專利名稱：一種適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及微機電器件技術領域，具體地說，本發明涉及一種適合單芯片集 成的調頻硅微電容傳聲器系統。
背景技術：
硅微電容傳聲器是一種新型的傳聲器，它通常由硅微電容芯片部分和外圍電 路部分組成。其中硅微電容芯片部分是傳聲器的核心，當接收到聲壓的變化，通 過間隙的變化而產生一個可變的電容。外圍電路部分由DC-DC直流升壓電路和阻 抗變換器組成，DC-DC直流升壓電路產生一個高于電源電壓值的直流電壓，作為 偏置電壓提供給硅微電容芯片，而阻抗變換器具有很高的輸入阻抗和小的輸入電 容，起到緩沖放大的作用，將負載能力小的硅微電容芯片的信號進行緩沖或放大。 硅微電容傳聲器的靈敏度一般在0.2 25 mV/Pa的范圍內，電容為1 20pF， 頻率響應在10Hz 15KHz的范圍內。
硅微電容芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板或者說聲學孔背板、空氣隙、 隔離層、保護、振動膜及金屬電極組成。由于其制作工藝的復雜性，隨著技術的 發展，很多新的結構及其制備方法不斷地被提出。
己知有多種硅微電容傳聲器的例子，這些例子分別采用了不同的結構或方式 來實現硅微電容傳聲芯片的穿孔背板或者說聲學孔背板、空氣隙、隔離層、振動 膜等，如Hohm(1986)采用鍵合的方法將分別有振動膜和聲孔的兩硅片鍵合在一 起，制作了硅微電容芯片；Bergqvist和Rudolf (1990)等在Hohm的基礎上， 增加了一個后空室，并采用了有多個小聲學阻尼孔的背板；Sche印er和Van der Donk (1992)等采用了不同的振動膜；Pedersen (1997)等描述了 一種帶集成CMOS 前置放大器的聚酰亞胺薄膜電容傳聲器，他使用了低于300度的低溫工藝，以便 可以在制作完硅微電容傳聲芯片后可以進行CMOS后處理工藝。
本申請人已經獲得授權的相關發明專利包括"微硅麥克風及其制備方法" (授權號CN1684546)和"一種硅微電容傳聲器芯片及其制備方法"(授權 號CN1791281)，分別提出了新型的硅微電容傳聲器芯片的結構及其制備方法。
以上所述已知的硅微電容傳聲器都包括硅微電容傳聲芯片、直流偏置電路和 高輸入阻抗的阻抗變換器三個主要部分，硅微電容傳聲芯片上電容的微小變化引 起其電壓的變化，此電壓通過阻抗變換器輸出一個交流電壓信號。當作為一個獨立的傳聲器時，這種方式的優點是采用非常直接的方法完成了從振動膜的機械振 動到電信號的轉換過程。這樣的傳聲器使用起來也很方便。但也有如下的不足之 處1) 由于硅微電容傳聲芯片上需要一個大的偏置電壓，這個電壓通常高于電源電壓，因此，需要一個DC-DC直流升壓電路，而將硅微電容傳聲 芯片、DC-DC直流偏置電路和高輸入阻抗的阻抗變換器集成在一起， 因為每部分的制作工藝不能完全兼容， 一般來講， 一體化集成是比較 困難的。2) 由于高的直流偏置電壓要通過一個大的偏置電阻(示例地，如500M 歐姆或更大)才能保證其在低頻端的頻率響應有較小的衰落，這個電 阻的制作也比較困難。3) 傳統的傳聲器中所用的阻抗變換器通常是JFET，即結型場效應管，它 有非常好的噪聲特性。目前集成化的CMOS工藝， 一般很難達到JFET 那么低的噪聲水平。發明內容本發明的目的在于克服現有技術中一體化集成硅微電容傳聲器所面臨的困 難，從而提供一種工藝簡單的，適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統。為了實現上述目的，本發明提供的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系 統(圖1)，包括電容傳聲芯片，其特征在于，還包括集成高Q射頻諧振器和射 頻振蕩電路，所述集成高Q射頻諧振器與電容傳聲芯片串聯或并聯，并與所述射 頻振蕩電路一起構成一個射頻振蕩回路；該射頻振蕩回路的輸出是一個頻率調制 的射頻信號；所述的集成高Q射頻諧振器的品質因數Q至少為100。上述技術方案中，所述電容傳聲芯片是硅微電容傳聲芯片。上述技術方案中，所述硅微電容傳聲芯片是利用現代超大規模集成電路工 藝，在硅基片上通過體刻蝕工藝制作而成的芯片，該芯片由硅基片及其上的穿孔 背板、空氣隙、隔離層、保護層、振動膜及金屬電極組成。上述技術方案中，所述的集成高Q射頻諧振器是利用現代超大規模集成電路
工藝，在硅基片上制作的薄膜體聲波諧振器(FBAR)或高階多模體聲波諧振器 (HBAR);或者是由壓電晶體或壓電陶瓷構成的晶體諧振器；或者是高Q集成電
感和高Q集成電容組成的諧振器。
上述技術方案中，所述的集成高Q射頻諧振器的諧振頻率范圍為10MHz 10GHz。
上述技術方案中，所述的射頻振蕩電路由品體三極管、M0S管、場效應管、 集成運算放大器等和若干電阻、電容和電感一起構成，該射頻振蕩電路與所述的 硅微電容傳聲芯片和所述的集成高Q射頻諧振器一起，構成一個皮爾斯(Pierce) 射頻振蕩器或密勒(Miller)射頻振蕩器或克拉潑(Clapp)射頻振蕩器或考皮 茨(Colpitts)射頻振蕩器。
上述技術方案中，所述射頻振蕩電路包括一個提供產生并維持振蕩的跨導的 M0S三極管，該M0S三極管的柵極和漏極分別與硅微電容傳聲芯片和集成高Q射 頻諧振器的一端連接，所述硅微電容傳聲芯片和集成高Q射頻諧振器的另一端相 互串聯；所述V10S三極管的源極S接地；所述三極管的柵極和漏極還分別連接一 個接地電容，所述M0S三極管的漏極輸出作為所述射頻振蕩電路的輸出端。
上述技術方案中，所述硅微電容傳聲芯片、集成高Q射頻諧振器和射頻振蕩 電路用相互兼容的CMOS工藝制作并構成一個單芯片系統。
本發明具有如下有益效果
1) 省去了傳統的硅微電傳聲器中不容易和CMOS工藝兼容或制作困難的 DC-DC直流升壓電路、500M歐姆以上的大電阻以及低噪聲JFET阻抗變換器。
2) 由于所述的硅微電容傳聲器芯片和薄膜體聲波諧振器(FBAR)(高Q 諧振器的一種)都是采用和CMOS相互兼容的半導體制作工藝，因此，本發明提 供的調頻硅微電容傳聲器系統易于一體化集成，形成一個單芯片系統(即S0C)。
3) 這種將電容變化轉換成頻率變化的方法，可以避免傳聲器在低頻端 由于偏置電阻太小而引起的衰落。原理上講，本發明提出的調頻硅微電容傳聲器 系統的低頻響應可以從直流開始。
4) 由本發明提出的調頻硅微電容傳聲器系統的輸出是頻率調制的射頻 信號，所以，在構成無線麥克風系統時，可以直接通過天線發射出去，這樣大大 簡化系統的設計。并且當調頻的帶寬很大時，在接收端有很大的調頻增益，從而 使整個無線通訊系統有較強的抗干擾能力。
總之，本發明提供的調頻硅微電容傳聲器系統，不但克服了已知硅微電容傳
聲器一體化集成時所面臨的一些困難，而且其制作工藝與現有的CMOS工藝兼容， 從而提供一種適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統。
圖1調頻硅微電容傳聲器系統原理性框圖 圖2適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統電路原理圖 圖3基于調頻硅微電容傳聲器的無線調頻麥克風系統原理圖 圖4基于調頻硅微電容傳聲器的有線調頻麥克風系統原理圖
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一歩詳細描述。
實施例1:
圖1示出了本發明的一個實施例的原理性框圖。本發明即一種適合單芯片集成的 調頻硅微電容傳聲器系統包括硅微電容傳聲芯片、集成高Q射頻諧振器和射頻振蕩電
路三個部分。所述的硅微電容傳聲芯片和所述的集成高Q射頻諧振器通過串聯或并聯
的方式連接在一起，和所述的射頻振蕩電路一起構成一個射頻振蕩電路。
本發明的工作原理是這樣的所述的硅微電容傳聲芯片的作用等效一個可變 電容，當接收到變化的聲壓時，它的電容將產生微小的改變。當所述的硅微電容 傳聲芯片和所述的集成高Q射頻諧振器串連或并聯在一起與所述的射頻振蕩電 路相連接而構成振蕩器時，所述的硅微電容傳聲芯片上電容的微小改變將牽引所
述的集成高Q射頻諧振器，從而微小地改變整個振蕩電路輸出信號的頻率，即將
電容的微小變化轉換成振蕩電路頻率的變化。這樣，所述的調頻硅微電容傳聲器 系統的輸出是一個頻率調制的調頻射頻信號。
所述的硅微電容傳聲芯片是一種廣義的硅微電容傳聲芯片，它是利用現代超 大規模集成電路工藝，在硅基片上通過復雜的體刻蝕工藝制作而成。硅微電容芯 片由硅基片及其上的穿孔背板或者說聲學孔背板、空氣隙、隔離層、保護、振動 膜及金屬電極組成。由于其制作工藝的復雜性，隨著技術的發展，很多新的結構 及其制備方法不斷地被提出。這里不限定硅微電容傳聲芯片的結構。所述的硅微 電容傳聲芯片也可以是傳統的電容傳聲芯片(如有機膜電容傳聲器芯片和金屬膜 電容傳聲器芯片等)。本發明優選硅微電容傳聲芯片。
所述的集成高Q射頻諧振器是一種廣義的高品質因數的諧振器(其品質因數Q>100)，它一般是指利用現代超大規模集成電路工藝，在硅基片上制作的薄膜體 聲波諧振器(FBAR)或高階多模體聲波諧振器(HBAR);也可以是由不同切割的 石英晶體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、PMNT等壓電晶體或壓電陶瓷PZT構成的晶體諧振 器；也可以是高Q集成電感和高Q集成電容組成的諧振器。本發明優選的是和 CMOS制作工藝兼容、在硅基片上制作的薄膜體聲波諧振器(FBAR)。所述的集成 高Q射頻諧振器的諧振頻率范圍為10圖z lOGHz。所述的射頻振蕩電路是廣義的射頻振蕩電路，它的功能是與所述的硅微電容 傳聲芯片和所述的集成高Q射頻諧振器一起，構成一個射頻振蕩器。本發明優選 皮爾斯(Pierce)結構射頻振蕩器，也稱為三點式振蕩器；這里也可以是采用別 的結構的射頻振蕩器，如密勒(Miller)振蕩電路、克拉潑(Clapp)振蕩電路、 考皮茨(Colpitts)振蕩電路等。所述的射頻振蕩電路通常由晶體三極管、MOS 管、場效應管、集成運算放大器等放大器和若干電阻、電容和電感一起構成。本實施例給出的是用硅微電容傳聲芯片傳感音頻信號的實例，但從工作原 理可知，本發明和本實施例并不限于硅微電容傳聲芯片，也可以是別的電容式傳 感芯片，如電容式微位移傳感芯片、電容式壓力傳感芯片等，只要是傳感物理量 的變化能夠引起電容的變化即可。對于不同的硅微電容傳感芯片，得到相應的物 理傳感信息。實施例2:圖2示出了本發明的另一個實施例的原理圖。本實施例給出了適合單芯片集 成的調頻硅微電容傳聲器系統的集成電路實現的具體細節。本實施例與實施例1 相同的部分不再重述。從圖2可以看出，本實施例給出的本發明即一種適合單芯片集成的調頻硅微 電容傳聲器系統包括硅微電容傳聲芯片、FBAR諧振器和射頻振蕩電路三個部分。 所述的硅微電容傳聲芯片和所述的FBAR諧振器串連在一起，并分別與N型MOS 三極管Q3的柵極G和漏極D連接，此MOS三極管的源極S接地。所述的N型MOS 三極管Q3的柵極G和漏極D分別與電容C1、電容C2連接，電容C1和電容C2 的另外一端接地。所述的N型MOS三極管Q3與所述的硅微電容傳聲芯片和FBAR諧振器以及所 述的電容C1、電容C2構成共源極皮爾斯(Pierce)三點式振蕩電路，其中正反 饋網絡由所述的硅微電容傳聲芯片和所述的FBAR諧振器以及所述的電容C1和電 容C2組成，所述的N型M0S三極管Q3提供產生和維持振蕩的跨導。
電路中的P型M0S管Ql和Q2以及電阻Rl和R2構成一個偏置網絡，用來設 置所述的N型M0S三極管Q3的工作點。其中所述的P型M0S管Ql和Q2構成一 個電流鏡像。
本實施例中所有的部分都可以用相互兼容的CMOS工藝制作，因此可以實現 一體化集成。
實施例3:
圖3示出了本發明的另一個實施例的原理圖。本實施例給出了基于調頻硅微 電容傳聲器的無線調頻麥克風系統原理圖。本實施例與實施例l、實施例2相同 的部分不再重述。
從圖3可以看出，基于調頻硅微電容傳聲器的無線調頻麥克風系統由無線發 射部分和無線接收部分組成。其中所述的無線發射部分包括調頻硅微電容傳聲器 系統、緩沖放大器以及天線匹配電路和天線所述的無線接收部分包括調頻解調 電路、傳感信號輸出、低通濾波電路、射頻混頻電路、本地射頻振蕩器、天線匹 配和低噪聲放大電路和天線。
無線調頻麥克風系統的工作過程是這樣的所述的調頻硅微電容傳聲器將接
收到的音頻信號變成射頻調頻信號，此射頻調頻信號經過所述的緩沖放大和天線 匹配電路進行功率放大，通過所述的天線發射出去。在接收端，天線接收到射頻 調頻信號，通過所述的天線匹配和低噪聲放大電路將接收到的微弱信號進行放 大，然后，將放大的射頻調頻信號傳遞給所述的射頻混頻電路。所述的射頻混頻 電路將來自所述本地射頻振蕩器輸出的本振信號與來自所述的天線匹配和低噪 聲放大電路輸出的射頻調頻信號進行混頻，將混頻輸出給所述的低通濾波電路以 濾去高頻載波和鏡像頻率信號，只保留所要的低頻調頻信號，此調頻信號經過所 述的調頻解調電路恢復出音頻信號，此音頻信號通過所述的傳感信號輸出可以以 音頻的方式輸出(如驅動楊聲器)，也可以連接到遠端的設備上。
對于載波頻率不是太高的情況下，所述的低通濾波電路、射頻混頻電路和本 地射頻振蕩器可以省略，所述的天線匹配和低噪聲放大電路輸出可以直接連接所 述的調頻解調電路，這樣整個系統變得非常簡單。所述的基于調頻硅微電容傳聲器的無線調頻麥克風系統中的無線發射部分 可以一體化集成，這樣，所述的調頻硅微電容傳聲器系統、緩沖放大和天線匹配電路和天線可以集成在一起，形成一個無線調頻麥克風的單芯片系統(即soc)。 對于短距離無線傳輸的情況，所述的緩沖放大和天線匹配電路也可以省略，這樣， 所述的調頻硅微電容傳聲器系統和天線就可以集成在一起構成一個單芯片集成 無線調頻麥克風系統。從這個實施例可以看出，在構成無線通訊系統時，本發明可以大大簡化系統 的設計，并可以一體化集成，形成一個單芯片無線調頻麥克風系統。實施例4:圖4示出了本發明的另一個實施例的原理圖。本實施例給出了基于調頻硅微 電容傳聲器的有線調頻麥克風系統原理圖。從圖4可以看出，基于調頻硅微電容傳聲器的有線調頻麥克風系統和實施例 3中的無線調頻麥克風系統有很多相同的地方。實際上在實施例3中，去掉與無 線有關的部件，用導線連接在一起，就構成了有線調頻麥克風系統。基于調頻硅微電容傳聲器系統的有線調頻麥克風系統包括調頻硅微電容傳 聲器系統、調頻解調電路、傳感信號輸出、低通濾波電路、射頻混頻電路和本地 射頻振蕩器。它的工作原理與實施例3相同，這里不再重述。同實施例3的情況一樣，對于載波頻率不是太高的情況下，所述的低通濾波 電路、射頻混頻電路和本地射頻振蕩器可以省略，所述的調頻硅微電容傳聲器系 統可以直接連接所述的調頻解調電路，這樣整個系統變得非常簡單。
權利要求
1、一種適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，包括電容傳聲芯片，其特征在于，還包括集成高Q射頻諧振器和射頻振蕩電路，所述集成高Q射頻諧振器與電容傳聲芯片串聯或并聯，并與所述射頻振蕩電路一起構成一個射頻振蕩回路；該射頻振蕩回路的輸出是一個頻率調制的射頻信號；所述的集成高Q射頻諧振器的品質因數Q至少為100。
2、 按權利要求1所述的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，其特征在于，所述電容傳聲芯片是硅微電容傳聲芯片。
3、 按權利要求2所述的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，其特 征在于，所述硅微電容傳聲芯片是利用現代超大規模集成電路工藝，在硅基片上 通過體刻蝕工藝制作而成的芯片，該芯片由硅基片及其上的穿孔背板、空氣隙、 隔離層、保護層、振動膜及金屬電極組成。
4、 按權利要求1所述的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，其特 征在于，所述的集成高Q射頻諧振器是利用現代超大規模集成電路工藝，在硅基片上制作的薄膜體聲波諧振器或高階多模體聲波諧振器；或者是由壓電晶體或壓 電陶瓷構成的晶體諧振器；或者是高Q集成電感和高Q集成電容組成的諧振器。
5、 按權利要求1所述的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，其特 征在于，所述的集成高Q射頻諧振器的諧振頻率范圍為10MHz 10GHz。
6、 按權利要求1所述的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，其特 征在于，所述的射頻振蕩電路由放大器、若干電阻、電容和電感一起構成；所述 放大器包括晶體三極管、M0S管、場效應管或集成運算放大器所述射頻振蕩電 路、硅微電容傳聲芯片以及集成高Q射頻諧振器構成的射頻振蕩回路是一個皮爾 斯結構射頻振蕩回路，或者是密勒射頻振蕩回路，或者是克拉潑射頻振蕩回路， 或者是考皮茨射頻振蕩回路。
7、 按權利要求6所述的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，其特 征在于，所述射頻振蕩電路包括一個提供產生并維持振蕩的跨導的M0S三極管， 該MOS三極管的柵極和漏極分別與硅微電容傳聲芯片和集成高Q射頻諧振器的一 端連接，所述硅微電容傳聲芯片和集成高Q射頻諧振器的另一端相互串聯；所述 M0S三極管的源極S接地；所述三極管的柵極和漏極還分別連接一個接地電容， 所述M0S三極管的漏極輸出作為所述射頻振蕩電路的輸出端。
8、按權利要求1所述的適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，其特 征在于，所述硅微電容傳聲芯片、集成高Q射頻諧振器和射頻振蕩電路用相互兼 容的CMOS工藝制作并構成--個單芯片系統。
全文摘要
本發明涉及一種適合單芯片集成的調頻硅微電容傳聲器系統，包括電容傳聲芯片，其特征在于，還包括集成高Q射頻諧振器和射頻振蕩電路，所述集成高Q射頻諧振器與電容傳聲芯片串聯或并聯，并與所述射頻振蕩電路一起構成一個射頻振蕩回路；該射頻振蕩回路的輸出是一個頻率調制的射頻信號。本發明的優點是省去了傳統的硅微電傳聲器中不容易和CMOS工藝兼容或制作困難的DC-DC直流升壓電路、500M歐姆以上的大電阻以及低噪聲JFET阻抗變換器。另外，本發明將電容變化轉換成頻率變化的方法，可以避免傳聲器在低頻端由于偏置電阻太小而引起的衰落。利用本發明可以大大簡化無線麥克風系統的設計。
文檔編號H04R19/04GK101115325SQ20061008900
公開日2008年1月30日 申請日期2006年7月28日 優先權日2006年7月28日
發明者喬東海, 亮 湯, 靜 田, 郝震宏 申請人:中國科學院聲學研究所