CN113708620A - 电荷泵电路结构及微型电荷泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电荷泵电路结构及微型电荷泵，其中，电荷泵电路结构包括：集成于调理电路芯片上的电路模块以及集成于MEMS结构芯片上的电容模块；电路模块与电容模块电性连接，电路模块包含多级相连的电荷泵电路，上级电荷泵电路的输出作为相连的下级电荷泵电路的输入，其中，电容模块连接于最后一级的电荷泵电路中以增加最后一级电荷泵电路的输出。通过上述方式，能够减小产品尺寸，降低生产成本，实现电荷泵小型化和高度集成化。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路和微机电***技术领域，特别是涉及一种电荷泵电路结构及微型电荷泵。
背景技术
微机电***(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的，融合了微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或***。MEMS产品通常由MEMS机械结构和信号调理电路两个部分组成。常见的产品包括MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。MEMS产品按照其运行特征，可分为传感器和执行器，其中,执行器通常是利用逆压电效应，静电力，磁力，热应力等等方式来驱动MEMS结构产生运动位移，而输入物理量转化为位移的效率是绝大部分MEMS执行器的核心指标。对于静电驱动执行器而言，其被驱动而产生的位移与驱动电压成正比，因此,这类执行器的驱动电路中往往集成了用于产生较高驱动电压的电荷泵电路。
电荷泵也称为开关电容式电压变换器，它能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其基本工作原理为给电容供电充电，断开供电，隔离电容充进的电荷，再将电容连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。通过开关和交变信号控制电荷的流向，从而改变电荷泵输出电压的幅度和极性。
典型的MEMS信号调理电路芯片中的电荷泵电路通常采用MOM电容，即同层金属插指电容，或MIM电容，即层间金属平板电容。无论使用哪种电容，都需要在电容值，耐高压能力和占用的芯片面积中做出取舍。相同集成电路工艺线宽尺寸下，耐高压工艺的复杂度和成本显著高于普通工艺，因此,在很多涉及高压电荷泵电路的MEMS产品中，信号调理电路芯片的尺寸和成本通常高于MEMS结构芯片，也相应的增加了最终产品的尺寸和成本。
发明内容
基于此，本发明提供一种电荷泵电路结构及微型电荷泵，能够减小产品尺寸，降低生产成本，实现电荷泵小型化和高度集成化。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电荷泵电路结构，包括：集成于调理电路芯片上的电路模块以及集成于MEMS结构芯片上的电容模块，所述电路模块与所述电容模块电性连接，所述电路模块包含多级相连的电荷泵电路，上级电荷泵电路的输出作为相连的下级电荷泵电路的输入，其中，所述电容模块连接于最后一级电荷泵电路以增加最后一级电荷泵电路的输出。
根据本发明的一个实施例，所述电容模块包括储能电容，所述储能电容包括相对且正对设置的第一电极板和第二电极板，在电压作用下，所述第一电极板与所述第二电极板产生静电吸引力并发生相对运动以缩小电容间距。
根据本发明的一个实施例，所述第一电极板包括第一固定锚点和设于所述第一固定锚点上的多个第一悬臂梁，多个第一悬臂梁之间平行且间隔设置。
根据本发明的一个实施例，所述第二电极板包括第二固定锚点和设于所述第二固定锚点上的多个第二悬臂梁，所述第二悬臂梁的数量与所述第一悬臂梁的数量相同且所述第二悬臂梁与所述第一悬臂梁一一配对设置。
根据本发明的一个实施例，所述第一电极板上设有用于限制所述第二电极板运动进程以控制电容间距的第一限位块，所述第二电极板上设有用于限制所述第一电极板运动进程以控制电容间距的第二限位块，所述第一限位块与所述第一电极板等电位设置，所述第二限位块与所述第二电极板等电位设置。
根据本发明的一个实施例，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁的结构相同，悬臂梁包括与固定锚点连接的第一垂直部、与所述第一垂直部连接的水平部以及与所述水平部连接的第二垂直部，所述水平部与所述第二垂直部之间形成有第一切槽。
根据本发明的一个实施例，所述第一限位块包括与所述第一切槽相配合的竖直段和沿所述竖直段的端部朝向所述第二垂直部延伸形成的弯折段，所述竖直段与所述弯折段之间形成有第二切槽，当所述第二电极板运动至与所述第一限位块抵接时，所述第二垂直部收容于所述第二切槽中，所述竖直段收容于所述第一切槽中，所述第二限位块的结构与所述第一限位块的结构相同。
根据本发明的一个实施例，所述储能电容采用DRIE深反应离子刻蚀加工的硅结构制成，所述储能电容的厚度为5-80μm，静态时，所述储能电容的电容间距为0.5-4μm。
根据本发明的一个实施例，所述电容模块包括还滤波电容，所述滤波电容与所述储能电容的加工方式和厚度相同。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种微型电荷泵，包括：基板、调理电路芯片、MEMS结构芯片以及如权利要求1-9任一项所述的电荷泵电路结构，所述调理电路芯片和所述MEMS结构芯片自上而下依次叠设于所述基板上，其中，所述电荷泵电路结构中的电路模块集成于所述调理电路芯片上，所述电荷泵电路结构中的电容模块集成于所述MEMS结构芯片上。
本发明的有益效果是：通过将电路模块集成于调理电路芯片上以及将电容模块集成于MEMS结构芯片上，避免在调理电路芯片中集成过多的电容，降低了调理芯片的尺寸和成本，同时也降低了调理电路芯片对昂贵的耐高压加工工艺的需求，从而降低了最终产品的整体尺寸和成本，实现电荷泵小型化和高度集成化。
附图说明
图1为本发明的实施例的微型电荷泵的结构示意图；
图2为本发明的实施例的电荷泵电路的结构示意图；
图3为本发明的第一实施例的储能电容的立体结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明的第二实施例的储能电容的结构示意图；
图6为本发明的第二实施例的储能电容在电极板发生位移后的结构示意图。
附图中各标号的含义为：
100-微型电荷泵；1-基板；2-调理电路芯片；3-MEMS结构芯片；200-电荷泵电路结构；10-电路模块；20-电容模块；C1-储能电容；C2-滤波电容；Vin-电压输入端；GND1-第一电压输出端；GND2-第二电压输出端；S1-第一开关；S2-第二开关；S3-第三开关；S4-第四开关；211-第一电极板；212-第二电极板；2111-第一固定锚点；2112-第一悬臂梁；2113-第一限位块；2121-第二固定锚点；2122-第二悬臂梁；2123-第二限位块；2101-第一垂直部；2102-水平部；2103-第二垂直部；2104-第一切槽；2105-竖直段；2106-弯折段；2107-第二切槽。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，其为本发明的一种实施例的微型电荷泵的结构示意图，该微型电荷泵100包括基板1、调理电路芯片2、MEMS结构芯片3以及电荷泵电路结构(图中未示出)，调理电路芯片2和MEMS结构芯片3自上而下依次叠设于基板1上。其中，调理电路芯片2上还设有信号放大器、滤波器以及电源管理等功能模块，MEMS结构芯片3上还设有传感器、执行器等功能模块。
如图2所示，其为本发明的一种实施例的电荷泵电路结构示意图，该电荷泵电路结构200包括集成于调理电路芯片2上的电路模块10以及集成于MEMS结构芯片3上的电容模块20。电路模块10与电容模块20通过金丝键合、共晶键合或熔融键合实现电性连接，以实现完整电荷泵的功能。进一步地，电路模块10包含多级相连的电荷泵电路，上级电荷泵电路的输出作为相连的下级电荷泵电路的输入，其中，电容模块20连接于最后一级电荷泵电路中以增加最后一级电荷泵电路的输出。本实施例中，最后一级电荷泵电路的输出电压最高。
需要注意的是，本实施例的MEMS结构芯片3不是专门为实现电荷泵电路结构200而另外设置，电荷泵电路结构200可以理解为包括MEMS结构芯片3的一部分，即电容模块20，连接有电容模块20的电荷泵电路结构200的输出电压用于实现MEMS结构芯片3的其他功能模块的功能，进一步地，电容模块20可以是具有独立的储能功能的模块也可以是MEMS结构芯片3上兼其他功能以及储能功能的模块。
本实施例的微型电荷泵100通过将电路模块10集成于调理电路芯片2上以及将电容模块20集成于MEMS结构芯片3上，避免在调理电路芯片2中集成过多的电容，降低了调理电路芯片2的尺寸和成本，同时也降低了调理电路芯片2对昂贵的耐高压加工工艺的需求，从而降低了最终产品的整体尺寸和成本，实现电荷泵小型化和高度集成化。
进一步地，本实施例的电容模块20至少包括储能电容C1，请参见图2，电容模块20包括：用于充放电的储能电容C1和用于降噪的滤波电容C2；进一步地，储能电容C1采用DRIE(Deep Reactive Ion Etching)深反应离子刻蚀加工的硅结构制成，储能电容C1的厚度为5-80μm，静态时，储能电容C1的电容间距为0.5-4μm，本实施例的滤波电容C2与储能电容C1的加工方式与厚度相同。通过该方式能够实现储能电容C1以及滤波电容C2具有较大的电极正对面积，因为电容值与电极正对面积成正比，与电容间距成反比，所以，在电极正对面积增大时，能够增大电容值，降低滤波截止频率，从而减小储能电容C1反复充放电过程中引起电压起伏而产生的纹波，并且在电荷泵输出较高电压时，储能电容C1不被击穿。
进一步地，请参见图2，以电路模块10包含一级电荷泵电路为例进行说明，电路模块10包括：电压输入端Vin、第一电压输出端GND1、第二电压输出端GND2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4，第二开关S2和第三开关S3并接且与电压输入端Vin连接，第三开关S3与第一开关S1串接，第一开关S1与第一电压输出端GND1连接，第二开关S2与第四开关S4串接，第四开关S4与第二电压输出端GND2连接，储能电容C1串接于第二开关S2和第一开关S1之间，滤波电容C2串接于第四开关S4与第二电压输出端GND2之间，本实施例的第一电压输出端GND1和第二电压输出端GND2为公共接地端；闭合第一开关S1、第二开关S2，同时打开第三开关S3和第四开关S4，实现储能电容C1两端的电压为输入电压，闭合第三开关S3、第四开关S4，同时打开第一开关S1和第二开关S2，实现滤波电容C2两端的电压为输入电压的两倍。
进一步地，请参见图3和图4，储能电容C1包括相对且正对设置的第一电极板211和第二电极板212，第一电极板211和第二电极板212的极性相反，在电压作用下，第一电极板211与第二电极板212产生静电吸引力并发生相对运动以缩小电容间距。因为电容值与电容间距成反比，所以，在电容间距缩小时，能够提高电容值。本实施例的第一电极板211和第二电极板212可同时运动或单独运动。
进一步地，请参见图3和图4，第二电极板212与第一电极板211的结构可以相同或者不同。在本实施例中，第一电极板211包括第一固定锚点2111和设于所第一固定锚点2111上的多个第一悬臂梁2112，多个第一悬臂梁2112之间平行且间隔设置。具体地，第二电极板212包括第二固定锚点2121和设于第二固定锚点2121上的多个第二悬臂梁2122，多个第二悬臂梁2122之间平行且间隔设置。第二悬臂梁2122的数量与第一悬臂梁2112的数量相同且第二悬臂梁2122与第一悬臂梁2112一一配对设置。成对的第一悬臂梁2112与第二悬臂梁2122之间的距离为电容间距，静态时电容间距为0.5-4μm。第一臂梁2112在第一电极板211运动时可跟随运动，第二臂梁2122在第二电极板212运动时可跟随运动。
在另一实施例中，第二电极板212与第一电极板211的结构可以相同或者不同。第一电极板211包括第一固定锚点2111、第一支撑框架(图中未示出)、第一弹性梁(图中未示出)以及第一悬臂梁2112，第一悬臂梁2112固定于第一支撑框架上，第一支撑框架通过第一弹性梁固定于第一固定锚点2111上。第二电极板212包括第二固定锚点2121、第二支撑框架(图中未示出)、第二弹性梁(图中未示出)以及第二悬臂梁2122，第二悬臂梁2122固定于第二支撑框架上，第二支撑框架通过第二弹性梁固定于第二固定锚点2121上。该实施例的第一电极板211与第二电极板212产生的静电力导致弹性粱弯曲，弹性粱带动悬臂梁和支撑框架一同运动。
进一步地，请参见图5，第一电极板211上设有用于限制第二悬臂梁2122的运动进程以控制电容间距的第一限位块2113，第二电极板212上设有用于限制第一悬臂梁2112的运动进程以控制电容间距的第二限位块2123，第一限位块2113与第一电极板211等电位设置，第二限位块2123与第二电极板212等电位设置。本实施例的，第一限位块2113的数量与第二悬臂梁2122的数量相同且第一限位块2113与第二悬臂梁2122一一对应设置，第二限位块2123与第一悬臂梁2112的数量相同且第二限位块2123与第一悬臂梁2112一一对应设置。本实施例设置了控制电容间距下限的限位块，确保储能电容C1的两个电极板不会因为静电力产生吸合，储能电容的正负电极不会发生触碰，同时也提高了电容结构的耐高电压能力。限位块与被阻挡的电极板等电位设置，保证电极板触碰限位块后不会发生电荷流失。
进一步地，请参见图5，第一悬臂梁2112与第二悬臂梁2122的结构相同，悬臂梁包括与固定锚点连接的第一垂直部2101、与第一垂直部2101连接的水平部2102以及与水平部2102连接的第二垂直部2103，水平部2102与第二垂直部2103之间形成有第一切槽2104。
第一限位块2113与第二限位块2123的结构相同，限位块包括与第一切槽2104相配合的竖直段2105和沿竖直段2105的端部朝向第二垂直部2103延伸形成的弯折段2106，竖直段2105与弯折段2106之间形成有第二切槽2107，当第二悬臂梁2122运动至与第一限位块2113抵接时，如图6所示，第二垂直部2103收容于第二切槽2107中，竖直段2105收容于第一切槽2104中；当第一悬臂梁2112运动至与第二限位块2123抵接时，第二垂直部2103收容于第二切槽2107中，竖直段2105收容于第一切槽2104中。本实施例的第一悬臂梁2112和第二悬臂梁2122可同时运动或单独运动。
进一步地，滤波电容C2与储能电容C1的结构相同，储能电容C1的结构在前述已详细描述，滤波电容C2的结构在此不再一一赘述。本实施例通过在第二电压输出端GND2增加滤波电容C2，减少电荷泵输出电压中的噪声。
在一实施例中，储能电容C1的厚度为60um，静态电容间距为2um。当微型电荷泵100产生的高电压加载在储能电容C1的电极两端时，静电吸引力促使两个电极板发生位移使电容间距缩小，但该电容间距被限位块限制在0.2um，此时，悬臂梁与限位块触碰，但不会导致电荷泄露。此时。电容间距较静态时缩小10倍，电容值增大10倍。
本实施例的电荷泵电路结构200通过在MEMS结构芯片3中增加额外的可连接至调理芯片的特殊电容结构，替代原本调理电路芯片2内电荷泵电路中的MOM和MIM电容，从而平衡了MEMS结构芯片3和调理电路芯片2的尺寸与成本，也降低了调理电路芯片2对昂贵的耐高压加工工艺的需求，进而也降低了最终产品的整体尺寸和成本。此外，通过在电容结构中增加限位块，保证电容模块20能够尽可能缩小电容间距，从而尽量提高电容值，既达到高压输出要求也保护电容模块不被损坏。因此，本实施例的电容模块20不仅能实现提高电容值，还能提高耐高压能力同时减小占用芯片面积，与常规的MOM电容或MIM电容相比，无需在实现电容值，耐高压能力和占用芯片面积三者之间做取舍。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电荷泵电路结构，其特征在于，包括：集成于调理电路芯片上的电路模块以及集成于MEMS结构芯片上的电容模块，所述电路模块与所述电容模块电性连接，所述电路模块包含多级相连的电荷泵电路，上级电荷泵电路的输出作为相连的下级电荷泵电路的输入，其中，所述电容模块连接于最后一级电荷泵电路中以增加最后一级电荷泵电路的输出。
2.根据权利要求1所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述电容模块包括储能电容，所述储能电容包括相对且正对设置的第一电极板和第二电极板，在电压作用下，所述第一电极板与所述第二电极板产生静电吸引力并发生相对运动以缩小电容间距。
3.根据权利要求2所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述第一电极板包括第一固定锚点和设于所述第一固定锚点上的多个第一悬臂梁，多个第二悬臂梁之间平行且间隔设置。
4.根据权利要求3所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述第二电极板包括第二固定锚点和设于所述第二固定锚点上的多个第二悬臂梁，所述第二悬臂梁的数量与所述第一悬臂梁的数量相同且所述第二悬臂梁与所述第一悬臂梁一一配对设置。
5.根据权利要求4所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述第一电极板上设有用于限制所述第二电极板运动进程以控制电容间距的第一限位块，所述第二电极板上设有用于限制所述第一电极板运动进程以控制电容间距的第二限位块，所述第一限位块与所述第一电极板等电位设置，所述第二限位块与所述第二电极板等电位设置。
6.根据权利要求5所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁的结构相同，悬臂梁包括与固定锚点连接的第一垂直部、与所述第一垂直部连接的水平部以及与所述水平部连接的第二垂直部，所述水平部与所述第二垂直部之间形成有第一切槽。
7.根据权利要求6所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述第一限位块包括与所述第一切槽相配合的竖直段和沿所述竖直段的端部朝向所述第二垂直部延伸形成的弯折段，所述竖直段与所述弯折段之间形成有第二切槽，当所述第二悬臂梁运动至与所述第一限位块抵接时，所述第二垂直部收容于所述第二切槽中，所述竖直段收容于所述第一切槽中，所述第二限位块的结构与所述第一限位块的结构相同。
8.根据权利要求2所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述储能电容采用DRIE深反应离子刻蚀加工的硅结构制成，所述储能电容的厚度为5-80μm，静态时，所述储能电容的电容间距为0.5-4μm。
9.根据权利要求8所述的电荷泵电路结构，其特征在于，所述电容模块包括还滤波电容，所述滤波电容与所述储能电容的加工方式与厚度相同。
10.一种微型电荷泵，其特征在于，包括：基板、调理电路芯片、MEMS结构芯片以及如权利要求1-9任一项所述的电荷泵电路结构，所述调理电路芯片和所述MEMS结构芯片自上而下依次叠设于所述基板上，其中，所述电荷泵电路结构中的电路模块集成于所述调理电路芯片上，所述电荷泵电路结构中的电容模块集成于所述MEMS结构芯片上。
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2021
- 2021-08-25 CN CN202110981396.2A patent/CN113708620A/zh active Pending
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