CN101115325B

CN101115325B - 一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统

Info

Publication number: CN101115325B
Application number: CN2006100890051A
Authority: CN
Inventors: 乔东海; 郝震宏; 汤亮; 田静
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2026-07-28
Also published as: CN101115325A

Abstract

本发明涉及一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，包括电容传声芯片，其特征在于，还包括集成高Q射频谐振器和射频振荡电路，所述集成高Q射频谐振器与电容传声芯片串联或并联，并与所述射频振荡电路一起构成一个射频振荡回路；该射频振荡回路的输出是一个频率调制的射频信号。本发明的优点是省去了传统的硅微电传声器中不容易和CMOS工艺兼容或制作困难的DC-DC直流升压电路、500M欧姆以上的大电阻以及低噪声JFET阻抗变换器。另外，本发明将电容变化转换成频率变化的方法，可以避免传声器在低频端由于偏置电阻太小而引起的衰落。利用本发明可以大大简化无线麦克风系统的设计。

Description

一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统

技术领域

本发明涉及微机电器件技术领域，具体地说，本发明涉及一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统。

背景技术

硅微电容传声器是一种新型的传声器，它通常由硅微电容芯片部分和外围电路部分组成。其中硅微电容芯片部分是传声器的核心，当接收到声压的变化，通过间隙的变化而产生一个可变的电容。外围电路部分由DC-DC直流升压电路和阻抗变换器组成，DC-DC直流升压电路产生一个高于电源电压值的直流电压，作为偏置电压提供给硅微电容芯片，而阻抗变换器具有很高的输入阻抗和小的输入电容，起到缓冲放大的作用，将负载能力小的硅微电容芯片的信号进行缓冲或放大。硅微电容传声器的灵敏度一般在0.2～25mV/Pa的范围内，电容为1～20pF，频率响应在10Hz～15KHz的范围内。

硅微电容芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板或者说声学孔背板、空气隙、隔离层、保护、振动膜及金属电极组成。由于其制作工艺的复杂性，随着技术的发展，很多新的结构及其制备方法不断地被提出。

已知有多种硅微电容传声器的例子，这些例子分别采用了不同的结构或方式来实现硅微电容传声芯片的穿孔背板或者说声学孔背板、空气隙、隔离层、振动膜等，如Hohm(1986)采用键合的方法将分别有振动膜和声孔的两硅片键合在一起，制作了硅微电容芯片；Bergqvist和Rudolf(1990)等在Hohm的基础上，增加了一个后空室，并采用了有多个小声学阻尼孔的背板；Scheeper和Van derDonk(1992)等采用了不同的振动膜；Pedersen(1997)等描述了一种带集成CMOS前置放大器的聚酰亚胺薄膜电容传声器，他使用了低于300度的低温工艺，以便可以在制作完硅微电容传声芯片后可以进行CMOS后处理工艺。

本申请人已经获得授权的相关发明专利包括“微硅麦克风及其制备方法”(授权号：CN1684546)和“一种硅微电容传声器芯片及其制备方法”(授权号：CN1791281)，分别提出了新型的硅微电容传声器芯片的结构及其制备方法。

以上所述已知的硅微电容传声器都包括硅微电容传声芯片、直流偏置电路和高输入阻抗的阻抗变换器三个主要部分，硅微电容传声芯片上电容的微小变化引起其电压的变化，此电压通过阻抗变换器输出一个交流电压信号。当作为一个独立的传声器时，这种方式的优点是采用非常直接的方法完成了从振动膜的机械振动到电信号的转换过程。这样的传声器使用起来也很方便。但也有如下的不足之处：

1)由于硅微电容传声芯片上需要一个大的偏置电压，这个电压通常高于电源电压，因此，需要一个DC-DC直流升压电路，而将硅微电容传声芯片、DC-DC直流偏置电路和高输入阻抗的阻抗变换器集成在一起，因为每部分的制作工艺不能完全兼容，一般来讲，一体化集成是比较困难的。

2)由于高的直流偏置电压要通过一个大的偏置电阻(示例地，如500M欧姆或更大)才能保证其在低频端的频率响应有较小的衰落，这个电阻的制作也比较困难。

3)传统的传声器中所用的阻抗变换器通常是JFET，即结型场效应管，它有非常好的噪声特性。目前集成化的CMOS工艺，一般很难达到JFET那么低的噪声水平。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中一体化集成硅微电容传声器所面临的困难，从而提供一种工艺简单的，适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统。

为了实现上述目的，本发明提供的适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统(图1)，包括电容传声芯片，其特征在于，还包括集成高Q射频谐振器和射频振荡电路，所述集成高Q射频谐振器与电容传声芯片串联或并联，并与所述射频振荡电路一起构成一个射频振荡回路；该射频振荡回路的输出是一个频率调制的射频信号；所述的集成高Q射频谐振器的品质因数Q至少为100。

上述技术方案中，所述电容传声芯片是硅微电容传声芯片。

上述技术方案中，所述硅微电容传声芯片是利用现代超大规模集成电路工艺，在硅基片上通过体刻蚀工艺制作而成的芯片，该芯片由硅基片及其上的穿孔背板、空气隙、隔离层、保护层、振动膜及金属电极组成。

上述技术方案中，所述的集成高Q射频谐振器是利用现代超大规模集成电路工艺，在硅基片上制作的薄膜体声波谐振器(FBAR)或高阶多模体声波谐振器(HBAR)；或者是由压电晶体或压电陶瓷构成的晶体谐振器；或者是高Q集成电感和高Q集成电容组成的谐振器。

上述技术方案中，所述的集成高Q射频谐振器的谐振频率范围为10MHz～10GHz。

上述技术方案中，所述的射频振荡电路由晶体三极管、MOS管、场效应管、集成运算放大器等和若干电阻、电容和电感一起构成，该射频振荡电路与所述的硅微电容传声芯片和所述的集成高Q射频谐振器一起，构成一个皮尔斯(Pierce)射频振荡器或密勒(Miller)射频振荡器或克拉泼(Clapp)射频振荡器或考皮茨(Colpitts)射频振荡器。

上述技术方案中，所述射频振荡电路包括一个提供产生并维持振荡的跨导的MOS三极管，该MOS三极管的栅极和漏极分别与硅微电容传声芯片和集成高Q射频谐振器的一端连接，所述硅微电容传声芯片和集成高Q射频谐振器的另一端相互串联；所述MOS三极管的源极S接地；所述三极管的栅极和漏极还分别连接一个接地电容，所述MOS三极管的漏极输出作为所述射频振荡电路的输出端。

上述技术方案中，所述硅微电容传声芯片、集成高Q射频谐振器和射频振荡电路用相互兼容的CMOS工艺制作并构成一个单芯片系统。

本发明具有如下有益效果：

1)省去了传统的硅微电传声器中不容易和CMOS工艺兼容或制作困难的DC-DC直流升压电路、500M欧姆以上的大电阻以及低噪声JFET阻抗变换器。

2)由于所述的硅微电容传声器芯片和薄膜体声波谐振器(FBAR)(高Q谐振器的一种)都是采用和CMOS相互兼容的半导体制作工艺，因此，本发明提供的调频硅微电容传声器系统易于一体化集成，形成一个单芯片系统(即SOC)。

3)这种将电容变化转换成频率变化的方法，可以避免传声器在低频端由于偏置电阻太小而引起的衰落。原理上讲，本发明提出的调频硅微电容传声器系统的低频响应可以从直流开始。

4)由本发明提出的调频硅微电容传声器系统的输出是频率调制的射频信号，所以，在构成无线麦克风系统时，可以直接通过天线发射出去，这样大大简化系统的设计。并且当调频的带宽很大时，在接收端有很大的调频增益，从而使整个无线通讯系统有较强的抗干扰能力。

总之，本发明提供的调频硅微电容传声器系统，不但克服了已知硅微电容传声器一体化集成时所面临的一些困难，而且其制作工艺与现有的CMOS工艺兼容，从而提供一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统。

附图说明

图1调频硅微电容传声器系统原理性框图

图2适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统电路原理图

图3基于调频硅微电容传声器的无线调频麦克风系统原理图

图4基于调频硅微电容传声器的有线调频麦克风系统原理图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

图1示出了本发明的一个实施例的原理性框图。本发明即一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统包括硅微电容传声芯片、集成高Q射频谐振器和射频振荡电路三个部分。所述的硅微电容传声芯片和所述的集成高Q射频谐振器通过串联或并联的方式连接在一起，和所述的射频振荡电路一起构成一个射频振荡电路。

本发明的工作原理是这样的：所述的硅微电容传声芯片的作用等效一个可变电容，当接收到变化的声压时，它的电容将产生微小的改变。当所述的硅微电容传声芯片和所述的集成高Q射频谐振器串连或并联在一起与所述的射频振荡电路相连接而构成振荡器时，所述的硅微电容传声芯片上电容的微小改变将牵引所述的集成高Q射频谐振器，从而微小地改变整个振荡电路输出信号的频率，即将电容的微小变化转换成振荡电路频率的变化。这样，所述的调频硅微电容传声器系统的输出是一个频率调制的调频射频信号。

所述的硅微电容传声芯片是一种广义的硅微电容传声芯片，它是利用现代超大规模集成电路工艺，在硅基片上通过复杂的体刻蚀工艺制作而成。硅微电容芯片由硅基片及其上的穿孔背板或者说声学孔背板、空气隙、隔离层、保护、振动膜及金属电极组成。由于其制作工艺的复杂性，随着技术的发展，很多新的结构及其制备方法不断地被提出。这里不限定硅微电容传声芯片的结构。所述的硅微电容传声芯片也可以是传统的电容传声芯片(如有机膜电容传声器芯片和金属膜电容传声器芯片等)。本发明优选硅微电容传声芯片。

所述的集成高Q射频谐振器是一种广义的高品质因数的谐振器(其品质因数Q＞100)，它一般是指利用现代超大规模集成电路工艺，在硅基片上制作的薄膜体声波谐振器(FBAR)或高阶多模体声波谐振器(HBAR)；也可以是由不同切割的石英晶体、铌酸锂、钽酸锂、PMNT等压电晶体或压电陶瓷PZT构成的晶体谐振器；也可以是高Q集成电感和高Q集成电容组成的谐振器。本发明优选的是和CMOS制作工艺兼容、在硅基片上制作的薄膜体声波谐振器(FBAR)。所述的集成高Q射频谐振器的谐振频率范围为10MHz～10GHz。

所述的射频振荡电路是广义的射频振荡电路，它的功能是与所述的硅微电容传声芯片和所述的集成高Q射频谐振器一起，构成一个射频振荡器。本发明优选皮尔斯(Pierce)结构射频振荡器，也称为三点式振荡器；这里也可以是采用别的结构的射频振荡器，如密勒(Miller)振荡电路、克拉泼(Clapp)振荡电路、考皮茨(Colpitts)振荡电路等。所述的射频振荡电路通常由晶体三极管、MOS管、场效应管、集成运算放大器等放大器和若干电阻、电容和电感一起构成。

本实施例给出的是用硅微电容传声芯片传感音频信号的实例，但从工作原理可知，本发明和本实施例并不限于硅微电容传声芯片，也可以是别的电容式传感芯片，如电容式微位移传感芯片、电容式压力传感芯片等，只要是传感物理量的变化能够引起电容的变化即可。对于不同的硅微电容传感芯片，得到相应的物理传感信息。

实施例2：

图2示出了本发明的另一个实施例的原理图。本实施例给出了适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统的集成电路实现的具体细节。本实施例与实施例1相同的部分不再重述。

从图2可以看出，本实施例给出的本发明即一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统包括硅微电容传声芯片、FBAR谐振器和射频振荡电路三个部分。所述的硅微电容传声芯片和所述的FBAR谐振器串连在一起，并分别与N型MOS三极管Q3的栅极G和漏极D连接，此MOS三极管的源极S接地。所述的N型MOS三极管Q3的栅极G和漏极D分别与电容C1、电容C2连接，电容C1和电容C2的另外一端接地。

所述的N型MOS三极管Q3与所述的硅微电容传声芯片和FBAR谐振器以及所述的电容C1、电容C2构成共源极皮尔斯(Pierce)三点式振荡电路，其中正反馈网络由所述的硅微电容传声芯片和所述的FBAR谐振器以及所述的电容C1和电容C2组成，所述的N型MOS三极管Q3提供产生和维持振荡的跨导。

电路中的P型MOS管Q1和Q2以及电阻R1和R2构成一个偏置网络，用来设置所述的N型MOS三极管Q3的工作点。其中所述的P型MOS管Q1和Q2构成一个电流镜像。

本实施例中所有的部分都可以用相互兼容的CMOS工艺制作，因此可以实现一体化集成。

实施例3：

图3示出了本发明的另一个实施例的原理图。本实施例给出了基于调频硅微电容传声器的无线调频麦克风系统原理图。本实施例与实施例1、实施例2相同的部分不再重述。

从图3可以看出，基于调频硅微电容传声器的无线调频麦克风系统由无线发射部分和无线接收部分组成。其中所述的无线发射部分包括调频硅微电容传声器系统、缓冲放大器以及天线匹配电路和天线；所述的无线接收部分包括调频解调电路、传感信号输出、低通滤波电路、射频混频电路、本地射频振荡器、天线匹配和低噪声放大电路和天线。

无线调频麦克风系统的工作过程是这样的：所述的调频硅微电容传声器将接收到的音频信号变成射频调频信号，此射频调频信号经过所述的缓冲放大和天线匹配电路进行功率放大，通过所述的天线发射出去。在接收端，天线接收到射频调频信号，通过所述的天线匹配和低噪声放大电路将接收到的微弱信号进行放大，然后，将放大的射频调频信号传递给所述的射频混频电路。所述的射频混频电路将来自所述本地射频振荡器输出的本振信号与来自所述的天线匹配和低噪声放大电路输出的射频调频信号进行混频，将混频输出给所述的低通滤波电路以滤去高频载波和镜像频率信号，只保留所要的低频调频信号，此调频信号经过所述的调频解调电路恢复出音频信号，此音频信号通过所述的传感信号输出可以以音频的方式输出(如驱动杨声器)，也可以连接到远端的设备上。

对于载波频率不是太高的情况下，所述的低通滤波电路、射频混频电路和本地射频振荡器可以省略，所述的天线匹配和低噪声放大电路输出可以直接连接所述的调频解调电路，这样整个系统变得非常简单。

所述的基于调频硅微电容传声器的无线调频麦克风系统中的无线发射部分可以一体化集成，这样，所述的调频硅微电容传声器系统、缓冲放大和天线匹配电路和天线可以集成在一起，形成一个无线调频麦克风的单芯片系统(即SOC)。对于短距离无线传输的情况，所述的缓冲放大和天线匹配电路也可以省略，这样，所述的调频硅微电容传声器系统和天线就可以集成在一起构成一个单芯片集成无线调频麦克风系统。

从这个实施例可以看出，在构成无线通讯系统时，本发明可以大大简化系统的设计，并可以一体化集成，形成一个单芯片无线调频麦克风系统。

实施例4：

图4示出了本发明的另一个实施例的原理图。本实施例给出了基于调频硅微电容传声器的有线调频麦克风系统原理图。

从图4可以看出，基于调频硅微电容传声器的有线调频麦克风系统和实施例3中的无线调频麦克风系统有很多相同的地方。实际上在实施例3中，去掉与无线有关的部件，用导线连接在一起，就构成了有线调频麦克风系统。

基于调频硅微电容传声器系统的有线调频麦克风系统包括调频硅微电容传声器系统、调频解调电路、传感信号输出、低通滤波电路、射频混频电路和本地射频振荡器。

它的工作原理与实施例3相同，这里不再重述。

同实施例3的情况一样，对于载波频率不是太高的情况下，所述的低通滤波电路、射频混频电路和本地射频振荡器可以省略，所述的调频硅微电容传声器系统可以直接连接所述的调频解调电路，这样整个系统变得非常简单。

Claims

1.一种适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，包括电容传声芯片，其特征在于，还包括集成高Q射频谐振器和射频振荡电路，所述集成高Q射频谐振器与电容传声芯片串联或并联，并与所述射频振荡电路一起构成一个射频振荡回路；该射频振荡回路的输出是一个频率调制的射频信号；所述的集成高Q射频谐振器的品质因数Q至少为100。

2.按权利要求1所述的适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，其特征在于，所述硅微电容传声芯片是利用现代超大规模集成电路工艺，在硅基片上通过体刻蚀工艺制作而成的芯片，该芯片由硅基片及其上的穿孔背板、空气隙、隔离层、保护层、振动膜及金属电极组成。

3.按权利要求1所述的适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，其特征在于，所述的集成高Q射频谐振器是利用现代超大规模集成电路工艺，在硅基片上制作的薄膜体声波谐振器或高阶多模体声波谐振器；或者是由压电晶体或压电陶瓷构成的晶体谐振器；或者是高Q集成电感和高Q集成电容组成的谐振器。

4.按权利要求1所述的适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，其特征在于，所述的集成高Q射频谐振器的谐振频率范围为10MHz～10GHz。

5.按权利要求1所述的适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，其特征在于，所述的射频振荡电路由放大器、若干电阻、电容和电感一起构成；所述放大器包括晶体三极管、MOS管、场效应管或集成运算放大器；所述射频振荡电路、硅微电容传声芯片以及集成高Q射频谐振器构成的射频振荡回路是一个皮尔斯结构射频振荡回路，或者是密勒射频振荡回路，或者是克拉泼射频振荡回路，或者是考皮茨射频振荡回路。

6.按权利要求5所述的适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，其特征在于，所述射频振荡电路包括一个提供产生并维持振荡的跨导的MOS三极管，该MOS三极管的栅极和漏极分别与硅微电容传声芯片和集成高Q射频谐振器的一端连接，所述硅微电容传声芯片和集成高Q射频谐振器的另一端相互串联；所述MOS三极管的源极S接地；所述三极管的栅极和漏极还分别连接一个接地电容，所述MOS三极管的漏极输出作为所述射频振荡电路的输出端。

7.按权利要求1所述的适合单芯片集成的调频硅微电容传声器系统，其特征在于，所述硅微电容传声芯片、集成高Q射频谐振器和射频振荡电路用相互兼容的CMOS工艺制作并构成一个单芯片系统。