CN109269531A - 一种电容式微机械器件及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容式微机械器件及其操作方法，包括固定于锚点的机械结构，通过可动电极弹簧固定于可动电极锚点的第一可动电极、第二可动电极，和固定的用于改变第一可动电极、第二可动电极状态的可动电极驱动电极。其中，可动电极弹簧的初始状态中，直量与水平方向呈一个夹角，第一可动电极、第二可动电极与机械结构之间构成了第一检测电容、第二检测电容，二者在机械结构形变的过程中会发生变化，当第一检测电容增大时第二检测电容减小，从而可以实现对机械结构形变的差分检测。本发明还公开了一种电容式微机械器件的操作方法。本发明通过可动电极结构在相同工艺条件下实现更小的检测电容间隙，从而提高检测电容的变化量。

Description

一种电容式微机械器件及其操作方法
技术领域
本发明属于电学技术领域，涉及一种电容式微机械器件及其操作方法，具体地说，涉及一种具有双稳态可动电极结构的电容式微机械器件及其操作方法。
背景技术
近年来MEMS技术以其小体积、低功耗和低价格的优势得到越来越多的应用。在众多MEMS检测方式之中，电容检测由于与传统集成电路工艺兼容性强，因此在谐振器、麦克风、电场传感器、加速度计和陀螺仪等器件中都得到了广泛的应用。
由于电容检测方式的输出信号与电容变化量相关，因此为了提高器件整体的性能，应尽量增加机械结构在受到环境影响时的电容变化。改进方式包括增加电容面积、增加结构的形变、增加电容介质的介电常数和减小检测电容的基础间隙。
现有技术存在的缺点：
上述前三种改进方式受到器件面积、检测原理和系统设计等因素的制约，通常无法进行大幅度改变，而检测电容的基础间隙则受到工艺水平的限制。对于常见的体硅(或SOI)微机械工艺来说，受到刻蚀工艺的制约，电容间隙的最小值通常仅可以达到2um甚至更大，这就使得检测电容无法进一步增大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种电容式微机械器件及其操作方法，通过可动电极结构在相同工艺条件下实现更小的检测电容间隙，从而提高检测电容的变化量。在器件工作时通过静电力使得电容达到小间隙稳态后即可撤销该静电力。此时，器件即可以远小于工艺水平的电容间隙工作。
其技术方案如下：
一种电容式微机械器件，包括固定于锚点的机械结构，通过可动电极弹簧固定于可动电极锚点的第一可动电极、第二可动电极，和固定的用于改变第一可动电极、第二可动电极状态的可动电极驱动电极。其中，可动电极弹簧的初始状态中，直量与水平方向呈一个夹角，
第一可动电极、第二可动电极与机械结构之间构成了第一检测电容、第二检测电容，二者在机械结构形变的过程中会发生变化，当第一检测电容增大时第二检测电容减小，从而可以实现对机械结构形变的差分检测。
进一步，所述机械结构为谐振器、加速度计或陀螺仪等微机械器件。
进一步，所述可动电极弹簧结构为与水平方向呈一定夹角的单端引导直梁。
该角度受到可以提供的可动电极驱动电压、可动电极驱动电极尺寸、可动电极的行程、芯片面积以及可靠性等因素的影响，可取的范围为a>0。考虑实际因素可以取(0,10]，但是上限不绝对。
比如设计的可动电极行程为1.5um，可动电极弹簧长度为L，则角度a应为arcsin(1.5/2/L)。具体L取何值还需要考虑吸合电压和芯片面积。
作为本发明的一个实施例，所述机械结构上设有若干机械结构梳齿，可动电极上设有若干可动电极梳齿。
作为本发明的一个实施例，还包括阻挡块，其中可动电极弹簧变为正常的单端引导直梁，可动电极上设有限位闩。
本发明所述电容式微机械器件的操作方法，包括以下步骤：
在第一可动电极、第二可动电极与可动电极驱动电极之间的驱动电极间隙两侧施加一定的直流电压，则第一可动电极受到静电力的作用向下运动，第二可动电极受到静电力的作用向上运动；
上述静电力作用下的运动会受到可动电极弹簧的阻碍，则当上述静电力足够大时弹簧会发生压杆失稳从而从大间距稳态变为小间距稳态。
进一步，将可动电极弹簧的形变量设置为1.5um，在大间距稳态时第一检测电容、第二检测电容设置为2um，驱动电极间隙设置为2.5um。
本发明的有益效果：
与固定的检测电极相比，本发明可以在相同工艺条件下将检测电容间隙缩小几倍，相应的将检测电容和检测电容变化量增大几倍，从而显著提高器件的性能。
与单稳态的可动电极结构相比，本发明不需要在工作时持续提供偏置电压。另外，可以避免单稳态的可动电极受到外界振动等作用发生运动，从而影响最终输出信号的情况。
附图说明
图1双稳态可动电极结构实例1，大间距稳态；
图2实例1，小间距稳态；
图3实例2，梳齿平板电容；
图4实例3，阻挡块结构，大间距稳态；
图5实例3，小间距稳态。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1，图1是本发明的一个实例，其主体部分为固定于锚点2的机械结构1，该机械结构可以为谐振器、加速度计或陀螺仪等微机械器件。
主体部分以外还包括通过可动电极弹簧9固定于可动电极锚点3的第一可动电极4、第二可动电极5和固定的用于改变第一可动电极4、第二可动电极5状态的可动电极驱动电极6。其中，可动电极弹簧2的初始状态如图1所示，该直量与水平方向呈一个较小的夹角a。
第一可动电极4、第二可动电极5与机械结构1之间构成了第一检测电容7、第二检测电容8，二者在机械结构形变的过程中会发生变化。当第一检测电容7增大时第二检测电容8减小，从而可以实现对机械结构形变的差分检测。
器件在工作时，在第一可动电极、第二可动电极与可动电极驱动电极之间的驱动电极间隙10两侧施加一定的直流电压，则第一可动电极受到静电力的作用向下(图1中)运动，第二可动电极受到静电力的作用向上运动。
上述静电力作用下的运动会受到可动电极弹簧的阻碍。由于该实例中弹簧的配置方式，则当上述静电力足够大时弹簧会发生压杆失稳从而从大间距稳态变为如图2所示的小间距稳态。
为了避免状态变化导致第一可动电极、第二可动电极与可动电极驱动电极或第一可动电极、第二可动电极与机械结构相互接触而短路，又为了获得尽量小的第一检测电容、第二检测电容基础间隙，应将驱动电极间隙设置为略大于第一检测电容、第二检测电容间隙的值，同时二者应大于两个稳态之间的形变量。比如可以将可动电极弹簧的形变量设置为1.5um，在大间距稳态时第一检测电容、第二检测电容设置为2um，驱动电极间隙设置为2.5um。
这样在小间距稳态时检测电容间隙a’、b’就减小为0.5um，驱动电极间隙’减小为1um。根据平板电容的计算公式，小间距稳态与大间距稳态相比，电容间隙变为1/4，因此其基础电容和在机械结构形变下的电容变化量都变为原来的4倍，从而可以显著增加器件的性能。
应当注意的是，该实例中给出的可动电极弹簧结构为与水平方向呈一定夹角的单端引导直梁，但是弧形等其他形式的弹簧结构没有排除在本发明之外。
图3给出了本发明的另一个实例。该实例包括机械结构和可动电极两个部分，其中机械结构上增加了若干机械结构梳齿11，可动电极上增加了若干可动电极梳齿12。这样又多组机械结构梳齿和可动电极梳齿就可以组成检测电容。
与实例1使用了单个平板电容作为检测电容不同的是，该实例使用梳齿平板电容作为检测电容。这样可以将检测电容基础值和检测电容变化量都增加若干倍，可以提高器件的性能。
图4给出了使用另一种稳态结构的实例，其中虚线部分以下与虚线部分以上关于虚线呈轴对称。
该实例包括机械结构，可动电极和阻挡块13三个大部分。其中可动电极弹簧变为正常的单端引导直梁，可动电极上增加了限位闩14。
该实例在工作时，同样需要在可动电极和可动电极驱动电极之间施加直流电压。当可动电极受到静电力作用时会向下运动，运动过程中会发生其上限位闩与阻挡块接触的情况。此时限位闩会发生形变，当位移继续增大时限位闩通过阻挡块，器件进入图5所示的小间距稳态，从而减小了检测电容间隙。此时限位闩的形变恢复，而可动电极弹簧会发生一定的形变。
应当注意的是，本发明需要加工实例1中一定夹角的可动电极弹簧或实例3中具有一定坡度的阻挡块结构。因此在微机械工艺的限制条件下，本发明可以在晶圆平面内实现，即机械结构的形变也发生在晶圆平面内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电容式微机械器件，其特征在于：包括固定于锚点的机械结构，通过可动电极弹簧固定于可动电极锚点的第一可动电极、第二可动电极，和固定的用于改变第一可动电极、第二可动电极状态的可动电极驱动电极。其中，可动电极弹簧的初始状态中，直量与水平方向呈一个夹角，
第一可动电极、第二可动电极与机械结构之间构成了第一检测电容、第二检测电容，二者在机械结构形变的过程中会发生变化，当第一检测电容增大时第二检测电容减小，从而可以实现对机械结构形变的差分检测。
2.根据权利要求1所述的电容式微机械器件，其特征在于：所述机械结构为谐振器、加速度计或陀螺仪。
3.根据权利要求1所述的电容式微机械器件，其特征在于：所述可动电极弹簧结构为与水平方向呈一定夹角的单端引导直梁。
4.根据权利要求1所述的电容式微机械器件，其特征在于：所述机械结构上设有若干机械结构梳齿，可动电极上设有若干可动电极梳齿。
5.根据权利要求1所述的电容式微机械器件，其特征在于：还包括阻挡块，其中可动电极弹簧变为正常的单端引导直梁，可动电极上设有限位闩。
6.权利要求1所述电容式微机械器件的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：
在第一可动电极、第二可动电极与可动电极驱动电极之间的驱动电极间隙两侧施加一定的直流电压，则第一可动电极受到静电力的作用向下运动，第二可动电极受到静电力的作用向上运动；
上述静电力作用下的运动会受到可动电极弹簧的阻碍，则当上述静电力足够大时弹簧会发生压杆失稳从而从大间距稳态变为小间距稳态。
7.根据权利要求6所述的所述电容式微机械器件的操作方法，其特征在于：将可动电极弹簧的形变量设置为1.5um，在大间距稳态时第一检测电容、第二检测电容设置为2um，驱动电极间隙设置为2.5um。
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