具有活動部分和偏置的傳感器的製作方法

2023-07-15 01:29:46

專利名稱：具有活動部分和偏置的傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括活動部分的傳感器，並且涉及由該傳感器輸出的信號的讀出和放大。
背景技術：
在許多應用中使用具有活動部分的傳感器，例如作為加速度傳感器或作為聲音傳感器(即麥克風)。在這些傳感器的一些類型中，活動對象相對於靠近活動對象布置的兩個或更多個電極被移位，並且由該移動弓I起的在活動對象與電極之間的電容的變化可以從傳感器中被讀出。例如，活動對象可以是麥克風的膜。這樣的傳感器可以例如以微機電系統(MEMS)的形式被實施，所述微機電系統(MEMS)還被稱為基於微系統技術的微機器或系統。 因為在許多情況下由傳感器提供的信號比較弱，所以通常在進ー步處理該信號之前對其進行放大。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供ー種設備。所述設備包括傳感器，其包括活動部分和至少兩個電極；以及偏置電路，其被配置成將至少ー個第一電壓和至少ー個第二電壓交替地施加於所述傳感器。根據本發明的第二方面，提供一種設備。所述設備包括傳感器，其包括第一電極、活動部分和第二電極，第一電容被限定在所述第一電極和所述活動部分之間，以及第ニ電容被限定在所述活動部分和所述第二電極之間；第一電壓源；第一開關，其將所述第一電壓源與所述活動部分或所述第一和第二電極中的一個耦合；以及第二開關，其將所述第二電壓源與所述活動部分或所述第一和第二電極中的ー個耦合。根據本發明的第三方面，提供一種設備。所述設備包括傳感器，其包括第一電極、第二電極以及布置在所述第一電極和所述第二電極之間的活動部分；第一放大器裝置，其中所述第一放大器裝置的第一輸入端與所述第一電極耦合；第二放大器裝置，所述第二放大器裝置的第一輸入端與所述第二電極耦合；以及反饋迴路，其經由耦合被耦合在所述第一放大器裝置和第二放大器裝置的輸出端與所述第一放大器裝置和所述第二放大器裝置的第二輸入端之間。根據本發明的第四方面，提供ー種方法。所述方法包括提供包括布置在至少兩個電極之間的活動部分的傳感器；以及在至少兩個不同值之間交替地切換用於所述傳感器的偏置電壓。


圖I示出根據ー個實施例的設備的框圖。圖2示出在一些實施例中使用的傳感器的實例。
圖3示出根據ー個實施例的設備的電路圖。圖4示出說明根據ー個實施例的方法的流程圖。圖5示出用於說明一些實施例的一些特徵的曲線。圖6示出根據ー個實施例的設備的框圖。在下文共同稱為圖7的圖7A和7B示出根據ー個實施例的設備的電路圖。
具體實施例方式在下文中，將詳細描述本發明的一些實施例。應當理解，下面的描述僅僅出於說明的目的而被給出，並且不應在限制性意義上來理解。本發明的範圍不打算由在下文參考附圖描述的實施例來限定，而是打算僅由所附權利要求及其等同物來限定。還應當理解，在下面對實施例的描述中，在附圖中示出的或在此描述的功能塊、裝置、部件、電路元件或者其他物理或功能単元之間的任何直接的連接或耦合也可以由間接的連接或耦合(即包括一個或多個中間元件的連接或耦合)來實施。此外，應當認識到，在附圖中示出的功能塊或單元在一些實施例中可以被實施為分開的電路，但是在其他實施例中也可以被完全地或部分地實施在公共電路中。換言之，在附圖中使用不同功能塊或單元打算給出對由對應裝置執行的各種功能的清楚理解，但是不應將其解釋為指示功能塊必須被實施為分開的物理単元。進ー步應當理解，在下面的說明書中被描述為基於導線的任何連接也可以被實施為無線連接，除非有相反的說明。應當注意，附圖被提供以給出本發明的實施例的ー些方面的說明，並且因此附圖應當被認為僅僅是示意圖。特別是，在附圖中示出的元件不一定關於彼此是按比例的，以及附圖中各種元件的放置被選擇以提供對相應實施例的清楚理解，並且不應將其解釋為一定是在相應實施例的實施中各種部件的實際相對位置的表示。在此所述的各種實施例的特徵可以彼此組合，除非另有專門地說明。另ー方面，描述具有多個特徵的實施例不應被解釋為指示所有這些特徵對於實行本發明是必須的，因為其他實施例可以包括更少的特徵和/或替換的特徵。在下面的實施例中，具有活動部分和至少兩個電極的傳感器被描述。對於這樣的傳感器而言，活動部分由於要被傳感器監視的事件而相對於電極被移位，並且該移位引起指示事件的電極和活動對象之間的電容的變化，該變化然後能夠以電的方式被檢測到。例如，在麥克風(即聲音傳感器)的情況下，事件可以是輸入聲波，以及在加速度傳感器的情況下，事件可以是傳感器被加速。電極可以相對於活動部分被偏置，這可以通過將電壓施加於電極、活動部分或這二者來實現。稍後將更詳細地解釋這樣的傳感器的實例。現在轉向附圖，在圖I中示出根據本發明一個實施例的框圖。在圖I中示出的設 備包括傳感器10，其在圖I的實施例中是包括鄰近至少兩個電極(例如在至少兩個電極之間)布置的活動部分的傳感器。傳感器10的輸出與讀出電路11 I禹合,讀出電路11輸出輸出信號out。傳感器10例如可以是麥克風或加速度傳感器，但是不限於此。此外，圖I包括偏置電路12，其被配置成例如通過將電壓施加於電極和/或活動部分來利用至少兩個不同電壓Vml、Vm2相對於活動部分交替地偏置傳感器10的電極。偏置電路12可以與讀出電路11耦合。例如，在一個實施例中，讀出電路11可以取決於在電壓Vml和Vm2之間的切換來改變讀出或者執行讀出。在另ー實施例中，讀出電路11可以另外或可替換地關於在電壓Vml、Vm2之間的切換和/或這些電壓的大小來控制偏置電路12，從而提供從傳感器10經由讀出電路11和偏置電路12回到傳感器10的反饋路徑。通過如將在下面進ー步解釋的那樣利用電壓Vml和電壓Vm2交替地偏置傳感器10的第一電極和第二電極並且適當地選擇電壓，可以獲得所感測的信號的放大。可以被看作一種類型的超再生放大的該放大利用了下述事實如上所述的傳感器可以被近似為具有帶有包絡y(t)的自由響應的ニ階線性系統，包絡y(t)可以由下式近似
y{t) :: 1/(0)-(I)
其中，T是時間常數，以及tdl是延遲時間。時間常數T可以為正(穩定狀態)或者為負(不穩定狀態)。活動質量的穩定狀態是在至少缺少外力(比如聲學力)的情況下活動部分返回到平衡位置的狀態，而在其不穩定狀態中，離開平衡位置的位移増加。時間常數T可以通過將不同的電壓施加於傳感器的電極來改變。特別是，取決於電壓的選擇，可以使時間 常數T為正或為負。通過以所謂的猝熄頻率在正和負時間常數之間周期性地切換，可以獲得放大，使用比如在上文提到的反饋之類的反饋，可以增加比如在圖I中示出的裝置之類的裝置的猝熄頻率。在圖2中，示出以麥克風形式的傳感器的實例。例如基於矽襯底，圖2的麥克風可以被製造為微機電系統(MEMS )。圖2中示出的麥克風包括可以將電壓施加於其的上背板20和下背板21，即它們可以分別被用作第一和第二電極。膜22位於上背板20和下背板21之間。在零位置中，膜22和上背板20之間的距離是X0，1，並且膜22和下背板21之間的距離是X0，2。由於機械和/或電學力，膜22可能被移位到例如示出經移位的膜22A的位置。位移被表示為X』 00如果圖2的麥克風被用在圖I的實施例中，則電壓Vml、Vm2可以被交替地施加於上背板20和下背板21，即在ー個時間，電壓Vml被施加於上背板20和下背板21，以及在不同的時間，電壓Vm2被施加於上背板20和下背板21，或者可以被交替地施加於膜22。經移位的膜22A和上背板20之間的電學力被標記為Fe，1，以及經移位的膜22a和下背板21之間的電學力被標記為Fe，2。Fa是由聲學聲波引起的力，以及Fm是可以由具有彈簧常數k_h的彈簧23表示的機械力。應當注意，在這樣的系統中，通常不存在實際的「彈簧」，但是例如可以在座架之間懸掛膜，並且因此膜離開其零位置的位移引起回復力。V1是上背板20和(經移位的)膜22A之間的電壓，以及V2是下背板21和(經移位的)膜22A之間的電壓。緊鄰電壓、距離和力的箭頭指示相應量的「正」方向，即在箭頭的方向上的量在下面的等式和解釋中為正，以及在相反方向上的量為負。對於較簡單的等式，共模電壓V。和差模電壓Vd被定義，使得
權利要求
1.一種設備，包括 傳感器，其包括活動部分和至少兩個電極；以及 偏置電路，其被配置成將至少一個第一電壓和至少一個第二電壓交替地施加於所述傳感器。
2.根據權利要求I所述的設備，其中，所述偏置電路被配置成將所述至少一個第一電壓和至少一個第二電壓交替地施加於所述活動部分和所述至少兩個電極中的一個。
3.根據權利要求I所述的設備，其中，施加所述至少一個第一電壓與所述活動部分的 穩定狀態相關聯，以及施加所述至少一個第二電壓與所述活動部分的不穩定狀態相關聯。
4.根據權利要求I所述的設備，還包括從所述傳感器的輸出端到所述偏置電路的反饋路徑，所述偏置電路被配置成取決於經由所述反饋路徑接收的信號來提供所述至少第一電壓和所述至少一個第二電壓。
5.根據權利要求I所述的設備，其中，所述傳感器包括麥克風、加速度計或陀螺儀中的至少一個。
6.根據權利要求I所述的設備，其中，所述傳感器被實施為微機電系統。
7.根據權利要求I所述的設備，其中，所述至少兩個電極包括第一板和第二板，以及其中所述活動部分包括在所述第一板和所述第二板之前懸掛的膜。
8.—種設備,包括 傳感器，其包括第一電極、活動部分和第二電極，第一電容被限定在所述第一電極和所述活動部分之間，以及第二電容被限定在所述活動部分和所述第二電極之間； 第一電壓源； 第一開關，其將所述第一電壓源與所述活動部分或所述第一和第二電極中的一個耦合；以及 第二開關，其將所述第二電壓源與所述活動部分或所述第一和第二電極中的一個耦合 o
9.根據權利要求8所述的設備，還包括至少一個時鐘，其被耦合至所述第一開關和所述第二開關並且被配置成交替地閉合所述第一開關和所述第二開關。
10.根據權利要求8所述的設備，還包括放大器，所述放大器的第一輸入端被耦合至所述第一電極，以及所述放大器的第二輸入端被耦合至所述第二電極，所述放大器的第一輸出端被耦合至第一輸出管腳，以及所述放大器的第二輸出端被耦合至第二輸出管腳。
11.根據權利要求10所述的設備，還包括與所述放大器並聯地耦合的至少一個另外的開關，所述至少一個另外的開關被配置成與所述第二開關被同步地操作。
12.根據權利要求10所述的設備，還包括與所述放大器並聯地耦合的至少一個第三電容。
13.根據權利要求8所述的設備，還包括與所述第一電極和所述第二電極耦合的偏置電路。
14.一種設備，包括 傳感器，其包括第一電極、第二電極以及布置在所述第一電極和所述第二電極之間的活動部分； 第一放大器裝置，其中所述第一放大器裝置的第一輸入端與所述第一電極耦合；第二放大器裝置，所述第二放大器裝置的第一輸入端與所述第二電極耦合；以及 反饋迴路，其經由耦合被耦合在所述第一放大器裝置和第二放大器裝置的輸出端與所述第一放大器裝置和所述第二放大器裝置的第二輸入端之間。
15.根據權利要求14所述的設備，其中，所述反饋迴路包括在所述第一放大器裝置和所述第二放大器裝置的所述輸出端與所述第一放大器裝置和所述第二放大器裝置的所述第一輸入端之間的另外的耦合。
16.根據權利要求15所述的設備，其中，所述另外的耦合是經由電容的耦合。
17.根據權利要求15所述的設備，其中，所述反饋路徑包括第三放大器裝置，其被配置成放大經由所述耦合提供的第一信號；以及第四放大器裝置，其放大經由所述另外的 耦合提供的第二信號，所述第四放大器裝置的放大因子大於所述第三放大器裝置的放大因子。
18.根據權利要求17所述的設備，其中，所述第四放大器裝置的所述放大因子基本上是所述第三放大器裝置的放大因子的兩倍。
19.根據權利要求14所述的設備，其中，所述反饋路徑包括差動的差分放大器裝置，所述差動的差分放大器裝置的輸入端與所述第一放大器裝置和所述第二放大器裝置的所述輸出端I禹合。
20.根據權利要求14所述的設備，其中，所述反饋路徑包括開關電路，其被配置成在所述反饋路徑中間歇地交換第一反饋信號和第二反饋信號。
21.—種方法,包括 提供包括布置在至少兩個電極之間的活動部分的傳感器；以及 在至少兩個不同值之間交替地切換用於所述傳感器的偏置電壓。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述偏置電壓的所述切換包括在穩定狀態和不穩定狀態之間切換所述傳感器。
23.根據權利要求21所述的方法，還包括取決於所述傳感器的輸出而提供所述至少兩個不同的電壓。
24.根據權利要求21所述的方法，還包括基於具有第一放大的所述傳感器輸出來生成第一反饋信號，以及基於具有不同於所述第一放大的第二放大的所述傳感器輸出來生成第二反饋信號。
25.根據權利要求21所述的方法，其中，所述傳感器包括麥克風、加速度計和陀螺儀中的至少一個。
全文摘要
本發明公開了具有活動部分和偏置的傳感器。提供方法和設備，其中利用至少兩個不同電壓來交替地偏置包括至少兩個電極和活動部分的傳感器。
文檔編號G01D5/241GK102650533SQ20121004355
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月24日 優先權日2011年2月25日
發明者C.B.武爾青格, J.L.塞巴洛斯 申請人:英飛凌科技股份有限公司