CN112129278A - 可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构 - Google Patents

可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可减小由电容边缘效应导致的电容‑位移之间的非线性的栅结构，所述的栅结构的两个侧面与靠近金属电极的底面形成的夹角小于90°。本发明通过对微机械陀螺仪中的栅结构形状进行改进，将栅结构的两个垂直侧面优化为与底面形成夹角，可有效减小由电容边缘效应导致的电容‑位移之间的非线性。

Description

可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅 结构
技术领域
本发明属于微机械陀螺领域，涉及一种可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构。
背景技术
在微机械陀螺仪中，为了使得质量块在驱动模态在驱动模态做简谐运动，常使用静电致动的方式对质量块施加一个频率与谐振频率相等的正弦形式的静电力。同时，为了检测质量块在驱动模态和检测模态上位移的幅度，常采用位移-电容转换的方式，先将位移信号转化为电容信号。无论是静电致动还是位移检测，都要求电容与位移之间的关系为近似线性关系。然而，在利用现有的栅结构在实现静电致动以及位移检测时，由于电容边缘效应的存在，会影响电容-位移之间的线性度，对静电致动以及位移检测造成影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构。
本发明采用以下技术方案实现：
一种可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构，所述的栅结构的两个侧面与靠近金属电极的底面形成的两个夹角小于90，且这两个夹角相等°。
上述技术方案中，进一步地，所述的栅结构的形状为等腰梯形。
更进一步地，所述的栅结构为等腰三角形。
进一步地，所述的栅结构由半导体材料经倾斜刻蚀形成，所述的倾斜刻蚀为：使用湿法腐蚀的各向异性腐蚀或者干法刻蚀的等离子体刻蚀。
进一步地，所述的栅结构为沿垂直于底面方向局部减薄得到。
本发明还提供一种可减小由电容边缘效应导致的非线性的栅结构驱动器或位移检测器，所述的栅结构驱动器或位移检测器包括可动质量块和两个金属电极，所述的可动质量块为半导体材料，可动质量块上刻蚀有上述栅结构。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种具有新形状的栅结构，因其具有倾斜的侧面，使得由电容边缘效应引起的电容值变小，增大了极板正对部分形成的线性电容占总电容值的比例，因此相当于减小了由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性。在微机械陀螺仪中，非线性往往是一种非理想因素，会使得陀螺仪的工作偏离预期，因此，非线性越小对陀螺仪的工作越有利。电容-位移之间的非线性作为陀螺仪非线性的一个重要组成部分，减小电容-位移之间的非线性也对陀螺仪的工作有利。
附图说明
图1是普通栅结构的截面图；
图2为图1的普通栅结构中形成电容的主要表面；
图3是具有倾斜侧面的栅结构的截面图；
图4是栅结构局部减薄后的截面图；
图5是局部减薄且具有倾斜侧面的栅结构的截面图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，栅结构驱动器主要由三部分组成，可动质量块，第一金属电极2，第二金属电极3。可动质量块为半导体材料，在可动质量块上刻蚀得到栅结构1。可动质量块通过弹性梁(未画出)连接到固定锚区上(未画出)，其只具有在X方向上的自由度，在Y方向和Z方向上均不具有自由度，所以可动质量块只能沿X方向运动。第一金属电极2，第二金属电极3沉积在玻璃衬底(未画出)上，在X、Y、Z三个方向上都不具有自由度。可动质量块上的栅结构1的刻蚀方向为Z方向，可动质量块与第一金属电极2，第二金属电极3之间存在电介质，因此栅结构1与第一金属电极2，第二金属电极3之间可以形成电容。当第一金属电极2，第二金属电极3上施加电压时，依据电动力学相关理论，可动质量块会受到静电力的作用，由于可动质量块仅在X方向上具有自由度，该静电力会使得可动质量块在X方向上运动。
根据电动力学相关理论，作用在可动质量块上的静电力与电势能的梯度有关，电容器所储存的电势能与电容以及两端电压的平方呈正比，即静电力与电容沿X方向的梯度有关，如果电容沿X方向的梯度为常数，那么静电力只与电压的平方有关，通过控制施加在第一金属电极2，第二金属电极3上电压的形式即可控制作用在可动质量块上的静电力的形式。如果电容沿X方向的梯度较大，这意味着施加较小的电压就能够得到较大的静电力。
如图2所示，栅结构1与第一金属电极2之间形成的电容，主要为第一表面9与第三表面4之间的电容、第一表面9与第四表面8之间的电容、第一表面9与第一点6之间的电容。栅结构1与第二金属电极3之间形成的电容，主要为第二表面10与第五表面5之间的电容、第二表面10与第四表面8之间的电容、第二表面10与第二点7之间的电容。其余表面之间形成的电容值由于过小从而可以忽略其作用。以栅结构1与第一金属电极2之间形成的电容为例，第一表面9与第四表面8之间形成的电容可以看作平行板电容，其电容值在X方向上的梯度为常数。第一表面9与第三表面4、第一表面9与第一点6之间的电容一般被称为边缘电容，其计算形式不确定。
以栅结构1与第一金属电极2之间形成的电容为例，如果仅存在第一表面9与第四表面8之间的电容，那么电容沿X方向的梯度为常数，当可动质量块沿X正方向运动时，第一表面9和第四表面8之间的电容的正对面积减小因此电容线性减小，当可动质量块沿X负方向运动时，第一表面9和第四表面8之间的电容的正对面积增大因此电容线性增大。当考虑第一表面9和第三表面4之间的电容时，当可动质量块沿X正方向运动时，第一表面9和第三表面4之间的电容的有效面积增大因此电容增大，当可动质量块沿X负方向运动时，第一表面9和第三表面4之间的电容的正对面积减小因此电容减小。很明显第一表面9与第四表面8之间的电容的增减性与第一表面9与第三表面4之间的电容的增减性相反，也就是说第一表面9与第三表面4之间的电容不仅使得电容随位移呈现了非线性变化，还使得电容随位移变化的等效梯度减小。因此如果能够抑制第一表面9与第三表面4之间的电容以及第二表面10与第五表面5之间的电容，就能使得电容在X方向上的梯度更接近线性，同时使得梯度更大。
如图3所示，在沿Z方向采取倾斜刻蚀技术刻蚀出栅结构1后，由于栅结构1为等腰三角形，第三表面4和第五表面5不再与Z方向平行，而是与Z方向之间产生了一个倾斜角。很明显第一表面9与第三表面4之间的夹角增大，第二表面10与第五表面5之间的夹角增大，相应的电容值对整体电容的影响减小，使得电容在X方向上的梯度更接近常数，同时使得梯度更大。
对于栅结构位移检测器来说，一般近似认为可动质量块的位移与栅结构1与第一金属电极2，第二金属电极3之间的电容呈现线性关系，通过电容电压转换电路将电容转化为可读的电压信号。由于电容电压转换电路能够将电容线性转化为电压，只要栅结构1与第一金属电极2，第二金属电极3之间的电容随可动质量块的位移的变化越接近线性，位移与电压之间的转换关系就越接近线性。同时，如果电容随位移变化的梯度越大，位移转化为电压的转化系数就越大，在电压的分辨率一定时，很明显位移与电压的转化系数越大，能检测到的位移精度就越高。因此，图3所示的结构同样有助于改善栅结构位移检测器的性能。
如图4所示，减小第一表面9与第三表面4之间的电容和第二表面10与第五表面5之间的电容影响的另一种方式，是采用局部减薄的方式。
如图5所示，对栅结构同时使用局部减薄和倾斜刻蚀。
为了刻蚀硅晶体得到倾斜截面，可以使用湿法腐蚀的各向异性腐蚀，以及干法刻蚀的等离子体刻蚀。其中，各向异性腐蚀是利用硅晶体沿着各晶向抗腐蚀性能不同实现的，硅晶体沿着<111>晶向最难腐蚀，当放置于腐蚀液中的晶圆片表面恰为(100)晶面时，由于(111)晶面和(100)晶面之间夹角为54.74°，在腐蚀完毕后就会形成一个54.74°的斜面。如果使用干法刻蚀的等离子体刻蚀，在刻蚀后形成的沟槽的内壁相对于深度方向上会存在一个广角。

Claims (7)

1.一种可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构，其特征在于，所述的栅结构的两个侧面与靠近金属电极的底面形成的夹角小于90°，且这两个夹角相等。
2.根据权利要求1所述的可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构，其特征在于，所述的栅结构的形状为等腰梯形。
3.根据权利要求2所述的可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构，其特征在于，所述的栅结构的形状为等腰三角形。
4.根据权利要求1所述的可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构，其特征在于，所述的栅结构由半导体材料经倾斜刻蚀形成，所述的倾斜刻蚀为：使用湿法腐蚀的各向异性腐蚀或者干法刻蚀的等离子体刻蚀。
5.根据权利要求4所述的可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构，其特征在于，所述的栅结构为沿垂直于底面方向局部减薄得到。
6.一种可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构驱动器，其特征在于，包括可动质量块和两个金属电极，所述的可动质量块为半导体材料，其上刻蚀有如权利要求1-5任一项所述的栅结构。
7.一种可减小由电容边缘效应导致的电容-位移之间的非线性的栅结构位移检测器，其特征在于，包括可动质量块和两个金属电极，所述的可动质量块为半导体材料，其上刻蚀有如权利要求1-5任一项所述的栅结构。
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