CN107079224A - 高电压重置mems麦克风网络和检测其缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测MEMS麦克风传感器接口电路的高阻抗网络中的缺陷的方法。该方法包括向高电压高阻抗网络添加高电压重置开关，在MEMS麦克风传感器接口电路的启动阶段期间闭合高电压重置开关，在启动阶段期间同时闭合低电压高阻抗网络的低电压重置开关，在启动阶段的结尾处使高电压重置开关和低电压重置开关同时开路，以及在使高电压重置开关和低电压重置开关开路之后立即检测高电压高阻抗网络或低电压高阻抗网络中的缺陷。

Description

高电压重置MEMS麦克风网络和检测其缺陷的方法
相关申请
本专利要求享有2014年9月10日提交的在先提交的共同待决的美国临时专利申请号62/048,571的益处；其完整内容特此通过引用而被并入。
背景技术
本专利涉及MEMS麦克风，其并入针对用于麦克风偏置节点的高电压高阻抗网络的重置从而允许MEMS麦克风的更快、更高效的测试。
MEMS电容式麦克风利用电荷的守恒而进行操作。通常包括两个反并联二极管的高阻抗网络用于跨电容器的两个板而施加固定电荷。感测节点上的高阻抗网络对于创建电荷守恒模式是必要的。偏置节点上的高阻抗开关网络之后是对地电容器，其相比于从感测节点到地的电容是大的。该电容器服务两个目的。第一，该电容器在传感器的偏置侧上创建AC地，使得在存在声学信号的情况下，感测节点上的电压改变。第二，电容器连同高阻抗网络一起创建针对由偏置电路生成的噪声的低通滤波器。
从高阻抗偏置节点到地的漏电流可能使麦克风的性能降级。从偏置到地的漏电流降低高阻抗网络的阻抗，并且如果足够高则可能使偏置电路的噪声滤波受损，最终使整个麦克风的噪声性能降级。类似地，从偏置节点到感测节点的漏电流流动到感测节点二极管中，从而造成散粒噪声，该散粒噪声同样使整个麦克风的噪声性能降级。可能由于颗粒、表面污染或体块材料缺陷所致的这些高阻抗节点附近的缺陷可能造成这些漏电流，其将影响高阻抗网络。另外，这些缺陷可能通过可靠性和环境应力而恶化，使得早期检测对确保麦克风的质量甚至更加重要。
美国专利申请号13/040,466描述了用于实现高电压高阻抗电路的许多实现方式中的一个。
发明内容
本专利描述了一种麦克风设计和用于对高阻抗节点的缺陷的早期检测的对应测试。其中附接到传感器的两个高阻抗网络在启动期间进行开关的麦克风的设计允许可以标识造成受损的麦克风性能的高阻抗节点中的缺陷的测试。
在一个实施例中，本专利提供了一种检测MEMS麦克风传感器接口电路的高阻抗网络中的缺陷的方法。该方法包括向高电压高阻抗网络添加高电压重置开关，在MEMS麦克风传感器接口电路的启动阶段期间闭合高电压重置开关，在启动阶段期间同时闭合低电压高阻抗网络的低电压重置开关，在启动阶段的结尾处使高电压重置开关和低电压重置开关同时开路，以及在使高电压重置开关和低电压重置开关开路之后立即检测高电压高阻抗网络或低电压高阻抗网络中的缺陷。
在另一实施例中，本专利提供了一种高电压重置MEMS麦克风传感器接口电路。该电路包括电荷泵、低电压高阻抗网络、高电压高阻抗网络、感测电容器、高阻抗放大器和输出电容器。低电压高阻抗网络耦合到直流电位和感测节点。低电压高阻抗网络包括一组反并联二极管和低电压重置开关。高电压高阻抗网络耦合到电荷泵和偏置节点。高电压高阻抗网络包括一组反并联二极管和高电压重置开关。感测电容器耦合在感测节点与偏置节点之间。高阻抗放大器耦合到感测节点。输出电容器耦合在偏置节点与地之间。低电压重置开关和高电压重置开关在MEMS麦克风传感器接口电路的启动阶段期间闭合并且在启动阶段的结尾处同时开路。
本发明的其它方面通过考虑详细描述和随附各图将变得清楚。
附图说明
图1是现有技术MEMS麦克风传感器接口电路的示意图。
图2是针对图1的传感器接口电路的节点电压对比时间的图表。
图3是根据本公开的实施例的MEMS麦克风高电压重置传感器接口电路的示意图。
图4是针对图3的高电压重置传感器接口电路的节点电压对比时间的图表。
图5是比较针对图1的传感器接口电路和图3的高电压重置传感器接口电路的感测节点电压对比二极管特性的图表。
图6是针对图1的传感器接口电路的感测节点电压的图表，其具有从偏置到地的100fA泄漏和从偏置到感测的10fA。
图7是针对图3的高电压重置传感器接口电路的感测节点电压的图表，其具有从偏置到地的100fA泄漏和从偏置到感测的10fA。
图8是针对图3的高电压重置传感器接口电路的漏电流对比噪声的图表。
图9是针对图3的高电压重置传感器接口电路的漏电流对比感测节点dV/dT的图表。
图10是针对图3的高电压重置传感器接口电路的漏电流对比感测节点最大电压改变时间的图表。
具体实施方式
在详细解释本专利的任何实施例之前，要理解的是，本专利在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在随附各图中图示的组件的布置和构造的细节。本专利能够具有其它实施例，并且能够以各种方式实践或实施。
MOS开关典型地与感测节点上的高阻抗开关并联连接，从而允许感测节点保持在固定电位而电容器的另一侧被充电。由于复杂性，典型地不对电容器的高电压侧上的高阻抗节点进行开关。在高电压高阻抗网络上包括开关允许麦克风测试，该测试指示与高阻抗缺陷相关联的小漏电流的存在。此外，可能在这些测试中检测到的漏电流的水平比将增加麦克风的噪声的泄漏水平小得多。
图1示出现有技术传感器接口电路100的示意性表示。传感器接口电路100包括低电压高阻抗网络105、高电压高阻抗网络110、电荷泵115、输出电容器120、感测电容器125和高输入阻抗放大器130。低电压高阻抗网络105包括第一二极管135、第二二极管140、第三二极管145和低电压重置开关150。第一和第二二极管135和140配置为反并联二极管。高电压高阻抗网络110包括第四二极管155和第五二极管160。第四和第五二极管155和160配置为反并联二极管。低电压高阻抗网络105的第一连接耦合到直流（DC）电位，该电位可以是地，并且第二连接耦合到感测电容器125和高阻抗放大器130的输入。感测节点165由第二连接、感测电容器125和高阻抗放大器130的输入的连接形成。
电荷泵115的输出连接到高电压高阻抗网络110的第一连接，并且高电压高阻抗网络110的第二连接连接到输出电容器120和感测电容器125，从而形成偏置节点170。
电荷泵115创建用于使感测电容器125偏置的高电压，并且高输入阻抗放大器130缓冲在感测节点165处产生的信号。感测节点125处的低电压高阻抗网络105创建电荷守恒节点。在启动期间，低电压重置开关150接通（典型地小于100ms），而偏置节点170通过电荷泵115和高电压高阻抗网络110进行充电。该阶段用于将固定电荷置于感测电容器125上。在启动之后，低电压重置开关150开路，麦克风变成进行操作并且感测电容器125的电容值中的改变产生感测节点165上的成比例的电压改变，该电压改变由高阻抗放大器130缓冲。
图2示出针对传感器接口电路100的电荷泵115输出电压（rawhv）、偏置节点170电压（mic_bias）和感测节点165电压（ampin）的暂态波形。在启动/充电阶段期间（图2中的10ms），感测节点165保持在地处，而同时电荷泵115和偏置节点170充电。当电荷泵115电压上升时，输出电容器120和感测电容器125通过高电压高阻抗网络110充电。在该阶段期间，存在电荷泵115输出与偏置节点170之间的足够大的电压差，使得高电压高阻抗二极管155或160中的一个正向导通并且将输出和感测电容器120和125充电至电荷泵115电压的二极管压降内。该充电快速发生，因为当在正向偏置区中时，二极管155或160的小信号阻抗是小的。在启动/充电阶段之后，存在从电荷泵115到偏置节点170的电压降。在没有从偏置节点170流动的静态电流的情况下，偏置节点170将继续充电。然而，充电将变得更慢，因为电压降减小并且二极管155或160的小信号阻抗增加。在图2中，可以看到，偏置节点170在启动阶段已经结束时尚未完全充电并且继续充电50秒。偏置节点170上的上升电压创建通过感测电容器125的暂态电流，并且由于低电压高阻抗网络105处于其高阻抗状态，因此出现响应于该暂态电流的从感测节点165到地的电压。一旦偏置节点170完全充电至电荷泵115电压，该暂态电流不存在并且感测节点165将泄漏回到地。在图2中，这从50秒到80秒发生。在所有电流已经稳定之后，则感测节点165电压返回到其在启动阶段期间被重置到的电压；在图2中0V。
图3示出高电压重置传感器接口电路300的示意性表示。高电压重置传感器接口电路300类似于传感器接口电路100（图1），除了高电压高阻抗网络302包括高电压重置开关305和第六二极管310之外。
该高电压重置传感器接口电路300以与图1中描述的传感器接口电路100相同的方式进行操作；然而，在启动阶段期间，低和高电压重置开关150和305二者在启动阶段的开始处闭合并且在启动阶段的结尾处同时开路。
图4示出针对高电压重置传感器接口300的电荷泵115输出电压（rawhv）、偏置节点170电压（mic_bias）和感测节点165电压（ampin）的暂态波形。在启动/充电阶段期间（10ms），感测节点165通过跨低电压高阻抗网络105的开关150而保持在地处，而同时偏置节点170通过跨高电压高阻抗网络302的高电压重置开关305连接到电荷泵115。当电荷泵115电压上升时，偏置节点170保持到电荷泵115电压。在启动阶段的结尾处，电荷泵115和偏置节点170处于相同电位。当跨高电压和低电压高阻抗网络105和302二者的开关150和305开路时，由于充电而不存在流动的暂态电流，并且在缺失从偏置节点170的任何漏电流的情况下，感测节点165将保持在其被设置到的电压处；在图4中0V。
在传感器接口100中，暂态感测电压强烈地取决于使用在两个高阻抗网络中的二极管的I-V特性。这些二极管135、140、155和160随芯片到芯片、晶片到晶片、批次到批次的变化将影响偏置节点170的充电，并且随后影响感测节点165的稳定。相比之下，关于高电压重置传感器接口300，由于高电压重置开关305预先设置感测节点165和偏置节点170二者，二极管特性是可忽略的。图5示出关于用于传感器接口100和高电压重置传感器接口300二者的不同的三组二极管135、140、155和160的随时间的感测节点165电压。应当观察到，关于传感器接口100，产生三个不同的感测125电压曲线。相反，关于高电压重置传感器接口300，仅产生一个感测125电压曲线。这示出，关于高电压重置传感器接口300，感测节点165电压不受二极管特性影响。
在两个系统中，感测节点165电压在存在偏置节点170上的漏电流（从偏置节点170到地或从偏置节点170到感测节点165）的情况下被更改。这些泄漏可能由于颗粒、表面污染或体块材料缺陷所致。在传感器接口100中，从偏置节点170到地的电流流动将在与暂态充电电流相反的方向上，并且因此将仅具有对感测节点165电压的小影响。当漏电流存在于偏置节点170与感测节点165之间时，其将与暂态电流加和。由于暂态电流在启动阶段之后立即是最大的，因此将难以观察到由于该泄漏所致的感测节点165电压中的改变，直到暂态电流已完全稳定。图6示出感测节点165电压，其具有从偏置节点170到地的100fA漏电流并且具有从偏置节点170到感测节点165的10fA漏电流。考虑到任何给定设备上的二极管特性不是已知的并且可能具有对感测节点165电压的显著影响，将难以标识由于高阻抗网络105和110上的缺陷所致的从偏置节点170到地的泄漏。另外，将仅可能的是在暂态电流已经完全稳定之后标识从偏置节点170到感测节点165的泄漏，这将要求针对批量生产的抑制性测试时间。
在高电压重置传感器接口300中，由于不存在由于充电所致的固有暂态电流并且启动不受二极管特性影响，因此由于缺陷所致的任何漏电流在启动之后立即（即在几毫秒内）是可容易检测的。当高电压重置开关305闭合时，偏置节点170保持到电荷泵115电压。如果存在从偏置节点170到地的漏电流，则当开关305开路时，该电流将流过高电压阻抗网络302上的二极管155和160。偏置节点170然后将下降由二极管310的I-V曲线和漏电流的量确定的电压。当偏置节点170上的电压下降时，通过感测电容器125的暂态电流将把感测节点165拉至其重置值以下，从而使得感测节点165在电压方面降低。一旦偏置节点170上的电压已稳定，暂态电流将消失并且感测节点165将通过低电压高阻抗二极管105而泄漏回到地。如果从偏置节点170到感测节点165的漏电流存在，该电流将必须流过低电压阻抗网络105二极管135和140，并且感测节点165将上升由低电压阻抗网络105二极管135和140的I-V曲线和漏电流的量确定的电压。图7示出感测电压，其具有从偏置节点170到地的100fA漏电流并且具有从偏置140到感测节点165的10fA漏电流。
图8示出图示了各种漏电流对具有高电压重置传感器接口300的麦克风的噪声性能的影响的示例。在图8中，从偏置节点170到感测节点165的10fA以上的泄漏创建通过低电压高阻抗网络105的散粒噪声，该散粒噪声造成整个麦克风的降级的噪声性能。类似地，从偏置节点170到地的漏电流降低高电压-阻抗网络302的阻抗并且随后降低偏置电路的噪声滤波。偏置节点170到地的10pA以上泄漏造成整个麦克风的降级的噪声性能。
图9图示了各种漏电流对针对高电压重置传感器接口300的启动阶段之后的感测节点165电压的斜率的影响。图9示出，如同噪声那样，感测节点165处的电压中的改变速率可以与漏电流相关。
图10图示了各种漏电流对针对高电压重置传感器接口300的2分钟内的感测节点165上的最大电压改变的影响。图10示出，如同噪声那样，感测节点165上的电压中的绝对改变可以与漏电流相关。
通过包括高电压重置开关305，二极管155和160的I-V特性在启动阶段之后不影响感测节点165上的暂态电压。启动之后的感测节点165电压上的偏差可以与泄漏水平电流相关，其中感测节点165电压改变的幅度和速率对应于泄漏的量。关于高电压重置传感器接口300，可以实现各种测试以便标识对高阻抗节点105和302的缺陷，该缺陷可能造成增加的噪声并且最终使麦克风性能降级。

Claims (11)

1.一种检测MEMS麦克风传感器接口电路的高阻抗网络中的缺陷的方法，所述方法包括：
向高电压高阻抗网络添加高电压重置开关；
在MEMS麦克风传感器接口电路的启动阶段期间闭合高电压重置开关；
在启动阶段期间闭合低电压高阻抗网络的低电压重置开关；
在启动阶段的结尾处使高电压重置开关和低电压重置开关同时开路；以及
在使高电压重置开关和低电压重置开关开路之后立即检测高电压高阻抗网络或低电压高阻抗网络中的缺陷。
2.权利要求1的方法，其中缺陷是MEMS麦克风传感器接口电路的偏置节点与地之间的漏电流。
3.权利要求1的方法，其中缺陷是MEMS麦克风传感器接口电路的偏置节点与MEMS麦克风传感器接口电路的感测节点之间的漏电流。
4.权利要求1的方法，其中缺陷由颗粒、表面污染或体块材料缺陷导致。
5.权利要求1的方法，其中缺陷是通过高电压高阻抗网络或低电压高阻抗网络的反并联二极管的一个或多个二极管的漏电流。
6.一种高电压重置MEMS麦克风传感器接口电路，所述电路包括：
电荷泵；
低电压高阻抗网络，其耦合到直流电位和感测节点，低电压高阻抗网络包括一组反并联二极管和低电压重置开关；
高电压高阻抗网络，其耦合到电荷泵和偏置节点，高电压高阻抗网络包括一组反并联二极管和高电压重置开关；
感测电容器，其耦合在感测节点与偏置节点之间；
高阻抗放大器，其耦合到感测节点；以及
输出电容器，其耦合在偏置节点与地之间；
其中低电压重置开关和高电压重置开关在MEMS麦克风传感器接口电路的启动阶段期间闭合并且在启动阶段的结尾处同时开路。
7.权利要求6的高电压重置MEMS麦克风传感器接口电路，其中在低电压重置开关和高电压重置开关开路之后立即检测低电压高阻抗网络或高电压高阻抗网络中的缺陷。
8.权利要求7的高电压重置MEMS麦克风传感器接口电路，其中缺陷是MEMS麦克风传感器接口电路的偏置节点与地之间的漏电流。
9.权利要求7的高电压重置MEMS麦克风传感器接口电路，其中缺陷是MEMS麦克风传感器接口电路的偏置节点与MEMS麦克风传感器接口电路的感测节点之间的漏电流。
10.权利要求7的高电压重置MEMS麦克风传感器接口电路，其中缺陷由颗粒、表面污染或体块材料缺陷导致。
11.权利要求7的高电压重置MEMS麦克风传感器接口电路，其中缺陷是通过高电压高阻抗网络或低电压高阻抗网络的反并联二极管的一个或多个二极管的漏电流。
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