CN113423050B - Mems系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS系统，差分电容式MEMS传感模块接入偏置电压及预定电压，差分电容式MEMS传感模块的差分电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，差分电容中的一个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，体现为差分电容式MEMS传感模块输出的第一电压信号通过一个输出端输出，实现了差分电容式MEMS传感模块的单端输出，信号处理模块只对第一电压信号进行信号处理，可兼容普通的单输入的信号处理模块，无需重新设计信号处理模块。
Description
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。
背景技术
MEMS电容式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，MEMS电容式麦克风在手机等移动终端上的应用越来越广泛。
MEMS电容式麦克风的结构具有振膜、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，振膜悬于空腔内且边缘延伸至支撑墙体内进行固定。当振膜感受到外部的声音信号后，振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。
但是，但传统的单层振膜、单层背板的MEMS电容式麦克风性能有限，难以满足越来越高信噪比(SNR)的要求，要想制作更高信噪比的MEMS麦克风，必须要有更新的设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS系统，以提高现有的MEMS电容式传感器的信噪比。
为了达到上述目的，本发明提供了一种MEMS系统，包括：
偏置信号生成模块，用于生成偏置电压；
差分电容式MEMS传感模块，包括差分电容，所述差分电容在外部的声音信号的激励下能够产生电容变化量，所述差分电容式MEMS传感模块连接所述偏置信号生成模块，接入所述偏置电压，所述差分电容式MEMS传感模块还接入预定电压，并根据所述电容变化量、偏置电压以及预定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；以及，
信号处理模块，连接所述差分电容式MEMS传感模块的输出端，接入所述第一电压信号并进行信号处理，以输出第二电压信号。
可选的，所述差分电容包括两个MEMS电容，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，所述差分电容式MEMS传感模块的输出端呈高阻态。
可选的，所述偏置信号生成模块通过一个输出端输出一个所述偏置电压，且所述差分电容式MEMS传感模块直接接入所述预定电压。
可选的，所述偏置信号生成模块的输出端与所述差分电容式MEMS传感模块之间不连接滤波电容。
可选的，所述偏置信号生成模块的输出端呈高阻态。
可选的，所述偏置信号生成模块通过两个输出端分别输出一个所述偏置电压，所述差分电容式MEMS传感模块通过第一高阻单元接入所述预定电压。
可选的，所述偏置信号生成模块的第一输出端与所述差分电容式MEMS传感模块之间不连接滤波电容，所述偏置信号生成模块的第二输出端与所述差分电容式MEMS传感模块之间连接滤波电容。
可选的，所述偏置信号生成模块的第一输出端呈高阻态，所述偏置信号生成模块的第二输出端呈直流高阻态。
可选的，所述第一高阻单元包括第一高阻节点和第一低阻节点，所述第一高阻节点与所述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预定电压，所述第一高阻节点连接所述差分电容式MEMS传感模块。
可选的，所述偏置信号生成模块包括：
电荷泵单元，用于输出基础偏置电压；以及，
第二高阻单元，连接所述电荷泵单元，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，所述第二高阻单元包括第二高阻节点和第二低阻节点，所述第二高阻节点与所述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，所述第二低阻节点连接所述电荷泵单元，接入所述基础偏置电压，所述第二高阻节点连接所述差分电容式MEMS传感模块，并提供所述偏置电压。
可选的，所述信号处理模块包括：
缓冲单元，连接所述差分电容式MEMS传感模块的输出端，接入所述第一电压信号并对所述第一电压信号进行阻抗转换，得到缓冲信号；
第三高阻单元，一端连接在所述差分电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲单元之间的节点上，另一端接入共模电压；以及，
增益放大单元，连接所述缓冲单元，接入所述缓冲信号并对所述缓冲信号进行增益放大，得到所述第二电压信号。
可选的，所述第三高阻单元包括第三高阻节点和第三低阻节点，所述第三高阻节点与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，所述第三低阻节点接入所述共模电压，所述第三高阻节点连接在所述差分电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲单元之间的节点上。
可选的，所述增益放大单元为单端输入、单端/双端输出的增益放大单元。
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，还包括数字处理模块，所述数字处理模块包括：
模拟数字采样单元，连接所述信号处理模块，用于对所述第二电压信号进行采样，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。
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，为所述信号处理模块供电。
可选的，所述偏置信号生成模块及所述信号处理模块集成在同一ASIC芯片上，所述ASIC芯片通过打线的方式与所述差分电容式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芯片及所述差分电容式MEMS传感模块进行ESD防护。
可选的，所述MEMS电容式传感模块包括差分电容式MEMS麦克风、差分电容式MEMS声换能器或差分电容式MEMS传声器。
本发明提供的MEMS系统具有如下有益效果：
1)本发明的差分电容式MEMS传感模块接入偏置电压及预定电压，差分电容式MEMS传感模块的差分电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，差分电容中的一个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，体现为差分电容式MEMS传感模块输出的第一电压信号通过一个输出端输出，实现了差分电容式MEMS传感模块的单端输出，信号处理模块只对第一电压信号进行信号处理，可兼容普通的单输入的信号处理模块，无需重新设计信号处理模块；
2)本发明中的差分电容式MEMS传感模块本身完成了两个MEMS电容的信号的叠加，无需在信号处理模块中设计叠加信号的电路，封装工艺更简单，芯片的面积更小；
3)差分电容式MEMS传感模块的输出端输出的电压信号是两个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MEMS系统信噪比(SNR)，进而提高了MEMS系统的性能。
附图说明
图1a为本发明实施例一提供的MEMS系统的结构框图；
图1b为本实施例提供MEMS系统的封装结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的双背板差分电容式MEMS麦克风的结构示意图；
图3a为本发明实施例一提供的第二高阻单元的电路图；
图3b为本发明实施例一实施例提供的快速启动电路的电路图；
图4为本发明实施例二提供的MEMS系统的结构框图；
图5为本发明实施例三提供的MEMS系统的结构框图；
图6为本发明实施例四提供的MEMS系统的结构框图；
图7为本发明实施例五提供的MEMS系统的结构框图；
其中，附图标记为：
10-偏置信号生成模块；11、111、112-第二高阻单元；12-电荷泵单元；13-吸合检测单元；20-差分电容式MEMS传感模块；21-第一高阻单元；30-信号处理模块；31-缓冲单元；32-增益放大单元；33-第三高阻单元；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-第二单向导通单元；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；
301-衬底；301a-声腔；302-支撑围墙；303a-第一背板电极；303b-第二背板电极；323-声孔；313a-第一电连接件；313b-第三电连接件；304-振膜；314-第二电连接件；
Clk-时钟信号；CLK’-外部的时钟信号；Vcp、Vcp01、Vcp02-偏置电压；Vdc-预定电压；Vin-第一电压信号；Vcp1、Vcp11、Vcp12-基础偏置电压；Vs-内部信号；Vf-缓冲信号；Vout-第二电压信号；Dout-数字电压信号；GainCtrl-数字控制信号；Vcom-共模电压；V1-第二高阻节点；V2-第二低阻节点；Vdd-恒定的电源电压；VDD-外部的电源电压；Din-外部的第一使能信号；Lr-外部的第二使能信号；Gnd-接地端；K2-节点。
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1a为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图1a所示，所述MEMS系统包括偏置信号生成模块10、差分电容式MEMS传感模块20、信号处理模块30及时钟信号生成模块40。所述偏置信号生成模块10、所述差分电容式MEMS传感模块20及所述信号处理模块30依次连接，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。
具体而言，所述偏置信号生成模块10用于生成的偏置电压Vcp，所述差分电容式MEMS传感模块20的输入端连接所述偏置信号生成模块10的输出端，用于接入所述偏置电压Vcp；同时，所述差分电容式MEMS传感模块20的输入端还直接接入预定电压Vdc。
所述差分电容式MEMS传感模块20包括差分电容，所述差分电容在外部的声音信号的激励下能够产生电容变化量。具体而言，所述差分电容包括两个MEMS电容，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。所述差分电容中的一个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、偏置电压Vcp以及预定电压Vdc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通过所述差分电容式MEMS传感模块20的一个输出端输出，实现所述差分电容式MEMS传感模块20的单端输出。
进一步地，所述信号处理模块30的输入端连接所述差分电容式MEMS传感模块20的输出端，用于接入所述第一电压信号Vin并进行信号处理，以输出第二电压信号Vout，所述第二电压信号Vout为信号处理后的所述第一电压信号Vin。
本实施例中，所述预定电压Vdc为0V，但不应以此为限，所述预定电压Vdc也可以是其他电压值。
应理解，由于所述差分电容式MEMS传感模块20是单端输出信号，所述信号处理模块30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信号处理模块，无需重新设计信号处理模块。进一步地，所述差分电容式MEMS传感模块20自身完成了两个MEMS电容的信号的叠加，无需在所述信号处理模块30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。
接下来，本实施例将以所述差分电容式MEMS传感模块20为双背板差分电容式MEMS麦克风为例进行说明，但应理解，本发明中的差分电容式MEMS传感模块20不限于是双背板差分电容式MEMS麦克风，还可以是双振膜差分电容式MEMS麦克风、横向差分电容式MEMS麦克风、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。
图2为本实施例提供的双背板差分电容式MEMS麦克风的示意图。如图2所示，所述双背板差分电容式MEMS麦克风包括衬底301、支撑围墙302、第一背板电极303a、振膜304及第二背板电极303b。其中，所述支撑围墙302位于所述衬底301上并围合出一个空腔，所述第一背板电极303a、所述振膜304及所述第二背板电极303b均位于所述空腔中且由上至下依次设置，所述第一背板电极303a、所述振膜304及所述第二背板电极303b的边缘均延伸至所述支撑围墙302中进行固定。所述第一背板电极303a与所述振膜304之间以及所述第二背板电极303b与所述振膜304之间均具有间隙，为所述振膜304提供振动空间。所述衬底301中具有贯穿的声腔301a，所述第一背板电极303a及所述第二背板电极303b中均具有多个声孔323。
所述双背板差分电容式MEMS麦克风还包括第一电连接件313a、第二电连接件314及第三电连接件313b。所述第一电连接件313a、所述第二电连接件314及所述第三电连接件313b分别与所述第一背板电极303a、所述振膜304及所述第二背板电极303b电性连接，以分别作为所述第一背板电极303a、所述振膜304及所述第二背板电极303b的引出端。
请继续参阅图2，本实施例中，所述第一背板电极303a、所述振膜304及所述第二背板电极303b相当于构成了所述差分电容的两个MEMS电容，当所述双背板差分电容式MEMS麦克风受到声音信号的激励时，所述振膜304随之振动，所述第一背板电极303a与所述振膜304之间的距离以及所述第二背板电极303b与所述振膜304之间的距离将改变，两个MEMS电容会跟随声音信号的激励动态变化。具体而言，本实施例中通过所述第二电连接件314为所述振膜304施加所述偏置电压Vcp，所述第一背板电极303a与所述第二背板电极303b上将会存储大量的静态电荷，自然状态下，由于所述第一背板电极303a与所述第二背板电极303b处于高阻状态，所述第一背板电极303a与所述第二背板电极303b极板上的电荷不会发生转移。所述振膜304振动时，两个MEMS电容产生动态变化，所述第一背板电极303a与所述第二背板电极303b上的电压会发生变化以维持电荷量的恒定，从而转换为所述第一电连接件313a和第二电连接件314上的第一电压信号Vin输出。进一步地，由于所述第一背板电极303a和所述第二背板电极303b位于所述振膜304的相反侧面上，两个MEMS电容在所述声音信号的激励下会产生反向的电容变化量，所以所述第一电连接件313a和第二电连接件314的输出信号是反向的。应理解，本实施例中，在所述第三电连接件313b接入了所述预定电压Vdc，下面的MEMS电容上的信号可以耦合到上面的MEMS电容上的信号，并在所述第一电连接件313a上输出所述第一电压信号Vin。
基于此，如图1a所示，所述偏置信号生成模块10用于为所述差分电容式MEMS传感模块20提供所述偏置电压Vcp，本实施例中，所述偏置信号生成模块10具体是为图2中的双背板差分电容式MEMS麦克风的振膜304提供所述偏置电压Vcp，但不应以此为限。
本实施例中，所述偏置信号生成模块10的输出端与所述差分电容式MEMS传感模块20之间不连接滤波电容，使得所述偏置信号生成模块10的输出端呈高阻态，所述偏置信号生成模块10输出的所述偏置电压Vcp是可叠加交流信号的高阻态的偏置电压，由此，所述差分电容中的一个MEMS电容上的信号才能够耦合到另一个MEMS电容上的信号一起输出。
进一步地，所述偏置信号生成模块10包括电荷泵单元12及第二高阻单元11。所述电荷泵单元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，所述第二高阻单元11连接所述电荷泵单元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，使得所述偏置信号生成模块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，所述差分电容式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(所述振膜304与所述第一背板电极303a或所述第二背板电极303b粘黏)，所述差分电容式MEMS传感模块20在产生吸合现象时，会发生MEMS电容跳变(吸合处对应的MEMS电容突然变大)，同时所述第一背板电极303a或所述第二背板电极303b的漏电增大，导致所述差分电容式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，所述偏置信号生成模块10还包括吸合检测单元13，所述吸合检测单元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Vs)。当所述MEMS电容产生吸合现象时，所述内部信号Vs跳变，所述吸合检测单元13在所述内部信号Vs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)，释放掉所述第一背板电极303a或所述第二背板电极303b上的电荷，失去电场力的作用，所述振膜304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Vs例如可以是所述第一电压信号Vin、所述第二电压信号Vout或者所述信号处理模块30内部的子单元产生的信号，这将在下文中进行描述，本发明对此不作限制。
请继续参阅图1a，本实施例中，所述信号处理模块30包括第三高阻单元33、缓冲单元31及增益放大单元32。
所述差分电容式MEMS传感模块20的输出端也呈高阻态，输出的所述第一电压信号Vin没有驱动能力，为了进行信号处理，所述缓冲单元31的输入端连接所述差分电容式MEMS传感模块20的输出端，用于接入所述第一电压信号Vin并对所述第一电压信号Vin进行阻抗转换(高阻态转换为低阻态)，从而增强驱动能力，所述缓冲单元31的输出端输出缓冲信号Vf。所述第三高阻单元33的一端连接在所述差分电容式MEMS传感模块20的输出端与所述缓冲单元31之间的节点K2，另一端用于接入共模电压Vcom，以提供所述共模电压Vcom给所述节点K2，并为所述差分电容式MEMS传感模块20的输出端建立静态工作点。所述增益放大单元32的输入端连接所述缓冲单元31，用于接入所述缓冲信号Vf并对所述缓冲信号Vf进行增益放大，所述增益放大单元32的输出端输出所述第二电压信号Vout。
本实施例中，所述第二高阻单元11与所述第三高阻单元33的结构相同，应理解，所述第二高阻单元11与所述第三高阻单元33的结构实际上也可以不相同。接下来，下文将以所述第二高阻单元11为例，对所述第二高阻单元11与所述第三高阻单元33的结构进行详细说明。
图3a为本实施例提供的第二高阻单元11的电路图。如图1a及图3a所示，所述第二高阻电路11包括第二高阻节点和第二低阻节点，所述第二高阻节点和所述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801。图3a中，每个所述第二单向导通单元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二低阻节点V1，最后一个二极管的负极作为所述第二高阻节点V2，所述第二高阻电路11沿所述第二低阻节点V1至第二高阻节点V2的方向导通，沿所述第二高阻节点V2至所述第二低阻节点V1的方向截止。所述第二低阻节点V1连接所述电荷泵单元12，用于接入所述基础偏置电压Vcp1，所述第二高阻节点V2连接所述差分电容式MEMS传感模块20，用于向所述差分电容式MEMS传感模块20提供高阻态的所述偏置电压Vcp。所述第二高阻单元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信号生成模块10的输出端稳定在高阻态，保证电路的正常工作。
图3b为本实施例提供的快速启动电路的电路图。如图3b所示，所述第二高阻节点V2与所述第二低阻节点V1之间还可以连接快速启动电路802。当所述第二低阻节点V1和所述第二高阻节点V2的电压接近时，所述第二高阻节点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，所述第二低阻节点V1可以快速为所述第二高阻节点V2充放电，从而加快所述第二高阻节点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二单向导通单元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，所述第三高阻单元33也可以包括第三高阻节点和第三低阻节点，所述第三高阻节点与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，所述第三低阻节点接入所述共模电压Vcom，所述第三高阻节点连接所述节点K2。所述第三高阻单元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，从而可以将所述差分电容式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，所述第三高阻节点与所述第三低阻节点之间也可以连接快速启动电路，从而加快所述第三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，所述共模电压Vcom为0V～1V，但不应以此为限。
应理解，所述增益放大单元32可以是现有的带有增益放大的电路，此处不再过多赘述。
进一步地，请继续参阅图1a，本实施例中，所述增益放大单元32是单端输入、单端输出的增益放大单元，所以所述缓冲信号Vf经所述增益放大单元32放大后单端输出，也即，所述第二电压信号Vout通过一个输出端输出。
请继续参阅图1a，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，并据此为所述缓冲单元31和/或所述增益放大单元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以及外部的第一使能信号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可以用于所述增益放大单元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，所述偏置信号生成模块10、所述信号处理模块30、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。图1b为本实施例提供MEMS系统的封装结构示意图。如图1b所示，所述ASIC芯片与所述差分电容式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芯片及所述差分电容式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系统输出的信号(例如所述第二电压信号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(例如外部的第一使能信号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。
接下来，将结合图2推导并证明本实施例中的MEMS系统的信噪比较高。
首先，为了简化计算，设Vcom＝Vdc＝0V，两个MEMS电容的电容值Cmems1＝Cmems2＝C0，寄生电容为Cp；
所述差分电容式MEMS传感模块20在静态工作状态时：
所述振膜304存储的电荷Qmm为：
Qmm＝Vcp×Cmems1+Vcp×Cmems2+Vcp×Cp＝Vcp(2C0+Cp)； (1)；
所述第一背板电极303a上存储的电荷Qbup为：
Qbup＝-Vcp×C0 (2)；
图2中下方的MEMS电容增加ΔC时，所述振膜304的电压的变化为Vx：
所述振膜304存储的电荷Qmm为：
Qmm＝Vx(C0+ΔC)+(Vx-Vin)(C0-ΔC)+VxCp (3)；
所述第一背板电极303a上存储的电荷Qbup为：
Qbup＝(Vin-Vx)×(C0-ΔC)+Vin×Cp (4)。
基于此，根据所述振膜304上的电荷守恒可得：
Vx(C0+ΔC)+(Vx-Vin)(C0-ΔC)+Vx×Cp＝Vcp(2C0+Cp) (5)；
(2C0+Cp)Vx＝Vin(C0-ΔC)+Vcp(2C0+Cp) (6)；
根据所述第一背板电极303a上的电荷守恒可得：
(Vin-Vx)(C0-ΔC)+Vin×Cp＝-Vcp×C0； (7)；
-Vx(C0-ΔC)+Vin(C0-ΔC+Cp)＝-Vcp×C0； (8)；
可得：
Vin(C0-ΔC+Cp)(2 C0+Cp)＝-Vcp×C0(2C0+Cp)+Vx(C0-ΔC)(2C0+Cp)； (9)；
Vin(C0-ΔC)2＝-Vcp(2C0+Cp)(C0-ΔC)+Vx(2C0+Cp)(C0-ΔC)； (10)。
将式(9)与式(10)相减，得到：
Vin[(C0-ΔC+Cp)(2 C0+Cp)-(C0-ΔC)2]＝-Vcp(2C0+ Cp)(C0-ΔC-C0) (11)；
如果Cp足够小，那么式(11)可简化为：
Vin≈(2Vcp×ΔC)/C0 (12)。
而现有的双背板差分电容式MEMS麦克风输出的第一电压信号Vin’为：
Vin’＝(Vcp×ΔC)/C0 (13)。
通过比较公式(12)和公式(13)可得，本实施例提供的MEMS系统中的第一电压信号Vin的幅值相较于现有技术更高，也并未引入其他噪声因此信噪比较高。
实施例二
图4为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图4所示，与实施例一的区别在于，本实施例中，所述偏置信号生成模块10通过两个输出端分别输出一个偏置电压。具体而言，所述偏置信号生成模块10的第一输出端输出偏置电压Vcp01，所述偏置信号生成模块10的第二输出端输出偏置电压Vcp02，所述差分电容式MEMS传感模块20接入所述偏置电压Vcp01和偏置电压Vcp02，所述差分电容式MEMS传感模块20通过第一高阻单元21接入所述预定电压Vdc，并根据所述电容变化量、所述偏置电压Vcp01、所述偏置电压Vcp02以及所述预定电压Vdc输出表征所述声音信号的第一电压信号Vin。
本实施例中，所述偏置信号生成模块10包括两个第二高阻单元，分别为第二高阻单元111和第二高阻单元112，所述电荷泵单元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。所述第二高阻单元111连接所述电荷泵单元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稳定在高阻态输出，并且，所述偏置信号生成模块10的第一输出端与所述差分电容式MEMS传感模块20之间不连接滤波电容，使得所述偏置信号生成模块10的第一输出端呈高阻态，输出所述偏置电压Vcp01。类似的，所述第二高阻单元112连接所述电荷泵单元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，由于所述偏置信号生成模块10的第二输出端与所述差分电容式MEMS传感模块20之间连接滤波电容C，其中，所述滤波电容C的一端连接所述偏置信号生成模块10的第二输出端，另一端接地，使得所述偏置信号生成模块10的第二输出端呈直流高阻态，输出所述偏置电压Vcp02。如此一来，所述偏置信号生成模块10的第一输出端呈高阻态，而所述偏置信号生成模块10的第二输出端呈直流高阻态，因此所述差分电容中的一个MEMS电容上的信号也能够耦合到另一个MEMS电容上的信号一起输出。
本实施例中，所述第一高阻单元21与所述第二高阻单元11或所述第三高阻单元33的结构均相同，应理解，所述第一高阻单元21与所述第二高阻单元11或所述第三高阻单元33的结构实际上也可以不相同。
具体而言，所述第一高阻单元21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预定电压Vdc，所述第三高阻节点连接所述差分电容式MEMS传感模块20。
作为可选实施例，所述第一高阻节点和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。
接下来，将结合图2推导并证明本实施例中的MEMS系统的信噪比较高。
首先，为了简化计算，设Vcom＝Vdc＝0V，Vcp01＝Vcp02＝Vcp，两个MEMS电容的电容值Cmems1＝Cmems2＝C0，寄生电容为Cp；
所述差分电容式MEMS传感模块20在静态工作状态时：
所述振膜304存储的电荷Qmm为：
Qmm＝-Vcp01×Cmems1-Vcp02×Cmems2＝-2Vcp×C0； (14)；
所述第一背板电极303a上存储的电荷Qbup为：
Qbup＝Vcp×C0+2×Vcp×Cp (15)；
图2中下方的MEMS电容增加ΔC时，所述振膜304的电压的变化为Vx：
所述振膜304存储的电荷Qmm为：
Qmm＝(Vx-Vcp)×(C0+ΔC)+(Vx-Vin)(C0-ΔC) (16)；
所述第一背板电极303a上存储的电荷Qbup为：
Qbup＝(Vin-Vx)×(C0-ΔC)+2×Vin×Cp (17)。
基于此，根据所述振膜304上的电荷守恒可得：
(Vx-Vcp)×(C0+ΔC)+(Vx-Vin)×(C0-ΔC)＝-2×Vcp×C0 (18)；
Vx×(C0+ΔC+C0-ΔC)＝-2×Vcp×C0+Vcp(C0+ΔC)+Vin(C0-ΔC) (19)；
2×C0×Vx＝-Vcp×(C0-ΔC)+Vin(C0-ΔC)；
根据所述第一背板电极303a上的电荷守恒可得：
(Vin-Vx)×(C0-ΔC)+2×Vin×Cp＝Vcp×C0+2×Vin×Cp； (20)；
若Cp足够小，可得：
而现有的双背板差分电容式MEMS麦克风输出的第一电压信号Vin’为：
Vin’＝(Vcp×ΔC)/C0 (22)。
通过比较公式(21)和公式(22)可得，本实施例提供的MEMS系统中的第一电压信号Vin的幅值相较于现有技术更高，并且未引入其他的噪声，因此信噪比较高。
实施例三
图5为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图5所示，与实施例一和实施例二的区别在于，本实施例中，所述增益放大单元32是单端输入、双端输出的增益放大单元，所以所述增益放大单元32的两个输出端共同输出所述第二电压信号Vout。
实施例四
图6为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图6所示，与实施例一及实施例二的区别在于，本实施例中，所述MEMS系统输出的是表征所述声音信号的数字电压信号Dout，所述MEMS系统是数字MEMS系统。
具体而言，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Vout转换为所述数字电压信号Dout输出。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的输入端与所述增益放大单元32的输出端连接，用于接入所述第二电压信号Vout并对所述第二电压信号Vout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，并在外部输入的第二使能信号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Dout。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Vout转换为了数字电压信号Dout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，所述增益放大单元32是单端输入、单端输出的增益放大单元，所以所述第二电压信号Vout通过所述增益放大单元32单端输出。而所述模拟数字采样单元91是双端输入、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，从而保证所述模拟数字采样单元91的正常工作。
进一步地，与实施例一和实施例二的另一个区别在于，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。
实施例五
图7为本实施例提供的MEMS系统的结构框图。如图7所示，与实施例四的区别在于，本实施例中，所述增益放大单元32是单端输入、双端输出的增益放大单元，所以所述增益放大单元32的两个输出端共同输出所述第二电压信号Vout。而所述模拟数字采样单元91是双端输入、单端输出的模块，可以将所述模拟数字采样单元91的两个输入端连接到所述增益放大单元32的两个输出端，从而完成所述第二电压信号Vout的模数转换。
综上，在本实施例提供的MEMS系统中，差分电容式MEMS传感模块接入偏置电压及预定电压，差分电容式MEMS传感模块的差分电容在外部的声音信号的激励下产生电容变化量，差分电容中的一个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，体现为差分电容式MEMS传感模块输出的第一电压信号通过一个输出端输出，实现了差分电容式MEMS传感模块的单端输出，信号处理模块只对第一电压信号进行信号处理，可兼容普通的单输入的信号处理模块，无需重新设计信号处理模块；进一步地，本发明中的差分电容式MEMS传感模块本身完成了两个MEMS电容的信号的叠加，无需在信号处理模块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，差分电容式MEMS传感模块的输出端输出的电压信号是两个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MEMS系统信噪比(SNR)，进而提高了MEMS系统的性能。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (21)
1.一种MEMS系统，其特征在于，包括：
偏置信号生成模块，用于生成偏置电压，且所述偏置信号生成模块的输出端与差分电容式MEMS传感模块之间不连接滤波电容；
差分电容式MEMS传感模块，包括差分电容，所述差分电容在外部的声音信号的激励下能够产生电容变化量，所述差分电容式MEMS传感模块连接所述偏置信号生成模块，接入所述偏置电压，所述差分电容式MEMS传感模块还接入预定电压，并根据所述电容变化量、偏置电压以及预定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，使差分电容式MEMS传感模块单端输出；以及，
信号处理模块，连接所述差分电容式MEMS传感模块的输出端，接入所述第一电压信号并进行信号处理，以输出第二电压信号，所述信号处理模块包括：单个缓冲单元，连接所述差分电容式MEMS传感模块的输出端，接入所述第一电压信号并对所述第一电压信号进行阻抗转换，得到缓冲信号；单个第三高阻单元，一端连接在所述差分电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲单元之间的节点上，另一端接入共模电压。
2.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述差分电容包括两个MEMS电容，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。
3.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述差分电容式MEMS传感模块的输出端呈高阻态。
4.如权利要求1～3中任一项所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置信号生成模块通过一个输出端输出一个所述偏置电压，且所述差分电容式MEMS传感模块直接接入所述预定电压。
5.如权利要求4所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置信号生成模块的输出端呈高阻态。
6.如权利要求1～3中任一项所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置信号生成模块通过两个输出端分别输出一个所述偏置电压，所述差分电容式MEMS传感模块通过第一高阻单元接入所述预定电压。
7.如权利要求6所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置信号生成模块的第一输出端与所述差分电容式MEMS传感模块之间不连接滤波电容，所述偏置信号生成模块的第二输出端与所述差分电容式MEMS传感模块之间连接滤波电容。
8.如权利要求7所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置信号生成模块的第一输出端呈高阻态，所述偏置信号生成模块的第二输出端呈直流高阻态。
9.如权利要求6所述的MEMS系统，其特征在于，所述第一高阻单元包括第一高阻节点和第一低阻节点，所述第一高阻节点与所述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预定电压，所述第一高阻节点连接所述差分电容式MEMS传感模块。
10.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置信号生成模块包括：
电荷泵单元，用于输出基础偏置电压；以及，
第二高阻单元，连接所述电荷泵单元，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。
11.如权利要求10所述的MEMS系统，其特征在于，所述第二高阻单元包括第二高阻节点和第二低阻节点，所述第二高阻节点与所述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，所述第二低阻节点连接所述电荷泵单元，接入所述基础偏置电压，所述第二高阻节点连接所述差分电容式MEMS传感模块，并提供所述偏置电压。
12.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括：
增益放大单元，连接所述缓冲单元，接入所述缓冲信号并对所述缓冲信号进行增益放大，得到所述第二电压信号。
13.如权利要求12所述的MEMS系统，其特征在于，所述第三高阻单元包括第三高阻节点和第三低阻节点，所述第三高阻节点与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，所述第三低阻节点接入所述共模电压，所述第三高阻节点连接在所述差分电容式MEMS传感模块的输出端与所述缓冲单元之间的节点上。
14.如权利要求12所述的MEMS系统，其特征在于，所述增益放大单元为单端输入、单端/双端输出的增益放大单元。
15.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。
16.如权利要求1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，连接所述信号处理模块，用于对所述第二电压信号进行采样，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。
17.如权利要求16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。
18.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，为所述信号处理模块供电。
19.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述偏置信号生成模块及所述信号处理模块集成在同一ASIC芯片上，所述ASIC芯片通过打线的方式与所述差分电容式MEMS传感模块连接。
20.如权利要求19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芯片及所述差分电容式MEMS传感模块进行ESD防护。
21.如权利要求1所述的MEMS系统，其特征在于，所述差分电容式MEMS传感模块包括差分电容式MEMS麦克风、差分电容式MEMS声换能器或差分电容式MEMS传声器。
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| CN113423050A (zh) | 2021-09-21 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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