CN105122653B

CN105122653B - 半导体器件和西格玛-德尔塔回路mems获取

Info

Publication number: CN105122653B
Application number: CN201480014766.3A
Authority: CN
Inventors: M.雪佛鲁莱; O.尼斯
Original assignee: Semtech Corp
Current assignee: Semtech Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: US9574907B2; CN105122653A; KR20150132149A; KR101839660B1; EP2974035A4; EP2974035B1; WO2014150613A1; US20140266251A1; EP2974035A1

Abstract

半导体器件在感测结点处测量MEMS的状态作为第一电压变化。MEMS的状态包含电容。第一电容器被耦合在感测结点和积分器的输入之间用于将第一电压变化传递到第二结点作为第一信号。第二电压变化通过第二电容器路由到第二结点作为第二信号。积分器将第一信号和第二信号积分以提供积分信号。ADC具有耦合到积分器的输出的输入并且将积分信号转换到表示MEMS的电容的数字信号。DAC具有耦合到ADC的输出的输入。第二电容器耦合在DAC的输出和感测结点之间。

Description

半导体器件和西格玛-德尔塔回路MEMS获取

要求国内优先权

本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请号61/788,286的优先权，该申请通过引用被合并在本文中。

技术领域

本发明大体上涉及半导体器件，并且更具体而言涉及使用西格玛-德尔塔（sigma-delta）回路测量MEMS的状态的测量电路和方法。

背景技术

半导体器件通常存在于现代电子产品中。半导体器件在电部件的数目和密度上变化。集成半导体器件典型地含有数百到数百万个电部件。集成半导体器件的示例包含微控制器、微处理器、专用集成电路（ASIC）、以及其它特定功能电路。分立半导体器件通常含有一种类型的电部件，例如发光二极管（LED）、小信号晶体管、电阻器、电容器、电感器、以及功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

半导体器件执行各种各样的功能，诸如信号处理、高速计算、传输和接收电磁信号、控制电子器件的操作、以及控制机械器件的移动。半导体器件存在于在下述领域中：通信、功率转换、机械控制、网络、计算机、以及消费者产品。半导体器件也存在于军事应用、航空、汽车、工业控制器、以及办公室设备中。

微机电系统（MEMS）经常与以上半导体器件使用。比如，MEMS能够是梳式致动器、用于手机相机的透镜、可移动镜子、加速度计、或陀螺仪。MEMS可以呈现来自两个电极或元件（其中电介质在电极之间）的电容。MEMS的电容随两个电极之间的相对位移或距离而改变。在用于相机的透镜的情形中，通过移动透镜的焦点或通过关于传感器移动透镜来改变电容，即电容随透镜的位移而变化。透镜的移动或位移能够通过测量MEMS的电容来确定。MEMS的当前状态和操作能够通过测量有效电容的改变来控制。

图1示出用于测量MEMS的电容的测量电路10的传统框图和示意图，该MEMS的电容由在结点14和操作在地电位的端子16之间耦合的可变电容器12来表示。电荷泵20通过连接电路22被耦合到结点14以改变跨过电容器12的电压，这生成对MEMS施加力的电场以例如诱导MEMS电容器的一个电极的移动。MEMS电容器12的值随后被测量以确定由施加电荷泵电压引起的MEMS电容器的电极的位移量或新位置。连接电路22能够是晶体管、电阻器、或电子开关。电容器24被耦合在结点14和结点26之间，并且电容器28被耦合在结点14和结点30之间。重置电路32能够是耦合在结点26和结点30之间的晶体管或电子开关。脉冲或阶梯信号发生器34具有耦合到放大器36的非反相输入的输出。放大器36的反相输入被耦合到结点26，并且放大器36的输出在测量电路10的输出端子38处被耦合到结点30以提供模拟输出信号作为电容器12的值的代表性测量。

测量电路10提供MEMS电容器12的模拟测量，即电容器12的值要被确定。假设连接电路22和重置电路32是闭合的或低阻抗。来自电荷泵20的电压被施加到电容器12以引起MEMS的状态的改变或位移。电容器24和28将放大器36与结点14上的来自电荷泵20的高电压隔离，即对使MEMS位移或改变MEMS的状态所要求的电压能够大于有源放大器的击穿电压。电容器28被耦合到结点14以将电荷注入到MEMS电容器12中。电容器24感测在结点14处的电压（V₁₄）的改变。由于重置电路32是低阻抗，所以放大器36的反相输入的电压基本上等于放大器的输出电压，其等于来自脉冲发生器34的在放大器的非反相输入处的电压。

连接电路22和重置电路32被断开或被设置到高阻抗，即连接电路22和重置电路32在测量阶段期间被禁用。脉冲发生器34将脉冲或阶梯函数V_p提供给放大器36的非反相输入。注意在放大器36的反相输入处的电压将与施加到放大器的非反相输入的V_p基本上相同。放大器36的输出改变以使放大器的反相输入跟随V_p。放大器36的输出电压基于电容器和V_p的比率来改变，即响应于V_p的放大器36的输出电压通过电容器28来施加以引起作为电容器12的函数的V₁₄的改变，其随后跨过放大器的输入通过电容器24被测量并且在放大器的输出处被提供。电容器12的值（MEMS的位移或状态）归因于由电荷泵20施加的力是不可知的。然而，电容器12的值能够从作为电容器12的函数的V₁₄的改变来确定并且被提供为在输出端子38处的放大器36的模拟输出电压。放大器36的模拟输出电压随电容器12的值而改变。

图2示出用于测量MEMS的电容的测量电路40的另一个传统框图和示意图，该MEMS的电容由在结点44和操作在地电位的端子46之间耦合的可变电容器42来表示。电荷泵50通过连接电路52被耦合到结点44以改变跨过电容器42的电压，这生成对MEMS施加力的电场以例如诱导透镜的移动。MEMS电容器42的值随后被测量以确定由施加电荷泵电压引起的MEMS的位移量或新位置或状态。连接电路52能够是晶体管、电阻器、或电子开关。电容器54被耦合在结点44和结点56之间，并且电容器58被耦合在结点44和结点60之间。重置电路62能够是耦合在结点56和结点60之间的晶体管或电子开关。脉冲或阶梯信号发生器64具有通过电容器66耦合到放大器68的反相输入的输出。放大器68的非反相输入接收DC参考电压V_REF1。放大器68的反相输入在测量电路40的输出端子70处被耦合到结点60以提供电容器42的值的模拟输出信号代表性测量。

假设连接电路52和重置电路62是闭合的或低阻抗。来自电荷泵50的电压被施加到电容器42以引起MEMS的状态的改变或位移。电容器54和58将放大器68与结点44上的来自电荷泵50的高电压隔离，即对使MEMS元件位移所要求的电压能够大于有源放大器的击穿电压。连接电路52和重置电路62被断开或被设置到高阻抗，即连接电路和重置电路在测量阶段期间被禁用。电容器58被耦合到结点44以将电荷注入到MEMS电容器42中。电容器54感测在结点44处的电压（V₄₄）的改变。脉冲发生器64通过电容器66将脉冲或阶梯函数V_p提供给放大器68的反相输入。放大器68的输出电压基于电容器和V_p的比率来改变。因而，电容器42的值能够从放大器68的模拟输出电压的变化来确定并且在输出端子70处成为可获得。

MEMS电容器的测量使用传统模拟电路，例如放大器36或68。来自放大器36或68的MEMS电容器的模拟测量值必须例如通过含有测量电路的半导体管芯内的模数转换器（ADC）被转换到数字格式，或外部地被转换到数字格式用于通过数字电路的进一步处理。MEMS电容器的模拟测量可能缺少在一些应用中需要的分辨率。

发明内容

存在对在紧凑电路布局中以高分辨率来测量MEMS的需要。所以，在一个实施例中本发明是用于MEMS的测量电路，该用于MEMS的测量电路包括用于测量MEMS的状态的感测结点。第一电容器被耦合在感测结点和积分器的输入之间。ADC包含耦合到积分器的输出的输入和提供表示MEMS的状态的数字信号的输出。DAC包含耦合到ADC的输出的输入。第二电容器被耦合在DAC的输出和感测结点之间。

在另一个实施例中，本发明是测量MEMS的方法，该测量MEMS的方法包括下述步骤：在感测结点处感测MEMS的状态作为第一电压变化，通过第一电容器将第一电压变化传递到第二结点作为第一信号，通过第二电容器将第二电压变化提供给第二结点作为第二信号，将第一信号和第二信号积分以提供积分信号，将积分信号转换到表示MEMS的状态的数字信号，将数字信号转换到模拟信号，并且通过第三电容器将模拟信号路由到感测结点。

在另一个实施例中，本发明是用于测量MEMS的半导体器件，该用于测量MEMS的半导体器件包括用于测量MEMS的感测结点。第一电容器被耦合在感测结点和第一积分器的输入之间。ADC包含耦合到第一积分器的输出的输入和提供表示MEMS的状态的数字信号的输出。反馈电路被耦合在ADC的输出和感测结点之间。

在另一个实施例中，本发明是测量MEMS的方法，该测量MEMS的方法包括下述步骤：在感测结点处感测MEMS的状态作为第一电压变化，通过第一电容器将第一电压变化传递到第二结点作为第一信号，将第一信号积分以提供积分信号，并且将积分信号转换到表示MEMS的状态的数字信号。

附图说明

图1是用于测量MEMS的电容的传统测量电路的示意图和框图；

图2是用于测量MEMS的电容的另一个传统测量电路的示意图和框图；

图3图解MEMS和分离的测量电路；

图4图解含有测量电路的带有外部管脚的半导体封装；

图5是使用带有反馈的西格玛-德尔塔回路的用于MEMS的测量电路的示意图和框图；

图6图解西格玛-德尔塔回路的操作的波形图；

图7a-7d是在西格玛-德尔塔回路和反馈的操作的各种阶段期间测量电路的示意图和框图；并且

图8是使用二阶西格玛-德尔塔回路的用于MEMS的测量电路的示意图和框图。

具体实施方式

参考附图在下面描述中的一个或多个实施例中描述本发明，在附图中相似的数字表示相同或类似的元件。尽管依据用于实现本发明的目标的最佳模式来描述本发明，但是本领域技术人员将意识到意图覆盖如可以被包含在本发明的精神和范围内的替选方式、修改、和等价物，本发明的精神和范围如由所附权利要求和它们的等价物限定，所附权利要求和它们的等价物如由下面公开内容和附图支持。

图3图解用于在一个或多个以上应用中使用的MEMS 100。比如，仅举几个例子，MEMS 100能够是梳式致动器、用于手机相机的透镜、可移动镜子、加速度计、或陀螺仪。MEMS100可以呈现来自两个电极或元件（其中电介质在电极之间）的电容。MEMS 100的电容随两个电极之间的相对距离或位移而改变。在用于相机的透镜的情形中，通过移动透镜的焦点或通过关于传感器移动透镜来改变电容，即电容随透镜的位移而变化。透镜的移动或位移能够通过测量MEMS 100的电容来确定。MEMS 100的当前位移、位置、状态和操作能够通过测量电容的改变来控制。

半导体器件102是接近MEMS 100分离且分开定位并且电耦合到MEMS 100的部件。半导体器件102含有半导体管芯，该半导体管芯具有模拟和数字电路，该模拟和数字电路被实施为依据管芯的电设计和功能在管芯内形成并且电互连的有源器件、无源器件、导电层、和电介质层。比如，电路可以包含一个或多个晶体管、二极管、以及在管芯的有源表面内形成的以实施模拟和数字电路的其它电路元件，诸如放大器、调制器、解调器、积分器、ADC、DAC、或其它信号处理电路。半导体器件102也可以含有集成无源器件（IPD），诸如电感器、电容器、和电阻器。半导体管芯包含基础衬底材料诸如硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅、或其它体半导体材料用于结构支撑。图4图解封闭半导体管芯用于结构支撑和环境保护的半导体封装104。半导体封装104包含用于与其它系统部件（包含MEMS100）互连的管脚106。

特别地，半导体封装104含有测量电路108，该测量电路108体现为电耦合到分离的MEMS 100用于测量MEMS的状态或值的半导体管芯。测量电路108通过半导体封装104的一个或多个管脚106被耦合到MEMS 100。在一个实施例中，如设置在半导体封装104内的测量电路108测量设置在分离的半导体封装或其它物理结构内的MEMS 100的电容。所以，测量电路108测量定位在半导体封装104外部的MEMS 100。

图5是用于测量MEMS 100的电容的测量电路108的示意图和框图，该MEMS 100的电容由在感测结点112处的半导体封装104的管脚106a和操作在地电位的端子114之间耦合的可变电容器110（C₁₁₀）来表示。管脚106a操作为半导体封装104的感测电极外部连接到MEMS100并且测量电容器110的值，该值表示MEMS的当前位移、位置、状态或操作。

电荷泵116通过连接电路118被耦合到感测结点112以改变跨过电容器110的电压V₁₁₂，这生成对MEMS 100施加力的电场以例如诱导透镜的移动。连接电路118能够是晶体管、电阻器、或电子开关。MEMS电容器110的值随后被测量以确定由施加电荷泵电压引起的MEMS100的位移量或新位置或状态。电容器120（C₁₂₀）被耦合在结点112和结点122之间。重置电路124在结点122和操作在地电位的端子126之间被耦合。重置电路124能够是晶体管或电子开关。

DC参考电压V_REF2被施加到调制器130的第一输入。调制器130的第二输入接收调制时钟信号F_S1以相位或幅度调制参考电压V_REF2。电容器132（C₁₃₂）被耦合在调制器130的输出和结点122之间。解调器134具有耦合到结点122的第一输入，以及接收时钟信号F_S2用于解调结点122处的信号的第二输入。解调器134的输出被耦合到积分器138的输入。积分器138对西格玛-德尔塔回路的输入路径和反馈路径之间的差积分。如果输入/反馈差非零，则积分器138驱动回路的输出直到差收敛到零。积分器138的输出被耦合到ADC 140的输入。ADC140的输出在结点142处被耦合到可选数字信号处理块143用于校准或滤波。结点142或数字信号处理块143的输出将表示电容器110的值的数字代码D_OUT提供给半导体封装104的管脚106b。

ADC 140的输出也被耦合到数模转换器（DAC）144的输入。DAC 144也接收DC参考电压V_REF3。DAC 144的输出被耦合到调制器148的第一输入。调制器148的第二输入接收时钟信号F_S3以相位或幅度调制DAC 144的输出信号。调制器148的输出提供反馈电压V_BACK。电容器150（C₁₅₀）被耦合在调制器148的输出和感测结点112之间。DAC 144、调制器148、和电容器150组成ADC 140的输出和感测结点112之间的反馈电路。

测量电路108使用带有反馈的西格玛-德尔塔回路以通过下述方式来测量MEMS100的电容：感测响应于施加到包含C₁₁₀、C₁₂₀、和C₁₅₀的电容器分压器的反馈电压V_BACK的结点112处的电压的改变。西格玛-德尔塔回路在紧凑电路布局中以高分辨率在结点142或半导体封装104的管脚106b处提供表示MEMS 100的电容的数字信号D_OUT。测量电路108的功能能够通过下面操作原理和相关联的等式来描述。

假设连接电路118和重置电路124是闭合的或低阻抗。来自电荷泵116的电压被施加到结点112和电容器110以施加力并且引起MEMS 100的位移或位置、状态、或操作的其它改变。电容器120和150为重置电路124、解调器134、积分器138、ADC 140、DAC 144、以及调制器148提供与结点112上的来自电荷泵116的高电压的流电隔离，即对使MEMS 100位移所要求的电压能够大于有源电路的击穿电压。连接电路118和重置电路124被断开或被设置到高阻抗，即连接电路118和重置电路124在电容器110的测量阶段期间被禁用。替选地，连接电路118保持闭合并且重置电路124被断开或被设置到高阻抗。电容器110的值表示或指示在通过电荷泵116施加力之后MEMS 100的位移、位置、状态、和操作。

DC参考电压V_REF2通过调制器130由时钟信号F_S1相位或幅度调制。在一个实施例中，F_S1=F_S2=F_S3，并且通常被指定为F_S。在另一个实施例中，F_S1、F_S2、和F_S3每个呈现共用或同步时钟频率的不同相位、延迟、或占空比。调制器130、148、解调器134、以及时钟信号F_S1-F_S3能够是+1/-1方波调制器、0-1方波调制器、三角形调制器、锯齿调制器、正弦波调制器、或其它周期调制器。V_REF2和V_REF3是稳定的DC参考电压。调制器130的输出信号被指定为V₁₃₀，其中电压变化ΔV₁₃₀指示归因于通过F_S1对V_REF2的调制的V₁₃₀的改变。图6示出F_S和V₁₃₀的波形图。反馈电压V_BACK在感测结点112处通过电容器110、120、和150引起电压V₁₁₂的改变（ΔV₁₁₂）。电压变化ΔV₁₁₂是感兴趣的值，即通过电容器150响应于V_BACK的ΔV₁₁₂与用于确定电容器110的未知值的西格玛-德尔塔回路的测量操作相关，该电容器110的未知值表示MEMS 100的当前位移、位置、状态、和操作。

转移到积分器138的电荷（Q_T）的总和来自两个来源，即通过电容器120的电压变化ΔV₁₁₂和通过电容器132的电压变化ΔV₁₃₀，其中通过调制器130中的时钟信号F_S1和通过调制器148中的时钟信号F_S3进行调制并且通过解调器134中的时钟信号F_S2进行解调。积分器138将来自电容器120和132的总电荷Q_T积分并且将平均积分信号提供给ADC 140。当西格玛-德尔塔回路收敛时，Q_T接近平均值零。假定ΔV₁₃₀、电容器120、和电容器132是固定的，则到积分器138的总电荷Q_T的信息内容变为通过电容器150的响应于反馈V_BACK的ΔV₁₁₂的函数，如在等式（1）中表达：

（1）

图6示出V₁₄₄和V_BACK的波形图。依据等式（2）电压ΔV₁₁₂随通过电容性分压器C₁₁₀、C₁₂₀、和C₁₅₀（C₁₂₀参考虚拟地）操作的反馈电压V_BACK的改变（ΔV_BACK）而变化。

（2）

假定调制器130和148具有单位增益，则ΔV_BACK等于DAC 144的输出电压（V_REF3×D_OUT），并且ΔV₁₃₀等于V_REF2，如在等式（3）和（4）中示出。D_OUT是位流，该位流具有以位流内的特定值的密度表达的信息上下文。西格玛-德尔塔回路将输入路径和反馈路径之间的差积分并且驱动回路的输出直到该差收敛到零。图6示出数字代码D_OUT的波形图。

（3）

（4）

将等式（1）-（4）组合，每个循环被注入到积分器138中的电荷Q_T在等式（5）中示出：

（5）

当Q_T接近平均值零时西格玛-德尔塔回路收敛。假定C₁₂₀、C₁₃₂、C₁₅₀、V_REF2、和V_REF3固定，则D_OUT随C₁₁₀线性改变，该C₁₁₀表示MEMS 100的当前位移、位置、状态、和操作。假设通过C₁₅₀的反馈是稳定的，则在积分器138的输入处闭合回路西格玛-德尔塔函数能够被表达为等式（6），其中<Q_T>和<D_OUT>指示平均值。

（6）

通过设定V_REF3=-V_REF2，D_OUT和C₁₁₀之间的关系能够在等式（7）-（8）中被表达：

（7）

（8）

从等式（7）-（8），数字代码D_OUT与电容器110的未知或不定值直接相关，该电容器110的未知或不定值表示MEMS 100的当前位移、位置、状态、或操作，即D_OUT识别与MEMS 100的位移或状态线性相关的电容C₁₁₀的测量值。

总之，在由电荷泵116施加在MEMS 100上的力以后，电容器110的值（MEMS的新的位移、位置、或状态）是未知的。电容器120和150在对控制MEMS 100需要的来自电荷泵116的高电压和用来测量电容器110的值的有源电路（重置电路124、积分器138、ADC 140、DAC 144、调制器148、解调器134）之间保持流电隔离。

积分器138对来自电容器120和132的总电荷Q_T积分并且将平均积分信号提供给ADC 140。ADC 140将平均积分信号转换到数字代码D_OUT作为MEMS 100的位移、位置、状态、或操作的测量。电容器110的值能够从下述确定：来自ADC 140的数字代码D_OUT的作为电容器110的函数的电压变化ΔV₁₁₂，该ADC 140的数字代码D_OUT如在半导体封装104的管脚106b处成为可获得。数字代码D_OUT识别电容器110的值。D_OUT能够被采样或持续地获得以确定MEMS100的位移、位置、状态、或操作。

西格玛-德尔塔回路包含反馈回路，该反馈回路包括DAC 144、调制器148、和电容器150，该反馈回路基于DC参考电压V_REF3将来自ADC 140的D_OUT转换成模拟反馈信号V_BACK。电压变化V₁₁₂因而由反馈信号V_BACK以及电容器110、120、和150的值来确定。电容器110的测量确定响应于由电荷泵116施加的力的MEMS 100的实际位移、位置、状态、或操作。测量电路108提供表示紧凑电路布局中的电容器110的测量的数字代码D_OUT。基于电容器110的测量，能够通过应用由电荷泵116施加的另一个力来对MEMS 100进行调节并且再次测量电容器110的值。该过程持续重复以测量MEMS 100的预期位移、位置、或状态。

测量电路108提供对改变MEMS 100的状态需要的高电压电极和与用于电路的高电压的隔离两者以测量电容C₁₁₀。选择增益A、C₁₂₀、C₁₃₂、C₁₅₀、V_REF2、和V_REF3的值，使得在西格玛-德尔塔回路中使输入范围小于参考电压的条件下数字代码D_OUT保持在给定范围（例如，0-1、+1/-1、或其它限定的范围）内。比如，为了测量带有0-1之间的数字代码D_OUT的25-300皮法（pF）之间的电容器110的值，则该值可以被设置为C₁₂₀=1 pF、C₁₃₂=0.5 pF、C₁₅₀=25 pF、V_REF1=2 V、V_REF2=150毫伏（mV）、以及V_REF3=2 V。

在另一个实施例中，增益A能够通过使用积分器138以在减少的进程中将来自电容器132的电荷积分（即相对不那么频繁地将来自电容器120的电荷积分）而变化。测量电路能够被配置有一个或多个感测电极（106a）和一个或多个源极电极（106b）。

图7a-7d图解依据图5的测量电路108的四个操作阶段的一个代表性示例的进一步细节。调制器130和148以及解调器134分别由切换电路160、162、和164表示，其中单位增益用来提供测量电路108的操作的简化解释。积分器138以放大器168和电容器170来实施。在测量电路108的操作阶段1期间，如在图7a中示出，电容器120、132、和150上的电荷被放电并且被重置。切换电路160被设置成将电容器132连接到地参考电压，切换电路162被设置成将电容器120和132连接到地参考电压，并且切换电路164被设置成将电容器150连接到地参考电压。

在测量电路108的操作阶段2期间，如在图7b中示出，切换电路162被设置成将结点122连接到放大器168的反相输入以积累来自电容器120和132的电荷。

在测量电路108的操作阶段3期间，如在图7c中示出，切换电路160被设置成将参考电压V_REF2连接到电容器132并且在积分器168-170上积累电荷。切换电路164被设置成将DAC144的输出连接到电容器150以完成反馈并且允许V_BACK基于电容器分压器C₁₁₀、C₁₂₀、和C₁₅₀来变化电压V₁₁₂。通过电容器120在积分器168-170上积累来自电压变化ΔV₁₁₂的电荷。在积分器168-170上的总电荷Q_T收敛到零。

在测量电路108的操作阶段4期间，如在图7d中示出，切换电路162被设置成将结点122连接到地参考电压。数字代码D_OUT被持续地监测或采样以确定电容器110的值。测量电路108返回到操作阶段1以放电并且重置电容器120、132、和150为下一个测量循环作准备。

能够实现通过电容器120将从反馈信号得到的电荷注入到积分器138中的其它切换方案。在感测结点112处的电压的变化是电容器110、120、和150以及反馈电压V_BACK的函数，见等式（2）。测量电路108能够被配置成测量连接到公共感测结点或带有额外感测结点的多个MEMS。

图8图解测量电路178，该测量电路178使用二阶西格玛-德尔塔回路以测量MEMS100的电容，该MEMS 100的电容由在结点182处的半导体封装104的管脚106a和操作在地电位的端子184之间耦合的可变电容器180（C₁₈₀）来表示。管脚106a操作为半导体封装104的感测电极外部连接到MEMS 100并且测量电容器180的值，该值表示MEMS的当前位移、位置、状态、或操作。电荷泵186通过连接电路188被耦合到感测结点182以改变跨过电容器180的电压V₁₈₂，这生成对MEMS 100施加力的电场以例如诱导透镜的移动。连接电路188能够是晶体管、电阻器、或电子开关。MEMS电容器180的值随后被测量以确定由施加电荷泵电压引起的MEMS 100的位移量或新位置或状态。电容器190（C₁₉₀）被耦合在结点182和结点192之间。重置电路194在结点192和操作在地电位的端子196之间被耦合。重置电路194能够是晶体管或电子开关。

DC参考电压V_REF2被施加到调制器200的第一输入。调制器200的第二输入接收时钟信号F_S1以相位或幅度调制参考电压V_REF2。电容器202（C₂₀₂）被耦合在调制器200的输出和结点192之间。解调器204具有耦合到结点192的第一输入，以及接收时钟信号F_S2用于解调结点192处的信号的第二输入。解调器204的输出被耦合到积分器208的输入。积分器208包括放大器210和电容器212。积分器208的输出被耦合到调制器213的第一输入。调制器213的第二输入接收时钟信号F_S3以相位或幅度调制积分器208的输出信号，同时解调器214的输出通过电容器214被耦合到结点217处的解调器216的第一输入。电容器218被耦合在感测结点182和结点217之间。解调器216的第二输入接收时钟信号F_S4用于解调在结点217处的信号。解调器216的输出被耦合到积分器220的输入。积分器220包括放大器222和电容器224，该积分器220与积分器208组合执行在西格玛-德尔塔回路的输入路径和反馈路径之间的差的二阶积分。如果输入/反馈差非零，则积分器208和220驱动回路的输出直到差收敛到零。

积分器220的输出被耦合到ADC 230。ADC 230的输出被耦合到结点232处的可选数字信号处理块231用于校准或滤波。结点232或数字信号处理块231的输出提供数字代码D_OUT，该数字代码D_OUT表示到半导体封装104的管脚106b的电容器180的值。ADC 230的输出也被耦合到DAC 234的输入。DAC 234也接收DC参考电压V_REF3。DAC 234的输出被耦合到调制器238的第一输入。调制器238的第二输入接收时钟信号F_S5以相位或幅度调制DAC 234的输出信号。调制器238的输出提供反馈电压V_BACK。电容器240（C₂₄₀）被耦合在调制器238的输出和感测结点182之间。DAC 234、调制器238、和电容器240构成ADC 230的输出和感测结点182之间的反馈电路。

测量电路178使用带有反馈的二阶西格玛-德尔塔回路通过下述方法来测量MEMS100的电容：感测响应于施加到包含C₁₈₀、C₁₉₀、C₂₁₈、和C₂₄₀的电容器分压器的反馈电压V_BACK的结点182处的电压改变。西格玛-德尔塔回路在紧凑电路布局中以高分辨率在结点232处提供表示MEMS 100的电容的数字代码D_OUT。

测量电路178的功能能够由下面操作的原理描述。假设连接电路188和重置电路194是闭合的或低阻抗。来自电荷泵186的电压被施加到感测结点182和电容器180以施加力并且引起MEMS 100的位移或位置、状态、或操作的其它改变。电容器190、218、和240为重置电路194、积分器208和220、ADC 230、DAC 234、调制器213和238、以及解调器204和216提供与感测结点182上的来自电荷泵186的高电压的流电隔离，即对使MEMS 100位移所要求的电压能够大于有源电路的击穿电压。表示或指示在通过电荷泵116施加力之后MEMS 100的位移、位置、状态、和操作的电容器180的值是未知的。

连接电路188和重置电路194被断开或被设置到高阻抗，即连接电路188和重置电路194在电容器180的测量阶段期间被禁用。替选地，连接电路188保持闭合并且重置电路194被断开或被设置到高阻抗。DC参考电压V_REF2通过调制器200由时钟信号F_S1相位或幅度调制。在一个实施例中，F_S1=F_S2=F_S3=F_S4=F_S5。在另一个实施例中，F_S1、F_S2、F_S3、F_S4、和F_S5每个呈现共用或同步时钟频率的不同相位、延迟、或占空比。调制器200、213、238、解调器204、216、以及时钟信号F_S1-F_S5能够是+1/-1方波调制器、0-1方波调制器、三角形调制器、锯齿调制器、正弦波调制器、或其它周期调制器。V_REF2和V_REF3是稳定的DC参考电压。调制器200的输出信号被指定为V₂₀₀，其中ΔV₂₀₀指示归因于通过F_S1对V_REF2的调制的V₂₀₀的改变。反馈电压V_BACK在感测结点182处通过电容器180、190、218、和240引起电压变化ΔV₁₈₂。电压变化ΔV₁₈₂是感兴趣的值，即通过电容器240响应于V_BACK的ΔV₁₈₂与用于确定电容器180的未知值的西格玛-德尔塔回路的测量操作相关，该未知值表示MEMS 100的当前位移、位置、状态、和操作。转移到积分器208的电荷来自两个来源，即通过电容器190的ΔV₁₈₂和通过电容器202的ΔV₂₀₀，其通过调制器204中的时钟信号F_S2来调制。积分器208的输出以及通过电容器218的来自电压变化ΔV₁₈₂的电荷被施加到积分器220的输入。当二阶西格玛-德尔塔回路收敛时，总电荷接近平均值零。假定ΔV₂₀₀、电容器190、电容器218、和电容器202是固定的，则到积分器208和220的总电荷Q_T的信息内容变为通过电容器240的响应于反馈V_BACK的电压变化ΔV₁₈₂的函数。

ADC 230提供数字代码D_OUT作为MEMS 100的位移、位置、状态、或操作的测量。数字代码D_OUT与电容器180的未知或不定值直接相关，该电容器180的未知或不定值表示MEMS100的当前位移、位置、状态、或操作，即D_OUT识别与MEMS 100的位移或状态线性相关的电容C₁₈₀的测量值。电容器180的值能够从下述确定：来自ADC 230的数字代码D_OUT的作为电容器180的函数的结点182处的电压的改变，该ADC 230的数字代码D_OUT如在半导体封装104的管脚106b处成为可获得。数字代码D_OUT识别电容器180的值。D_OUT能够被采样或持续地获得以确定MEMS 100的位移、位置、状态、或操作。西格玛-德尔塔回路包含反馈回路，该反馈回路包括DAC 234、调制器238、和电容器240，该反馈回路基于DC参考电压V_REF3将来自ADC 230的D_OUT转换成模拟反馈信号V_BACK。电容器180的测量确定响应于由电荷泵186施加的力的MEMS100的实际位移、位置、状态、或操作。提供数字代码D_OUT的测量电路178增加紧凑电路布局中的电容器180的测量的分辨率。基于电容器180的测量，能够通过应用由电荷泵186施加的另一个力来对MEMS 100进行调节并且再次测量电容器180的值。该过程持续重复以测量MEMS100的预期位移、位置、或状态。

尽管已详细图解本发明的一个或多个实施例，但是本领域技术人员将意识到在不脱离如在下面权利要求中阐明的本发明的范围的情况下可以对那些实施例进行修改和修正。

Claims

1.一种用于微机电系统（MEMS）的测量电路，包括：

感测结点，耦合到所述MEMS；

积分器；

第一电容器，包括连接到所述感测结点的所述第一电容器的第一端子和连接到所述积分器的输入的所述第一电容器的第二端子，其中所述积分器的所述输入通过所述第一电容器耦合到所述感测结点；

连接到所述第一电容器的所述第二端子的参考电压电路结点；

模数转换器（ADC），包含耦合到所述积分器的输出的输入；

数模转换器（DAC），包含耦合到所述ADC的输出的输入；以及

第二电容器，包括连接到DAC的输出的所述第二电容器的第一端子和连接到所述感测结点的所述第二电容器的第二端子，其中所述积分器的所述输入通过所述第一电容器和所述第二电容器连接到所述DAC的输出。

2.权利要求1的所述测量电路，其中所述MEMS包含电容并且在所述ADC的输出处的数字信号表示所述MEMS的所述电容。

3.权利要求1的所述测量电路，进一步包含：

调制器，包含耦合用于接收来自所述参考电压电路结点的参考电压的第一输入和耦合用于接收调制信号的第二输入；

解调器，包含耦合到所述第一电容器的所述第二端子的第一输入、耦合用于接收解调信号的所述解调器的第二输入、和耦合到所述积分器的所述输入的所述解调器的输出；以及

第三电容器，耦合在所述调制器的输出和所述解调器的所述第一输入之间。

4.权利要求1的所述测量电路，进一步包含调制器，所述调制器包括耦合到所述DAC的输出的第一输入和耦合用于接收调制信号的第二输入。

5.权利要求1的所述测量电路，进一步包含耦合到所述感测结点并且被配置为向所述MEMS施加力的电荷泵。

6.权利要求1的所述测量电路，进一步包含半导体封装，所述半导体封装含有所述测量电路，其中所述半导体封装的管脚耦合到所述感测结点。

7.一种测量微机电系统（MEMS）的方法，包括：

在感测结点处感测MEMS的状态作为第一电压变化；

通过第一电容器将所述第一电压变化传递到第二结点作为第一信号；

通过第二电容器将第二电压变化提供给所述第二结点作为第二信号；

在所述第二结点处将来自所述第一电容器和所述第二电容器的总电荷进行积分以提供积分信号；

将所述积分信号转换到表示所述MEMS的状态的数字信号；

将所述数字信号转换到模拟信号；并且

通过第三电容器将所述模拟信号路由到所述感测结点。

8.权利要求7的所述方法，其中所述MEMS包含表示所述MEMS的状态的电容并且所述数字信号表示所述MEMS的所述电容。

9.权利要求7的所述方法，进一步包含：

用调制信号调制参考电压以通过所述第二电容器来生成所述第二电压变化；并且

在积分之前解调第一信号和第二信号。

10.权利要求7的所述方法，进一步包含：

提供电荷泵；并且

将来自所述电荷泵的电压施加到所述感测结点以修改所述MEMS的位置。

11.一种测量微机电系统（MEMS）的方法，包括：

在感测结点处感测表示所述MEMS的元件的物理位置的所述MEMS的电容作为第一电压变化；

在所述第二结点处将来自所述第一电容器和所述第二电容器的总电荷进行积分以提供积分信号；并且

将所述积分信号转换到表示所述MEMS的所述元件的所述物理位置的数字信号。

12.权利要求11的所述方法，进一步包含：

在积分之前解调第一信号和第二信号。

13.权利要求11的所述方法，进一步包含：

将所述数字信号转换到模拟信号；并且

通过第二电容器将所述模拟信号路由到所述感测结点。

14.权利要求13的所述方法，进一步包含用调制信号将所述模拟信号调制到所述第二电容器。