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CN114650491A - 用于三膜mems器件的信号处理电路 - Google Patents

用于三膜mems器件的信号处理电路 Download PDF

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CN114650491A CN202111564548.5A CN202111564548A CN114650491A CN 114650491 A CN114650491 A CN 114650491A CN 202111564548 A CN202111564548 A CN 202111564548A CN 114650491 A CN114650491 A CN 114650491A
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A·科利亚斯
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Abstract

本公开的各实施例涉及用于三膜MEMS器件的信号处理电路。一种三膜MEMS器件包括彼此间隔开的第一膜、第二膜和第三膜，其中第二膜在第一膜与第三膜之间；在第一膜与第三膜之间的密封低压室；在密封低压室中的第一定子和第二定子；以及被配置为读出三膜MEMS器件的输出信号的信号处理电路。

Description

用于三膜MEMS器件的信号处理电路
技术领域
本发明总体上涉及一种被配置为读出三膜MEMS器件的输出信号的信号处理电路。
背景技术
麦克风是一种将声压波转换为电信号的声学传感器。麦克风包括微机电系统(MEMS)传感器和专用集成电路(ASIC)。MEMS传感器和ASIC被设置在单个封装中。MEMS传感器和ASIC通过合适的电连接连接在一起。
MEMS传感器用作具有固定板和可移动板的可变电容器。可移动板也称为膜。当声压波被施加到MEMS传感器时，膜能够响应于声压波而移动。膜相对于固定板的移动改变膜与可变电容器的固定板之间的距离，进而改变可变电容器的电容。电容的变化由声压波的各种参数确定，诸如声压波的声压级。MEMS传感器的电容变化被转换为模拟信号，该模拟信号被馈送到ASIC中以进行进一步处理。
随着半导体技术的进一步进步，密封双膜MEMS硅麦克风应运而生，以进一步提高诸如低噪声和可靠性等关键性能特性。密封双膜MEMS硅麦克风通常包括顶膜、底膜、穿孔定子、在顶膜的外围部分与定子之间的顶部隔离层、在底膜的外围部分与定子之间的底部隔离层、以及耦合在顶膜与底膜之间的至少一个柱状件。
密封双膜MEMS硅麦克风有利于降低噪声。但仍然存在ASIC噪声。更多的电容有助于进一步降低ASIC噪声。需要增加MEMS硅麦克风的电容，以满足不断变化的MEMS麦克风的需求。
发明内容
根据一个实施例，一种读出微机电系统(MEMS)器件的方法，该MEMS器件包括彼此间隔开的第一膜、第二膜和第三膜、在第一膜与第二膜之间的第一定子、以及在第二膜与第三膜之间的第二定子，第二膜在第一膜与第三膜之间，该方法包括在第一膜与第一定子之间形成第一电容器，在第一定子与第二膜之间形成第二电容器，在第二膜与第二定子之间形成第三电容器，并且在第二定子与第三膜之间形成第四电容器，并且将第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器以串联配置来配置以增加MEMS器件的电机灵敏度或者以并联配置来配置以降低MEMS器件的输出阻抗。
根据另一实施例，一种三膜MEMS器件包括彼此间隔开的第一膜、第二膜和第三膜，其中第二膜在第一膜与第三膜之间；在第一膜与第三膜之间的密封低压室；在密封低压室中的第一定子和第二定子；以及被配置为读出三膜MEMS器件的输出信号的信号处理电路。
前面已经相当宽泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下公开的详细描述。本公开的附加特征和优点将在下文中描述，其形成本公开的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等效构造没有脱离所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：
图1示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的截面图；
图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三膜MEMS麦克风的简化视图；
图3示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的单个MEMS元件的等效源模型；
图4示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第一读出操作模式的示意图；
图5示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第一读出操作模式的另一示意图；
图6示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第二读出操作模式的示意图；
图7示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第二读出操作模式的另一示意图；
图8示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第三读出操作模式的示意图；
图9示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第四读出操作模式的示意图；
图10示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第五读出操作模式的示意图；
图11示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第六读出操作模式的示意图；以及
图12示出了根据本公开的各种实施例的读出图2所示的三膜MEMS麦克风的方法的流程图。
除非另有说明，否则不同图中的对应的数字和符号一般指代对应的部分。这些图被绘制是为了清楚地说明各种实施例的相关方面，而不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本公开提供了可以体现在多种特定上下文中的很多适用的发明概念。所讨论的具体实施例仅用于说明制作和使用本公开的具体方式，并不限制本公开的范围。
本公开将在特定上下文中关于优选实施例(即，被配置为读出三膜MEMS器件的输出信号的信号处理电路)来描述。然而，本公开的信号处理电路也可以应用于各种MEMS器件。在下文中，将参考附图详细解释各种实施例。
图1示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的截面图。三膜MEMS麦克风100包括彼此间隔开的第一膜112、第二膜114以及第三膜116。如图1所示，第二膜114在第一膜112与第三膜116之间。在一些实施例中，第一膜112、第二膜114和第三膜116可以由导电材料形成。此外，第一膜112、第二膜114和第三膜116是可移动膜。
三膜MEMS麦克风100还包括第一低压力区域124、第二低压力区域126、多个柱状件122、以及多个第一定子134和多个第二定子138。如图1所示，第一低压力区域124在第一膜112与第二膜114之间。第二低压力区域126在第二膜114与第三膜116之间。多个第一定子134在第一低压力区域124中。多个第二定子138在第二低压力区域126中。应当注意，图1所示的多个第一定子134可以来自具有多个开口的单个定子平面。因此，多个第一定子134可以备选地称为第一定子134。同样地，图1所示的多个第二定子138可以来自具有多个开口的另一单个定子平面。因此，多个第二定子138可以备选地称为第二定子138。
三膜MEMS麦克风100形成在支撑衬底102上。如图1所示，第一膜112的外围部分在支撑衬底102上。背面腔体104可以形成在支撑衬底102中。背面腔体104用于允许第一膜112响应于声波而振荡。根据各种实施例，背面腔体104可以通过各种蚀刻技术形成在支撑衬底102中，诸如各向同性气相蚀刻、气相蚀刻、湿蚀刻、各向同性干蚀刻、等离子蚀刻、其任何组合等。
在一些实施例中，支撑衬底102可以是硅衬底。备选地，支撑衬底102可以由任何合适的半导体材料形成。例如，支撑衬底102可以由诸如锗、硅锗、碳化硅、氮化镓、铟、氮化铟镓、砷化铟镓、氧化铟镓锌、其任何组合等半导体材料形成。此外，支撑衬底102可以由诸如III-V族化合物半导体材料和/或II-VI族化合物半导体材料等合适的化合物半导体材料形成。
如图1所示，第一膜112和第三膜116形成腔室。在一些实施例中，腔室是密封室。腔室包括第一低压力区域124和第二低压力区域126。腔室内部的压力低于腔室外部的压力。换言之，第一低压力区域和第二低压力区域的压力小于外部压力。在一些实施例中，外部压力是膜外部(腔室外部)的压力。外部压力等于大气压力或环境压力。
在一些实施例中，腔室内部的压力可以是真空。在一些实施例中，第一低压力区域124中的压力可以不同于第二低压力区域126中的压力。在备选实施例中，第二膜114可以具有多个开口。由于在第二膜114中具有多个开口，第一低压力区域124中的压力等于第二低压力区域126中的压力。
如图1所示，每个定子(例如，第一定子134)可以包括第一反电极元件132和第二反电极元件136。第二反电极元件136可以与第一反电极元件132间隔开。更具体地，在第一反电极元件132与第二反电极元件136之间形成有反电极隔离层。在一些实施例中，反电极隔离层可以由诸如氧化硅、氮化硅等合适的介电材料形成。
在一些实施例中，第一反电极元件132和第二反电极元件136可以由各种金属形成，诸如铜、铝、银、镍和各种合适的合金。备选地，第一反电极元件132和第二反电极元件136可以由各种半导体材料形成，该半导体材料可以被掺杂使得它们导电(例如，用硼、磷或砷重掺杂的多晶硅层)。
如图1所示，第一定子134至少部分布置在第一低压力区域124中或在第一低压力区域124中延伸。同样，第二定子138至少部分布置在第二低压力区域126中或在第二低压力区域126中延伸。
图1示出了定子的一些部分可以在其外围或圆周处由支撑结构(例如，膜隔离层141-144)支撑。图1还示出了定子的一些部分看起来在低压力区域124和126内“浮置”。应当注意，定子的“浮置”的部分通常可以附接到定子的圆周。
多个柱状件122在第一膜112与第三膜116之间延伸。更具体地，每个柱状件的第一端子延伸穿过第一膜112。每个柱状件的第二端子延伸穿过第三膜116。在一些实施例中，一个或多个柱状件是导电的。导电柱状件在至少两个膜之间提供机械和电耦合。在备选实施例中，柱状件是电绝缘的。非导电柱状件在至少两个膜之间提供机械耦合。
多个柱状件122机械耦合到第一膜112、第二膜114和第三膜116。如图1所示，柱状件122通常不接触或接触第一定子134和第二定子138。柱状件122可以通过定子134和138中的开口或孔而穿过定子134和138。
在制造三膜MEMS麦克风100的过程中，柱状件122可以与第一膜112、第二膜114和第三膜116一体地形成。因此，第一膜112、第二膜114、第三膜116和柱状件122可以形成诸如多晶硅等相同材料的一体结构。备选地，膜112、114、116和柱状件122可以由不同材料形成。例如，可以在第一沉积工艺期间首先在支撑衬底102的表面上形成第一膜112。随后，可以在后续沉积工艺期间形成柱状件122并且最终形成其他膜114和116。在一些实施例中，确保膜之间的机械耦合的柱状件122不提供两个膜之间的电连接。柱状件122可以由绝缘材料制成，例如硅、氮化物、氧化硅、聚合物或前述材料的组合。
三膜MEMS麦克风100的支撑结构可以具有堆叠配置。三膜MEMS麦克风100的支撑结构包括支撑衬底102、第一膜隔离层141、第二膜隔离层142、第三膜隔离层143以及第四膜隔离层144。在一些实施例中，膜112、114和116的外围部分、以及定子134、138可以与支撑结构接触，如图1所示。特别地，图1示出了支撑结构的各种膜隔离层并且膜可以以如下顺序彼此叠置，例如：第一膜112、第一膜隔离层141、第一定子134的第一反电极元件、第一定子134的反电极隔离层、第一定子134的第二反电极元件、第二膜隔离层142、第二膜114、第三膜隔离层143、第二定子138的第一反电极元件、第二定子138的反电极隔离层、第二定子138的第二反电极元件、第四膜隔离层144和第三膜116。
应当注意，虽然图1示出了膜隔离层(例如，第一膜隔离层141)具有竖直侧壁，但是为了实现高稳健性，膜隔离层可以是锥形侧壁。例如，第一膜隔离层141可以是沿第一方向定向的锥形侧壁。第二膜隔离层142可以是沿第二方向定向的锥形侧壁。第一方向与第二方向彼此相对。
在具有图1所示的支撑结构之后，每个膜(例如，第一膜112)包括可移动部分和固定部分。第一膜112的固定部分例如机械连接到支撑衬底102和第一膜隔离层141。
图1示出了三膜MEMS麦克风100在其静止位置，例如，在没有声波到达膜时。声波可能使膜112、114和116偏转。如图1所示，第三膜116可以暴露于环境压力和潜在的声压。第三膜116的这个顶侧也可以被认为是三膜MEMS麦克风100的声音接收主表面。
在一些实施例中，当声波入射到膜(例如，第三膜116的顶侧)上时，膜可以偏转和/或振荡。如果第二膜114和第一膜112彼此机械耦合，则一个膜(例如，第三膜116)的位移可能导致第二膜114和第一膜112的对应位移。第三膜116可以在基本朝向第二定子138的方向上偏转，而第二膜114可以同时在与第三膜116基本相同的方向上偏转并且因此可以远离第二定子138移动。同样，第二膜114可以在基本朝向第一定子134的方向上偏转，而第一膜112可以同时在与第二膜114基本相同的方向上偏转并且因此可以远离第一定子134移动。
在一些实施例中，在声音可以到达的第三膜116的顶侧，总压力可以等于常压(例如，大气压力)和声压的总和。在背面腔体104内，可能仅存在正常大气压。
在一些实施例中，第一膜112和第一定子134形成第一电容器。第一定子134和第二膜114形成第二电容器。第二膜114和第二定子138形成第三电容器。第二定子138和第三膜116形成第四电容器。
在操作中，观察四个电容器的电容变化。第一电容变化基于形成在第一膜112与第一定子134之间的第一电容器。第二电容变化基于形成在第一定子134与第二膜116之间的第二电容器。第三电容变化基于形成在第二膜114与第二定子138之间的第三电容器。第四电容变化基于形成在第二定子138与第三膜116之间的第四电容器。这四个电容器的电容随着第一膜112、第二膜114和第三膜116的可移动部分相对于定子134和138的移动而变化。膜112、114和116的可移动部分的移动例如是由语音、音乐等引起的声压变化生成的。
图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三膜MEMS麦克风的简化视图。三膜MEMS麦克风包括彼此间隔开的第一膜112、第二膜114和第三膜116。如图2所示，第二膜114在第一膜112与第三膜116之间。在一些实施例中，在第一膜112与第三膜116之间形成有密封低压室。第一定子134和第二定子138在密封低压室中。
在一些实施例中，在第一膜112与第一定子134之间形成有第一电容器。在第一定子134与第二膜114之间形成有第二电容器。在第二膜114与第二定子138之间形成有第三电容器。在第二定子138与第三膜116之间形成有第四电容器。当多个偏置电压被施加到电容器，并且声波导致膜112、114和116移动时，通过测量由膜相对于定子的运动引起的电容变化，声波可以被转换为可用电信号。信号处理电路耦合到三膜MEMS麦克风。信号处理电路被配置为读出由三膜MEMS麦克风生成的可用电信号。下面将参考图4-11详细讨论信号处理电路。
图3示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的单个MEMS元件的等效源模型。图3所示的电路表示单个MEMS元件的AC等效电路，诸如上面关于图2描述的四个电容器中的一个电容器。在等效电路中，MS是MEMS元件的电机灵敏度。Cs是MEMS元件的源电容。
上述四个电容器可以以串联配置布置以达到最高灵敏度和最低输出电容。在这种布置中，三膜MEMS麦克风的电机灵敏度等于单个MEMS元件的电机灵敏度的四倍。三膜MEMS麦克风的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容的四分之一。另一方面，上述四个电容器可以以并联配置布置以达到最低灵敏度和最高输出电容。在这种布置中，三膜MEMS麦克风的电机灵敏度等于单个MEMS元件的电机灵敏度。三膜MEMS麦克风的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容的四倍。换言之，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器以串联配置来配置以增加MEMS器件的电机灵敏度或者以并联配置来配置以降低MEMS器件的输出阻抗。下面将参考图4-图11描述这四个电容器的详细配置。
图4示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第一读出操作模式的示意图。如图4所示，第一读出操作模式的信号处理电路包括第一偏置电压源402、第二偏置电压源404、第一电阻器412、第二电阻器414、第一放大器422和第二放大器424。第一偏置电压源402是被配置为产生正偏置电压的正电压源。在一些实施例中，第一偏置电压源402的输出电压(Vb)在约5V至约15V的范围内。第二偏置电压源404是被配置为产生负偏置电压的负电压源。在一些实施例中，第二偏置电压源404的输出电压(-Vb)在约-5V至约-15V的范围内。
应当注意，图4所示的电压源仅仅是一个示例。根据不同应用和设计需要，贯穿说明书的电压源可以实现为滤波电压源。换言之，诸如电阻器电容器(RC)滤波器等滤波器可以连接到电压源的输出。此外，电压源可以间接耦合到由电压源供电的电路。例如，大的电阻器可以耦合在电压源的输出与滤波器之间。大的电阻器在电压源与要由电压源供电的电路之间提供高欧姆连接。
如图4所示，第二偏置电压源404被配置为偏置第一膜112和第三膜116。第一偏置电压源402被配置为偏置第二膜114。
第一放大器422连接到第二定子138。第一放大器422被配置为读出三膜MEMS麦克风的正输出信号(Out_p)。第一电阻器412耦合在第一放大器422的输入与第一预定电压电位之间。在一些实施例中，第一电阻器412是100千兆欧姆的电阻器。第一预定电压电位为零。备选地，根据不同应用和设计需要，第一预定电压电位可以是任何合适的电压电平，诸如在约0.1V至约1V范围内的电压电平。
第二放大器424连接到第一定子134。第二放大器424被配置为读出三膜MEMS麦克风的负输出信号(Out_n)。第二电阻器414耦合在第二放大器424的输入与第二预定电压电位之间。在一些实施例中，第二电阻器414是100千兆欧姆的电阻器。第二预定电压电位为零。备选地，根据不同应用和设计需要，第二预定电压电位可以是任何合适的电压电平，诸如在约0.1V至约1V范围内的电压电平。
在三膜MEMS麦克风中，第一电容器形成在第一膜112与第一定子134之间。第二电容器形成在第一定子134与第二膜114之间。第三电容器形成在第二膜114与第二定子138之间。第四电容器形成在第二定子138与第三膜116之间。
在第一读出操作模式下，第一电容器和第二电容器被配置为通过第一偏置电压源402和第二偏置电压源404并联连接。第三电容器和第四电容器被配置通过第一偏置电压源402和第二偏置电压源404并联连接。
图4的四个电容器的布置形成并联差分读出配置。提供给第一放大器422和第二放大器424的电机灵敏度等于单个MEMS元件(例如，图3所示的MS)的电机灵敏度。耦合到第一放大器422和第二放大器424的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容的两倍。
第一读出操作模式的一个有利特征是，并联差分读出配置提供适度灵敏度和良好的泄漏稳健性。
图5示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第一读出操作模式的另一示意图。图5所示的并联差分读出配置类似于图4所示的配置，不同之处在于，第一电阻器412和第二电阻器414连接到同一电压源Vin_dc。在一些实施例中，Vin_dc的电压在约0.1V至约1V的范围内。此外，第一偏置电压源402和第二偏置电压源404被配置为使得图5所示的偏置电路提供对称偏置。具体地，第一偏置电压源402的输出电压可以由以下等式表示：
Vb1＝Vb+Vin_dc
(I)
第二偏置电压源404的输出电压可以由以下等式表示：
Vb2＝-(Vb-Vin_dc)
(2)
根据上述等式(1)和(2)，膜的电压和定子的电压满足以下等式：
|Vmembrane-Vstator|＝Vb
(3)
在等式(3)中，Vmembrance是膜(例如，第一膜112)的电压。Vstator是定子(例如，第一定子134)的电压。
应当注意，虽然图5示出了对称偏置电路，但是本公开的各种实施例可以包括非对称偏置电路。特别地，非对称偏置电路可以用于补偿三膜MEMS麦克风的非对称性。
图6示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第二读出操作模式的示意图。如图6所示，第二读出操作模式的信号处理电路包括第一偏置电压源402、第一电阻器412、第二电阻器414、第三电阻器416、第四电阻器418、第一放大器422和第二放大器424。第一偏置电压源402是正电压源。在一些实施例中，第一偏置电压源402的输出电压被配置为产生在约5V至约15V的范围内的正偏置电压。
如图6所示，第一偏置电压源402被配置为偏置第一定子134和第二定子138。更具体地，第一偏置电压源402分别通过第四电阻器418和第三电阻器416连接到第一定子134和第二定子138。预定电压电位被配置为耦合到第二膜114。预定电压电位在约0.1V至约1V的范围内。
第一放大器422连接到第三膜116。第一放大器422被配置为读出三膜MEMS麦克风的正输出信号。第二放大器424连接到第一膜112。第二放大器424被配置为读出三膜MEMS麦克风的负输出信号。
第一电阻器412耦合在第一放大器422的输入与第一预定电压电位之间。在一些实施例中，第一电阻器412是100千兆欧姆的电阻器。在一些实施例中，第一预定电压电位可以是任何合适的电压电平，诸如在约0.1V至约1V的范围内的电压电平。
第二电阻器414耦合在第二放大器424的输入与第二预定电压电位之间。在一些实施例中，第二电阻器414是100千兆欧姆的电阻器。第二预定电压电位可以是任何合适的电压电平，诸如在约0.1V至约1V的范围内的电压电平。
电阻器416和418的尺寸需要被设计成使得阻抗高于MEMS电容器在期望音频频带的下限频率(例如，20Hz)处的阻抗。根据这个选择原则，电阻器416和418的值大于10千兆欧。
在第二读出操作模式下，第一电容器和第二电容器被配置为串联连接。第三电容器和第四电容器被配置为串联连接。四个电容器的布置形成串联差分读出配置。提供给第一放大器422和第二放大器424的电机灵敏度等于单个MEMS元件的电机灵敏度的两倍。耦合到第一放大器422和第二放大器424的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容的一半。
第二读出操作模式的一个有利特征是，串联差分读出配置提供高灵敏度和适度泄漏稳健性。高灵敏度有助于降低由三膜MEMS麦克风生成的信号在其中进行处理的ASIC的成本。
图7示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第二读出操作模式的另一示意图。图7所示的串联差分读出配置类似于图6所示的配置，不同之处在于，第二膜114的偏置源自由三膜MEMS麦克风生成的信号在其中进行处理的ASIC的输入偏置。电压源406源自ASIC的输入偏置。通过由Rf和Cf形成的滤波器，电压源406的电压Vin_dc被施加到第二膜114。三膜MEMS麦克风的有效偏置电压等于Vb和Vin_dc的差值。
在一些实施例中，滤波电容器Cf具有明显大于三膜MEMS麦克风的电容值(例如，四个电容器的电容值)的值。
在一些实施例中，Rf具有低电阻值以便在电压源406与第二膜114之间提供低欧姆耦合。另一方面，第一电阻器412和第二电阻器414具有高电阻值以便在电压源406与放大器422和424的输入之间提供高欧姆耦合。
图8示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第三读出操作模式的示意图。如图8所示，第三读出操作模式的信号处理电路包括第一偏置电压源402、第二偏置电压源404、第一电阻器412、第三电阻器416、第四电阻器418和第一放大器422。第一偏置电压源402是正电压源。在一些实施例中，第一偏置电压源402的输出电压在约5V至约15V的范围内。第二偏置电压源404是负电压源。在一些实施例中，第二偏置电压源404的输出电压在约-5V至约-15V的范围内。
如图8所示，第二偏置电压源404被配置为偏置第一定子134。更具体地，第二偏置电压源404通过第四电阻器418连接到第一定子134。第一偏置电压电压源402被配置为偏置第二定子138。更具体地，第一偏置电压源402通过第三电阻器416连接到第二定子138。
预定电压电位被配置为耦合到第一膜112和第三膜116。在一些实施例中，预定电压电位约为零。第一放大器422连接到第二膜114。第一放大器422被配置为读出三膜MEMS麦克风的输出信号。输出信号OUT为正输出信号。
第一电阻器412耦合在第一放大器422的输入与第一预定电压电位(Vx)之间。在一些实施例中，第一电阻器412是100千兆欧姆的电阻器。第一预定电压电位为零。备选地，根据不同应用和设计需要，第一预定电压电位可以是任何合适的电压电平，诸如在约0.1V至约1V的范围内的电压电平。
为了实现完美对称的偏置条件，第一膜112和第三膜116可以耦合到Vx。第一偏置电压源402的输出电压电平被配置为等于Vb和Vx之和。第二偏置电压源404的输出电压电平被配置为等于-Vb和Vx之和。第一膜112和第三膜116通过RC网络(例如，由图7所示的Rf和Cf形成的RC网络)耦合到Vx。
在第三读出操作模式下，第一电容器和第二电容器被配置为串联连接。第三电容器和第四电容器被配置为串联连接。此外，串联连接的第一电容器和第二电容器被配置为与串联连接的第三电容器和第四电容器并联连接。
四个电容器的布置形成串行/并行单端读出配置。提供给第一放大器422的电机灵敏度等于单个MEMS元件的电机灵敏度的两倍。耦合到第一放大器422的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容。
第三读出操作模式的一个有利特征是，串行/并行单端读出配置提供高灵敏度和良好的泄漏稳健性。此外，串行/并行单端读出配置简化了电路连接，从而降低了三膜MEMS麦克风的成本。
图9示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第四读出操作模式的示意图。如图9所示，第四读出操作模式的信号处理电路包括第一偏置电压源402、第一电阻器412、第三电阻器416、第四电阻器418、第五电阻器419和第一放大器422。第一偏置电压源402是正电压源。在一些实施例中，第一偏置电压源402的输出电压在约5V至约15V的范围内。
第一偏置电压源402被配置为分别通过第四电阻器418和第三电阻器416偏置第一定子134和第二定子138。预定电压电位被配置为耦合到第一膜112和第二膜114。更具体地，预定电压电位通过第五电阻器419直接连接到第一膜112和第二膜114。
第一放大器422连接到第三膜116。第一放大器422被配置为读出三膜MEMS麦克风的输出信号。输出信号OUT为正输出信号。第一电阻器412的连接类似于图8所示的连接，并且在此不再赘述。
在第四读出操作模式下，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器被配置为串联连接。四个电容器的布置形成串行单端读出配置。提供给第一放大器422的电机灵敏度等于单个MEMS元件的电机灵敏度的四倍。耦合到第一放大器422的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容的四分之一。
第四读出操作模式的一个有利特征是，串行单端读出配置提供高灵敏度。此外，串行单端读出配置简化了电路连接，从而降低了三膜MEMS麦克风的成本。
图10示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第五读出操作模式的示意图。如图10所示，第五读出操作模式的信号处理电路包括第一偏置电压源402、第二偏置电压源404、第一电阻器412和第一放大器422。第一偏置电压源402是正电压源。在一些实施例中，第一偏置电压源402的输出电压在约5V至约15V的范围内。第二偏置电压源404是负电压源。在一些实施例中，第二偏置电压源404的输出电压在约-5V至约-15V的范围内。
在第五读出操作模式下，第一偏置电压源402被配置为偏置第二膜114的顶部电极层115和第一膜112。第二偏置电压源404被配置为偏置第二膜114的底部电极层113和第三膜116。
第一放大器422连接到第一定子134和第二定子138。第一放大器422被配置为读出三膜MEMS麦克风的输出信号。输出信号OUT为正输出信号。第一电阻器412的连接类似于图8所示的连接，并且在此不再赘述。
在第五读出操作模式下，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器被配置为并联连接。四个电容器的布置形成并联单端读出配置。提供给第一放大器422的电机灵敏度等于单个MEMS元件的电机灵敏度。耦合到第一放大器422的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容的四倍。
第五读出操作模式的一个有利特征是，并行单端读出配置提供良好的泄漏稳健性。此外，并联单端读出配置简化了电路连接，从而降低了三膜MEMS麦克风的成本。
图11示出了根据本公开的各种实施例的三膜MEMS麦克风的第六读出操作模式的示意图。如图11所示，第六读出操作模式的信号处理电路包括第一偏置电压源402、第一电阻器412、第二电阻器414、第一放大器422和第二放大器424。第一偏置电压源402是正电压源。在一些实施例中，第一偏置电压源402的输出电压在约5V至约15V的范围内。第一偏置电压源402被配置为偏置第一定子134和第二定子138。
在第六读出操作模式下，第二膜114的底部电极层113和第三膜116连接在一起并且进一步连接到第一放大器422的输入。第一放大器422被配置为读出三膜MEMS麦克风的正输出信号。第二膜114的顶部电极层115和第一膜112连接在一起并且进一步连接到第二放大器424的输入。第二放大器424被配置为读出三膜MEMS麦克风的负输出信号。第一电阻器412和第二电阻器414的连接类似于图4所示的连接，并且在此不再赘述。
在第六读出操作模式下，第一电容器和第三电容器被配置为并联连接并且形成第一读出电极。第二电容器和第四电容器被配置为并联连接并且形成第二读出电极。
四个电容器的布置形成并联差分读出配置。提供给第一放大器422和第二放大器424的电机灵敏度等于单个MEMS元件的电机灵敏度。耦合到第一放大器422和第二放大器424的输出电容等于单个MEMS元件的输出电容的四倍。
第六读出操作模式的一个有利特征是，并联差分读出配置有助于减少用于三膜MEMS麦克风的接合线的数目，从而降低三膜MEMS麦克风的成本。
图12示出了根据本公开的各种实施例的读出图2所示的三膜MEMS麦克风的方法的流程图。图12所示的流程图仅为示例，其不应当过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员会认识到很多变化、备选和修改。例如，图12所示的各个步骤可以被添加、移除、替换、重新布置和重复。
一种MEMS器件包括彼此间隔开的第一膜、第二膜和第三膜。第二膜在第一膜与第三膜之间。MEMS器件还包括在第一膜与第二膜之间的第一定子和在第二膜与第三膜之间的第二定子。
在步骤1202，在第一膜与第一定子之间形成第一电容器。在第一定子与第二膜之间形成第二电容器。在第二膜与第二定子之间形成第三电容器。在第二定子与第三膜之间形成第四电容器。
在步骤1204，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器被配置为串联连接以增加MEMS器件的电机灵敏度。备选地，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器被配置为并联连接以降低MEMS器件的输出阻抗。
这里总结了本发明的实施例。其他实施例也可以从整个说明书和本文中提交的权利要求中理解。
示例1.一种读取微机电系统(MEMS)器件的方法，MEMS器件包括彼此间隔开的第一膜、第二膜、第三膜、在第一膜与第二膜之间的第一定子、以及在第二膜与第三膜之间的第二定子，第二膜在第一膜与第三膜之间，方法包括：在第一膜与第一定子之间形成第一电容器，在第一定子与第二膜之间形成第二电容器，在第二膜与第二定子之间形成第三电容器，并且在第二定子与第三膜之间形成第四电容器；以及将第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器以串联配置来配置以增加MEMS器件的电机灵敏度，或者以并联配置来配置以降低MEMS器件的输出阻抗。
示例2.根据示例1的方法，还包括：在第一读出操作模式下，用第一电压源偏置第一膜和第三膜；用第二电压源偏置第二膜；通过连接到第二定子的第一放大器读出正输出信号；以及通过连接到第一定子的第二放大器读出负输出信号。
示例3.根据示例2的方法，其中第一电压源被配置为产生负偏置电压；以及第二电压源被配置为产生正偏置电压。
示例4.根据示例2和3中的一项的方法，其中在第一读出操作模式下，第一电容器和第二电容器被配置为并联连接，并且第三电容器和第四电容器被配置为通过第一电压源和第二电压源并联连接。
示例5.根据示例1的方法，还包括：在第二读出操作模式下，用电压源偏置第一定子和第二定子；将第二膜耦合到预定电压电位；通过连接到第三膜的第一放大器读出正输出信号；以及通过连接到第一膜的第二放大器读出负输出信号。
示例6.根据示例5的方法，其中电压源被配置为产生正偏置电压；以及预定电压电位在约0.1V至约1V的范围内。
示例7.根据示例5和6中的一项的方法，其中在第二读出操作模式下，第一电容器和第二电容器被配置为串联连接；以及第三电容器和第四电容器被配置为串联连接。
示例8.根据示例1的方法，还包括：在第三读出操作模式下，用第一电压源偏置第一定子；用第二电压源偏置第二定子；将第一膜和第三膜耦合到预定电压电位；以及通过连接到第二膜的放大器读出输出信号。
示例9.根据示例8的方法，其中第一电压源被配置为产生负偏置电压；以及第二电压源被配置为产生正偏置电压。
示例10.根据示例8和9中的一项的方法，其中在第三读出操作模式下，第一电容器和第二电容器被配置为串联连接；以及第三电容器和第四电容器被配置为串联连接，并且其中串联连接的第一电容器和第二电容器被配置为与串联连接的第三电容器和第四电容器并联连接。
示例11.根据示例1的方法，还包括：在第四读出操作模式下，用电压源偏置第一定子和第二定子；将第一膜和第二膜耦合到预定电压电位；以及通过连接到第三膜的放大器读出输出信号。
示例12.根据示例11的方法，其中在第四读出操作模式下，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器被配置为串联连接。
示例13.根据示例1的方法，还包括：在第五读出操作模式下，用第一电压源偏置第二膜的顶部电极层和第一膜；用第二电压源偏置第二膜的底部电极层和第三膜；以及通过连接到第一定子和第二定子的放大器读出输出信号。
示例14.根据示例13的方法，其中在第五读出操作模式下，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器被配置为并联连接。
示例15.根据示例1的方法，还包括：在第六读出操作模式下，用电压源偏置第一定子和第二定子；通过连接到第二膜的底部电极层和第三膜的第一放大器读出正输出信号；以及通过连接到第二膜的顶部电极层和第一膜的第二放大器读出负输出信号。
示例16.根据示例15的方法，其中在第六读出操作模式下，第一电容器和第三电容器被配置为并联连接并且形成第一读出电极，并且第二电容器和第四电容器被配置为并联连接并且形成第二读出电极。
示例17.一种三膜MEMS装置，包括：彼此间隔开的第一膜、第二膜和第三膜，其中第二膜在第一膜与第三膜之间；密封低压室，在第一膜与第三膜之间；第一定子和第二定子，在密封低压室中；以及信号处理电路，被配置为读出三膜MEMS器件的输出信号。
示例18.根据示例17的三膜MEMS器件，其中信号处理电路包括：负电压源，被配置为偏置第一膜和第三膜；正电压源，被配置为偏置第二膜；第一放大器，连接到第二定子并且被配置为读出三膜MEMS器件的正输出信号；以及第二放大器，连接到第一定子并且被配置为读出三膜MEMS器件的负输出信号。
示例19.根据示例17的三膜MEMS器件，其中信号处理电路包括：电压源，被配置为偏置第一定子和第二定子；预定电压电位，被配置为耦合到第二膜；第一放大器，连接到第三膜并且被配置为读出三膜MEMS器件的正输出信号；以及第二放大器，连接到第一膜并且被配置为读出三膜MEMS器件的负输出信号。
示例20.根据示例17的三膜MEMS装置，其中信号处理电路包括：负电压源，被配置为偏置第一定子；正电压源，被配置为偏置第二定子；预定电压电位，被配置为耦合到第一膜和第三膜；以及放大器，连接到第二膜并且被配置为读出三膜MEMS器件的输出信号。
示例21.根据示例17的三膜MEMS装置，其中信号处理电路包括：电压源，被配置为偏置第一定子和第二定子；预定电压电位，被配置为耦合到第一膜和第二膜；以及放大器，连接到第三膜并且被配置为读出三膜MEMS器件的输出信号。
虽然已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本文进行各种改变、替换和变更。
此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将从本公开的公开中容易理解，根据本公开，可以利用目前存在的或以后将开发的与本文中描述的对应实施例相比执行基本相同的功能或实现基本相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (21)

1.一种读取微机电系统MEMS器件的方法，所述MEMS器件包括彼此间隔开的第一膜、第二膜、第三膜、在所述第一膜与所述第二膜之间的第一定子、以及在所述第二膜与所述第三膜之间的第二定子，所述第二膜在所述第一膜与所述第三膜之间，所述方法包括：
在所述第一膜与所述第一定子之间形成第一电容器，在所述第一定子与所述第二膜之间形成第二电容器，在所述第二膜与所述第二定子之间形成第三电容器，并且在所述第二定子与所述第三膜之间形成第四电容器；以及
将所述第一电容器、所述第二电容器、所述第三电容器和所述第四电容器以串联配置来配置以增加所述MEMS器件的电机灵敏度，或者以并联配置来配置以降低所述MEMS器件的输出阻抗。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在第一读出操作模式下，用第一电压源偏置所述第一膜和所述第三膜；
用第二电压源偏置所述第二膜；
通过连接到所述第二定子的第一放大器读出正输出信号；以及
通过连接到所述第一定子的第二放大器读出负输出信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述第一电压源被配置为产生负偏置电压；以及
所述第二电压源被配置为产生正偏置电压。
4.根据权利要求2所述的方法，其中：
在所述第一读出操作模式下，所述第一电容器和所述第二电容器被配置为并联连接，并且所述第三电容器和所述第四电容器被配置为通过所述第一电压源和所述第二电压源并联连接。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在第二读出操作模式下，用电压源偏置所述第一定子和所述第二定子；
将所述第二膜耦合到预定电压电位；
通过连接到所述第三膜的第一放大器读出正输出信号；以及
通过连接到所述第一膜的第二放大器读出负输出信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述电压源被配置为产生正偏置电压；以及
所述预定电压电位在约0.1V至约1V的范围内。
7.根据权利要求5所述的方法，其中：
在所述第二读出操作模式下，所述第一电容器和所述第二电容器被配置为串联连接；以及
所述第三电容器和所述第四电容器被配置为串联连接。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在第三读出操作模式下，用第一电压源偏置所述第一定子；
用第二电压源偏置所述第二定子；
将所述第一膜和所述第三膜耦合到预定电压电位；以及
通过连接到所述第二膜的放大器读出输出信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述第一电压源被配置为产生负偏置电压；以及
所述第二电压源被配置为产生正偏置电压。
10.根据权利要求8所述的方法，其中：
在所述第三读出操作模式下，所述第一电容器和所述第二电容器被配置为串联连接；以及
所述第三电容器和所述第四电容器被配置为串联连接，并且其中串联连接的第一电容器和第二电容器被配置为与串联连接的第三电容器和第四电容器并联连接。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在第四读出操作模式下，用电压源偏置所述第一定子和所述第二定子；
将所述第一膜和所述第二膜耦合到预定电压电位；以及
通过连接到所述第三膜的放大器读出输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
在所述第四读出操作模式下，所述第一电容器、所述第二电容器、所述第三电容器和所述第四电容器被配置为串联连接。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在第五读出操作模式下，用第一电压源偏置所述第二膜的顶部电极层和所述第一膜；
用第二电压源偏置所述第二膜的底部电极层和所述第三膜；以及
通过连接到所述第一定子和所述第二定子的放大器读出输出信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
在所述第五读出操作模式下，所述第一电容器、所述第二电容器、所述第三电容器和所述第四电容器被配置为并联连接。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在第六读出操作模式下，用电压源偏置所述第一定子和所述第二定子；
通过连接到所述第二膜的底部电极层和所述第三膜的第一放大器读出正输出信号；以及
通过连接到所述第二膜的顶部电极层和所述第一膜的第二放大器读出负输出信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
在所述第六读出操作模式下，所述第一电容器和所述第三电容器被配置为并联连接并且形成第一读出电极，并且所述第二电容器和所述第四电容器被配置为并联连接并且形成第二读出电极。
17.一种三膜MEMS器件，包括：
彼此间隔开的第一膜、第二膜和第三膜，其中所述第二膜在所述第一膜与所述第三膜之间；
密封低压室，在所述第一膜与所述第三膜之间；
第一定子和第二定子，在所述密封低压室中；以及
信号处理电路，被配置为读出所述三膜MEMS器件的输出信号。
18.根据权利要求17所述的三膜MEMS器件，其中所述信号处理电路包括：
负电压源，被配置为偏置所述第一膜和所述第三膜；
正电压源，被配置为偏置所述第二膜；
第一放大器，连接到所述第二定子并且被配置为读出所述三膜MEMS器件的正输出信号；以及
第二放大器，连接到所述第一定子并且被配置为读出所述三膜MEMS器件的负输出信号。
19.根据权利要求17所述的三膜MEMS器件，其中所述信号处理电路包括：
电压源，被配置为偏置所述第一定子和所述第二定子；
预定电压电位，被配置为耦合到所述第二膜；
第一放大器，连接到所述第三膜并且被配置为读出所述三膜MEMS器件的正输出信号；以及
第二放大器，连接到所述第一膜并且被配置为读出所述三膜MEMS器件的负输出信号。
20.根据权利要求17所述的三膜MEMS器件，其中所述信号处理电路包括：
负电压源，被配置为偏置所述第一定子；
正电压源，被配置为偏置所述第二定子；
预定电压电位，被配置为耦合到所述第一膜和所述第三膜；以及
放大器，连接到所述第二膜并且被配置为读出所述三膜MEMS器件的输出信号。
21.根据权利要求17所述的三膜MEMS器件，其中所述信号处理电路包括：
电压源，被配置为偏置所述第一定子和所述第二定子；
预定电压电位，被配置为耦合到所述第一膜和所述第二膜；以及
放大器，连接到所述第三膜并且被配置为读出所述三膜MEMS器件的输出信号。
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