一種微機械梳齒電容器的製作方法

2023-05-24 09:32:41 1

專利名稱：一種微機械梳齒電容器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子機械領域，特別地，涉及一種微機械梳齒電容器。
背景技術：
隨著半導體微細加工技術和超精密機械加工技術的發展，微機電系統(MEMS， Micro Electro Mechanical System)也迅速發展起來。MEMS具有體積小、重量輕、成本低、 功耗小以及易於集成等顯著優點，廣泛應用於軍事、經濟、醫學、電子和航空航天等領域。採用MEMS技術實現的微機械梳齒電容器被廣泛地用作傳感器或者執行器，微型 慣性器件即為其重要應用之一，包括微機械陀螺儀和微機械加速度計。其中，微機械陀螺儀 是一種用於測量角速度的微型慣性器件，加速度計是用於測量線加速度的微型慣性器件。 長期以來，模態耦合問題一直是制約微機械陀螺儀發展的主要瓶頸。為了獲得高性能陀螺 儀，就必須解決驅動模態和檢測模態的機械耦合問題。此外，交叉軸靈敏度問題也是限制微 機械慣性器件性能提高的因素之一。對於模態耦合問題，日本Murata公司的Kawai等人在「傳感器與執行器」上發表 的「採用振動模式調整技術的高精度微型陀螺儀」一文(H. Kawai,K. -I. Atsuchi,M. Tamura, K. Ohwada, "High-resolution microgyroscope using vibratory motion adjustment technology" Sens. Actuators A-Phys.，Vol. 90 pp. 153-159，2001.)中提出 了一種通過靜 電力(矩)來矯正驅動模態的運動方向，從而解決模態耦合問題的方法。該文中的陀螺儀 採用了框架結構，在X軸方向驅動，Z軸方向檢測，敏感Y軸的角速度。陀螺儀的驅動梳齒 電容器(執行器)採用傳統的等高梳齒電容器。當陀螺工作時，驅動模態的運動會通過檢 測彈性梁耦合到檢測模態；檢測模態的運動也會通過與檢測彈性梁相連的框架耦合到驅動 梳齒電容，使其固定梳齒和可動梳齒沿ζ軸發生相對偏移，破壞電容分布的對稱性，從而造 成寄生的靜電力，影響角速度信號的檢測。為了抑制這種耦合，該方案的陀螺儀額外設計了 兩組偏置電極，通過在偏置電極上施加相應的電壓，產生的靜電力使質量塊回復到平衡位 置，從而抑制驅動到檢測模態的機械耦合。但是，這種方法一方面因為受制於電路的調節能 力，需要對系統電路進行特別設計，因此增加了系統設計的複雜度，另一方面偏置電極的額 外設置也增加了陀螺儀的實現成本。而對於微機械陀螺儀傳感器使用可變梳齒電容器產生的交叉軸靈敏度問題，通常 的解決方法是通過後期的人工測試標定而後補償。這種方法不但工作量大、效率低、成本 高，而且不能從根本上解決交叉軸靈敏度問題。總之，需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是如何實現一種低成本、 結構簡單的微機械梳齒電容器，以有效解決微機械陀螺儀中檢測模態到驅動模態的耦合問 題，以及微機械慣性傳感器的交叉軸靈敏度問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種低成本、結構簡單的微機械梳齒電容器，以有效解決微機械陀螺儀執行器的模態耦合問題，以及微機械慣性傳感器的交叉軸靈敏度 問題。為了解決上述問題，本發明實施例提供了一種微機械梳齒電容器，包括固定梳齒 電極和可動梳齒電極，所述固定梳齒電極和可動梳齒電極交疊成解耦梳齒電容器，當所述 可動梳齒電極在外力作用下，與所述固定梳齒電極相對離面運動時，所述微機械梳齒電容 器的電容保持不變。優選的，所述可動梳齒電極的第一端高於所述固定梳齒電極的第一端，所述可動 梳齒電極的第二端低於所述固定梳齒電極的第二端，所述可動梳齒電極和固定梳齒電極相 對離面運動時交疊面積固定不變。優選的，所述可動梳齒電極的第一端低於所述固定梳齒電極的第一端，所述可動 梳齒電極的第二端高於所述固定梳齒電極的第二端，所述可動梳齒電極和固定梳齒電極相 對離面運動時交疊面積固定不變。 優選的，所述微機械梳齒電容器為微機械驅動梳齒電容器。優選的，所述微機械驅動梳齒電容器採用開環驅動或者閉環驅動。優選的，所述微機械驅動梳齒電容器為一組或多組。優選的，所述微機械梳齒電容器為微機械檢測梳齒電容器。優選的，所述微機械檢測梳齒電容器採用開環檢測或者閉環檢測。優選的，所述微機械檢測梳齒電容器為一組或者多組。與現有技術相比，本發明具有以下優點首先，本發明的微機械梳齒電容器的固定梳齒電極和可動梳齒電極交疊成解耦梳 齒電容器，當在外力(如慣性力)作用下，可動梳齒電極相對於固定梳齒電極做小角度扭轉 或微小垂直離面運動時，二者交疊面積不變，因而微機械梳齒電容器的各部分電容不會因 為可動梳齒電極沿Z軸的運動而發生變化，固定梳齒電極和可動梳齒電極之間的靜電力平 衡狀態得以保持。由此，當微機械梳齒電容器用作驅動梳齒電容器時，不會產生沿Z軸的靜 電力，可用於消除微機械陀螺檢測模態到驅動模態的機械耦合；當微機械梳齒電容器用作 檢測梳齒電容器時，對固定梳齒電極和可動梳齒電極沿Z軸的相對運動不敏感，從而可以 解決慣性傳感器的交叉軸靈敏度問題。其次，本發明的微機械梳齒電容器結構簡單、製造成本低，可大批量生產，廣泛用 於微機械系統中。


圖1是本發明的一種微機械梳齒電容器實施例一的立體結構示意圖；圖2是本發明的一種微機械梳齒電容器實施例一的成對使用的微機械梳齒電容 器立體結構示意圖；圖3是本發明圖2所示成對使用的微機械梳齒電容器的簡單結構示意圖；圖4是本發明圖2、圖3所示成對使用的微機械梳齒電容器的工作狀態示意圖；圖5是本發明的一種微機械梳齒電容器實施例二的立體結構示意圖；圖6是本發明的一種微機械梳齒電容器實施例二的成對使用的微機械梳齒電容 器立體結構示意圖7是本發明圖6所示成對使用的微機械梳齒電容器的簡單結構示意圖；圖8是本發明圖6、圖7所示成對使用的微機械梳齒電容器的工作狀態示意圖；圖9是本發明的一種微機械梳齒電容器應用情景示意圖；圖10是本發明的一種微機械驅動梳齒電容器的開環差動驅動示意圖；圖11是本發明的一種微機械驅動梳齒電容器的閉環單邊驅動示意圖；圖12是本發明的一種微機械驅動梳齒電容器的閉環差動驅動示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。本發明的微機械梳齒電容器主要用於測量水平面方向的X軸和Y軸角速度的微機 械陀螺儀的梳齒驅動器，或Z軸陀螺及水平軸加速度計的檢測電容器，也可用於其它有類 似功能需求的電容式傳感器或驅動器。參照圖1，示出了本發明一種微機械梳齒電容器實 施例一的立體結構示意圖，包括可動梳齒電極101和固定梳齒電極102。其中，所述可動 梳齒電極101包括可動梳背1011和可動梳齒1012，可動梳齒1012與可動梳背1011固定 連接。所述固定梳齒電極102包括固定梳背1021和固定梳齒1022，固定梳齒1022和固定 梳背1021固定連接。所述固定梳齒1022和可動梳齒1012交疊成解耦電容器。可動梳齒 1012的第一端1012a高於固定梳齒1022的第一端1022a，可動梳齒1012的第二端101 低於固定梳齒1022的第二端1022b，如圖2所示。可動梳齒1012和固定梳齒1022的高度 差可由本領域技術人員根據梳齒間距、梳齒寬度以及梳齒的整體高度綜合考慮確定，在此 不再贅述。可動梳齒電極101和固定梳齒電極102構成敏感電容Cl，如圖3所示。當可動 梳齒電極101在外力(如慣性力)作用下做逆時針小角度扭轉或向上的微小垂直位移時， 如圖4所示，可動梳齒電極101和固定梳齒電極102因為存在高度差而交疊面積保持不變， 從而敏感電容Cl保持不變。當可動梳齒電極101做順時針小角度或向下的微小垂直位移 扭轉時，情況與逆時針相仿。本實施例的成對使用的微機械梳齒電容器為圖1所示的微機械梳齒電容器成對 使用，對稱分布組成的微機械梳齒電容器，其立體結構如圖2所示。該成對使用的微機械梳 齒電容器左端的可動梳齒電極101和固定梳齒電極102構成敏感電容Cl，右端的可動梳齒 電極101和固定梳齒電極102構成敏感電容C2，如圖3所示。施加於左、右兩端固定梳齒 電極102的電壓可以相同，也可以不同，即Cl可以與C2相等，也可以不相等。當可動梳齒 電極101在外力(如慣性力)作用下做逆時針小角度扭轉或向上的微小垂直位移時，如圖 4所示，可動梳齒電極101和固定梳齒電極102因為存在高度差而交疊面積保持不變，從而 敏感電容Cl保持不變。同理，敏感電容C2也保持不變。當可動梳齒電極101做順時針小 角度或向下的微小垂直位移扭轉時，情況與逆時針相仿。參照圖5和圖6，分別示出了本發明的一種微機械梳齒電容器實施例二的立體結 構示意圖和成對使用的微機械梳齒電容器立體結構示意圖，包括可動梳齒電極201和固定 梳齒電極202。其中，所述可動梳齒電極201包括可動梳背2011和可動梳齒2012，可動梳 齒2012與可動梳背2011固定連接。所述固定梳齒電極202包括固定梳背2021和固定梳齒 2022，固定梳齒2022和固定梳背2021固定連接。所述固定梳齒2022和可動梳齒2012交疊成解耦電容器。所述可動梳齒2012的第一端201 低於固定梳齒2022的第一端2022a， 可動梳齒2012的第二端2012b高於固定梳齒2022的第二端2022b。本微機械梳齒電容器 實施例的成對使用、對稱分布的兩個梳齒電容構成的微機械梳齒電容器的立體結構如圖6 所示。可動梳齒電極201和固定梳齒電極202構成敏感電容C3，如圖7所示。敏感電容 C3在外力作用下發生小角度扭轉或向上/向下的微小垂直位移時，數值保持不變。當為成 對使用的微機械梳齒電容器時，圖5所示微機械梳齒電容器成對使用、對稱分布，如圖6所 示。其中，左端的可動梳齒電極201和固定梳齒電極202構成敏感電容C3，右端的可動梳齒 電極201和固定驅動梳齒電極202構成敏感電容C4，如圖7所示。施加於左、右兩端固定 梳齒電極202的電壓可以相同，也可以不同。敏感電容C3和C4在發生小角度扭轉或向上 /向下的微小垂直位移時，數值保持不變，圖8示出了本實施例可動梳齒電極201做逆時針 小角度扭轉時的工作狀態。本發明的微機械梳齒電容器既可用作驅動梳齒電容器，也可以用作檢測梳齒電容
ο當用作驅動梳齒電容器時，以實施例一為例，固定梳齒電極102通過固定梳背 1021與連接物連接，可動梳齒電極101通過可動梳背1011與被驅動物體固定連接。在固定 梳齒電極102和可動梳齒電極101間的施加電壓作用時，產生的靜電力將驅動可動梳齒電 極101連同被驅動物體一起沿X軸運動。其中，X軸為水平軸，Y軸為垂直軸。在這種情況 下，可動梳齒電極101沿Z軸方向的運動不會引起可動梳齒電極101和固定梳齒電極102 之間的電容變化，因此，可動梳齒電極101沿Z軸方向的運動不會引起可動梳齒電極101和 固定梳齒電極102之間沿Z軸方向的靜電力。將本發明的微機械梳齒電容器用於微機械陀 螺儀的執行器，即可解決執行器上檢測模態到驅動模態的機械耦合問題。當用作檢測梳齒電容器時，仍以實施例一為例，固定梳齒電極102通過固定梳背 1021與連接物連接，可動梳齒電極101通過可動梳背1011與被檢測物體固定連接。被檢測 物體沿X軸方向的運動將引起固定梳齒電極102和可動梳齒電極101之間的電容變化，通 過測量電容的變化可以檢測物體的運動。在這種情況下，可動梳齒電極101沿Z軸方向的 運動不會引起可動梳齒電極101和固定梳齒電極102間電容的變化，因此，本發明的微機械 梳齒電容器對可動梳齒電極101和固定梳齒電極102沿Z軸的相對運動不敏感，當將其用 於微機械陀螺儀或加速度計的敏感單元時，敏感單元的交叉軸靈敏度問題即可得到解決。本發明的微機械梳齒電容器在用作驅動梳齒電容器時，可以單組使用，也可以設 置多組(如圖12所示)，每組驅動梳齒電容器包括可動驅動梳齒電極和固定驅動梳齒電 極。由於可動驅動梳齒電極和固定驅動梳齒電極之間的靜電力大小與梳齒的個數成正比， 因此，一方面，與單組驅動梳齒電容器相比，採用多組驅動梳齒電容器可以增加靜電力，從 而減小驅動電壓，在低電壓下工作時，可以減小系統功耗，電路設計實現也較為簡單；另一 方面，在驅動電壓不變的情況下，採用多組驅動梳齒電容器，就增大了原有的靜電力，當其 應用於微機械陀螺儀時，就會引起陀螺儀檢測質量塊的運動幅度增大，從而提高陀螺儀的 檢測靈敏度。可動驅動梳齒電極可以單獨驅動或者共同驅動，其驅動方式可以採用開環如圖10 所示，也可以採用閉環驅動如圖11、圖12所示，既可以單邊梳齒驅動也可以雙邊梳齒差動驅動。同樣，本發明的微機械梳齒電容器在用作檢測梳齒電容器時，可以單組使用，也可 以多組使用；可以開環檢測，也可以閉環檢測。參照圖9，示出了本發明的一種微機械梳齒電容器應用情景示意圖，圖中所示為將 本發明的微機械梳齒電容器用作微機械陀螺儀的驅動梳齒電容器901 (執行器)。該微機械 陀螺儀用於檢測水平面內的X軸或Y軸的角速度，利用哥氏力測量物體角速度，工作時，驅 動梳齒電容器901的固定驅動梳齒電極9011在驅動電壓作用下，對可動驅動梳齒電極9012 施加靜電力，驅動可動驅動梳齒電極9012帶動左右兩個檢測質量塊902沿X軸振動。其中， 兩個檢測質量塊902的相位相差180度，且沿X軸的諧振頻率可以相等以實現高的檢測靈 敏度，也可以諧振頻率有差別，以提高陀螺儀的帶寬。當系統有Y軸方向角速度輸入時，兩 個檢測質量塊902通過驅動摺疊梁903和框架904帶動檢測梳齒電容器905的可動檢測梳 齒電極9051沿Z軸做反相振動，從而引起檢測梳齒電容器905的電容發生變化，通過左右 檢測梳齒電容器905的差分信號即可獲得沿Y軸方向輸入的角速度信息。基於同樣原理， 將陀螺儀旋轉90度，即可檢測沿X軸方向輸入的角速度信息。由於該微機械陀螺儀採用了 本發明的微機械梳齒電容器作為驅動梳齒電容器901，使得該陀螺儀從驅動模態到檢測模 態的耦合得到了有效抑制。本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與 其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。以上對本發明所提供的一種微機械梳齒電容器進行了詳細介紹，本文中應用了具 體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發 明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實 施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限 制。
權利要求
1.一種微機械梳齒電容器，其特徵在於，包括固定梳齒電極和可動梳齒電極，所述固定梳齒電極和可動梳齒電極交疊成解耦梳齒電 容器，當所述可動梳齒電極在外力作用下，與所述固定梳齒電極相對離面運動時，所述微機 械梳齒電容器的電容保持不變。
2.根據權利要求1所述的微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述可動梳齒電極的第一端高於所述固定梳齒電極的第一端，所述可動梳齒電極的第 二端低於所述固定梳齒電極的第二端，所述可動梳齒電極和固定梳齒電極相對離面運動時 交疊面積固定不變。
3.根據權利要求1所述的微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述可動梳齒電極的第一端低於所述固定梳齒電極的第一端，所述可動梳齒電極的第 二端高於所述固定梳齒電極的第二端，所述可動梳齒電極和固定梳齒電極相對離面運動時 交疊面積固定不變。
4.根據權利要求1、2或3所述微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述微機械梳齒電容器 為微機械驅動梳齒電容器。
5.根據權利要求4所述的微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述微機械驅動梳齒電容 器採用開環驅動或者閉環驅動。
6.根據權利要求5所述的微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述微機械驅動梳齒電容 器為一組或多組。
7.根據權利要求1、2或3所述微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述微機械梳齒電容器 為微機械檢測梳齒電容器。
8.根據權利要求7所述的微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述微機械檢測梳齒電容 器採用開環檢測或者閉環檢測。
9.根據權利要求8所述的微機械梳齒電容器，其特徵在於，所述微機械檢測梳齒電容 器為一組或者多組。
全文摘要
本發明提供了一種微機械梳齒電容器，涉及微電子機械領域，所述微機械梳齒電容器包括固定梳齒電極和可動梳齒電極，所述固定梳齒電極和可動梳齒電極交疊成解耦梳齒電容器，當所述可動梳齒電極在外力作用下，與所述固定梳齒電極相對離面運動時，所述微機械梳齒電容器的電容保持不變。本發明的微機械梳齒電容器成本低、結構簡單，可以有效解決微機械陀螺儀執行器的模態耦合問題，以及微機械陀螺儀和加速度傳感器的交叉軸靈敏度問題。
文檔編號H01G5/019GK102064021SQ20091023750
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月17日 優先權日2009年11月17日
發明者楊振川, 郭中洋, 閆桂珍 申請人:北京大學