CN103728467B - 平行板电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种平行板电容器。该电容器包括第一极板和与第一极板相对设置的第二极板，其中，该平行板电容器还包括在形成所述第一极板的基底上设置的至少一对敏感单元，所述敏感单元包括敏感元件和将敏感元件连接到所述第一极板的元件连接臂；设置在所述第二极板所在的基底上的锚定支座，其通过悬臂梁连接到所述元件连接臂；其中，每个元件连接臂与相对于其对称的至少两个锚定支座连接。该平板电容器更容易受到外界因素影响，从而更易产生电容的变化。

Description

平行板电容器
技术领域
本发明电容器，尤其涉及平行板电容器。
背景技术
微机电系统（Micro-electro-mechanicalSystem,MEMS）是近年来发展起来的一个多学科交叉的前沿性高技术领域。MEMS利用从半导体技术上发展起来的硅微机械加工工艺，主要以硅为材料，在硅片上制作出尺寸在微米量级、悬浮可动的三维结构，实现对外界信息的感知和控制。MEMS加速度传感器便是基于该技术的一种传感器件。
如大家所知道的，电容式MEMS加速度传感器的基本结构为质量块与固定电极组成的电容器。当加速度使得质量块产生位移时，改变电容器的电极之间的重叠面积或间距，在这样的情况下，便可通过测量电容器电容的改变来实现对加速度的测量。作为MEMS加速传感器的一种，由平板电容器构成的加速传感器由于工艺简单，受寄生电容和边缘效应的影响较小，对处理电路的要求较低且应用更为广泛。
但是，由于当前这种加速度传感器的平板电容器的电容变化范围较小，导致传感器的灵敏度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种平行板电容器。该电容器包括第一极板和与第一极板相对设置的第二极板，其中，该平行板电容器还包括在形成所述第一极板的基底上设置的至少一对敏感单元，所述敏感单元包括敏感元件和将敏感元件连接到所述第一极板的元件连接臂；设置在所述第二极板所在的基底上的锚定支座，其通过悬臂梁连接到所述元件连接臂；其中，每个元件连接臂与相对于其对称的至少两个锚定支座连接。
优选地，在该平行板电容器中，各敏感元件为质量块，各元件连接臂和悬臂梁均由硅形成，且各元件连接臂比各悬臂梁厚。
本发明还提供一种平行板电容器，其包括第一极板和与第一极板相对设置的第二极板，还包括在形成所述第一极板的基底上设置的至少一个敏感单元，所述敏感单元被所述第一极板包围，且所述敏感单元包括敏感元件和将敏感元件连接到所述第一极板的元件连接臂；设置在所述第二极板所在的基底上的锚定支座，其通过悬臂梁连接到所述元件连接臂；其中，每个元件连接臂与相对于其对称的至少两个锚定支座连接。
本发明所述的平板电容器，通过元件连接臂、敏感元件和电容器的第一极板形成的杠杆的作用，可以放大敏感元件的受力，从而使得电容器更容易受到力的影响而产生电容的变化。
附图说明
图1是根据本发明所述的一个实施例的平行板电容器1的结构的平面示意图。
图2是图1从a-a’处的平板电容器的侧面示意图。
图3是根据本发明的又一个实施例的平行板电容器2的结构的平面示意图。
具体实施方式
现结合附图进一步说明本发明。本领域技术人员可以理解到，以下只是结合具体实施方式对本发明的主旨进行非限制性说明，本发明所主张的范围由所附的权利要求确定，任何不脱离本发明精神的修改、变更都应由本发明的权利要求所涵盖。
图1是根据本发明所述的一个实施例的平行板电容器的结构的平面示意图。所示的平行板电容器包括第一极板10和第二极板（未示出），第一对敏感元件21a、21b和第二对敏感元件22a、22b，用于分别将第一对敏感元件21a、21b连接到第一极板10的元件连接臂23a、23b，用于分别将第二对敏感元件22a、22b连接到第一极板10的元件连接臂24a、24b，设置在第二极板的锚定支座30、31、32和33，将锚定支座30连接到元件连接臂23a的悬臂梁30a，将锚定支座31连接到元件连接臂23a的悬臂梁30b，将锚定支座32连接到元件连接臂24b的悬臂梁31a，将锚定支座32连接到元件连接臂24b的悬臂梁31b，将锚定支座32连接到元件连接臂23b的悬臂梁32a，将锚定支座33连接到元件连接臂23b的悬臂梁32b，将锚定支座33连接到元件连接臂24a的悬臂梁33a，将锚定支座30连接到元件连接臂24a的悬臂梁33b。优选地，各悬臂梁与连接到其的元件连接臂垂直。
敏感元件和元件连接臂构成了敏感单元，它们均设置在第一极板所在的硅基底上。敏感元件例如为质量块。敏感元件和元件连接臂在本例中均由硅材料形成，例如通过在基底上蚀刻从而获得敏感元件和元件连接臂，可以理解，质量块的重量较大。各悬臂梁同样由硅材料形成在第一极板所在的硅基底上，且各悬臂梁要比元件连接臂薄一些。设置在第二极板上的锚定支座从第二极板延伸到第一极板并与相应的悬臂梁固定连接。
根据本发明，各敏感单元中的各对敏感元件的两个元件对称设置在所述导电部的相对侧。图1所示的例子中，共设置了两对敏感元件。第一对敏感元件21a、21b分别设置在第一极板10的两侧，以面对该图正常阅读时的视角看，敏感元件21a设置在第一极板10的左侧，敏感元件21b相对地设置在第一极板10的右侧，元件连接臂23a和元件连接臂23b的长度相同。第二对敏感元件22a、22b分别设置在第一极板10的另外两侧，以面对该图正常阅读时的视角看，敏感元件22a设置在第一极板10的上侧，敏感元件22b则相对地设置在第一极板10的下侧，元件连接臂24a和元件连接臂24b的长度相同。
进一步，上述示例中，各敏感元件为等同的质量块。各质量块通过相应的元件连接臂连接到第一极板10，由此形成了杠杆。也就是说，元件连接臂23a作为杠杆，其一端是敏感元件21a而另一端是第一极板10，同样的情况适用于其他敏感元件和元件连接臂，不再赘述。
图2是图1从a-a’处的平板电容器的侧面示意图。如图所示，第一极板10和第二极板20之间设置有用于支撑杠杆（即元件连接臂）23a和23b的锚定支座30和33（因是从a-a’处的侧视图，因此锚定支座31和32未示出）。质量块21a通过杠杆23a连接到第一极板10，质量块21b通过杠杆23b连接到第二极板10。
该平板电容器1被用作加速度传感器的感测部件后，如果该加速度传感器受到上下方向的加速度，则在惯性作用下，各敏感元件（如各质量块）将感受到该加速度，并对相应的元件连接臂（即各杠杆）施加与加速度方向相反的力。由于根据本发明，悬臂梁的厚度比元件连接臂小，所以悬臂梁受到元件连接臂传来的力后，变形较大，而该变形将促使第一极板10的位移更大，亦即，使得第一极板在与加速度方向相同的方向上发生的位移更大，相应地第一极板和第二极板间的电容改变量较大。由于敏感元件、元件连接臂及第一极板所形成的杠杆结构，使得两极板在相同的加速度下获得了更大的位移，从而使得电容的变化更大，由此包括该平板电容器的加速度传感器更为敏感。
以上示例示意该平板电容器包括两对敏感单元，但本发明并不局限于此。实际应用中，可根据需要设置更多对敏感单元或只设置一对。
图3是根据本发明的又一个实施例的平行板电容器的结构的平面示意图。与图1所示的平行板电容器不同的是，本例中由敏感元件和元件连接臂形成的杠杆、以及连接锚定支座与元件连接臂的悬臂梁形成在第一极板的内侧，也就是说，本例中的敏感单元被第一极板包围，并且本例中敏感元件只包括一个敏感单元。
如图3所示，该电容器包括第一极板40和第二极板（未图示），敏感元件50，用于将敏感元件50连接到第一极板40的元件连接臂50a、50b、50c和50d，设置在第二极板的锚定支座60、61、62和63，将锚定支座60连接到元件连接臂50a的悬臂梁60a，将锚定支座61连接到元件连接臂50a的悬臂梁60b，将锚定支座61连接到元件连接臂50b的悬臂梁61a，将锚定支座62连接到元件连接臂50b的悬臂梁61b，将锚定支座62连接到元件连接臂50c的悬臂梁62a，将锚定支座63连接到元件连接臂50c的悬臂梁62b，将锚定支座63连接到元件连接臂50d的悬臂梁63a，将锚定支座60连接到元件连接臂50d的悬臂梁63b。优选地，各元件连接臂与连接到其的悬臂梁垂直。
敏感元件和元件连接臂构成了敏感单元，它们均设置在第一极板所在的硅基底。敏感元件例如为质量块。敏感元件和元件连接臂在本例中均由硅材料形成，例如通过在基底上蚀刻从而获得敏感元件和元件连接臂，可以理解，质量块的重量较大。各悬臂梁同样由硅材料形成在第一极板所在的硅基底上，且各悬臂梁要比元件连接臂薄些。设置在第二极板上的锚定支座从第二极板延伸到第一极板并与相应的悬臂梁固定连接。
图3所示的例子中，优选相对于敏感元件对称的元件连接臂的长度相同，更优选，各元件连接臂的长度相同。本示例中，敏感元件为等同的质量块，其通过元件连接臂连接到第一极板40，由此形成了基于个元件连接臂的杠杆。也就是说，元件连接臂50a作为杠杆，其一端是敏感元件50而另一端是第一极板40，同样的情况适用于敏感元件50和其他连接臂，不再赘述。
在平板电容器2用作加速度传感器的感测部件后，如果该加速度传感器受到上下方向的加速度，则在惯性作用下，各敏感元件（如各质量块）将感受到该加速度，并对各元件连接臂（即各杠杆）施加与加速度方向相反的力。在这样的情况下，较薄的悬臂梁受到元件连接臂传来的力后，变形较大，而该变形将促使第一极板10在与加速度方向相同的方向上发生位移更大，从而使得第一极板和第二极板间的电容改变量相应更大。由于敏感元件、元件连接臂以及第一极板所形成的杠杆结构，使得两极板在相同的加速度下获得了更大的位移，从而使得电容的变化更大，由此包括该平板电容器的加速度传感器更为敏感。
尽管本发明的上述各示例是以硅材料作为基底进行的说明，但实际应用中也可以是其他材料的基底，如硅化锗等。
此外，为了更好地达成杠杆的作用，各元件连接臂与悬臂梁连接的点更靠近质量块一些。

Claims (5)

1.一种平行板电容器，包括第一极板和与第一极板相对设置的第二极板，其特征在于，所述平行板电容器包括：
在形成所述第一极板的基底上设置的至少一对敏感单元，所述敏感单元包括敏感元件和将敏感元件连接到所述第一极板的元件连接臂；
设置在所述第二极板所在的基底上的锚定支座，其通过悬臂梁连接到所述元件连接臂，所述悬臂梁形成在所述第一极板所在的基底上；
其中，每个元件连接臂与相对于其对称的至少两个锚定支座连接。
2.如权利要求1所述的平行板电容器，其特征在于，所述敏感元件为质量块，所述元件连接臂和所述悬臂梁均由硅形成，且所述元件连接臂比所述悬臂梁厚。
3.一种平行板电容器，包括第一极板和与第一极板相对设置的第二极板，其特征在于，所述平行板电容器包括：
在形成所述第一极板的基底上设置的至少一个敏感单元，所述敏感单元被所述第一极板包围，且所述敏感单元包括敏感元件和将敏感元件连接到所述第一极板的元件连接臂；
设置在所述第二极板所在的基底上的锚定支座，其通过悬臂梁连接到所述元件连接臂，所述悬臂梁形成在所述第一极板所在的基底上；
其中，每个元件连接臂与相对于其对称的至少两个锚定支座连接。
4.如权利要求3所述的平行板电容器，其特征在于，所述敏感元件为质量块，所述元件连接臂和所述悬臂梁均由硅形成，且所述元件连接臂比所述悬臂梁厚。
5.一种包括如权利要求1－4中任意一项所述的平行板电容器的加速度传感器。
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