[发明专利]传感器电路和校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS电容式传感器，例如用作麦克风。

背景技术

电容式麦克风由两个振膜组成：由声压激励的振膜和穿孔膜，所述穿孔膜形成反电极(“背板”)，所述反电极不会响应于声压移动，因为所述穿孔使其是声学透明的。所述穿孔允许所述第一振膜移动，而在振膜与背板之间的体积中没有压力增大。

图1示出了(MEMS)电容式麦克风的顶视图和截面图。

硅衬底1具有开孔，所述开孔使所述可移动振膜3对声压灵敏的部分外露。在(可选的)绝缘体2的上方形成可移动振膜。在另一个绝缘体4上方悬置背板5(固定膜)并且用规则图案的孔穿孔所述背板。电极连接6、7连接至两个振膜并且用于测量电容。

由于低的机械损耗、良好控制的工艺过程以及优化的设计，电容式传感器的固有噪声可以是相当小的，使得所述读出电路系统(典型地CMOS电路系统)支配所述噪声。仍然存在的一个问题是在恒定电荷偏置结构下大多数MEMS设备的小灵敏度。由于低的功耗和所述MEMS传感器的稳定操作点，这种偏置结构被典型地用于MEMS麦克风。

如果所述MEMS信号较强，那么所述CMOS读出电路系统的噪声变得不那么重要。然而，这只有在高电压下或者接近所述传感器的不稳定吸附(pull-in)点才是可能的。所述灵敏度在这个不稳定吸附点是最高的。事实上，所述灵敏度在所述直流限制中变得无穷大。然后所述CMOS输入级的噪声变得不那么重要。

如果反馈带宽远远大于所述谐振频率，那么快速反馈控制系统可以在任意点下稳定所述MEMS传感器的可移动部分，包括所述不稳定点。

WO2006/040403公开了一种用于MEMS传感器的反馈系统，所述传感器工作接近所述吸附点。图2示出了WO2006/040403所述的反馈电路。

所述电路包括电容式电桥104、105、106、107，包括传感器电容105。经由反馈回路和偏置电阻器103调制所述电容式电桥，使得它处在恒定的操作点。利用电容器107，可以设置所述操作点，使得所述振膜位置处在吸附点。所述反馈偏置信号是所述读出信号。它仍然是非线性的，因为所述力-电压关系是二次函数，但是所述信号对于小信号是相当线性的。

所述电路具有调节器101，所述调节器馈给运算放大器102。所述调节器101具有直流输入，所述直流输入由相位灵敏检测器101供应，所述检测器利用相位混合器110将所述电桥传感器信号(由放大器108、109放大)与参考交流信号进行比较。

在WO2006/040403中详细描述了所述电路的操作。

在理想情况下，所述传感器的增益在所述不稳定点变得无穷大。然后总的灵敏度只由所述反馈回路设置。由于所述低噪声传感器的高增益，所述回路的噪声变得无关紧要。

数字∑-Δ(Sigma-Delta)反馈回路也被称作MEMS传感器。

然而已知的反馈回路具有一些缺点：

-会造成比直流读出更高的功率消耗。

即使在所述吸附不稳定点所述灵敏度(或者传感器增益)不是无穷大的，因为所述质量体用作动态弹簧常数。这导致传递函数的频率依赖性。

-所述反馈回路会变得不稳定。例如在大的麦克风振膜中，存在高阶模式。如果它们由强的声学信号激励，那么假如所述反馈回路可以抑制振荡的话它会是有问题的，因为它只设计用于基本挠曲模式。

-所述最佳偏置点可以漂移，例如由于温度或者老化。它也可以随所述反馈偏置电压动态地移动，因为所述静电弹簧软化依赖于偏置电压。图2的反馈回路只保持所述电容恒定，即所述机械弹簧恒定而非所述偏置电压。所述声压可以影响所述机械性能。所述静电压力和所述声压具有不同的曲线，使得即使保持所述电容或者所述平均挠曲恒定，所述振膜将有效地变形。因此，所述最佳点将响应于较大的输入信号而偏移。

-不会对工艺扩展(process spread)进行补偿。这需要在测试或者自校准期间的调谐。

因此，存在对于诸如麦克风之类的MEMS电容式传感器以及其他压力传感器、加速计、陀螺仪等的更好信噪比。由于低的机械损耗、良好控制的工艺过程以及优化的设计，电容式传感器的固有噪声可以是相当小的，使得所述CMOS读出支配所述噪声。由于其小的尺寸，MEMS电容式传感器具有小的电容。这意味着所述读出电路的输入级需要低电容。不幸的是，当所述输入电容变小时，CMOS读出电路的输入噪声增加。新技术没有显著地改善这种CMOS噪声。诸如双极JFET装置的可选项和冷却在成本或者功率方面是更昂贵的。