CN102064021B - 一种微机械梳齿电容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微机械梳齿电容器，涉及微电子机械领域，所述微机械梳齿电容器包括：固定梳齿电极和可动梳齿电极，所述固定梳齿电极和可动梳齿电极交叠成解耦梳齿电容器，当所述可动梳齿电极在外力作用下，与所述固定梳齿电极相对离面运动时，所述微机械梳齿电容器的电容保持不变。本发明的微机械梳齿电容器成本低、结构简单，可以有效解决微机械陀螺仪执行器的模态耦合问题，以及微机械陀螺仪和加速度传感器的交叉轴灵敏度问题。

Description

一种微机械梳齿电容器

技术领域

本发明涉及微电子机械领域，特别地，涉及一种微机械梳齿电容器。 

背景技术

随着半导体微细加工技术和超精密机械加工技术的发展，微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical System)也迅速发展起来。MEMS具有体积小、重量轻、成本低、功耗小以及易于集成等显著优点，广泛应用于军事、经济、医学、电子和航空航天等领域。 

采用MEMS技术实现的微机械梳齿电容器被广泛地用作传感器或者执行器，微型惯性器件即为其重要应用之一，包括微机械陀螺仪和微机械加速度计。其中，微机械陀螺仪是一种用于测量角速度的微型惯性器件，加速度计是用于测量线加速度的微型惯性器件。长期以来，模态耦合问题一直是制约微机械陀螺仪发展的主要瓶颈。为了获得高性能陀螺仪，就必须解决驱动模态和检测模态的机械耦合问题。此外，交叉轴灵敏度问题也是限制微机械惯性器件性能提高的因素之一。 

对于模态耦合问题，日本Murata公司的Kawai等人在“传感器与执行器”上发表的“采用振动模式调整技术的高精度微型陀螺仪”一文(H.Kawai，K.-I.Atsuchi，M.Tamura，K.Ohwada，“High-resolution microgyroscope using vibratory motion adjustment technology”Sens.Actuators A-Phys.，Vol.90pp.153-159，2001.)中提出了一种通过静电力(矩)来矫正驱动模态的运动方向，从而解决模态耦合问题的方法。该文中的陀螺仪采用了框架结构，在X轴方向驱动，Z轴方向检测，敏感Y轴的角速度。陀螺仪的驱动梳齿电容器(执行器)采用传统的等高梳齿电容器。当陀螺工作时，驱动模态的运动会通过检测弹性梁耦合到检测模态；检测模态的运动也会通过与检测弹性梁相连的框架耦合到驱动梳齿电容，使其固定梳齿和可动梳齿沿z轴发生相对偏移，破坏电容分布的对称性，从而造成寄生的静电力，影响角速度信号的检测。为了抑制这种耦合，该方案的陀螺仪额外设计了两组偏置电极，通过在偏置电极上施加相应的电 压，产生的静电力使质量块回复到平衡位置，从而抑制驱动到检测模态的机械耦合。但是，这种方法一方面因为受制于电路的调节能力，需要对系统电路进行特别设计，因此增加了系统设计的复杂度，另一方面偏置电极的额外设置也增加了陀螺仪的实现成本。 

而对于微机械陀螺仪传感器使用可变梳齿电容器产生的交叉轴灵敏度问题，通常的解决方法是通过后期的人工测试标定而后补偿。这种方法不但工作量大、效率低、成本高，而且不能从根本上解决交叉轴灵敏度问题。 

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何实现一种低成本、结构简单的微机械梳齿电容器，以有效解决微机械陀螺仪中检测模态到驱动模态的耦合问题，以及微机械惯性传感器的交叉轴灵敏度问题。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本、结构简单的微机械梳齿电容器，以有效解决微机械陀螺仪执行器的模态耦合问题，以及微机械惯性传感器的交叉轴灵敏度问题。 

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种微机械梳齿电容器，包括：固定梳齿电极和可动梳齿电极，所述固定梳齿电极和可动梳齿电极交叠成解耦梳齿电容器，当所述可动梳齿电极在外力作用下，与所述固定梳齿电极相对离面运动时，所述微机械梳齿电容器的电容保持不变； 

其中，所述可动梳齿电极的上端高于所述固定梳齿电极的上端，所述可动梳齿电极的下端低于所述固定梳齿电极的下端，所述可动梳齿电极离面运动时和固定梳齿电极交叠面积固定不变； 

或者，所述可动梳齿电极的上端低于所述固定梳齿电极的上端，所述可动梳齿电极的下端高于所述固定梳齿电极的下端，所述可动梳齿电极离面运动时和固定梳齿电极交叠面积固定不变。 

优选的，所述微机械梳齿电容器为微机械驱动梳齿电容器。 

优选的，所述微机械驱动梳齿电容器采用开环驱动或者闭环驱动。 

优选的，所述微机械驱动梳齿电容器为一组或多组。 

优选的，所述微机械梳齿电容器为微机械检测梳齿电容器。 

优选的，所述微机械检测梳齿电容器采用开环检测或者闭环检测。 

优选的，所述微机械检测梳齿电容器为一组或者多组。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

首先，本发明的微机械梳齿电容器的固定梳齿电极和可动梳齿电极交叠成解耦梳齿电容器，当在外力(如惯性力)作用下，可动梳齿电极相对于固定梳齿电极做小角度扭转或微小垂直离面运动时，二者交叠面积不变，因而微机械梳齿电容器的各部分电容不会因为可动梳齿电极沿Z轴的运动而发生变化，固定梳齿电极和可动梳齿电极之间的静电力平衡状态得以保持。由此，当微机械梳齿电容器用作驱动梳齿电容器时，不会产生沿Z轴的静电力，可用于消除微机械陀螺检测模态到驱动模态的机械耦合；当微机械梳齿电容器用作检测梳齿电容器时，对固定梳齿电极和可动梳齿电极沿Z轴的相对运动不敏感，从而可以解决惯性传感器的交叉轴灵敏度问题。 

其次，本发明的微机械梳齿电容器结构简单、制造成本低，可大批量生产，广泛用于微机械系统中。 

附图说明

图1是本发明的一种微机械梳齿电容器实施例一的立体结构示意图； 

图2是本发明的一种微机械梳齿电容器实施例一的成对使用的微机械梳齿电容器立体结构示意图； 

图3是本发明图2所示成对使用的微机械梳齿电容器的简单结构示意图； 

图4是本发明图2、图3所示成对使用的微机械梳齿电容器的工作状态示意图； 

图5是本发明的一种微机械梳齿电容器实施例二的立体结构示意图； 

图6是本发明的一种微机械梳齿电容器实施例二的成对使用的微机械梳齿电容器立体结构示意图； 

图7是本发明图6所示成对使用的微机械梳齿电容器的简单结构示意图； 

图8是本发明图6、图7所示成对使用的微机械梳齿电容器的工作状态示 意图； 

图9是本发明的一种微机械梳齿电容器应用情景示意图； 

图10是本发明的一种微机械驱动梳齿电容器的开环差动驱动示意图； 

图11是本发明的一种微机械驱动梳齿电容器的闭环单边驱动示意图； 

图12是本发明的一种微机械驱动梳齿电容器的闭环差动驱动示意图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明的微机械梳齿电容器主要用于测量水平面方向的X轴和Y轴角速度的微机械陀螺仪的梳齿驱动器，或Z轴陀螺及水平轴加速度计的检测电容器，也可用于其它有类似功能需求的电容式传感器或驱动器。参照图1，示出了本发明一种微机械梳齿电容器实施例一的立体结构示意图，包括：可动梳齿电极101和固定梳齿电极102。其中，所述可动梳齿电极101包括可动梳背1011和可动梳齿1012，可动梳齿1012与可动梳背1011固定连接。所述固定梳齿电极102包括固定梳背1021和固定梳齿1022，固定梳齿1022和固定梳背1021固定连接。所述固定梳齿1022和可动梳齿1012交叠成解耦电容器。可动梳齿1012的上端1012a高于固定梳齿1022的上端1022a，可动梳齿1012的下端1012b低于固定梳齿1022的下端1022b，如图2所示。可动梳齿1012和固定梳齿1022的高度差可由本领域技术人员根据梳齿间距、梳齿宽度以及梳齿的整体高度综合考虑确定，在此不再赘述。可动梳齿电极101和固定梳齿电极102构成敏感电容C1，如图3所示。当可动梳齿电极101在外力(如惯性力)作用下做逆时针小角度扭转或向上的微小垂直位移时，如图4所示，可动梳齿电极101和固定梳齿电极102因为存在高度差而交叠面积保持不变，从而敏感电容C1保持不变。当可动梳齿电极101做顺时针小角度或向下的微小垂直位移扭转时，情况与逆时针相仿。 

本实施例的成对使用的微机械梳齿电容器为图1所示的微机械梳齿电容器成对使用，对称分布组成的微机械梳齿电容器，其立体结构如图2所示。该成对使用的微机械梳齿电容器左端的可动梳齿电极101和固定梳齿电极102构成敏感电容C1，右端的可动梳齿电极101和固定梳齿电极102构成敏感电容C2，如图3所示。施加于左、右两端固定梳齿电极102的电压可以相同，也可以不同，即C1可以与C2相等，也可以不相等。当可动梳齿电极101在外力(如惯性力)作用下做逆时针小角度扭转或向上的微小垂直位移时，如图4所示，可动梳齿电极101和固定梳齿电极102因为存在高度差而交叠面积保持不变，从而敏感电容C1保持不变。同理，敏感电容C2也保持不变。当可动梳齿电极101做顺时针小角度或向下的微小垂直位移扭转时，情况与逆时针相仿。 

参照图5和图6，分别示出了本发明的一种微机械梳齿电容器实施例二的立体结构示意图和成对使用的微机械梳齿电容器立体结构示意图，包括可动梳齿电极201和固定梳齿电极202。其中，所述可动梳齿电极201包括可动梳背2011和可动梳齿2012，可动梳齿2012与可动梳背2011固定连接。所述固定梳齿电极202包括固定梳背2021和固定梳齿2022，固定梳齿2022和固定梳背2021固定连接。所述固定梳齿2022和可动梳齿2012交叠成解耦电容器。所述可动梳齿2012的第一端2012a低于固定梳齿2022的第一端2022a，可动梳齿2012的第二端2012b高于固定梳齿2022的第二端2022b。本微机械梳齿电容器实施例的成对使用、对称分布的两个梳齿电容构成的微机械梳齿电容器的立体结构如图6所示。 

可动梳齿电极201和固定梳齿电极202构成敏感电容C3，如图7所示。敏感电容C3在外力作用下发生小角度扭转或向上/向下的微小垂直位移时，数值保持不变。当为成对使用的微机械梳齿电容器时，图5所示微机械梳齿电容器成对使用、对称分布，如图6所示。其中，左端的可动梳齿电极201和固定梳齿电极202构成敏感电容C3，右端的可动梳齿电极201和固定驱动梳齿电极202构成敏感电容C4，如图7所示。施加于左、右两端固定梳齿电极202的电压可以相同，也可以不同。敏感电容C3和C4在发生小角度扭转或向上/向下的微小垂直位移时，数值保持不变，图8示出了本实施例可动梳齿电极 201做逆时针小角度扭转时的工作状态。 

本发明的微机械梳齿电容器既可用作驱动梳齿电容器，也可以用作检测梳齿电容器。 

当用作驱动梳齿电容器时，以实施例一为例，固定梳齿电极102通过固定梳背1021与连接物连接，可动梳齿电极101通过可动梳背1011与被驱动物体固定连接。在固定梳齿电极102和可动梳齿电极101间的施加电压作用时，产生的静电力将驱动可动梳齿电极101连同被驱动物体一起沿X轴运动。其中，X轴为水平轴，Y轴为垂直轴。在这种情况下，可动梳齿电极101沿Z轴方向的运动不会引起可动梳齿电极101和固定梳齿电极102之间的电容变化，因此，可动梳齿电极101沿Z轴方向的运动不会引起可动梳齿电极101和固定梳齿电极102之间沿Z轴方向的静电力。将本发明的微机械梳齿电容器用于微机械陀螺仪的执行器，即可解决执行器上检测模态到驱动模态的机械耦合问题。 

当用作检测梳齿电容器时，仍以实施例一为例，固定梳齿电极102通过固定梳背1021与连接物连接，可动梳齿电极101通过可动梳背1011与被检测物体固定连接。被检测物体沿X轴方向的运动将引起固定梳齿电极102和可动梳齿电极101之间的电容变化，通过测量电容的变化可以检测物体的运动。在这种情况下，可动梳齿电极101沿Z轴方向的运动不会引起可动梳齿电极101和固定梳齿电极102间电容的变化，因此，本发明的微机械梳齿电容器对可动梳齿电极101和固定梳齿电极102沿Z轴的相对运动不敏感，当将其用于微机械陀螺仪或加速度计的敏感单元时，敏感单元的交叉轴灵敏度问题即可得到解决。 

本发明的微机械梳齿电容器在用作驱动梳齿电容器时，可以单组使用，也可以设置多组(如图12所示)，每组驱动梳齿电容器包括可动驱动梳齿电极和固定驱动梳齿电极。由于可动驱动梳齿电极和固定驱动梳齿电极之间的静电力大小与梳齿的个数成正比，因此，一方面，与单组驱动梳齿电容器相比，采用多组驱动梳齿电容器可以增加静电力，从而减小驱动电压，在低电压下工作时， 可以减小系统功耗，电路设计实现也较为简单；另一方面，在驱动电压不变的情况下，采用多组驱动梳齿电容器，就增大了原有的静电力，当其应用于微机械陀螺仪时，就会引起陀螺仪检测质量块的运动幅度增大，从而提高陀螺仪的检测灵敏度。 

可动驱动梳齿电极可以单独驱动或者共同驱动，其驱动方式可以采用开环如图10所示，也可以采用闭环驱动如图11、图12所示，既可以单边梳齿驱动也可以双边梳齿差动驱动。 

同样，本发明的微机械梳齿电容器在用作检测梳齿电容器时，可以单组使用，也可以多组使用；可以开环检测，也可以闭环检测。 

参照图9，示出了本发明的一种微机械梳齿电容器应用情景示意图，图中所示为将本发明的微机械梳齿电容器用作微机械陀螺仪的驱动梳齿电容器901(执行器)。该微机械陀螺仪用于检测水平面内的X轴或Y轴的角速度，利用哥氏力测量物体角速度，工作时，驱动梳齿电容器901的固定驱动梳齿电极9011在驱动电压作用下，对可动驱动梳齿电极9012施加静电力，驱动可动驱动梳齿电极9012带动左右两个检测质量块902沿X轴振动。其中，两个检测质量块902的相位相差180度，且沿X轴的谐振频率可以相等以实现高的检测灵敏度，也可以谐振频率有差别，以提高陀螺仪的带宽。当系统有Y轴方向角速度输入时，两个检测质量块902通过驱动折叠梁903和框架904带动检测梳齿电容器905的可动检测梳齿电极9051沿Z轴做反相振动，从而引起检测梳齿电容器905的电容发生变化，通过左右检测梳齿电容器905的差分信号即可获得沿Y轴方向输入的角速度信息。基于同样原理，将陀螺仪旋转90度，即可检测沿X轴方向输入的角速度信息。由于该微机械陀螺仪采用了本发明的微机械梳齿电容器作为驱动梳齿电容器901，使得该陀螺仪从驱动模态到检测模态的耦合得到了有效抑制。 

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即 可。 

以上对本发明所提供的一种微机械梳齿电容器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (7)

1.一种微机械梳齿电容器，其特征在于，包括：

固定梳齿电极和可动梳齿电极，所述固定梳齿电极和可动梳齿电极交叠成解耦梳齿电容器，当所述可动梳齿电极在外力作用下做离面运动时，所述微机械梳齿电容器的电容保持不变；

其中，所述可动梳齿电极的上端高于所述固定梳齿电极的上端，所述可动梳齿电极的下端低于所述固定梳齿电极的下端，所述可动梳齿电极离面运动时和固定梳齿电极交叠面积固定不变；

或者，所述可动梳齿电极的上端低于所述固定梳齿电极的上端，所述可动梳齿电极的下端高于所述固定梳齿电极的下端，所述可动梳齿电极离面运动时和固定梳齿电极交叠面积固定不变。

2.根据权利要求1所述微机械梳齿电容器，其特征在于，所述微机械梳齿电容器为微机械驱动梳齿电容器。

3.根据权利要求2所述的微机械梳齿电容器，其特征在于，所述微机械驱动梳齿电容器采用开环驱动或者闭环驱动。

4.根据权利要求3所述的微机械梳齿电容器，其特征在于，所述微机械驱动梳齿电容器为一组或多组。

5.根据权利要求1所述微机械梳齿电容器，其特征在于，所述微机械梳齿电容器为微机械检测梳齿电容器。

6.根据权利要求5所述的微机械梳齿电容器，其特征在于，所述微机械检测梳齿电容器采用开环检测或者闭环检测。

7.根据权利要求6所述的微机械梳齿电容器，其特征在于，所述微机械检测梳齿电容器为一组或者多组。

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