[发明专利]用于微型机电声音转换器的偏置电路及相关偏置方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于声音转换器的偏置电路，特别是一种MEMS(微型机电系统)型的容性扩音器，接下来的说明将明确参考这种MEMS类型，这并不意味着丧失任何一般性。本发明进一步涉及一种用于偏置声音转换器的方法。

背景技术

众所周知，电容型的声音转换器，例如MEMS扩音器，一般包括振动膜或隔膜形式的可动电极，可动电极面对固定电极设置以便提供可变电容的感应电容器的极板。该可动电极一般通过其周边部分固定到基底，同时其中心部分响应于入射声波施加的压力而自由移动或弯曲。该可动电极和该固定电极形成电容器，并且构成可动电极的隔膜的弯曲引起所述电容器电容值的变化。使用时，电容值根据待检测的声音信号发生变化，该电容值的变化被转换成电信号，该电信号被作为声音转换器的输出信号。

更具体地，参考图1，一种已知类型的MEMS容性扩音器1，包括由例如硅的半导体材料制成的基底2；在基底2上具有一空腔3(通常称为“后腔”)，空腔3例如从后部通过化学蚀刻形成。隔膜，或振动膜4，耦合至基底2并且在顶部靠近后腔3。隔膜4是挠性的，且在使用时，根据来自后腔3的入射声波的压力产生变形。刚性板5(通常称为“背板”)通过插入间隔物6(例如由比如二氧化硅的绝缘材料制成)面向并设置在隔膜4上。背板5构成具有可变电容的电容器的固定电极，其中可动电极由隔膜4形成；背板5具有多个比如为圆形截面的孔7，将孔7设计成使得空气可在隔膜4的方向上自由循环流通。

容性扩音器，特别是MEMS扩音器，要求合适的电偏置，以便用作将声音信号转换成电信号的转换器。具体地，为了确保在通常应用下充足的性能水平，它要求扩音器偏置为高电压(例如15V-20V)，一般比施加给相应的读取电路的电压(比如，逻辑电压1.6V-3V)要高的多。为此，通常需要使用电荷泵升压电路(一般称为“电荷泵”)，其使用集成技术制成，其能够从较低值的参考电压生成高电压。

一般的电路结构(图2中所示)包括一个电荷泵级，示例中整体地用标记8概略地示出，其直接连接到MEMS扩音器1(由可变电容值电容器的等效电路概略地表示)的第一端子N1(比如，由背板5组成)，以便提供高值的偏置电压。MEMS扩音器1的第二端子N2(例如，由隔膜4组成)却连接到读取电路(还可称为“前端电路”)的高阻抗输入，图中读取电路概略地表示为放大器级9(继而，其高阻抗通过连接在第二端子N2和参考电压节点之间的一般具有100GΩ到100TΩ之间的电阻值的输入电阻器10来概略地表示，该参考电压节点在示例中与偏置电路的接地点相同)。

然而，这种电路设置严重地受限于降低的信噪比，这是由于在正常操作中电荷泵级8的输出端处可能的“纹波”以及相同电荷泵产生的噪音未经任何衰减加入到MEMS扩音器1根据检测到的声音信号而产生的电信号。

为了克服上述缺陷，提出了一种替代性的电路设置(图3所示)，其中在电荷泵级8的输出端和MEMS扩音器1的第一端子N1之间设置一个RC结构的低通滤波器12，以便适当地衰减在电荷泵级的输出端的噪音和纹波。具体地，该低通滤波器12由连接在电荷泵级8的输出端和MEMS扩音器1的第一端子N1之间的滤波电阻器13和连接在相同第一端子N1和该偏置电路的接地端子之间的滤波电容器14组成。

然而，已经示出，为了使低通滤波器有效地工作并且能够获得MEMS扩音器1的适当偏置，该低通滤波器12必须有一个等于或优选地低于1Hz的频率下的极(pole)。为此，滤波电阻器13必须具有一个极高的电阻值，例如在100GΩ到100TΩ之间。

考虑到众所周知在集成电路技术中获取如此高电阻值的电阻器是不可能的，因而已经提出了利用能够提供所需的高电阻值的非线性装置。例如，为此已经提出了利用反并联结构的一对二极管，当在它们两端施加所需值的电压降时(该值取决于技术，比如小于100mV)产生相当高的电阻值。

如图4中所示，滤波电阻器13和输入电阻器10从而分别由各自的一对反并联结构的二极管提供。

具体地，滤波电阻器13具有第一二极管13a和第二二极管13b，第一二极管13a的阳极连接到电荷泵级8的输出端且其阴极连接到第一端子N1，第二二极管13b的阳极连接到第一端子N1且其阴极连接到电荷泵级8的输出端。输入电阻器10具有单独的第一二极管10a和单独的第二二极管10b，第一二极管10a的阴极连接到第二端子N2且其阳极连接到由Vref表示的参考电压，第二二极管10b的阴极连接到参考电压Vref且其阳极连接到第二端子N2。