接第三共模电压Vcom3。

所述耦合电容C1及所述调节电容C2可以是电容值可调的电容，如此可以通过调节所述耦合电容C1和/或所述调节电容C2的电容值即可调节所述电容式MEMS传感模块20的灵敏度。当然，所述耦合电容C1及所述调节电容C2也可以均为固定电容值的电容，如此也可以通过调节所述增益调节模块32的增益系数调节所述电容式MEMS传感模块20的灵敏度。进一步地，所述耦合电容C1及所述调节电容C2也可以一个是电容值可调的电容，另一个是固定电容值的电容，此处不再一一举例说明。

作为可选实施例，由于所述增益调节模块32也可以调节输出信号的幅度，进而调节所述电容式MEMS传感模块20的灵敏度，因此所述调节电容C2也可以被省略。

请继续参阅图1，所述MEMS系统还包括所述时钟信号生成模块40，所述时钟信号生成模块40为整个所述MEMS系统提供时钟信号Clk，所述时钟信号生成模块40的具体连接方式将在下文中描述。

所述偏置电压生成模块10用于为所述电容式MEMS传感模块20提供所述偏置电压Vcp，且所述偏置电压生成模块10的输出端呈高阻态。

具体而言，所述偏置电压生成模块10包括电荷泵模块12及第三高阻模块11。所述电荷泵模块12的输入端与所述时钟信号生成模块40的输出端连接，用于接收所述时钟信号Clk，并在所述时钟信号Clk的驱动下输出基础偏置电压Vcp1，所述第三高阻模块11连接所述电荷泵模块12，用于接入所述基础偏置电压Vcp1，并将所述基础偏置电压Vcp1稳定在高阻态输出，使得所述偏置电压生成模块10的输出端呈高阻态。

应理解，所述偏置电压Vcp理论上越高越好，但是考虑到工艺耐压情况，通常所述偏置电压Vcp的为4V-15V，但不应以此为限。

进一步地，所述电容式MEMS传感模块20在过大的声音信号的激励下，可能产生吸合现象(所述MEMS电容的振膜与背板电极粘黏)，所述电容式MEMS传感模块20在产生吸合现象时，会发生MEMS电容跳变(所述MEMS电容突然变大)，同时所述MEMS电容的背板电极的漏电增大，导致所述电容式MEMS传感模块20输出的所述第一电压信号Vin产生跳变，并且会维持一段时间，进而导致系统的灵敏度会大大降低。

基于此，本实施例中，所述偏置电压生成模块10还包括吸合检测模块13，所述吸合检测模块13的输入端可以接入表征声音信号的电压信号(下称内部信号)。当所述MEMS电容产生吸合现象时，所述内部信号跳变，所述吸合检测模块13在所述内部信号跳变时拉低所述偏置电压Vcp，从而降低所述偏置电压Vcp的电压值(例如可以将所述偏置电压Vcp拉低到地Vss，从而将所述偏置电压Vcp接地Vss)，释放掉所述MEMS电容的背板电极上的电荷，失去电场力的作用，所述MEMS电容的振膜会在自身弹性作用下弹回，解除吸合状态，从而快速恢复系统的灵敏度。

应理解，所述内部信号例如可以是任何能够表征所述声音信号的电压信号，例如是所述第一电压信号Vin、所述第二电压信号Vs或者所述第三电压信号Vf等，本发明对此不作限制。本实施例中，所述吸合检测模块13的输入端连接所述缓冲模块31的输出端，用于接入所述第二电压信号Vs，此时，所述第二电压信号Vs作为所述内部信号。

本实施例中，所述第一高阻模块33与所述第三高阻模块11的结构相同，应理解，所述第一高阻模块33与所述第三高阻模块11的结构实际上也可以不相同。接下来，下文将以所述第三高阻模块11为例，对所述第一高阻模块33与所述第三高阻模块11的结构进行详细说明。

图2为本实施例提供的第三高阻模块11的电路图。如图1及图2所示，所述第三高阻模块11包括第三高阻节点和第三低阻节点，所述第三高阻节点和所述第三低阻节点之间具有一个或至少两个串联的第三单向导通单元801。图2中，每个所述第三单向导通单元801均为二极管，所述二极管的正极和负极依次相连，第一个二极管的正极作为所述第三低阻节点V1，最后一个二极管的负极作为所述第三高阻节点V2，所述第三高阻模块11沿所述第三低阻节点V1至第三高阻节点V2的方向导通，沿所述第三高阻节点V2至所述第三低阻节点V1的方向截止。所述第三低阻节点V1连接所述电荷泵模块12，用于接入所述基础偏置电压Vcp1，所述第三高阻节点V2连接所述电容式MEMS传感模块20，用于向所述电容式MEMS传感模块20提供高阻态的所述偏置电压Vcp。所述第三高阻模块11可以利用类似二极管I-V特性，使其在一定电压范围内具备高阻特性，从而可以将所述偏置电压生成模块10的输出端稳定在高阻态，保证电路的正常工作。

图3为本实施例提供的快速启动电路的电路图。如图3所示，所述第三高阻节点V2与所述第三低阻节点V1之间还可以连接快速启动电路802。当所述第三低阻节点V1和所述第三高阻节点V2的电压接近时，所述第三高阻节点V2上的电压建立的很慢，本实施例中的所述快速启动电路802相当于一个开关，当所述快速启动电路802导通时，所述第三低阻节点V1可以快速为所述第三高阻节点V2充放电，从而加快所述第三高阻节点V2上的电压的建立，实现电路的快速启动，提高系统的启动速度。

应理解，本实施例中的所述第三单向导通单元801不限于是二极管，还可以是两个以二极管接法连接的MOS管。

类似的，所述第一高阻模块33也可以包括第一高阻节点和第一低阻节点，所述第一高阻节点与第一低阻节点之间具有一个或至少两个串联的第一单向导通单元，所述第一低阻节点接入所述第一共模电压Vcom1，所述第一高阻节点连接所述节点K。所述第一高阻模块33可以利用类似二极管I-V特性，使其在一定电压范围内具备高阻特性，从而可以将所述电容式MEMS传感模块20的输出端稳定在高阻态，保证电路的正常工作。

作为可选实施例，所述第一高阻节点与所述第一低阻节点之间也可以连接快速启动电路，从而加快所述第一高阻节点上的电压的建立，提高系统的启动速度。

本实施例中，所述第一共模电压Vcom1及所述第三共模电压Vcom3为0V～1V，但不应以此为限。

请继续参阅图1，本实施例中，所述MEMS系统还包括LDO模块50，所述LDO模块50可以接收外部的电源电压VDD，并据此为所述缓冲模块31和/或所述增益调节模块32提供恒定的电源电压Vdd，从而提升所述MEMS系统的工作性能。

进一步地，本实施例中，所述MEMS系统还包括数字控制模块60，所述数字控制模块60的输入端与所述时钟信号生成模块40连接，用于接入所述时钟信号Clk，并在所述时钟信号Clk以及外部的第二使能信号Din的驱动下输出数字控制信号GainCtrl。所述数字控制信号GainCtrl用于实现整个所述MEMS系统的数字控制，例如，所述数字控制信号GainCtrl可以用于所述增益调节模块32的动态增益调整补偿或特殊测试模式的控制等；同时，所述数字控制信号GainCtrl还可以完成所述MEMS系统与外部的数字通信、EFUSE烧写控制以及数字信号滤波及转码输出等功能。

应理解，本实施例中，所述偏置电压生成模块10、所述缓冲模块31、所述增益调节模块32、所述第一高阻模块33、所述时钟信号生成模块40、所述LDO模块50以及所述数字控制模块60可以集成在同一ASIC芯片上。所述ASIC芯片与所述电容式MEMS传感模块20通过打线的方式电性连接，从而实现信号互通。

进一步地，所述MEMS系统还包括ESD模块70，所述ESD模块70连接所述ASIC芯片，用于对所述ASIC芯片及所述电容式MEMS传感模块进行ESD防护。具体而言，所述ESD模块70位于所述ASIC芯片的焊盘附近，所述MEMS系统的输出信号Vout可以通过所述ESD模块70输出，所述MEMS系统外部输入的信号(例如外部的第二使能信号Din或外部的电源电压VDD等)可以通过所述ESD模块70输入所述MEMS系统中，从而提高所述MEMS系统的ESD性能。

进一步地，本实施例通过控制所述增益调节模块32和所述缓冲模块31的等效输入噪声可以大大降低灵敏度调节过程中的信噪比损失，在增益调节过程维持系统的信噪比固定。

具体而言，图4为图1中的MEMS系统的简化结构图。如图4所示，令所述增益调节模块32的预设增益系数为k1，所述增益调节模块32、所述耦合电容C1和所述调节电容C2一起完成增益调整后的增益系数为k2，所述缓冲模块31的等效输入噪声为vn1，所述增益调节模块32的等效输入噪声为vn2，所述MEMS电容的静态电容为C0，寄生电容为Cp，所述声音信号(InPressure)引起所述MEMS电容的电容变化量ΔC＝m*C0，其中，m用于表征电容变化量和静态电容的关系。

所述MEMS系统的灵敏度Sen为：

所述MEMS系统的等效噪声电压Noise为：

不考虑MEMS部分噪声的情况下，所述MEMS系统的信噪比SNR为：

其中，k3＝k1*k2，可见，当增益调节模块32的等效输入噪声vn2小于所述缓冲模块31的等效输入噪声vn1时，可以大大降低灵敏度调节过程中的信噪比损失；当所述增益调节模块32的等效输入噪声vn2相对于所述缓冲模块31的等效输入噪声vn1足够小时，可认为所述MEMS系统的信噪比不随增益修调而变化。

基于此，本实施例还提供了一种信号处理电路。如图1所示，包括偏置电压生成模块10、缓冲模块31及增益调节模块32。

其中，所述偏置电压生成模块10用于生成并输出偏置电压Vcp，所述偏置电压生成模块10向电容式MEMS传感器模块20提供所述偏置电压Vcp，所述电容式MEMS传感器模块20生成第一电压信号Vin。所述缓冲模块31接入所述第一电压信号Vin并进行阻抗转换，输出第二电压信号Vs；所述增益调节模块32连接所述缓冲模块31的输出端，接入所述第二电压信号Vs，并对所述第二电压信号Vs进行增益调节后经过第二耦合模块反馈至偏置电压生成模块10的输出端。

应理解，所述偏置电压生成模块10、缓冲模块31、电容式MEMS传感器模块20及增益调节模块32的具体结构及连接关系已在上文中描述，在此不再过多赘述。

实施例二

图5为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图5所示，与实施例一的区别在于，本实施例中，所述MEMS电容的数量为两个，两个所述MEMS电容构成差分电容，所述电容式MEMS传感模块20为差分电容式MEMS传感模块。

本实施例中，所述偏置电压生成模块10通过一个输出端输出一个所述偏置电压Vcp，所述电容式MEMS传感模块20的输入端连接所述偏置电压生成模块10的输出端，用于接入所述偏置电压Vcp。并且，两个所述MEMS电容在所述声音信号的激励下产生反向的电容变化量，一个所述MEMS电容上的信号可以耦合到另一个MEMS电容上的信号一起输出，在MEMS部分完成了差分转单端的功能。所述差分电容根据所述电容变化量以及所述偏置电压Vcp输出表征所述声音信号的第一电压信号Vin，所述第一电压信号Vin通过所述电容式MEMS传感模块20的一个输出端输出，实现所述电容式MEMS传感模块20的单端输出。

应理解，由于所述电容式MEMS传感模块20是单端输出信号，所述缓冲模块31只需要对所述第一电压信号Vin进行信号处理，所述MEMS系统可兼容普通的单输入的缓冲模块31，无需重新设计缓冲模块31。进一步地，所述电容式MEMS传感模块20自身完成了两个MEMS电容的信号的叠加，无需在所述缓冲模块31中设计叠加信号的电路，封装工艺更简单，芯片的面积更小。进一步地，所述第一电压信号Vin是两个MEMS电容上的信号的叠加，相当于提高了系统的灵敏度，且并未引入其他的噪声，因此可以提高所述MEMS系统信噪比(SNR)，进而提高了所述MEMS系统的性能。

本实施例中，所述电容式MEMS传感模块20为差分电容式MEMS麦克风，例如是双背板差分电容式MEMS麦克风、双振膜差分电容式MEMS麦克风或横向差分电容式MEMS麦克风。但应理解，本发明中的电容式MEMS传感模块20不限于是差分电容式MEMS麦克风，还可以是差分电容式MEMS声换能器或差分电容式MEMS传声器等，只要是支持差分输出的MEMS传感器均在本发明的保护范围之内，这里不再一一解释说明。

实施例三

图6为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图6所示，与实施例二的区别在于，本实施例中，所述偏置电压生成模块10通过两个输出端分别输出一个偏置电压。

具体而言，所述偏置电压生成模块10的第一输出端输出偏置电压Vcp01，所述偏置电压生成模块10的第二输出端输出偏置电压Vcp02，所述电容式MEMS传感模块20接入所述偏置电压Vcp01和偏置电压Vcp02。所述电容式MEMS传感模块20还通过第二高阻模块34接入第二共模电压Vcom2，并根据所述电容变化量、所述偏置电压Vcp01、所述偏置电压Vcp02以及所述第二共模电压Vcom2输出表征所述声音信号的第一电压信号Vin。

本实施例中，所述偏置电压生成模块10包括两个第三高阻模块，分别为第三高阻模块111和第三高阻模块112，所述电荷泵模块12输出两路基础偏置电压，分别为基础偏置电压Vcp11和基础偏置电压Vcp12。所述第三高阻模块111连接所述电荷泵模块12，用于接入所述基础偏置电压Vcp11，并将所述基础偏置电压Vcp11稳定在高阻态，所述偏置电压Vcp01。类似的，所述第三高阻模块112连接所述电荷泵模块12，用于接入所述基础偏置电压Vcp12，并将所述基础偏置电压Vcp12稳定在高阻态，输出所述偏置电压Vcp02。如此一来，所述偏置电压生成模块10的第一输出端和第二输出端均呈高阻态。

本实施例中，所述第二高阻模块34与所述第三高阻模块111和第三高阻模块112的结构相同，应理解，所述第二高阻模块34与第三高阻模块111和第三高阻模块112的结构实际上也可以不相同。

具体而言，所述第二高阻模块34也可以包括第二高阻节点和第二低阻节点，所述第二高阻节点与第二低阻节点之间具有一个或至少两个串联的第二单向导通单元，所述第二低阻节点接入所述第二共模电压Vcom2，所述第二高阻节点连接所述电容式MEMS传感模块20。

作为可选实施例，所述第二高阻节点和所述第二低阻节点之间也可以连接快速启动电路，从而加快所述第二高阻节点上的电压的建立，提高系统的启动速度。

本实施例中，所述第二共模电压Vcom2为0V，但不应以此为限，所述第二共模电压Vcom2也可以是其他电压值。

进一步地，所述电容式MEMS传感模块20的输出端与所述缓冲模块31的输入端之间连接有第一耦合模块。本实施例中，所述第一耦合模块为耦合电容C3，所述耦合电容C3用于将所述第一电压信号Vin耦合至所述缓冲模块31的输入端。

实施例四

图7a、图7b及图7c为本实施例提供的三种MEMS系统的结构框图。如图7a、图7b及图7c所示，与实施例一、实施例二及实施例三的区别在于，本实施例中，所述MEMS系统还包括单转双模块35。所述单转双模块35的输入端连接所述缓冲模块31的输出端，以接入所述第二电压信号Vs，并将所述第二电压信号Vs转换为差分信号，所述MEMS系统输出所述差分信号，也即所述差分信号共同作为所述MEMS系统的输出信号Voutb、Voutn。

实施例五

图8a、图8b及图8c为本实施例提供的三种MEMS系统的结构框图。如图8a、图8b及图8c所示，与实施例一、实施例二及实施例三的区别在于，本实施例中，所述增益调节模块32的增益系数为-1，此时，所述缓冲模块31输出的所述第二电压信号Vs与所述增益调节模块32输出的第三电压信号Vf构成差分信号。所述MEMS系统输出所述第二电压信号Vs及所述第三电压信号Vf构成的差分信号，也即所述差分信号共同作为所述MEMS系统的输出信号Voutm、Voutp。

实施例六

图9a、图9b及图9c为本实施例提供的三种MEMS系统的结构框图。如图9a、图9b及图9c所示，与实施例一、实施例二及实施例三的区别在于，本实施例中，所述MEMS系统是数字MEMS系统，所述MEMS系统还包括数字处理模块90，所述数字处理模块90用于将所述第二电压信号Vs转换为所述数字电压信号，也即所述数字电压信号作为所述MEMS系统的输出信号Dout。

具体而言，所述数字处理模块90包括模拟数字采样单元91及数字逻辑单元92。所述模拟数字采样单元91的输入端与所述缓冲模块31的输出端连接，用于接入所述第二电压信号Vs并对所述第二电压信号Vs进行采样，得到数字采样信号，完成了模数转换。所述数字逻辑单元92的输入端与所述模拟数字采样单元91的输出端连接，用于接入所述数字采样信号，并在外部输入的第一使能信号Lr的控制下对所述数字采样信号进行格式转换，得到表征所述声音信号的数字电压信号。如此，通过所述模拟数字采样单元91及所述数字逻辑单元92将所述第二电压信号Vs转换为了数字电压信号输出。

可选的，所述模拟数字采样单元91可以是Sigma-Delta、SAR或NoiseShapingSAR等结构。

本实施例中，所述模拟数字采样单元91是双端输入、单端输出的模块，所述数字逻辑单元92是单端输入、单端输出的模块。将所述模拟数字采样单元91的一个输入端接地，另一个输入端与所述缓冲模块31的输出端连接，从而保证所述模拟数字采样单元91的正常工作。

进一步地，与实施例一、实施例二和实施例三的另一个区别在于，本实施例中省去了数字控制模块60，所述数字逻辑单元92所需的时钟信号可以由外部的时钟信号CLK’替代，所述数字控制信号GainCtrl直接由所述数字逻辑单元92生成，用于实现整个所述MEMS系统的数字控制。

实施例七

图10a、图10b及图10c为本实施例提供的三种MEMS系统的结构框图。如图10a、图10b及图10c所示，与实施例五的区别在于，本实施例中，所述MEMS系统是数字MEMS系统，所述MEMS系统还包括数字处理模块90，所述数字处理模块90用于将所述第二电压信号Vs及所述第三电压信号Vf转换为两个数字电压信号，两个数字电压信号也构成差分信号，也即所述差分信号作为所述MEMS系统的输出信号Doutm、Doutp。

本实施例中，所述模拟数字采样单元91是双端输入、双端输出的模块，所述数字逻辑单元92是双端输入、双端输出的模块。将所述模拟数字采样单元91的两个输入端分别连接所述缓冲模块31的输出端和所述增益调节模块32的输出端，从而保证所述模拟数字采样单元91的正常工作。

进一步地，与实施例五的另一个区别在于，本实施例中省去了数字控制模块60，所述数字逻辑单元92所需的时钟信号可以由外部的时钟信号CLK’替代，所述数字控制信号GainCtrl直接由所述数字逻辑单元92生成，用于实现整个所述MEMS系统的数字控制。

综上，在本发明实施例提供的MEMS系统及信号处理电路中，电容式MEMS传感模块的MEMS电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，所述电容式MEMS传感模块连接偏置电压生成模块以接入所述偏置电压，并根据电容变化量及偏置电压输出表征所述声音信号的第一电压信号；利用缓冲模块接入所述第一电压信号并进行阻抗转换，输出第二电压信号；利用增益调节模块接入所述第二电压信号，并对所述第二电压信号进行增益调节后反馈至所述电容式MEMS传感模块。本发明通过所述增益调节模块可以实现所述电容式MEMS传感模块的灵敏度的正负增益调节，扩大了所述MEMS系统的应用场景；同时，通过控制所述增益调节模块和所述缓冲模块的等效输入噪声可以大大降低灵敏度调节过程中的信噪比损失，在增益调节过程维持系统的信噪比固定。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (25)

1.一种MEMS系统，其特征在于，包括：

偏置电压生成模块，用于生成偏置电压；

电容式MEMS传感模块，包括MEMS电容，所述MEMS电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，所述电容式MEMS传感模块连接所述偏置电压生成模块，以接入所述偏置电压，并根据所述电容变化量及所述偏置电压输出表征所述声音信号的第一电压信号，所述第一电压信号通过一个输出端输出；

缓冲模块，连接所述电容式MEMS传感模块的输出端，以接入所述第一电压信号并进行阻抗转换，输出第二电压信号；

增益调节模块，连接所述缓冲模块的输出端，以接入所述第二电压信号，并对所述第二电压信号进行增益调节后经过第二耦合模块反馈至所述偏置电压生成模块的输出端，所述电容式MEMS传感模块、所述缓冲模块、所述增益调节模块及所述第二耦合模块构成反馈回路以调整所述电容式MEMS传感模块的灵敏度；

当所述反馈回路为正反馈时，实现所述电容式MEMS传感模块的正增益调节，当所述反馈回路为负反馈时，实现所述电容式MEMS传感模块的负增益调节。

2.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置电压生成模块的输出端及所述电容式MEMS传感模块的输出端均呈高阻态。

3.如权利要求2所述的MEMS系统，其特征在于，所述MEMS电容的数量为一个，且所述偏置电压生成模块通过一个输出端输出一个所述偏置电压。

4.如权利要求2所述的MEMS系统，其特征在于，所述MEMS电容的数量为两个，两个所述MEMS电容在所述声音信号的激励下产生反向的电容变化量。

5.如权利要求4所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置电压生成模块通过一个输出端输出一个所述偏置电压。

6.如权利要求3或5所述的MEMS系统，其特征在于，还包括：

第一高阻模块，一端连接在所述电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲模块之间的节点上，另一端接入第一共模电压。

7.如权利要求4所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置电压生成模块通过两个输出端分别输出一个所述偏置电压，所述电容式MEMS传感模块还接入第二共模电压，所述电容式MEMS传感模块根据所述电容变化量、两个所述偏置电压以及所述第二共模电压输出所述第一电压信号。

8.如权利要求7所述的MEMS系统，其特征在于，还包括：

第二高阻模块，一端连接所述电容式MEMS传感模块，另一端接入所述第二共模电压。

9.如权利要求7所述的MEMS系统，其特征在于，所述电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲模块的输入端之间连接有第一耦合模块。

10.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述第二耦合模块包括：

耦合电容，所述耦合电容的第一端连接所述增益调节模块的输出端，所述耦合电容的第二端连接所述偏置电压生成模块的输出端。

11.如权利要求10所述的MEMS系统，其特征在于，所述第二耦合模块还包括：

调节电容，所述调节电容的第一端连接所述耦合电容的第二端，所述调节电容的第二端接入第三共模电压。

12.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置电压生成模块包括：

电荷泵模块，用于输出基础偏置电压；以及，

第三高阻模块，连接所述电荷泵模块，以接入所述基础偏置电压，并将所述基础偏置电压转换为所述偏置电压。

13.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述MEMS系统输出所述第二电压信号。

14.如权利要求13所述的MEMS系统，其特征在于，还包括：

单转双模块，连接所述缓冲模块的输出端，以接入所述第二电压信号，并将所述第二电压信号转换为差分信号，所述MEMS系统输出所述差分信号。

15.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述增益调节模块的增益系数为负。

16.如权利要求15所述的MEMS系统，其特征在于，所述增益调节模块的增益系数为-1，所述缓冲模块输出的所述第二电压信号及所述增益调节模块输出的信号构成差分信号，所述MEMS系统输出所述差分信号。

17.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述增益调节模块的增益系数为正。

18.如权利要求13-17中任一项所述的MEMS系统，其特征在于，还包括数字处理模块，所述数字处理模块包括：

模拟数字采样单元，用于对所述MEMS系统的输出信号进行采样，得到数字采样信号；

数字逻辑单元，连接所述模拟数字采样单元，用于对所述数字采样信号进行格式转换，得到数字电压信号，所述MEMS系统输出所述数字电压信号。

19.如权利要求18所述的MEMS系统，其特征在于，所述数字逻辑单元还在外部的时钟信号以及外部的第一使能信号的驱动下输出数字控制信号，所述数字控制信号用于实现整个所述MEMS系统的数字控制。

20.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，还包括：

数字控制模块，用于在时钟信号以及外部的第二使能信号的驱动下输出数字控制信号，所述数字控制信号用于实现整个所述MEMS系统的数字控制。

21.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，还包括：

LDO模块，用于接收外部的电源电压，并根据所述外部的电源电压生成恒定的电源电压，为所述缓冲模块及所述增益调节模块供电。

22.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置电压生成模块、所述缓冲模块及所述增益调节模块集成在同一ASIC芯片上，所述ASIC芯片通过打线的方式与所述电容式MEMS传感模块连接。

23.如权利要求22所述的MEMS系统，其特征在于，还包括：

ESD模块，连接所述ASIC芯片，用于对所述ASIC芯片及所述电容式MEMS传感模块进行ESD防护。

24.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述电容式MEMS传感模块包括电容式MEMS麦克风、电容式MEMS声换能器或电容式MEMS传声器。

25.一种信号处理电路，其特征在于，包括：

偏置电压生成模块，用于生成并输出偏置电压，所述偏置电压生成模块向电容式MEMS传感器模块提供所述偏置电压，所述电容式MEMS传感器模块生成第一电压信号；

缓冲模块，以接入所述第一电压信号并进行阻抗转换，输出第二电压信号；

增益调节模块，连接所述缓冲模块的输出端，接入所述第二电压信号，并对所述第二电压信号进行增益调节后经过第二耦合模块反馈至偏置电压生成模块的输出端，所述电容式MEMS传感模块、所述缓冲模块、所述增益调节模块及所述第二耦合模块构成反馈回路以调整所述电容式MEMS传感模块的灵敏度；

当所述反馈回路为正反馈时，实现所述电容式MEMS传感模块的正增益调节，当所述反馈回路为负反馈时，实现所述电容式MEMS传感模块的负增益调节。