[發明專利]用于微型機電聲音轉換器的偏置電路及相關偏置方法

有效

• 申請號: 201010187328.0
• 申請日: 2010-03-31
• 公開（公告）號: CN101854575A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: F·大衛;A·加斯帕里尼
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: H04R3/00
• 分類號: H04R3/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華;唐文靜

技術領域

本發明涉及一種用于聲音轉換器的偏置電路，特別是一種MEMS(微型機電系統)型的容性擴音器，接下來的說明將明確參考這種MEMS類型，這并不意味著喪失任何一般性。本發明進一步涉及一種用于偏置聲音轉換器的方法。

背景技術

眾所周知，電容型的聲音轉換器，例如MEMS擴音器，一般包括振動膜或隔膜形式的可動電極，可動電極面對固定電極設置以便提供可變電容的感應電容器的極板。該可動電極一般通過其周邊部分固定到基底，同時其中心部分響應于入射聲波施加的壓力而自由移動或彎曲。該可動電極和該固定電極形成電容器，并且構成可動電極的隔膜的彎曲引起所述電容器電容值的變化。使用時，電容值根據待檢測的聲音信號發生變化，該電容值的變化被轉換成電信號，該電信號被作為聲音轉換器的輸出信號。

更具體地，參考圖1，一種已知類型的MEMS容性擴音器1，包括由例如硅的半導體材料制成的基底2；在基底2上具有一空腔3(通常稱為“后腔”)，空腔3例如從后部通過化學蝕刻形成。隔膜，或振動膜4，耦合至基底2并且在頂部靠近后腔3。隔膜4是撓性的，且在使用時，根據來自后腔3的入射聲波的壓力產生變形。剛性板5(通常稱為“背板”)通過插入間隔物6(例如由比如二氧化硅的絕緣材料制成)面向并設置在隔膜4上。背板5構成具有可變電容的電容器的固定電極，其中可動電極由隔膜4形成；背板5具有多個比如為圓形截面的孔7，將孔7設計成使得空氣可在隔膜4的方向上自由循環流通。

容性擴音器，特別是MEMS擴音器，要求合適的電偏置，以便用作將聲音信號轉換成電信號的轉換器。具體地，為了確保在通常應用下充足的性能水平，它要求擴音器偏置為高電壓(例如15V-20V)，一般比施加給相應的讀取電路的電壓(比如，邏輯電壓1.6V-3V)要高的多。為此，通常需要使用電荷泵升壓電路(一般稱為“電荷泵”)，其使用集成技術制成，其能夠從較低值的參考電壓生成高電壓。

一般的電路結構(圖2中所示)包括一個電荷泵級，示例中整體地用標記8概略地示出，其直接連接到MEMS擴音器1(由可變電容值電容器的等效電路概略地表示)的第一端子N1(比如，由背板5組成)，以便提供高值的偏置電壓。MEMS擴音器1的第二端子N2(例如，由隔膜4組成)卻連接到讀取電路(還可稱為“前端電路”)的高阻抗輸入，圖中讀取電路概略地表示為放大器級9(繼而，其高阻抗通過連接在第二端子N2和參考電壓節點之間的一般具有100GΩ到100TΩ之間的電阻值的輸入電阻器10來概略地表示，該參考電壓節點在示例中與偏置電路的接地點相同)。

然而，這種電路設置嚴重地受限于降低的信噪比，這是由于在正常操作中電荷泵級8的輸出端處可能的“紋波”以及相同電荷泵產生的噪音未經任何衰減加入到MEMS擴音器1根據檢測到的聲音信號而產生的電信號。

為了克服上述缺陷，提出了一種替代性的電路設置(圖3所示)，其中在電荷泵級8的輸出端和MEMS擴音器1的第一端子N1之間設置一個RC結構的低通濾波器12，以便適當地衰減在電荷泵級的輸出端的噪音和紋波。具體地，該低通濾波器12由連接在電荷泵級8的輸出端和MEMS擴音器1的第一端子N1之間的濾波電阻器13和連接在相同第一端子N1和該偏置電路的接地端子之間的濾波電容器14組成。

然而，已經示出，為了使低通濾波器有效地工作并且能夠獲得MEMS擴音器1的適當偏置，該低通濾波器12必須有一個等于或優選地低于1Hz的頻率下的極(pole)。為此，濾波電阻器13必須具有一個極高的電阻值，例如在100GΩ到100TΩ之間。

考慮到眾所周知在集成電路技術中獲取如此高電阻值的電阻器是不可能的，因而已經提出了利用能夠提供所需的高電阻值的非線性裝置。例如，為此已經提出了利用反并聯結構的一對二極管，當在它們兩端施加所需值的電壓降時(該值取決于技術，比如小于100mV)產生相當高的電阻值。

如圖4中所示，濾波電阻器13和輸入電阻器10從而分別由各自的一對反并聯結構的二極管提供。

具體地，濾波電阻器13具有第一二極管13a和第二二極管13b，第一二極管13a的陽極連接到電荷泵級8的輸出端且其陰極連接到第一端子N1，第二二極管13b的陽極連接到第一端子N1且其陰極連接到電荷泵級8的輸出端。輸入電阻器10具有單獨的第一二極管10a和單獨的第二二極管10b，第一二極管10a的陰極連接到第二端子N2且其陽極連接到由Vref表示的參考電壓，第二二極管10b的陰極連接到參考電壓Vref且其陽極連接到第二端子N2。