DE112015007200T5

DE112015007200T5 - Mems-kapazitivsensor

Info

Publication number: DE112015007200T5
Application number: DE112015007200.4T
Authority: DE
Inventors: Gino Rocca; Tomasz Hanzlik
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2018-10-04
Also published as: US20190207569A1; JP2019500794A; CN108702565B; US10547277B2; CN108702565A; WO2017108083A1; JP6604439B2

Abstract

Ein MEMS-Kapazitivsensor (MCS) umfasst einen Kondensator (CMEMS), der eine Rückplatte (BP) und eine Membran (M) umfasst, wobei der Kondensator (CMEMS) auf einem Substrat (B) angeordnet ist. Der Kapazitivsensor (MCS) umfasst einen mit der Rückplatte (BP) verbundenen Ausgangsanschluss (MOUT) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (OS), einen mit der Membran (M) verbundenen Vorspannungseingangsanschluss (MBIAS) zum Anlegen einer Vorspannung (Vbias) und einen mit dem Substrat (B) verbundenen Versorgungsspannungseingangsanschluss (MVDD) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (VDD). Der MEMS-Kapazitivsensor (MCS) kann über die Anschlüsse (MOUT, MBIAS, MVDD) mit einer Signalverarbeitungsschaltung gekoppelt sein zum Bereitstellen der Vorspannung (Vbias) und zum Verstärken des Ausgangssignals (OS). Die Schnittstellenanbindung des MEMS-Kapazitivsensors (MCS) und der Signalverarbeitungsschaltung (SPC) bietet Vorteile hinsichtlich der SNR-Leistungsfähigkeit und/oder hinsichtlich Kostenreduktion.

Description

Technisches Gebiet
Ein MEMS-Kapazitivsensor, der eine variable Kapazität zum Bereitstellen eines Ausgangssignals verwendet, wird offenbart. Darüber hinaus wird eine Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals eines MEMS-Kapazitivsensors beschrieben.
Allgemeiner Stand der Technik
Eine Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals eines MEMS-Kapazitivsensors umfasst den MEMS-Kapazitivsensor und eine mit dem MEMS-Kapazitivsensor gekoppelte Signalverarbeitungsschaltung. Der MEMS-Kapazitivsensor kann als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt sein. Die Signalverarbeitungsschaltung ist ausgelegt zum Bereitstellen einer Vorspannung zum Betreiben des MEMS-Kapazitivsensors und zum Verstärken des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors und zum Bereitstellen eines verstärkten Ausgangssignals. Die Vorspannung wird zum Vorspannen eines Kondensators mit variabler Kapazität des MEMS-Kapazitivsensors verwendet.
Die Signalverarbeitungsschaltung, die als eine ASIC-Signalverarbeitungsschaltung ausgelegt sein kann, kann einen Verstärker, beispielsweise einen invertierenden Verstärker, einen Negativ-/Positiv-Vorspannungsgenerator, beispielsweise eine Vorspannungspumpe zum Bereitstellen der Vorspannung für den MEMS-Kapazitivsensor, und eine große Wechselspannungskoppelkapazität (AC-Koppelkapazität) umfassen, die in einem Signalpfad angeordnet ist zwischen einem Eingangsanschluss der Signalverarbeitungsschaltung, gekoppelt mit einem Ausgangsanschluss des MEMS-Kapazitivsensors, um das Ausgangssignal des MEMS-Kapazitivsensors zu empfangen, und einem Verstärker zum Verstärken des empfangenen Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors.
Das am Ausgangsanschluss des MEMS-Kapazitivsensors bereitgestellte und an dem Eingangsanschluss der Signalverarbeitungsschaltung empfangene Ausgangssignal kann von einer Rückplatte des Kondensators des MEMS-Kapazitivsensors abgenommen werden. Die Rückplatte des Kondensators kann die Seite mit der kleinsten parasitären Kapazität sein. Eine Membrane des Kondensators des MEMS-Kapazitivsensors kann mit einer „Referenzmasse“ des Verstärkers der Signalverarbeitungsschaltung verbunden sein.
In einem Standard-CMOS-Prozess verursacht die AC-Koppelkapazität einen gewissen Signalverlust von der Rückplatte des Kondensators des MEMS-Kapazitivsensors, aufgrund einer unvermeidbaren parasitären Kapazität zwischen der Rückplatte des Kondensators des MEMS-Kapazitivsensors und dem Bulk-Substrat der Signalverarbeitungsschaltung. Man könnte aufwendige (oder teure) Prozesse verwenden, welche MiM-Kondensator-Optionen anbieten. In diesem Fall kann der parasitäre Anteil nur wenige Prozent, beispielsweise 2%, des Kapazitätswerts der Koppelkapazität betragen. Allerdings verschlechtern die parasitären Effekte das durch die Signalverarbeitungsschaltung empfangene Ausgangssignal des MEMS-Kapazitivsensors und, als eine Konsequenz, wird das SNR (Signal-Rauschverhältnis) des MEMS-Kapazitivsensors, beispielsweise des MEMS-Mikrofons, weiter verschlechtert.
Es ist erwünscht, einen MEMS-Kapazitivsensor bereitzustellen, der mit einer Signalverarbeitungsschaltung gekoppelt sein kann, zum Bereitstellen einer Versorgungs- und Vorspannung für den MEMS-Kapazitivsensor und zum Verstärken des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors, wobei der Einfluss von parasitären Effekten auf den Verstärkungsprozess des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors verringert wird. Darüber hinaus ist es erwünscht, eine Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors bereitzustellen, wobei der Einfluss von parasitären Effekten auf den Verstärkungsprozess des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors verringert ist.
Kurzdarstellung
Eine Ausführungsform eines MEMS-Kapazitivsensors, der mit einer Signalverarbeitungsschaltung zum Bereitstellen einer Vorspannung zum Betrieb des MEMS-Kapazitivsensors und einem Verstärker zum Verstärken eines Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors gekoppelt sein kann, wobei parasitäre Effekte, die möglicherweise die Verstärkung des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors beeinflussen, verringert sind, ist in Anspruch 1 spezifiziert.
Der MEMS-Kapazitivsensor umfasst einen Kondensator mit einer variablen Kapazität, wobei der Kondensator eine Rückplatte und eine Membrane umfasst, die voneinander durch einen variablen Abstand getrennt sind, wobei der Kondensator auf einem Substrat angeordnet ist. Der Kapazitivsensor umfasst einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, wobei der Ausgangsanschluss mit der Rückplatte verbunden ist. Der Kapazitivsensor umfasst ferner einen Vorspannungseingangsanschluss zum Anlegen einer Vorspannung. Der Vorspannungseingangsanschluss ist mit der Membrane verbunden. Der Kapazitivsensor umfasst einen Versorgungsspannungseingangsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung. Der Versorgungsspannungseingangsanschluss ist mit dem Substrat/dem Bulk des MEMS-Kapazitivsensors verbunden. Der MEMS-Kapazitivsensor ist ausgelegt zum Erzeugen eines Pegels des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Membrane und der Rückplatte.
Eine Anordnung zum Verstärken des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors, wobei der Einfluss von parasitären Effekten auf den Verstärkungsprozess des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors verringert ist, ist in Anspruch 6 spezifiziert.
Die Anordnung umfasst einen wie oben spezifizierten MEMS-Kapazitivsensor und eine Signalverarbeitungsschaltung. Die Signalverarbeitungsschaltung weist einen Versorgungsspannungsausgangsanschluss zum Bereitstellen der Versorgungsspannung für den MEMS-Kapazitivsensor und einen Signalausgangsanschluss zum Bereitstellen eines verstärkten Ausgangssignals auf. Der Versorgungsspannungsausgangsanschluss der Signalverarbeitungsschaltung ist mit dem Versorgungsspannungseingangsanschluss des MEMS-Kapazitivsensors verbunden. Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst einen Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors und zum Bereitstellen des verstärkten Ausgangssignals an dem Signalausgangsanschluss der Signalverarbeitungsschaltung. Der Verstärker der Signalverarbeitungsschaltung ist zwischen dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss und einem Referenzanschluss angeordnet, um eine Referenzspannung bereitzustellen. Die den MEMS-Kapazitivsensor und die Signalverarbeitungsschaltung, wie oben beschrieben, umfassende Anordnung erlaubt es, eine Schnittstelle zwischen dem MEMS-Kapazitivsensor und der Signalverarbeitungsschaltung bereitzustellen, die die Verbindung von drei Pins auf dem MEMS-Kapazitivsensor involviert, was hinsichtlich einer SNR-Leistungsfähigkeit bzw. Signal-Rauschverhältnis-Leistungsfähigkeit des MEMS-Kapazitivsensors, beispielsweise eines MEMS-Mikrofons, und/oder hinsichtlich Kostenverringerung der Signalverarbeitungsschaltung Vorteile bietet.
Die Membran des Kondensators des MEMS-Kapazitivsensors ist mit dem Vorspannungseingangsanschluss, beispielsweise einem Vorspannungs-Pad verbunden, um die Vorspannung zum Betreiben/Vorspannen des Kondensators des MEMS-Kapazitivsensors anzulegen. Die Rückplatte des Kondensators des MEMS-Kapazitivsensors ist mit dem Ausgangsanschluss des MEMS-Kapazitivsensors/dem Eingangsanschluss der Signalverarbeitungsschaltung, beispielsweise einem IN-Pad der Signalverarbeitungsschaltung, gekoppelt. Darüber hinaus ist das Bulk/das Substrat des MEMS-Kapazitivsensors mit dem Versorgungsspannungseingangsanschluss des MEMS-Kapazitivsensors oder dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss der Signalverarbeitungsschaltung, der als AC-Masse für den Verstärker der Signalverarbeitungsschaltung ausgelegt ist, verbunden.
Die Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung erlaubt es, die Bereitstellung einer Koppelkapazität auf einem Signalpfad zwischen einem Signaleingangsanschluss der Signalverarbeitungsschaltung zum Empfangen des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors und einem Steueranschluss des Verstärkers der Signalverarbeitungsschaltung zu vermeiden, so dass das Laden der Kapazität von dem Ausgangssignal des MEMS-Kapazitivsensors nicht nötig ist.
Figurenliste

1A zeigt eine Ausführungsform eines MEMS-Kapazitivsensors, der einen Kondensator mit einer variablen Kapazität aufweist.
1B zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals eines MEMS-Kapazitivsensors mittels einer Signalverarbeitungsschaltung.
2 zeigt eine elektrische Schaltung einer Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals eines MEMS-Kapazitivsensors durch eine Signalverarbeitungsschaltung.
3 zeigt eine verbesserte Ausführungsform einer elektrischen Schaltung einer Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals eines MEMS-Kapazitivsensors mittels einer Signalverarbeitungsschaltung.

Ausführliche Beschreibung
Der vorliegende MEMS-Kapazitivsensor und die Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors werden nun nachfolgend ausführlicher mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsformen des Sensors und der Anordnung zeigen, beschrieben. Der Sensor und die Anordnung können allerdings in vielen verschiedenen Formen umgesetzt werden und sollten nicht auf die hier erörterten Ausführungsformen beschränkt aufgefasst werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, so dass die Offenbarung den Schutzumfang des MEMS-Kapazitivsensors und der Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors dem Fachmann vollständig vermittelt.
1A zeigt eine Struktur eines MEMS-Kapazitivsensors MCS, der ein Bulk/Substrat B umfasst, das aus einem Bulk-Silizium hergestellt sein kann, welches als ein Stützelement zum Stützen einer Rückplatte BP und einer Membran M verwendet wird. Die Anordnung der Rückplatte BP und der Membran M bildet einen Kondensator CMEMS aus. Die Rückplatte BP kann als eine perforierte Platte ausgelegt sein. Ein Luftspalt ist zwischen der perforierten Rückplatte BP und der Membran M bereitgestellt. In Abhängigkeit von einem auf die Membran M einwirkenden akustischen Druck variiert ein Abstand zwischen der Rückplatte BP und der Membran M, so dass die Kapazität des durch die Rückplatte BP und die Membran M ausgebildeten Kondensators CMEMS auch variiert. Gemäß der in 1A gezeigten Ausführungsform ist der MEMS-Kapazitivsensor als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt.
1B zeigt ein MEMS-Modul, das eine Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors MCS umfasst. Die Anordnung umfasst den in 1A gezeigten MEMS-Kapazitivsensor MCS, welcher als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt sein kann. Die Anordnung umfasst ferner eine Signalverarbeitungsschaltung SPC. Die Signalverarbeitungsschaltung SPC kann als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) realisiert sein. Der MEMS-Kapazitivsensor MCS und die Signalverarbeitungsschaltung SPC sind auf einer Halteplatte angeordnet, beispielsweise einer Leiterplatte PB. Der MEMS-Kapazitivsensor MCS und die Signalverarbeitungsschaltung SPC sind durch eine Abdeckung CP eingehäust, die eine Öffnung OG aufweist, die als ein Schalleinlass verwendet wird. Der MEMS-Kapazitivsensor ist durch Drähte an die Signalverarbeitungsschaltung SPC gekoppelt. Die Verbindung des MEMS-Kapazitivsensors MCS mit der Signalverarbeitungsschaltung SPC ist unten ausführlich unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zum Verstärken des Ausgangssignals OS eines MEMS-Kapazitivsensors MCS. Der MEMS-Kapazitivsensor kann als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt sein, das den eine variable Kapazität aufweisenden Kondensator CMEMS umfasst. Der Kondensator CMEMS umfasst die Rückplatte BP und die Membran M, die, wie in 1 und 2 gezeigt, voneinander durch einen variablen Abstand getrennt sind. Im Falle, dass der Kapazitivsensor als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt ist, ändert sich der variable Abstand zwischen der Rückplatte BP und der Membran M in Abhängigkeit von dem auf die Oberfläche der Membran M einwirkenden akustischen Druck.
Die Rückplatte BP ist mit einem Ausgangsanschluss MOUT des MEMS-Kapazitivsensors gekoppelt zum Bereitstellen des Ausgangssignals OS, welches durch den MEMS-Kapazitivsensor in Abhängigkeit von der Änderung der Kapazität des Kondensators CMEMS erzeugt wird. Die Membran M ist mit dem Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD des MEMS-Kapazitivsensors zum Anlegen einer Versorgungsspannung VDD gekoppelt. Eine parasitäre MEMS-Kapazität CMB ist zwischen der Membran M und dem Bulk/dem Substrat B, das mit einem Referenzpotential VSS verbunden ist, angeordnet.
Der MEMS-Kapazitivsensor MCS ist mit der Signalverarbeitungsschaltung SPC über den Ausgangsanschluss MOUT des MEMS-Kapazitivsensors/den Eingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung SPC und den Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD des MEMS-Kapazitivsensors/den Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD der Signalverarbeitungsschaltung gekoppelt.
Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst einen Spannungsgenerator VG zum Bereitstellen einer Vorspannung Vbias zum Vorspannen der Membran/Rückplatte des Kondensators CMEMS. Der Spannungsgenerator VG ist über ein Filterelement, das antiparallel geschaltete Dioden DF1 und einen Filterkondensator CF1 umfasst, mit dem Ausgangsanschluss MOUT des MEMS-Kapazitivsensors gekoppelt. Die Signalverarbeitungsschaltung SPC umfasst ferner einen internen Spannungsversorgungsanschluss VT zum Anlegen der Versorgungsspannung VDD. Die Signalverarbeitungsschaltung SPC stellt die Versorgungsspannung VDD an dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD der Signalverarbeitungsschaltung, der mit dem Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD des MEMS-Kapazitivsensors gekoppelt ist, bereit.
Die Signalverarbeitungsschaltung SPC umfasst ferner eine Verstärkerschaltung AC zum Verstärken des Ausgangssignals OS, das von dem MEMS-Kapazitivsensor MCS an einem Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung bereitgestellt wird. Die Verstärkerschaltung AC umfasst einen Verstärker A, welcher zwischen einen internen Versorgungsspannungsanschluss VT zum Bereitstellen der Versorgungsspannung VDD und einen Referenzanschluss RT zum Bereitstellen der Referenzspannung VSS geschaltet ist. Der Verstärker A weist einen Steueranschluss CA auf, der über eine Koppelkapazität CAC mit dem Signaleingangsanschluss IN gekoppelt ist.
Der Verstärker A kann einen Transistor umfassen, beispielsweise einen PMOS-Transistor. Ein Eingangsanschluss IC des Verstärkers A ist über einen Widerstand RS an den internen Versorgungsspannungsanschluss VT geschaltet zum Bereitstellen der Versorgungsspannung VDD. Eine Ausgangsverbindung OC des Verstärkers A ist über einen variablen Widerstand RD an den Referenzanschluss RT zum Bereitstellen der Referenzspannung VSS geschaltet. Die Ausgangsverbindung OC des Verstärkers A ist über einen Puffer BF an einen Signalausgangsanschluss OUT der Signalverarbeitungsschaltung geschaltet. Eine Steuerschaltung CFL ist in einem Rückkopplungspfad des Verstärkers A bereitgestellt, um das Einschwingen des Arbeitspunkts des Verstärkers A zu beschleunigen.
Gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform der Anordnung zum Verstärken des Ausgangssignals OS des MEMS-Kapazitivsensors MCS wird das Ausgangssignal des MEMS-Kapazitivsensors von der Rückplatte BP abgenommen und die Membrane M ist mit einer „Referenzmasse“ der Verstärkerschaltung verbunden, die an dem Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD des MEMS-Kapazitivsensors mittels der Signalverarbeitungsschaltung SPC bereitgestellt wird. Die zwischen den Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung SPC zum Empfangen des Ausgangssignals OS des MEMS-Kapazitivsensors, an welchem auch die Vorspannung Vbias bereitgestellt ist, und den Steueranschluss CA des Verstärkers A, der als die Gate-Verbindung GC des Transistors des Verstärkers A ausgelegt sein kann, geschaltete AC-Koppelkapazität CAC verursacht einen gewissen Verlust des Ausgangssignals OS, das von der Rückplatte BP des Kondensators CMEMS abgegriffen wird, um durch die Verstärkerschaltung AC verstärkt zu werden, aufgrund einer unvermeidbaren parasitären Kapazität zwischen der unteren Platte der Koppelkapazität CAC zum Bulk der Signalverarbeitungsschaltung.
3 zeigt eine verbesserte Ausführungsform einer Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals OS des MEMS-Kapazitivsensors MCS. Der MEMS-Kapazitivsensor umfasst den Kondensator CMEMS mit einer variablen Kapazität. Der Kondensator CMEMS umfasst die Rückplatte BP und die Membran M, die voneinander durch einen variablen Abstand getrennt sind, wie in 1A gezeigt ist. Der MEMS-Kapazitivsensor MCS kann als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt sein, wobei der variable Abstand zwischen der Rückplatte BP und der Membran M unter dem Einfluss irgendeines akustischen Drucks geändert werden kann. Der Kondensator CMEMS ist auf einem Bulk/Substrat B des MEMS-Kapazitivsensors angeordnet, wie in 1A gezeigt ist.
Der MEMS-Kapazitivsensor MCS umfasst einen Ausgangsanschluss MOUT zum Bereitstellen des Ausgangssignals OS. Ein Pegel des Ausgangssignals OS wird durch den MEMS-Kapazitivsensor in Abhängigkeit von einer Änderung der Kapazität des Kondensators CMEMS bereitgestellt. In dem Fall, dass der Kapazitivsensor als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt ist, wird die Kapazität des MEMS-Mikrofons in Abhängigkeit von einem beliebigen akustischen Druck, der auf die Oberfläche der Membran M einwirkt, geändert. Der Ausgangsanschluss MOUT des MEMS-Kapazitivsensors ist mit der Rückplatte BP des Kondensators CMEMS verbunden.
Der MEMS-Kapazitivsensor MCS umfasst ferner einen Vorspannungseingangsanschluss MBIAS zum Anlegen einer Vorspannung Vbias. Der Vorspannungseingangsanschluss Mbias ist mit der Membran M verbunden. Der MEMS-Kapazitivsensor umfasst ferner einen Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD zum Anlegen einer Versorgungsspannung VDD. Der Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD ist mit dem Substrat/dem Bulk B des MEMS-Kapazitivsensors verbunden. Eine parasitäre Kapazität CMB des MEMS-Kapazitivsensors MCS ist zwischen der Membran M und dem Substrat/dem Bulk B angeordnet. Die parasitäre Kapazität CMB ist mit dem Vorspannungseingangsanschluss Mbias und dem Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD des MEMS-Kapazitivsensors gekoppelt. Gemäß einer Ausführungsform des MEMS-Kapazitivsensors kann das Substrat/das Bulk B Bulk-Silizium umfassen.
Die Signalverarbeitungsschaltung SPC zum Bereitstellen der Vorspannung Vbias zum Vorspannen des Kondensators CMEMS und zum Verstärken des Ausgangssignals OS des MEMS-Kapazitivsensors umfasst einen Spannungsgenerator VG zum Bereitstellen der Vorspannung Vbias. Der Spannungsgenerator VG kann als eine Ladungspumpe ausgelegt sein, die über ein Filter, das antiparallel geschaltete Dioden DF1 und einen Kondensator CF1 umfassen kann, mit einem Vorspannungsausgangsanschluss BIAS der Signalverarbeitungsschaltung zum Bereitstellen der Vorspannung Vbias für den MEMS-Kapazitivsensor gekoppelt ist. Der Vorspannungsausgangsanschluss BIAS der Signalverarbeitungsschaltung ist mit dem Vorspannungseingangsanschluss MBIAS des MEMS-Kapazitivsensors MCS gekoppelt.
Die Signalverarbeitungsschaltung SPC weist einen Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD zum Bereitstellen der Versorgungsspannung VDD für den MEMS-Kapazitivsensor MCS auf. Die Versorgungsspannung VDD kann für die Signalverarbeitungsschaltung an einem internen Versorgungsspannungsanschluss VT bereitgestellt sein. Zu diesem Zweck kann ein Versorgungsspannungsgenerator, welcher in 3 nicht gezeigt ist, mit dem internen Versorgungsspannungsanschluss VT gekoppelt sein, zum Bereitstellen der Versorgungsspannung. Der Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD der Signalverarbeitungsschaltung SPC ist mit dem Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD des MEMS-Kapazitivsensors MCS verbunden.
Die Signalverarbeitungsschaltung SPC umfasst ferner eine Verstärkerschaltung AC zum Bereitstellen eines verstärkten Ausgangssignals AOS an einem Signalausgangsanschluss OUT. Die Verstärkerschaltung AC ist ausgelegt zum Bereitstellen des verstärkten Ausgangssignals AOS durch Verstärken des Ausgangssignals OS, das durch den MEMS-Kapazitivsensor MCS an dem Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung bereitgestellt wird. Die Verstärkerschaltung AC umfasst einen Verstärker A zum Verstärken des Ausgangssignals OS und zum Bereitstellen des verstärkten Ausgangssignals AOS an dem Signalausgangsanschluss OUT. Der Verstärker A ist zum Anlegen einer Referenzspannung VSS zwischen dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD und einem Referenzanschluss RT angeordnet.
Der Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung ist ausgelegt zum Empfangen des Ausgangssignals OS des MEMS-Kapazitivsensors MCS. Zu diesem Zweck ist der Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung mit dem Ausgangsanschluss MOUT des MEMS-Kapazitivsensors MCS gekoppelt. Der Verstärker A der Signalverarbeitungsschaltung weist einen Steueranschluss CA zum Anlegen eines Steuersignals, d. h. des Ausgangssignals OS des MEMS-Kapazitivsensors, auf, zum Steuern eines leitenden Pfads des Verstärkers A zwischen dem internen Versorgungsspannungsanschluss VT und dem Referenzanschluss RT. Der Steueranschluss CA des Verstärkers A ist mit dem Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung verbunden.
Wie in der Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung SPC von 3 gezeigt ist, ist der Steueranschluss CA des Verstärkers A direkt mit dem Signaleingangsanschluss IN verbunden. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung ist der Steueranschluss CA des Verstärkers A mit dem Signaleingangsanschluss IN verbunden, ohne die Koppelkapazität CAC in dem Signalpfad zwischen dem Signaleingangsanschluss IN und dem Steueranschluss CA des Verstärkers A bereitzustellen.
Der Verstärker A der Verstärkerschaltung AC der Signalverarbeitungsschaltung kann einen Transistor mit einer Gate-Verbindung GC umfassen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Steueranschluss CA mit der Gate-Verbindung GC verbunden oder entspricht der Gate-Verbindung GC. Der Transistor des Verstärkers A kann als ein PMOS-Transistor ausgelegt sein. Der Verstärker A kann ferner eine mit dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD gekoppelte Eingangsverbindung IC und eine mit dem Referenzanschluss RT und dem Signalausgangsanschluss OUT gekoppelte Ausgangsverbindung OC umfassen. Die Ausgangsverbindung OC kann über einen variablen Widerstand RD mit dem Referenzanschluss RT gekoppelt sein. Die Ausgangsverbindung OC des Transistors kann über den Puffer BF mit dem Signalausgangsanschluss OUT verbunden sein. Eine Steuerschaltung CFL kann in einem Rückkopplungspfad des Verstärkers A zwischen dem variablen Widerstand RD und dem Steueranschluss CA des Verstärkers A bereitgestellt sein. Die Steuerschaltung CFL kann als eine sogenannte DC-Servoregelung ausgelegt sein, welche dazu verwendet wird, damit das Einschwingen auf den Arbeitspunkt des Verstärkers A, insbesondere des Transistors, schnell erfolgt.
Die Signalverarbeitungsschaltung SPC kann einen Kondensator CF2 umfassen, der zwischen den Vorspannungsausgangsanschluss BIAS und den Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD der Signalverarbeitungsschaltung geschaltet ist. Der Kondensator CF2 ist zu der parasitären Kapazität CMB des MEMS-Kapazitivsensors parallelgeschaltet.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform der Anordnung zum Verstärken des Ausgangssignals des in 2 gezeigten MEMS-Kapazitivsensors umfasst die in 3 gezeigte Ausführungsform der Anordnung zum Verstärken des Ausgangssignals des MEMS-Kapazitivsensors den MEMS-Kapazitivsensor MCS mit drei Pins. Einer von diesen ist der Ausgangsanschluss MOUT zum Bereitstellen des Ausgangssignals OS, das an den Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung SPC gekoppelt wird. Der MEMS-Kapazitivsensor MCS umfasst ferner den Vorspannungseingangsanschluss MBIAS zum Anlegen der Vorspannung Vbias und, als einen dritten Anschluss, den Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD zum Anlegen der Versorgungsspannung VDD.
Die Membran M ist mit dem Vorspannungseingangsanschluss MBIAS verbunden und die Rückplatte BP ist mit dem Ausgangsanschluss MOUT/dem Signaleingangsanschluss IN der Signalverarbeitungsschaltung verbunden. Im Gegensatz zu der Ausführungsform des in 2 gezeigten MEMS-Kapazitivsensors MCS ist das Substrat/der Bulk B des MEMS-Kapazitivsensors mit dem Versorgungsspannungseingangsanschluss MVDD des MEMS-Kapazitivsensors MCS/dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss AVDD der Signalverarbeitungsschaltung SPC verbunden zum Bereitstellen der Versorgungsspannung VDD. Die Verbindung zwischen dem MEMS-Kapazitivsensor MCS und der Signalverarbeitungsschaltung über drei Pads ist ebenfalls in 1B durch die Drei-Draht-Verbindung der Drähte wl, w2 und w3 zwischen dem MEMS-Kapazitivsensor MCS und der Signalverarbeitungsschaltung SPC veranschaulicht, wie in 1B veranschaulicht ist.
Durch Verwenden der in 3 gezeigten Ausführungsform des MEMS-Kapazitivsensors MCS und der Signalverarbeitungsschaltung SPC wird die Koppelkapazität CAC, welche in dem Signalpfad zwischen dem Signaleingangsanschluss IN und dem Steueranschluss CA des Verstärkers A der Signalverarbeitungsschaltung von 2 bereitgestellt ist und welche durch das Ausgangssignal OS von dem MEMS-Kapazitivsensor aufgeladen wird, nunmehr mit dem Design des MEMS-Kapazitivsensors und der Signalverarbeitungsschaltung von 3 nicht länger benötigt. Die Anordnung des MEMS-Kapazitivsensors MCS und der Signalverarbeitungsschaltung SPC von 3 bietet Vorteile hinsichtlich der SNR-Leistungsfähigkeit des MEMS-Kapazitivsensors, beispielsweise eines MEMS-Mikrofons, und/oder hinsichtlich Kostenreduktion der Signalverarbeitungsschaltung.
Dieselbe oder sogar bessere SNR-Leistungsfähigkeit im Vergleich zu der SNR-Leistungsfähigkeit der Anordnung von 2 kann mit der Anordnung von 3 mit einer kleineren für die Signalverarbeitungsschaltung SPC benötigten Fläche und bei geringeren Kosten erreicht werden, beispielsweise ohne Verwendung teurer MiM-Kondensatoren. Durch Beibehalten derselben Fläche im Vergleich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform der Anordnung kann das SNR mittels der Ausführungsform der Anordnung des MEMS-Kapazitivsensors und der Signalverarbeitungsschaltung von 3 durch Verwenden der in der Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung von 2 der Koppelkapazität CAC gewidmeten Fläche weiter verbessert werden, um die Filterkapazität CF2 der Signalverarbeitungsschaltung SPC von 3 zu vergrößern.
Gemäß dem Design der Anordnung des MEMS-Kapazitivsensors MCS und der Signalverarbeitungsschaltung SPC von 3 ist die zwischen der Membran M und dem Bulk/dem Substrat B befindliche parasitäre MEMS-Kapazität CMB, wie oben erläutert wurde, parallel zu der Kapazität CF2 der Signalverarbeitungsschaltung SPC geschaltet. Falls der MEMS-Kapazitivsensor MCS so ausgestaltet werden kann, dass die parasitäre Kapazität CMB groß ist, dann kann dies ausgenutzt werden, um entweder das SNR zu verbessern oder die Fläche und die Kosten der Signalverarbeitungsschaltung SPC zu verringern.
Darüber hinaus bietet die neue in 3 gezeigte Konfiguration des MEMS-Kapazitivsensors MCS und der Signalverarbeitungsschaltung SPC auf Kosten eines zusätzlichen Pads, d. h. eines zusätzlichen BIAS-Pads, ein einfaches Verfahren zum Invertieren der Polarität des MEMS-Kapazitivsensors, beispielsweise eines MEMS-Mikrofons, ohne die Topologie der Signalverarbeitungsschaltung zu beeinträchtigen. Derselbe Spannungsgenerator VG/dieselbe Ladungspumpe und dieselbe invertierende Vorverstärkertopologie, wie sie für die Ausführungsform des MEMS-Kapazitivsensors MCS und die Signalverarbeitungsschaltung SPC von 2 verwendet werden, können für die Ausführungsform der Anordnung zum Verstärken des Ausgangssignals OS des in 3 gezeigten MEMS-Kapazitivsensors beibehalten werden.
Bezugszeichenliste

MCS: MEMS-Kapazitivsensor
CMEMS: Kondensator des MEMS-Kapazitivsensors
BP: Rückplatte
M: Membran
B: Substrat/Bulk
CMB: Parasitäre Kapazität des MEMS-Kapazitivsensors
CAB: Koppelkapazität
IN: Signaleingangsanschluss
BIAS: Vorspannungsausgangsanschluss
AVDD: Versorgungsspannungsausgangsanschluss
OUT: Signalausgangsanschluss
AC: Verstärkerschaltung
SPC: Signalverarbeitungsschaltung
VG: Spannungsgenerator
Vbias: Vorspannung
A: Verstärker
CA: Steueranschluss des Verstärkers
OS: Ausgangssignal
AOS: verstärktes Ausgangssignal

Claims

MEMS-Kapazitivsensor, umfassend: einen Kondensator (CMEMS), aufweisend eine variable Kapazität, wobei der Kondensator (CMEMS) eine Rückplatte (BP) und eine Membrane (M) umfasst, die voneinander durch einen variablen Abstand getrennt sind, wobei der Kondensator (CMEMS) auf einem Substrat (B) angeordnet ist, einen Ausgangsanschluss (MOUT) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (OS), wobei der Ausgangsanschluss (MOUT) mit der Rückplatte (BP) verbunden ist, einen Vorspannungseingangsanschluss (MBIAS) zum Anlegen einer Vorspannung (Vbias), wobei der Vorspannungseingangsanschluss (MBIAS) mit der Membrane (M) verbunden ist, einen Versorgungsspannungseingangsanschluss (MVDD) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (VDD), wobei der Versorgungsspannungseingangsanschluss (MVDD) mit dem Substrat (B) verbunden ist, wobei der MEMS-Kapazitivsensor (MCS) dazu ausgelegt ist, einen Pegel des Ausgangssignals (OS) in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Membran (M) und der Rückplatte (BP) zu erzeugen.
MEMS-Kapazitivsensor nach Anspruch 1, umfassend eine parasitäre Kapazität (CMB), die zwischen der Membran (M) und dem Substrat (B) angeordnet ist.
MEMS-Kapazitivsensor nach Anspruch 2, wobei die parasitäre Kapazität (CMB) an den Vorspannungseingangsanschluss (MBIAS) und den Versorgungsspannungseingangsanschluss (MVDD) geschaltet ist.
MEMS-Kapazitivsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Substrat (B) ein Bulk-Silizium umfasst.
MEMS-Kapazitivsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der MEMS-Kapazitivsensor (MCS) als ein MEMS-Mikrofon ausgelegt ist.
Anordnung zum Verstärken eines Ausgangssignals eines MEMS-Kapazitivsensors, umfassend: einen MEMS-Kapazitivsensor (MCS) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, eine Signalverarbeitungsschaltung (SPC), aufweisend einen Versorgungsspannungsausgangsanschluss (AVDD) zum Bereitstellen der Versorgungsspannung (VDD) für den MEMS-Kapazitivsensor (MCS) und einen Signalausgangsanschluss (OUT) zum Bereitstellen eines verstärkten Ausgangssignals (AOS), wobei der Versorgungsspannungsausgangsanschluss (AVDD) der Signalverarbeitungsschaltung mit dem Versorgungsspannungseingangsanschluss (MVDD) des MEMS-Kapazitivsensors (MCS) verbunden ist, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (SPC) einen Verstärker (A) umfasst zum Verstärken des Ausgangssignals (OS) des MEMS-Kapazitivsensors und zum Bereitstellen des verstärkten Ausgangssignals (AOS) an dem Signalausgangsanschluss (OUT) der Signalverarbeitungsschaltung, wobei der Verstärker (A) der Signalverarbeitungsschaltung zwischen dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss (AVDD) und einem Referenzanschluss (RT) zum Anlegen einer Referenzspannung (VSS) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (SPC) einen Signaleingangsanschluss (IN) zum Empfangen des Ausgangssignals (OS) des MEMS-Kapazitivsensors (MCS) umfasst, wobei der Signaleingangsanschluss (IN) der Signalverarbeitungsschaltung mit dem Ausgangsanschluss (MOUT) des MEMS-Kapazitivsensors gekoppelt ist, wobei der Verstärker (A) der Signalverarbeitungsschaltung einen Steueranschluss (CA) zum Steuern des Verstärkers (A) aufweist, wobei der Steueranschluss (CA) des Verstärkers (A) der Signalverarbeitungsschaltung direkt mit dem Signaleingangsanschluss (IN) der Signalverarbeitungsschaltung verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Verstärker (A) der Signalverarbeitungsschaltung einen Transistor umfasst, der eine mit dem Steueranschluss (CA) des Verstärkers gekoppelte Gate-Verbindung (GC), eine mit dem Versorgungsspannungsausgangsanschluss (AVDD) der Signalverarbeitungsschaltung gekoppelte Eingangsverbindung (IC) und eine mit dem Referenzanschluss (RT) und dem Signalausgangsanschluss (OUT) gekoppelte Ausgangsverbindung (OC) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei der Transistor als ein PMOS-Transistor ausgelegt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (SPC) einen Vorspannungsausgangsanschluss (BIAS) aufweist zum Bereitstellen der Vorspannung (Vbias) für den MEMS-Kapazitivsensor (MCS), wobei der Vorspannungsausgangsanschluss (BIAS) der Signalverarbeitungsschaltung mit dem Vorspannungsanschluss (MBIAS) des MEMS-Kapazitivsensors gekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (SPC) einen Kondensator (CF2) umfasst, der zwischen den Vorspannungsausgangsanschluss (BIAS) und den Versorgungsspannungsausgangsanschluss (AVDD) der Signalverarbeitungsschaltung geschaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei der Kondensator (CF2) der Signalverarbeitungsschaltung parallel zu der parasitären Kapazität (CMB) des MEMS-Kapazitivsensors geschaltet ist.