CN107548562B

CN107548562B - 电荷泵组件

Info

Publication number: CN107548562B
Application number: CN201580078157.9A
Authority: CN
Inventors: G.罗卡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: JP6544541B2; US20180048965A1; JP2018516038A; WO2016150486A1; EP3275210A1; US10433069B2; EP3275210B1; CN107548562A

Abstract

提供了允许在大的温度范围内对MEMS麦克风进行温度补偿的电荷泵组件以及对应的麦克风。组件包括电荷泵和电连接到电荷泵的偏置电路。由偏置电路提供的偏置电压具有温度依赖性。

Description

电荷泵组件

本发明涉及电荷泵，例如具有—尤其是在大的工作温度范围上—改进的灵敏度的用于MEMS麦克风（MEMS=microelectromechanical system，微机电系统）的电荷泵。

MEMS麦克风包括诸如具有可变电容的MEMS电容器和麦克风壳体元件的机械部件。进一步地，麦克风具有诸如用于对电容器充电并估计电容器的电容的ASIC（应用专用集成电路）的电气或电子部件。

可以观察到的是，MEMS麦克风的灵敏度取决于麦克风工作温度。特别是，MEMS麦克风的灵敏度随增加的温度而降低。

MEMS麦克风的电的和机械的部件对温度引发的在灵敏度上的降低的贡献是复杂的，因为壳体元件、电容器和ASIC示出温度依赖特性。

然而，对于现代设备而言一般想要并且需要具有良好的电特性和声学特性的麦克风。因此，所需要的是具有不依赖于工作温度的恒定的高灵敏度水平的MEMS麦克风。

从WO 2011/001195 A1知道具有依赖于温度的放大器增益的温度补偿麦克风。

从US 7,889,030知道包括电容器的芯片的具有减小的温度系数的MEMS麦克风。

从US 2011/0200212知道具有温度补偿的电荷泵的麦克风。

虽然存在具有改进的部件的已知的麦克风，但是仍然需要具有在大的温度区域上的恒定灵敏度水平的MEMS麦克风。

因此，本发明的目的是提供一种电荷泵组件，其允许MEMS麦克风具有在大的温度范围上的恒定且高的灵敏度水平。

电荷泵组件包括具有输入端口和输出端口的电荷泵。该组件进一步包括偏置电路。该偏置电路被电连接到电荷泵的输入端口并且被提供用于创建偏置电压。该偏置电压具有温度依赖性。

电荷泵可以被用于对MEMS麦克风的MEMS电容器充电。

偏置电压是电荷泵的控制电压。施加到电荷泵的输入端口的更高的偏置电压可能造成更大量的存储在麦克风的电容器中的电荷。

如上面说明的那样，MEMS麦克风的灵敏度至少部分地取决于电容器的温度。已发现的是，通过将依赖于温度的一定量的电荷转移到MEMS电容器，可能不仅仅减少电容器的对于温度引发的劣化的贡献。利用适当地设计的电荷泵组件，甚至可能减少或者甚至消除麦克风作为整体上的温度引发的劣化。因此，可以构建以高水平的不依赖于温度的灵敏度进行工作的温度补偿的MEMS麦克风。

如上面说明的那样，MEMS麦克风的不同的部件中的每个都对麦克风的温度引发的灵敏度劣化有贡献。虽然在施加于麦克风电容器的电压上的增加一般地增加电容器的—并且因此麦克风的—灵敏度，但是用于在大的温度范围上的温度补偿的准确电压是难以确定的并且仍然更难以利用常规的电荷泵组件来进行施加。

为了利用实现起来简单的偏置电路来获得甚至满足严格要求的温度补偿，可能的是施加到电荷泵的偏置电压具有分段的线性温度依赖性。也就是，对于多个温度间隔而言，依赖于温度的偏置电压的斜率是恒定的。更高数目的温度间隔造成更好的温度补偿。在本发明的上下文中，如果选取高数量的温度间隔来获得优良的温度补偿，则发现用于电荷泵组件的电路拓扑不导致更高的电路复杂度。

可能的是电荷泵组件包括温度传感器。温度传感器可以提供PTAT电压（PTAT =proportional to absolute temperature，与绝对温度成比例）。也就是，温度传感器可以提供与按开尔文的绝对温度成比例的电压，其中k是比例常数：

可能的是偏置电路包括提供多个不同的不依赖于温度的电压的第一子电路。

进一步可能的是，偏置电路包括提供多个依赖于温度的电压的第二子电路，每个依赖于温度的电压具有不同的温度依赖性。

第一子电路还可以包括多个电压输出。第一子电路的电压输出的数量可以等于第二子电路的电压输出的数量以及电荷泵的电压输入的数量。第一子电路的每个输出提供电压：

，其中T_i是预定的温度—或者与温度成比例的物理量，i是电压输出的索引号，并且a_i和α_i是常数。

是不依赖于温度的电压。

第二子电路可以包括多个电压输出。第一子电路的每个输出提供电压：

，其中T是温度—或者与温度成比例的物理量，i是电压输出的索引号，并且a_i和α_i是常数。 α_i确定相应的输出电压的温度依赖性的斜率。

针对i = 1，2，...，N的不同的阈值电压T_i确定相邻的温度间隔的边界。

可能的是电荷组件包括多个选择电路（诸如比较器）。选择电路的数量可以等于第一子电路的电压输出的数量。

每个选择电路与第一子区段、第二子区段的电压输出之一以及电荷泵的输入之一连接。每个选择电路可以进一步被连接到温度传感器以接收温度信号。

于是可能的是每个选择电路都提供电压：

（2）

到对应的电荷泵的输入。

即，在实际工作温度低于阈值温度T_i的情况下的依赖于温度的电压，以及在实际工作温度等于或超过阈值温度T_i的情况下的恒定的温度。

因此，电荷泵被提供有多个单独的电压。依赖于温度的部分电压的数量随增加的温度而减少。

电荷泵可以把在输入处接收的多个单个电压相加并且把对应于如下的和的电荷转移到MEMS电容器：

（3）。

施加到MEMS电容器的电压可以被减少或增加由ASIC的部分创建的附加的偏移电压：

（4）

电荷泵组件的电路元件的数量与温度间隔的数量线性地成比例而不增加电路的复杂度。

可能的是电荷泵组件进一步包括用于存储线性参数的非易失性存储器元件。

线性参数被包含在参数α_i中。进一步地，参数a_i和参数α_i确定转移到电容器的依赖于温度的电荷。

参数a_i和α_i可以被选取以抵消MEMS麦克风作为整体的灵敏度的温度依赖性。也就是，麦克风的设计者不需要研究单个部件的温度行为和复杂的相互作用。替代地，设计者只需要测量整个部件的依赖于温度的劣化，选取用于a_i和α_i的值并将它们存储在存储器元件中。

发现的是，获得用于a_i和α_i的最佳值是直接的，因为依赖于温度的灵敏度可以被划分成相同的温度间隔，由分段的线性曲线近似，并且因为灵敏度的分段的线性近似的斜率无疑义地对应于a_i和α_i（因为灵敏度随电容器的电压而线性地增加）。

相应地，电荷泵组件可以被集成在MEMS麦克风中并且是MEMS麦克风的一部分。于是，麦克风进一步包括要由电荷泵组件充电的MEMS电容器。该电容器具有可变电容。所接收的声音信号造成电容上的变化。通过（例如由ASIC）估计变化的电容，可以将声音信号变换成电信号。

一种用于制造电荷泵组件或包括该电荷泵组件的麦克风的方法，包括以下的步骤：

- 提供机械部件和电部件，

- 电连接电部件，

- 确定灵敏度的依赖于温度的劣化，

- 将温度范围划分成间隔，并将灵敏度曲线近似为分段的线性曲线，

- 确定分段的线性区段的斜率，

- 将斜率变换成参数a_i，α_i。

在随附附图中描述了工作原理和并非进行限制的实施例。

在附图中：

图1示出了包括电荷泵CP和偏置电路BC的电荷泵组件CPA的基本实施例；

图2示出了提供给电荷泵的示例性的分段的线性偏置电压；

图3示出了具有负斜率的示例性的依赖于温度的灵敏度和对应的分段的线性近似，该负斜率具有减小的绝对值；

图4示出了具有负斜率的示例性的依赖于温度的灵敏度和对应的分段的线性近似，该负斜率具有增加的绝对值；

图5示出了在偏置电路BC中包括第一子电路SC1和第二子电路SC2的电荷泵组件的更详细的实施例；

图6连同相应的阈值温度Ti电压和阈值电压Vi一起示出了作为多个依赖于温度的和不依赖于温度的电压的组合的偏置电压；

图7示出了包括电荷泵组件CPA和MEMS电容器MCAP的MEMS麦克风MM的基本实施例;

图8示出了MEMS麦克风MM的更详细的实施例。

图1是电荷泵组件CPA的基本实施例。电荷泵组件CPA包括电荷泵CP和偏置电路BC。电荷泵CP包括具有多个信号连接的输入端口IP。多个信号连接提供多个的单个电压信号，它们的和可以是控制电荷泵CP的偏置电压V_bias。电荷泵CP进一步具有输出端口OP，电荷可以经由该输出端口OP转移到例如电容器。

通过提供多个单独的电压而由偏置电路BC提供的偏置电压V_bias具有温度依赖性。偏置电压V_bias的温度依赖性被选取以使得由电荷泵CP在输出端口OP处提供的电荷的温度依赖性抵消电荷泵组件CPA的外部电路环境的温度引发的劣化。

图2示出从偏置电路BC施加到电荷泵CP的依赖于温度的偏置电压V_bias。为了将电荷泵组件的电路部件的复杂度保持在最小，偏置电压具有以大的精细度对理想的偏置电压进行近似的分段的线性区段。偏置电压的线性区段的数量确定近似程度：更高数量的区段造成更好的近似。

图3和图4示出示例性MEMS麦克风的不同的依赖于温度的灵敏度曲线。图3的依赖于温度的灵敏度随增加的温度而降低。斜率是负的并且斜率的绝对值随增加的温度而减小。温度T₁，T₂，...，T_N限定相邻的温度间隔的阈值温度。在每个温度间隔内，依赖于温度的灵敏度是通过线性函数近似的。因此，近似函数的绝对值随增加的温度而减小。

电荷泵组件的设计者自由选取阈值温度T₁，T₂，...，T_N以获得最佳近似。

与图 3对比，依赖于温度的灵敏度的斜率的绝对值随增加的温度而增加。

由于设计者单独地自由选取阈值温度，所以他可以将具有高的灵敏度斜率的绝对值的温度范围划分成高数量的间隔。在其中随温度的灵敏度劣化不是太明显的温度范围中，更低数量的温度间隔可能是足够的。

图5示出电荷泵组件CPA的更详细的实施例，其中偏置电路BC包括第一子电路SC1和第二子电路SC2。第一子电路SC1可以提供多个不依赖于温度的电压，并且第二子电路SC2可以提供多个依赖于温度的电压。第一子电路SC1可以具有总数N的电压输出，第二子电路SC2可以具有总数N的电压输出，并且电荷泵CP可以在其输入端口处具有总数N的电压输入。进一步地，偏置电路BC包括总数N的选择电路S1，S2，S ...，SN，例如比较器，其中每个选择电路连接到第一子电路SC1的电压输出之一、连接到第二子电路SC2的一个电压输出以及连接到电荷泵CP的一个电压输入。取决于实际的工作温度和相应的阈值温度T_I，每个选择电路把来自第一子电路SC1的不依赖于温度的电压或者来自第二子电路SC2的依赖于温度的电压转发到在电荷泵CP处的相应的电压输入。

因此，施加到电荷泵的总的偏置电压V_bias是分别来自第一和第二子电路的多个依赖于温度的电压和不依赖于温度的电压的和。作为结果，施加到电荷泵CP的总的偏置电压是在每个温度间隔内具有恒定斜率的分段的线性电压（比较图6）。

图6图示由如在图6的下部中示出的多个单独的电压组成的总的偏置电压V_bias（在图6的上部中示出）的组合。

温度T₁，T₂，...定义建立对应的温度间隔的边界的阈值电压。图6的下部中示出的各电压的每个曲线是选择依赖于温度的电压（如果温度在一定的阈值电压以下的话）或者选择恒定电压（如果实际温度超过对应的阈值温度的话）的选择电路的选择性的结果。

因此，电路元件的数量与温度间隔的数量成比例而不增加电荷泵组件电路的复杂度。

由于MEMS麦克风的灵敏度主要与施加到对应的MEMS电容器的电压成比例，并且由于可以容易地并且以高精度利用分段的线性曲线来近似麦克风的依赖于温度的灵敏度，因此容易确定系数a_i和α_i，系数a_i和α_i确定如图 6中所示的分段的线性的依赖于温度的偏置电压的对应的区段的曲线的斜率和电压。

图7示出MEMS麦克风MM中的电荷泵组件CPA的可能的实现。除了电荷泵组件CAP之外，MEMS麦克风MM包括具有可变电容的MEMS电容器MCAP和实质连接（例如，电压供给连接VSUP和第二输出端口OP2）。经由电压供给端口VSUP，可以对电荷泵组件CPA提供电功率。经由第二输出端口OP2，可以对在MEMS电容器MCAP的电容上的变化进行分析以将声学信号变换成电信号。

图8示出MEMS麦克风MM的更详细的版本，其中在MEMS电容器MCAP和第二输出端口OP2之间布置了进一步的放大器电路AMP。该进一步的放大器电路AMP可以是前置放大器或主放大器。

MEMS麦克风MM进一步包括电路OTP以例如在一次编程步骤中将用于参数a_i和α_i的对应的值提供给麦克风。

电荷泵组件和包括这样的电荷泵组件的MEMS麦克风都不限制于下面描述的或者在各图中示出的实施例。具有进一步的电路部件的电荷泵组件或具有进一步的电路部件或机械部件的麦克风也被本发明包括。

参考标号列表：

AMP：放大器

BC：偏置电路

CP：电荷泵

CPA：电荷泵组件

IP：输入端口

MCAP：MEMS电容器

MM：MEMS麦克风

OP：输出端口

OP2：第二输出端口

OTP：一次编程电路

S ₁，S ₂，...，S _N：选择电路

SC1：第一子电路

SC2：第二子电路

T：温度

T_{1,2，... N}：阈值温度

V _{1.2，...，N}：阈值电压

V_bias：偏置电压

V _SUP：供给电压。

Claims

1.一种电荷泵组件（CPA），包括：

- 具有输入端口（IP）和输出端口（OP）的电荷泵（CP）；

- 偏置电路（BC），其电连接到输入端口（IP）并且被提供用于创建偏置电压V_bias，所创建的偏置电压V_bias被提供给电荷泵（CP），

其中：

- 偏置电压V_bias具有温度依赖性，

其中，偏置电压V_bias具有分段的线性温度依赖性，

其中偏置电路（BC）包括具有提供不依赖于温度的电压的N个电压输出的第一子电路（SC1），

其中偏置电路（BC）包括具有提供依赖于温度的电压的N个电压输出的第二子电路（SC2），每个依赖于温度的电压具有不同的温度依赖性，以及

其中偏置电路（BC）包括N个选择电路（S _1，2，...N），每个选择电路被连接到第一子电路（SC1）的一个电压输出以及第二子电路（SC2）的与第一子电路（SC1）的所述一个电压输出对应的一个电压输出，以将来自第一子电路（SC1）的电压输出的电压或来自第二子电路（SC2）的电压输出的电压转发到电荷泵（CP）的输入端口（IP）的相应的电压输入，

其中偏置电压V_bias是通过将所述N个选择电路（S _1，2，...N）转发的电压求和而获得的。

2.根据权利要求1所述的电荷泵组件，其中温度传感器被配置在偏置电路（BC）中，并且被配置用于提供PTAT电压。

3.根据权利要求1所述的电荷泵组件，其中依赖于温度的电压具有线性的温度依赖性。

4.根据权利要求1所述的电荷泵组件，其中，选择电路（S_1，2，...N）包括比较器。

5.根据权利要求1所述的电荷泵组件，进一步包括用于存储线性参数a_i，α_i的非易失性存储器元件，线性参数a_i，α_i与第二子电路（SC2）提供的依赖于温度的电压的分段的线性温度依赖性对应，并且确定分段的线性的依赖于温度的偏置电压的对应的区段的曲线的斜率和电压。

6.一种MEMS麦克风（MM），包括：

- 根据前述权利要求之一所述的电荷泵组件（CPA）；

- 具有可变电容的MEMS电容器（MCAP），

其中：

- 电荷泵组件（CPA）的输出端口（OP）被电连接到MEMS电容器（MCAP）并且被提供用于对MEMS电容器（MCAP）充电。

7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风，其中偏置电路（BC）是MEMS麦克风（MM）的ASIC的一部分。

8.一种用于制造根据权利要求5所述的电荷泵组件（CPA）的方法，包括以下步骤：

- 提供机械部件和电部件，

- 电连接所述电部件，

- 确定包括所述电荷泵组件（CPA）的MEMS麦克风的灵敏度曲线的依赖于温度范围的改变，

- 将温度范围划分成间隔并且将灵敏度曲线近似成分段的线性区段，

- 确定分段的线性区段的斜率，

- 将斜率变换成与线性地依赖于温度的电压对应的线性参数a_i，α_i。