半導(dǎo)體器件和西格瑪-德爾塔回路mems獲取的制作方法
【專利說明】
[0001] 要求國內(nèi)優(yōu)先權(quán) 本申請要求2013年3月15日提交的美國臨時申請?zhí)?1/788, 286的優(yōu)先權(quán)，該申請通 過引用被合并在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體器件，并且更具體而言涉及使用西格瑪-德爾塔 (sigma-delta)回路測量MEMS的狀態(tài)的測量電路和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 半導(dǎo)體器件通常存在于現(xiàn)代電子產(chǎn)品中。半導(dǎo)體器件在電部件的數(shù)目和密度上變 化。集成半導(dǎo)體器件典型地含有數(shù)百到數(shù)百萬個電部件。集成半導(dǎo)體器件的示例包含微控 制器、微處理器、專用集成電路（ASIC)、以及其它特定功能電路。分立半導(dǎo)體器件通常含有 一種類型的電部件，例如發(fā)光二極管（LED)、小信號晶體管、電阻器、電容器、電感器、以及功 率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（M0SFET)。
[0004] 半導(dǎo)體器件執(zhí)行各種各樣的功能，諸如信號處理、高速計(jì)算、傳輸和接收電磁信 號、控制電子器件的操作、以及控制機(jī)械器件的移動。半導(dǎo)體器件存在于在下述領(lǐng)域中：通 信、功率轉(zhuǎn)換、機(jī)械控制、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、以及消費(fèi)者產(chǎn)品。半導(dǎo)體器件也存在于軍事應(yīng)用、航 空、汽車、工業(yè)控制器、以及辦公室設(shè)備中。
[0005] 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)經(jīng)常與以上半導(dǎo)體器件使用。比如，MEMS能夠是梳式致動器、 用于手機(jī)相機(jī)的透鏡、可移動鏡子、加速度計(jì)、或陀螺儀。MEMS可以呈現(xiàn)來自兩個電極或元 件(其中電介質(zhì)在電極之間）的電容。MEMS的電容隨兩個電極之間的相對位移或距離而改 變。在用于相機(jī)的透鏡的情形中，通過移動透鏡的焦點(diǎn)或通過關(guān)于傳感器移動透鏡來改變 電容，即電容隨透鏡的位移而變化。透鏡的移動或位移能夠通過測量MEMS的電容來確定。 MEMS的當(dāng)前狀態(tài)和操作能夠通過測量有效電容的改變來控制。
[0006] 圖1示出用于測量MEMS的電容的測量電路10的傳統(tǒng)框圖和示意圖，該MEMS的電 容由在結(jié)點(diǎn)14和操作在地電位的端子16之間耦合的可變電容器12來表示。電荷栗20通 過連接電路22被耦合到結(jié)點(diǎn)14以改變跨過電容器12的電壓，這生成對MEMS施加力的電 場以例如誘導(dǎo)MEMS電容器的一個電極的移動。MEMS電容器12的值隨后被測量以確定由施 加電荷栗電壓引起的MEMS電容器的電極的位移量或新位置。連接電路22能夠是晶體管、 電阻器、或電子開關(guān)。電容器24被親合在結(jié)點(diǎn)14和結(jié)點(diǎn)26之間，并且電容器28被親合在 結(jié)點(diǎn)14和結(jié)點(diǎn)30之間。重置電路32能夠是耦合在結(jié)點(diǎn)26和結(jié)點(diǎn)30之間的晶體管或電 子開關(guān)。脈沖或階梯信號發(fā)生器34具有親合到放大器36的非反相輸入的輸出。放大器36 的反相輸入被親合到結(jié)點(diǎn)26,并且放大器36的輸出在測量電路10的輸出端子38處被親合 到結(jié)點(diǎn)30以提供模擬輸出信號作為電容器12的值的代表性測量。
[0007] 測量電路10提供MEMS電容器12的模擬測量，即電容器12的值要被確定。假設(shè) 連接電路22和重置電路32是閉合的或低阻抗。來自電荷栗20的電壓被施加到電容器12 以引起MEMS的狀態(tài)的改變或位移。電容器24和28將放大器36與結(jié)點(diǎn)14上的來自電荷 栗20的高電壓隔離，即對使MEMS位移或改變MEMS的狀態(tài)所要求的電壓能夠大于有源放大 器的擊穿電壓。電容器28被耦合到結(jié)點(diǎn)14以將電荷注入到MEMS電容器12中。電容器24 感測在結(jié)點(diǎn)14處的電壓（V 14)的改變。由于重置電路32是低阻抗，所以放大器36的反相 輸入的電壓基本上等于放大器的輸出電壓，其等于來自脈沖發(fā)生器34的在放大器的非反 相輸入處的電壓。
[0008] 連接電路22和重置電路32被斷開或被設(shè)置到高阻抗，即連接電路22和重置電路 32在測量階段期間被禁用。脈沖發(fā)生器34將脈沖或階梯函數(shù)V p提供給放大器36的非反 相輸入。注意在放大器36的反相輸入處的電壓將與施加到放大器的非反相輸入的Vp基本 上相同。放大器36的輸出改變以使放大器的反相輸入跟隨V p。放大器36的輸出電壓基于 電容器和Vp的比率來改變，即響應(yīng)于V p的放大器36的輸出電壓通過電容器28來施加以引 起作為電容器12的函數(shù)的V14的改變，其隨后跨過放大器的輸入通過電容器24被測量并且 在放大器的輸出處被提供。電容器12的值(MEMS的位移或狀態(tài)）歸因于由電荷栗20施加 的力是不可知的。然而，電容器12的值能夠從作為電容器12的函數(shù)的V 14的改變來確定并 且被提供為在輸出端子38處的放大器36的模擬輸出電壓。放大器36的模擬輸出電壓隨 電容器12的值而改變。
[0009] 圖2示出用于測量MEMS的電容的測量電路40的另一個傳統(tǒng)框圖和示意圖，該 MEMS的電容由在結(jié)點(diǎn)44和操作在地電位的端子46之間耦合的可變電容器42來表示。電 荷栗50通過連接電路52被耦合到結(jié)點(diǎn)44以改變跨過電容器42的電壓，這生成對MEMS施 加力的電場以例如誘導(dǎo)透鏡的移動。MEMS電容器42的值隨后被測量以確定由施加電荷栗 電壓引起的MEMS的位移量或新位置或狀態(tài)。連接電路52能夠是晶體管、電阻器、或電子開 關(guān)。電容器54被耦合在結(jié)點(diǎn)44和結(jié)點(diǎn)56之間，并且電容器58被耦合在結(jié)點(diǎn)44和結(jié)點(diǎn)60 之間。重置電路62能夠是耦合在結(jié)點(diǎn)56和結(jié)點(diǎn)60之間的晶體管或電子開關(guān)。脈沖或階 梯信號發(fā)生器64具有通過電容器66親合到放大器68的反相輸入的輸出。放大器68的非 反相輸入接收DC參考電壓V refi。放大器68的反相輸入在測量電路40的輸出端子70處被 耦合到結(jié)點(diǎn)60以提供電容器42的值的模擬輸出信號代表性測量。
[0010] 假設(shè)連接電路52和重置電路62是閉合的或低阻抗。來自電荷栗50的電壓被施 加到電容器42以引起MEMS的狀態(tài)的改變或位移。電容器54和58將放大器68與結(jié)點(diǎn)44 上的來自電荷栗50的高電壓隔離，即對使MEMS元件位移所要求的電壓能夠大于有源放大 器的擊穿電壓。連接電路52和重置電路62被斷開或被設(shè)置到高阻抗，即連接電路和重置 電路在測量階段期間被禁用。電容器58被耦合到結(jié)點(diǎn)44以將電荷注入到MEMS電容器42 中。電容器54感測在結(jié)點(diǎn)44處的電壓（V 44)的改變。脈沖發(fā)生器64通過電容器66將脈 沖或階梯函數(shù)Vp提供給放大器68的反相輸入。放大器68的輸出電壓基于電容器和V ^勺 比率來改變。因而，電容器42的值能夠從放大器68的模擬輸出電壓的變化來確定并且在 輸出端子70處成為可獲得。
[0011] MEMS電容器的測量使用傳統(tǒng)模擬電路，例如放大器36或68。來自放大器36或 68的MEMS電容器的模擬測量值必須例如通過含有測量電路的半導(dǎo)體管芯內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)被轉(zhuǎn)換到數(shù)字格式，或外部地被轉(zhuǎn)換到數(shù)字格式用于通過數(shù)字電路的進(jìn)一步處理。 MEMS電容器的模擬測量可能缺少在一些應(yīng)用中需要的分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 存在對在緊湊電路布局中以高分辨率來測量MEMS的需要。所以，在一個實(shí)施例中 本發(fā)明是用于MEMS的測量電路，該用于MEMS的測量電路包括用于測量MEMS的狀態(tài)的感測 結(jié)點(diǎn)。第一電容器被親合在感測結(jié)點(diǎn)和積分器的輸入之間。ADC包含親合到積分器的輸出 的輸入和提供表示MEMS的狀態(tài)的數(shù)字信號的輸出。DAC包含耦合到ADC的輸出的輸入。第 二電容器被耦合在DAC的輸出和感測結(jié)點(diǎn)之間。
[0013] 在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明是測量MEMS的方法，該測量MEMS的方法包括下述步 驟：在感測結(jié)點(diǎn)處感測MEMS的狀態(tài)作為第一電壓變化，通過第一電容器將第一電壓變化傳 遞到第二結(jié)點(diǎn)作為第一信號，通過第二電容器將第二電壓變化提供給第二結(jié)點(diǎn)作為第二信 號，將第一信號和第二信號積分以提供積分信號，將積分信號轉(zhuǎn)換到表示MEMS的狀態(tài)的數(shù) 字信號，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到模擬信號，并且通過第三電容器將模擬信號路由到感測結(jié)點(diǎn)。
[0014] 在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明是用于測量MEMS的半導(dǎo)體器件，該用于測量MEMS的半 導(dǎo)體器件包括用于測量MEMS的感測結(jié)點(diǎn)。第一電容器被耦合在感測結(jié)點(diǎn)和第一積分器的 輸入之間。ADC包含耦合到第一積分器的輸出的輸入和提供表示MEMS的狀態(tài)的數(shù)字信號的 輸出。反饋電路被親合在ADC的輸出和感測結(jié)點(diǎn)之間。
[0015] 在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明是測量MEMS的方法，該測量MEMS的方法包括下述步 驟：在感測結(jié)點(diǎn)處感測MEMS的狀態(tài)作為第一電壓變化，通過第一電容器將第一電壓變化傳 遞到第二結(jié)點(diǎn)作為第一信號，將第一信號積分以提供積分信號，并且將積分信號轉(zhuǎn)換到表 示MEMS的狀態(tài)的數(shù)字信號。
【附圖說明】
[0016] 圖1是用于測量MEMS的電容的傳統(tǒng)測量電路的示意圖和框圖； 圖2是用于測量MEMS的電容的另一個傳統(tǒng)測量電路的示意圖和框圖； 圖3圖解MEMS和分離的測量電路； 圖4圖解含有測量電路的帶有外部管腳的半導(dǎo)體封裝； 圖5是使用帶有反饋的西格瑪-德爾塔回路的用于MEMS的測量電路的示意圖和框圖； 圖6圖解西格瑪-德爾塔回路的操作的波形圖； 圖7a-7d是在西格瑪-德爾塔回路和反饋的操作的各種階段期間測量電路的示意圖和 框圖；并且 圖8是使用二階西格瑪-德爾塔回路的用于MEMS的測量電路的示意圖和框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 參考附圖在下面描述中的一個或多個實(shí)施例中描述本發(fā)明，在附圖中相似的數(shù)字 表示相同或類似的元件。盡管依據(jù)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)的最佳模式來描述本發(fā)明，但是 本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到意圖覆蓋如可以被包含在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替選方式、修 改、和等價物，本發(fā)明的精神和范圍如由所附權(quán)利要求和它們的等價物限定，所附權(quán)利要求 和它們的等價物如由下面公開內(nèi)容和附圖支持。
[0018] 半導(dǎo)體器件執(zhí)行各種各樣