Mems聲換能器器件和電子裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及用于聲換能器的偏置電路，特別是涉及MEMS(微機電系統(tǒng)）電容麥克 風(fēng)，下面的討論將明確提及該MEMS電容麥克風(fēng)，但其并不暗指一般性的任何損失。
【背景技術(shù)】
[0002] 如已知的，電容類型的聲換能器（例如MEMS麥克風(fēng)）通常包括微機電感應(yīng)結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)包括作為膜片或薄膜提供的移動電極，其被設(shè)置為朝向固定的電極，從而提供可變 電容感應(yīng)電容器的極板。移動電極通常通過其外周部分被錨固到基底，但其中央部分響應(yīng) 于由入射的聲波施加的壓力而自由地移動或彎曲。移動電極和固定電極提供了電容器，并 且構(gòu)成該移動電極的該薄膜的向上或向下彎曲致使該電容器的電容的變化。在使用中，作 為待被檢測的聲信號的函數(shù)的電容變化被轉(zhuǎn)換為電信號，其作為聲換能器的輸出信號被供 應(yīng)。
[0003] 更詳細地并且參照圖1，已知類型的MEMS電容麥克風(fēng)的感應(yīng)結(jié)構(gòu)1包括例如為硅 的半導(dǎo)體材料的基底2 ;腔3 (通常稱為"背腔")，其例如經(jīng)由來自背部的化學(xué)蝕刻而被形成 在基底2中。薄膜或膜片4被耦接至基底2并且在頂部封閉腔3。薄膜4是柔性的，并且在 使用中經(jīng)受作為來自腔3的入射聲波的壓力的函數(shù)的形變。剛性板5 (通常稱為"背板"） 經(jīng)由用于限定架空層（所謂的"空氣間隙"）的間隔件6 (例如，諸如氧化硅之類的絕緣材料 的間隔件）的插入而被設(shè)置在薄膜4以上并且朝向它。剛性板5構(gòu)成可變電容的電容器的 固定電極，該電容器的移動電極由薄膜4構(gòu)成，該固定電極具有例如帶有圓形橫截面的多 個孔7,其被設(shè)計為使得空氣能夠朝向薄膜4自由流通。
[0004] MEMS電容麥克風(fēng)要求適當(dāng)?shù)碾姎馄?，使得它們可以被用作聲信號到電信號的換 能器。通常，MEMS電容麥克風(fēng)操作在電荷偏置狀態(tài)。
[0005] 為了保證用于普通應(yīng)用的充分性能，要求這些麥克風(fēng)在高直流電壓（例如15至 20V)處被偏置，該直流電壓通常比在對應(yīng)的讀取電路處提供的供電電壓（例如1. 6至3V的 邏輯電壓）高得多。
[0006] 出于該目的，常見的是使用升壓器電路、特別是使用集成技術(shù)制作的電荷栗類型 的升壓器電路，其能夠從參考電壓開始生成高電壓。通常，已知的是，麥克風(fēng)的偏置電壓越 高，產(chǎn)生的相同麥克風(fēng)的檢測聲信號的靈敏度就越大。
[0007] 已經(jīng)提出的偏置電路8 (在圖2中示出）因而設(shè)想了電荷栗電路，其被概略地且整 體由9指定并具有輸出端子9a，從較低值的供電電壓開始生成的升壓電壓或栗電壓V cp呈 現(xiàn)在該輸出端子9a上。
[0008] 輸出端子9a利用具有非常高的阻抗（例如通常具有兆兆（tera)歐區(qū)間的阻抗 值）、由10指定并且作為具有電阻R b的電阻器所概略地表示的絕緣電路元件的插入被連接 至MEMS麥克風(fēng)的感應(yīng)結(jié)構(gòu)1(利用可變電容的電容器Cmems的等效電路概略地表示）的第一 端子（例如由背板5構(gòu)成）。
[0009] 感應(yīng)結(jié)構(gòu)1的第二端子（例如，由薄膜4構(gòu)成）反而被連接至電路的參考電勢，例 如接地。
[0010] 前述第一端子因此構(gòu)成與絕緣電路元件?ο相關(guān)聯(lián)的第一高阻抗節(jié)點N1，并被進一 步連接至概略地圖示的讀取級11，該讀取級11接收由V mems指定的、呈現(xiàn)在相同的第一段子 上的電壓，并且生成指示檢測到的聲信號的輸出電壓ν_。
[0011] 讀取級11通常作為ASIC(專用集成電路）以集成的方式提供在半導(dǎo)體材料的裸 片中，并與在其中提供MEMS麥克風(fēng)的感應(yīng)結(jié)構(gòu)1的裸片不同。兩個裸片可以進一步被容納 在相同的封裝中，或者容納在不同的封裝中但被電連接在一起。
[0012] 偏置電路8還可以被集成在其中提供讀取電路11的裸片中，或者被提供在不同的 裸片中但被容納在相同的封裝中。
[0013] 絕緣電路元件10具有針對MEMS麥克風(fēng)的絕緣功能，其對存儲在MEMS麥克風(fēng)的電 容器中的電荷從高于幾赫茲的頻率開始進行絕緣（換言之，產(chǎn)生的截止頻率遠小于在20Hz 至20kHz之間包括的音頻帶）?？紤]到對于在音頻帶中的頻率而言存儲在電容器中的電荷 是固定的，入射在感應(yīng)結(jié)構(gòu)1的薄膜上產(chǎn)生的聲信號調(diào)制空氣間隙以及因而調(diào)制電壓V MEMS。
[0014] 絕緣電路元件10的存在進一步適當(dāng)?shù)販p弱在電荷栗9的輸出處的脈動和噪聲兩 者，與MEMS麥克風(fēng)的電容形成濾波模塊。
[0015] 考慮到以已知的方式不可能以集成電路技術(shù)提供具有這樣高的電阻值的電阻器， 已經(jīng)提出了非線性器件的使用，其能夠提供絕緣電路元件10所要求的高阻值。
[0016] 例如，出于該目的已經(jīng)提出的是使用處于反平行配置的至少一對二極管元件，當(dāng) 其上呈現(xiàn)低值的壓降（取決于技術(shù)，例如在IOOmV區(qū)間）時提供了充分高的電阻，從而不使 它們接通。相同的二極管元件可以進一步以由二極管適當(dāng)連接的三極管獲得。
[0017] 偏置電路8進一步包括開關(guān)元件12,其平行于絕緣電路元件10被連接。該開關(guān)元 件12的功能是克服由偏置電路8在接通時或者在其從所謂的"待機"或"掉電"狀態(tài)（在 這些期間器件本身被部分地關(guān)斷以進入節(jié)能狀態(tài)）返回時，即當(dāng)其被再次供電時的長啟動 時間所呈現(xiàn)的問題。
[0018] 由于高阻抗，絕緣電路元件10實際上確定MEMS麥克風(fēng)的電容一個高時間常數(shù)。
[0019] 開關(guān)元件12因而可以作為控制信號Vsw的函數(shù)被可選擇地操作，從而在前述的啟 動步驟期間，在感應(yīng)結(jié)構(gòu)1的第一端子與電荷栗電路9的輸出端子9a(在其上呈現(xiàn)栗電壓 Vcp)之間提供低阻抗連接。
[0020] 特別地，開關(guān)元件12從控制邏輯（本文未示出）接收控制信號Vsw，使得其可以在 偏置電路8的啟動階段期間被閉合，并因而保證感應(yīng)結(jié)構(gòu)1的第一端子到期望的偏置值的 快速建立，并且在偏置電路8的隨后的正常操作的階段期間被斷開，因而保證第一端子的 合適偏置以及通過絕緣電路元件10保證的絕緣和噪聲性能。
[0021] 在MEMS麥克風(fēng)以期望的偏置電壓（即以栗電壓Vcp)被充電之后，啟動階段終止。
[0022] 換言之，開關(guān)元件12因而使得在偏置電路8的供電之后能夠旁路絕緣電路元件10 一定的時間間隔，并且隨后當(dāng)MEMS麥克風(fēng)的電容已經(jīng)達到充分的電荷值并且輸出電壓V mems 具有期望的直流偏置值時，斷開及重新建立MEMS麥克風(fēng)的感應(yīng)結(jié)構(gòu)1與絕緣電路元件10 之間的連接。
[0023] 然而，本發(fā)明人已經(jīng)認識到前述偏置電路8具有最少一個缺點，使得不能完全利 用其優(yōu)點。
[0024] 該缺點被聯(lián)系到共同在MEMS麥克風(fēng)的感應(yīng)結(jié)構(gòu)1與絕緣電路元件10之間處、在 該示例中是在第一高阻抗節(jié)點N 1(與相同的感應(yīng)結(jié)構(gòu)1的第一端子重合）處的寄生電流 (通常定義為"泄漏電流"）的存在，如圖3所概略表示的，泄漏電流由L eak指定。
[0025] 以已知的方式，泄漏電流例如可以從以下中的一個或多個導(dǎo)出：MEMS麥克風(fēng)的感 應(yīng)結(jié)構(gòu)1 ;晶體管器件的提供開關(guān)元件12的半導(dǎo)體結(jié)；感應(yīng)結(jié)構(gòu)1與對應(yīng)的讀取級11之間 的電氣連接（考慮到ASIC可以提供在不同的裸片中或者甚至在不同的封裝中）；可呈現(xiàn)在 ASIC中的靜電放電（ESD)保護電路；或者其它已知的因素（未在此列出）。
[0026] 在任何情況下，已知的是泄漏電流是寄生存在的并且可能無法避免。
[0027] 與泄漏電流（如圖4所示）相關(guān)聯(lián)的缺點是由于它們導(dǎo)致跨絕緣電路元件10的 壓降A(chǔ) V的值較高，即使在由于絕緣電路元件10的電阻值造成的數(shù)百毫伏的區(qū)間。
[0028] 因此，根據(jù)開關(guān)元件12的斷開（在從啟動階段的開始起由tshc]rt指定的時間間隔 之后，圖4僅示出了該啟動階段在電壓V mems穩(wěn)定到V CP的時間段的最終部分），MEMS麥克風(fēng) 的電容器由開關(guān)元件12強制必須從等于電壓Vep的最初的電壓值放電低至等于V ep-A V的、 甚至是低了數(shù)百毫伏的新的值。
[0029] 以上的放電以高時間常數(shù)被再一次執(zhí)行，導(dǎo)致由td指定的顯著的時延，其確定由 tst^ up指定的啟動時間間隔的不