CN101819215B - 一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计，属于微机械惯性传感器领域。在该加速度计的敏感方向上分布有用来调节弹性系数的电调谐变面积电容，所述电调谐变面积电容的每个单元电容中，可动电极的正表面与固定电极的正表面相互平行，其中，所述可动电极的正表面为矩形且固定电极的正表面为三角形或锯齿形，或者所述可动电极的正表面为三角形或锯齿形且固定电极的正表面为矩形；所述三角形正表面仅与所述矩形正表面的一条长边交叠。本发明通过其敏感方向上分布的用来调节弹性系数的电调谐变面积电容调节弹性系数，使同批次加速度器件性能趋于一致，甚至等于0，从而获得高灵敏度的MEMS加速度计。

Description

一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计

技术领域

本发明涉及微机械加速度计，属于微机械惯性传感器领域。

背景技术

加速度计是用来测量物体所受加速度的器件，在惯性导航系统中，高精度的加速度计是关键的基本元件之一，是惯性单元中的重要组成部分。

加速度计的种类很多，如液浮摆式加速度计、挠性摆式加速度计、振弦式加速度计、摆式积分陀螺加速度计等。微机械加速度计是基于微电子产业发展起来的一种加速度计，可将加速度计器件与敏感电路集成在同一块芯片上，具有体积小，成本低等优点，因而在汽车电子和消费电子领域获得了广泛的应用。按敏感原理可将微机械加速度计分为压阻式，压电式，热隅式，隧道式，电容式等。其中电容式加速度计由于制作简单，响应快等优点在微机械加速度计设计中颇受欢迎。

电容式加速度计可分为两种：变间距式电容结构和变面积式电容结构。传统的梳状栅电容加速度计为变面积式电容结构的加速度计，但由于其单元可动电极和固定电极均为矩形，因此其弹性系数不可调。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计。

本发明的发明构思是：传统的微机械梳状栅电容加速度计采用的是变面积式的电容结构，当有加速度输入时，会在敏感方向上产生位移，通过检测位移量的大小，便可以得到输入加速度的大小。加速度计敏感方向上的弹性系数越小，相同加速度输入下产生的位移越大，加速度计器件灵敏度越高。本发明基于传统的微机械梳状栅电容加速度计，在敏感方向上分布有对弹性系数进行调节的电调谐变面积电容，可用来调节加速度计的弹性系数。该电调谐变面积电容的单元可动电极的正表面与单元固定电极的正表面平行，将单元固定电极的正表面形状由传统的矩形改为三角形或锯齿形而单元可动电极的正表面形状仍为矩形，或将单元可动电极的正表面形状由传统的矩形改为三角形或锯齿形而单元固定电极的正表面形状仍为矩形，并且使单元可动电极的正表面与单元固定电极的正表面形成具有一定特征的交叠。在单元固定电极与单元可动电极上施加一电压差，即可引入一等效弹性系数从而调节加速度计敏感方向上总的弹性系数及谐振频率。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计的敏感方向上分布有用来调节弹性系数的电调谐变面积电容，所述电调谐变面积电容的每个单元电容中，可动电极的正表面与固定电极的正表面相互平行，其中，所述可动电极的正表面为矩形且固定电极的正表面为三角形或锯齿形，或者所述可动电极的正表面为三角形或锯齿形且固定电极的正表面为矩形；所述三角形正表面仅与所述矩形正表面的一条长边交叠，所述锯齿形正表面仅与所述矩形正表面的一条长边交叠。

进一步地，本发明所述锯齿形正表面的锯齿为三角形。

进一步地，本发明所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿与所述矩形正表面的交叠部分呈三角形。

进一步地，本发明所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿与所述矩形正表面的交叠部分呈梯形，所述梯形交叠部分的底边与所述矩形正表面的长边平行。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

(1)由于微机械加工工艺的离散性导致现有加速度计弹性系数有较大的离散性，难以获得一致的性能，而本发明加速度计可克服这一缺陷，通过其敏感方向上分布的用来调节弹性系数的电调谐变面积电容调节弹性系数，使同批次加速度器件性能趋于一致。

(2)微机械加工工艺难以获得弹性系数很小、或者谐振频率很小的MEMS加速度计，导致加速度计的灵敏度不够高。本发明可对加速度计器件敏感方向上的弹性系数进行调节，使之趋于甚至等于0，从而获得高灵敏度的MEMS加速度计。

附图说明

图1是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第一种单组单边电容俯视图；

图2是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第二种单组单边电容俯视图；

图3是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第三种单组单边电容俯视图；

图4是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第四种单组单边电容俯视图；

图5是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第一种单组差分电容俯视图；

图6是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第二种单组差分电容俯视图；

图7是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第三种单组差分电容俯视图；

图8是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为三角形时的第四种单组差分电容俯视图；

图9是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为锯齿形时的第一种单组差分电容俯视图；

图10是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元固定电极为锯齿形时的第二种单组差分电容俯视图；

图11是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元可动电极为锯齿形且各锯齿为梯形时的第一种结构俯视图；

图12是本发明微机械梳状栅电容加速度计的单元可动电极为锯齿形且各锯齿为梯形时的第二种结构俯视图；

图13是本发明微机械梳状栅电容加速度计结构剖面示意图；

图14是本发明微机械梳状栅电容加速度计的电调谐电容的固定电极俯视图；

图15是本发明微机械梳状栅电容加速度计的俯视图。

图中：1.单元可动电极，2.单元固定电极，3.质量块，4.栅条，5.电调谐叉指，6.普通叉指，7.梁，8.固定电极衬底，9.引出电极，10.外框，a.矩形单元可动电极的宽度，b.矩形单元可动电极的长度，c.直角三角形单元固定电极底边的长度，d.直角三角形单元固定电极的高度，h.单元可动电极与单元固定电极的间距，e.单元可动电极与单元固定电极的初始交叠宽度，s.单元可动电极与单元固定电极的交叠面积，x.单元可动电极的位移，m.三角形单元固定电极的底边长度，f.三角形单元固定电极的高度。

具体实施方式

如图1至图13所示，在本发明微机械梳状栅电容加速度计的电调谐电容中，各单元电容的每个单元可动电极1的正表面与单元固定电极2的正表面相互平行。

如图1至图8所示，当单元可动电极1的正表面为矩形，单元固定电极2的正表面为三角形时，单元固定电极2的三角形正表面仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠；当单元可动电极1的正表面为矩形，单元固定电极2的正表面为锯齿形时，如图9、10所示，若单元固定电极2的各锯齿为三角形，则各锯齿仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠。

如图13-15所示，在本发明弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计中，栅条4即为单元可动电极1，电调谐叉指5即为电调谐电容的单元固定电极2，普通叉指6即为传统变面积电容的单元固定电极2，单元可动电极1的正表面是指与单元固定电极2正对的表面，单元固定电极2的正表面是指与单元可动电极1正对的表面。外框10固定在固定电极衬底8上，电调谐叉指5固定在固定电极衬底8上，质量块3与梁7相连，梁7与外框10相连，质量块3上的电信号通过引出电极9输入或输出，如图14所示。梁7可以为U型梁、直梁、折叠梁等，X轴方向为敏感方向。在电调谐叉指5与栅条4间施加一电压，即可对本发明梳状栅电容加速度计敏感方向的弹性系数进行调节。

如图1所示，当单元固定电极2的正表面为三角形且仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠形成三角形的交叠区域，三角形单元固定电极2的一条边与矩形单元可动电极1的长边平行且三角形单元固定电极2的这条边在交叠区域外。单元固定电极2与单元可动电极1的电压差为V，三角形单元固定电极2底边的长度为m，三角形单元固定电极2的高度为f，单元可动电极1沿X轴方向的位移为x。由图1可见，单元可动电极1与单元固定电极2的交叠部分的形状为三角形，交叠区域的面积为s。当单元可动电极1沿X轴正方向产生位移x后，根据三角形的面积计算公式：s＝底边长度×高度/2，可得单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域的面积s为：

$S=\frac{1}{2}\·\frac{m}{f}\·(e-x)\·(e-x)$

根据平板电容公式可得到电容大小为：

$C=\mathrm{\ξ}\·\frac{S}{h}=\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{1}{2}\·\frac{m}{f}\·(e-x)\·(e-x)$

根据切向静电力公式得到切向静电力大小，即在X轴方向上的静电力大小为：

$F_x=\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dx}}\·V^2=\frac{1}{2}\·V^2=\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dx}}$

最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为：

$k_x=-\frac{{\mathrm{dF}}_x}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{2}\·V^2\·\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{m}{f}$

如图2所示，当单元固定电极2的正表面为三角形且仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠。并且，三角形单元固定电极2的一条边与矩形单元可动电极1的长边平行且三角形单元固定电极2的这条边与矩形单元可动电极1交叠。此时，单元可动电极1与单元固定电极2的交叠部分的形状为梯形，交叠区域的面积为s。根据梯形的面积计算公式：s＝(上底长度+下底长度)×高度/2，得到单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域的面积s为：

$S=\frac{1}{2}\·[m+\frac{f-(e-x)}{f}\·m]\·(e-x)$

根据平板电容公式可得到电容大小为：

$C=\mathrm{\ξ}\·\frac{S}{h}=\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·S=\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{1}{2}\·[m+\frac{f-(e-x)}{f}\·m]\·(e-x)$

根据切向静电力公式得到切向静电力大小，即在X轴方向上的静电力大小 $F_x=\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dx}}\·V^2=\frac{1}{2}\·V^2\·\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dx}}$ 为：

最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为：

$k_x=-\frac{{\mathrm{dF}}_x}{\mathrm{dx}}=\frac{1}{2}\·V^2\·\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{m}{f}$

为方便说明本发明的技术方案，以下假设三角形单元固定电极2底边的长度m为2000um，三角形单元固定电极的高度f为10um，单元可动电极1与单元固定电极2的间距h为1.5um，单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为15V。在梳状栅电容微机械加速度计器件中，假设敏感质量块质量m_s为5.1882×10^-6kg，弹性系数k为591.19N/m，在未进行弹性系数的调整之前，根据谐振频率计算公式得到加速度计器件敏感方向上的谐振频率f_r为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{k}{m_s}}=1.6989\×{10}^3\mathrm{Hz}$

如图1所示，当三角形单元固定电极2的一条边与矩形单元可动电极1的长边平行且三角形单元固定电极2的这条边位于交叠区域外时，引入的等效弹性系数为负的常数。一组单边电容引入的等效弹性系数为-0.1328N/m，在敏感方向分布40组单边电容，引入的等效弹性系数为-5.3120N/m，总的弹性系数为原弹性系数与引入的等效弹性系数之和，即585.878N/m，谐振频率为1.6913×10³Hz，敏感方向的谐振频率减小7.6Hz。

如图2所示，当三角形单元固定电极2的一条边与矩形单元可动电极1的长边平行且三角形单元固定电极2的这条边与矩形单元可动电极1交叠时，引入的等效弹性系数为负的常数。一组单边电容引入的等效弹性系数为0.1328N/m，在敏感方向分布40组单边电容，引入的等效弹性系数为5.3120N/m，总的弹性系数为原弹性系数与引入的等效弹性系数之和，即596.502N/m，谐振频率为1.7065×10³Hz，敏感方向的谐振频率增大7.6Hz。

如图3所示，单元固定电极2的正表面为直角三角形且仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠，直角三角形单元固定电极2的一条直角边与单元可动电极1的矩形正表面的长边平行，且直角三角形单元固定电极2的直角位于单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域外。单元固定电极2与单元可动电极1的电压差为V；单元可动电极1的位移为x，x为单元可动电极1在X轴方向上的位移，既可为正，也可为负；单元可动电极1与单元固定电极2的初始交叠宽度为e；直角三角形单元固定电极2的高度为d，直角三角形单元固定电极2的底边的长度为c；如图13所示，单元可动电极1与单元固定电极2的间距为h。在单元可动电极1沿X轴方向运动时，单元可动电极1与单元固定电极2的间距h不变。单元可动电极1与单元固定电极2的交叠部分的形状为直角三角形，交叠区域的面积为s。当单元可动电极1沿X轴正方向产生位移x后，该交叠部分的直角三角形底边长度为e-x，高度为

根据三角形的面积计算公式：s＝底边长度×高度/2，得到单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域的面积s为：

$S=\frac{1}{2}\·(e-x)\·(e-x)\·\frac{d}{c}$

根据平板电容公式可得到电容大小为：

$C=\mathrm{\ξ}\·\frac{S}{h}=\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{1}{2}\·(e-x)\·(e-x)\·\frac{d}{c}$

根据切向静电力公式得到切向静电力大小，即在X轴方向上的静电力大小为：

$F_x=\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dx}}\·V^2=\frac{1}{2}\·V^2\·\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dx}}$

最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为：

$k_x=-\frac{{\mathrm{dF}}_x}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{2}\·V^2\·\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{d}{c}$

如图4所示，单元固定电极2的正表面为直角三角形且仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠，直角三角形单元固定电极2的一条直角边与单元可动电极1的矩形正表面的长边平行，且直角三角形单元固定电极2的直角位于单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域内。单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域的形状为梯形，交叠区域的面积为s。当单元可动电极1沿X轴正方向产生位移x后，该梯形上底长度为

下底长度为d，高度为e-x。根据梯形的面积计算公式：s＝(上底长度+下底长度)×高度/2，得到单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域的面积s为：

$S=\frac{1}{2}\·[d+\frac{c-(e-x)}{c}\·d]\·(e-x)$

根据平板电容公式可得到电容大小为：

$C=\mathrm{\ξ}\·\frac{S}{h}=\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·S=\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{1}{2}\·[d+\frac{c-(e-x)}{c}\·d]\·(e-x)$

根据切向静电力公式得到切向静电力大小，即在X轴方向上的静电力大小 $F_x=\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dx}}\·V^2=\frac{1}{2}\·V^2\·\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dx}}$ 为：

最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为：

$k_x=-\frac{{\mathrm{dF}}_x}{\mathrm{dx}}=\frac{1}{2}\·V^2\·\frac{\mathrm{\ξ}}{h}\·\frac{d}{c}$

为方便说明本发明的技术方案，以下假设矩形单元可动电极1的宽度a为10um，矩形单元可动电极1的长度b为2100um，直角三角形单元固定电极2底边的长度c为10um，直角三角形单元固定电极2的高度d为2000um，单元可动电极1与单元固定电极2的间距h为1.5um，单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为15V。

如图3所示，当直角三角形单元固定电极2的直角位于单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域外时，引入的等效弹性系数为负，一组单边电容引入的等效弹性系数为-0.1328N/m，在敏感方向分布40组单边电容，引入的等效弹性系数为-5.3120N/m，总的弹性系数为原弹性系数与引入的等效弹性系数之和，即585.877N/m，谐振频率为1.6913×10³Hz，敏感方向的谐振频率减小7.6Hz。

如图4所示，当直角三角形单元固定电极2的直角位于单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域内时，引入的等效弹性系数为正，一组单边电容引入的等效弹性系数为0.1328N/m，在敏感方向分布40组单边电容，引入的等效弹性系数为5.3120N/m，总的弹性系数为原弹性系数与引入的等效弹性系数之和，即596.502N/m，谐振频率为1.7065×10³Hz，敏感方向的谐振频率增大7.6Hz。

当单元电容为差分电容时，如图5～图8所示，其单边引入的等效弹性系数的计算方法与前述方法相同，而该差分电容整体引入的等效弹性系数则为单边引入的等效弹性系数的两倍。其中，在电容的结构参数和个数确定且单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时，图5和图7所示的变面积电容引入的等效弹性系数为负数且为常数，图6和图8所示的变面积电容引入的等效弹性系数为正数且为常数。

当单元固定电极2的正表面为锯齿形时，如图9、10所示，各锯齿为三角形且仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠。每个锯齿与单元可动电极1的矩形正表面形成一个三角形锯齿电容结构，单个三角形锯齿电容结构所引入的等效弹性系数与之前所述的计算方法相同，锯齿形单元固定电极2引入的等效弹性系数为所有三角形锯齿电容结构引入的等效弹性系数之和，最终得以调节敏感方向上总的弹性系数。

同理，若单元可动电极1的正表面为三角形、而单元固定电极2的正表面为矩形(未在图中示出)，则按上述计算方法可以知道，在电容的结构参数和个数确定且单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时，具有该结构的整个电容所引入的等效弹性系数为或为负数或为正数，且均为常数。

图11和图12示出了单元可动电极1的正表面为锯齿形且各锯齿为梯形、而单元固定电极2的正表面为矩形的本发明变面积电容结构的结构示意图。

如图11中的单元可动电极1的锯齿形正表面的各锯齿为梯形且各梯形锯齿仅与单元固定电极2的矩形正表面的一条长边交叠，交叠部分呈三角形，每个锯齿与单元固定电极2的矩形正表面形成一个梯形锯齿电容结构。此时，单个梯形锯齿电容结构所引入的等效弹性系数的计算方法与前述交叠部分呈三角形的电容的计算方法相同。在电容的结构参数和个数确定且单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时，整个电容结构引入的等效弹性系数为单元固定电极2的所有梯形锯齿电容结构引入的等效弹性系数之和，且或为负数或为正数，且均为常数。

如图12中的单元可动电极1的锯齿形正表面的各锯齿为梯形且各梯形锯齿仅与单元固定电极2的矩形正表面的一条长边交叠，交叠部分呈梯形，且梯形交叠部分的底边与所述矩形正表面的长边平行。每个锯齿与单元固定电极2的矩形正表面形成一个梯形锯齿电容结构。此时，单个梯形锯齿电容结构所引入的等效弹性系数的计算方法与前述交叠部分呈梯形的电容的计算方法相同。在电容的结构参数和个数确定且单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时，整个电容结构引入的等效弹性系数为单元固定电极2的所有梯形锯齿电容结构引入的等效弹性系数之和，且或为负数或为正数，且均为常数。

同理，单元固定电极2的正表面为锯齿形且各锯齿为梯形、同时单元可动电极1的正表面为矩形的本发明变面积电容结构(未在图中示出)所引入的等效弹性系数或为负数或为正数，在电容的结构参数和个数确定且单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时均为常数。

在上述各实施例中，若应用电调谐电容使梳状栅电容加速度计敏感方向上的弹性系数增大或减小5.3120N/m，该梳状栅电容加速度计敏感方向上的谐振频率可相应地增大或减小7.6Hz。在本发明的微机械梳状栅电容加速度计中，通过调节单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V，就可以使谐振频率变得更大或更小；通过设计具有更小的弹性系数的梁结构，甚至可以使微机械梳状栅电容加速度计器件敏感方向上的弹性系数及谐振频率接近或等于0。

Claims (4)

1.一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计，其特征是：在加速度计的敏感方向上分布有用来调节弹性系数的电调谐变面积电容，所述电调谐变面积电容的每个单元电容中，可动电极的正表面与固定电极的正表面相互平行，其特征是：所述可动电极的正表面为矩形且固定电极的正表面为三角形或锯齿形，或者所述可动电极的正表面为三角形或锯齿形且固定电极的正表面为矩形；所述三角形正表面仅与所述矩形正表面的一条长边交叠，所述锯齿形正表面仅与所述矩形正表面的一条长边交叠。

2.根据权利要求1所述的一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计，其特征是：所述锯齿形正表面的锯齿为三角形。

3.根据权利要求1所述的一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计，其特征是：所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿与所述矩形正表面的交叠部分呈三角形。

4.根据权利要求1所述的一种弹性系数可调的微机械梳状栅电容加速度计，其特征是：所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿与所述矩形正表面的交叠部分呈梯形，所述梯形交叠部分的底边与所述矩形正表面的长边平行。

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