CN112945219B - 更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构。包含至少一组固定电极组和至少一个可动电极，每组固定电极组均由两个固定电极构成，两个固定电极形状均为直角梯形且尺寸相同，两个固定电极之间以直角边反向连接形成旋转对称结构；可动电极和固定电极组平行间隔布置构成了变面积电容结构；通过调节可动电极和固定电极的几何参数来实现变面积电容结构的更大可调节微机械器件弹性系数。本发明能有效增强结构的弹性系数调节能力，在对可动电极和固定电极之间施加相同大小电压差的条件下，能够产生更强的弹性系数调节效果。

Description

更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构

技术领域

本发明涉及了属于微机械传感器领域的一种改进的变面积电容结构，特别涉及用于微机械陀螺和微机械加速度计的改进的更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构。

背景技术

微机械陀螺的工作原理是基于两个正交的振动模态，即驱动模态和检测模态之间的能量交换来实现对输入角速度的检测。当驱动模态和检测模态具有相同的谐振频率时，陀螺处在模态匹配状态，能够大大提高系统的机械灵敏度，进而改善系统的检测精度。微机械陀螺可以等效为两个方向上的弹簧-质量块系统，等效后的弹簧的弹性系数影响着微机械陀螺的模态谐振频率。微机械加速度计也可等效为一个方向上的弹簧-质量块系统，等效后的弹簧的弹性系数影响着微机械加速度计的模态谐振频率。在质量块质量一定的情况下，改变等效弹簧的弹性系数，器件的模态谐振频率就会改变。

全对称陀螺在设计时，驱动模态和检测模态的弹性梁的几何尺寸一致从而具有相等的等效刚度，并且两个模态的等效质量相等，因此驱动模态和检测模态具有相同的谐振频率设计值。但由于各种非理想因素，如选取<100>晶圆的晶相各项异性、加工时的工艺误差、封装后留下的残余应力，两模态间仍会具有一定谐振频率差值。为了人为地补偿两模态之间的谐振频率差值从而实现模态匹配，已经有多种频率修调的方式被提出。静电修调方式，通过在特有结构上施加调谐电压来使得模态的等效弹簧的弹性系数发生变化，从而改变模态的谐振频率，进而实现模态匹配。

静电修调所采用的特有结构为两块具有特定几何尺寸的电极，其中一块电极与微机械陀螺中的可动质量块相固连，随着可动质量块的运动而运动，称为可动电极。另一块电极固定不动，为固定电极。可动电极与固定电极之间的电势差即调谐电压。当调谐电压一定时，调谐电压导致的弹性系数变化量越大，模态谐振频率变化量也就越大，结构的调谐能力也就越强。

现在已经存在一种静电修调的方式，其可动电极为栅结构，固定电极由直角三角形电极拼接而成；或者可动电极为三角形电极拼接而成，固定电极为栅结构。然而由于电容的边缘效应，其调谐能力不足。对于初始模态谐振频率差值较大的微机械陀螺，利用该静电修调方式无法实现模态匹配。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，现在已存在的一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其可动电极为栅结构，固定电极由直角三角形电极拼接而成；或者可动电极为三角形电极拼接而成，固定电极为栅结构。由于电容的边缘效应，其调谐能力小于预期。

因此为解决上述技术问题，本发明提供了一种改进的更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包含至少一组固定电极组和至少一个可动电极，每组固定电极组均由两个固定电极构成，两个固定电极形状均为直角梯形且尺寸相同，两个固定电极之间以直角边反向连接形成旋转对称结构，此处反向是指两个固定电极之间以直边腰重叠对接后，其中一个固定电极直角梯形的上底和其中一个固定电极直角梯形的下底位于同一直线对齐，其中一个固定电极直角梯形的下底和其中一个固定电极直角梯形的上底位于同一直线对齐，这样使得两个固定电极的斜边腰所在直线平行；可动电极和固定电极组平行间隔布置构成了变面积电容结构。

通过调节两个固定电极直角梯形的上底和下底的尺寸以及可动电极处于直角梯形上底/下底方向上的边尺寸，来实现变面积电容结构的更大可调节微机械器件弹性系数。

更优选地，具体实施包括多组固定电极组，多组固定电极组沿直角梯形的直边腰所在直线方向依次反向穿接布置构成一个固定电极条，此处反向是指每相邻两组固定电极组之间以直角梯形一侧的上下底重叠对接后，相邻两组固定电极组的斜边腰所在直线不平行布置。

更优选地，具体实施包括多个可动电极，多个可动电极沿固定电极组直角梯形的直边腰所在直线方向依次穿接布置构成一个可动电极条。

所述固定电极条表面正对地布置可动电极条，或者在固定电极条之间布置可动电极条，进而构成整体的变面积电容结构。

所述的弹性系数是指可动电极所受到静电力的大小与可动电极沿固定电极组直角梯形的直边腰所在直线方向的位移大小之间的比值。

所述的两个固定电极直角梯形的上底和下底的尺寸以及可动电极平行于直角梯形的上底/下底方向的边尺寸按照以下方式处理设置：通过有限元分析建立变面积电容结构的电磁场仿真模型，对两个固定电极直角梯形的上底和下底以及可动电极处于直角梯形上底/下底方向上的三个参数进行参数化扫描，即对所有可能的参数条件下的两个固定电极和可动电极均进行计算弹性系数，选取弹性系数最大的结果所对应的两个固定电极和可动电极的参数，作为优化最终结果进行设置。

弹性系数变化量就是指变面积电容结构引入的弹性系数，这个引入的弹性系数会改变整个系统的弹性系数，比如原本系统的弹性系数为k1，在变面积电容结构施加电压后引入弹性系数为k2，整个系统的弹性系数变为k1+k2，k2就是弹性系数变化量。

本发明优化中对可动电极和固定电极的几何参数进行参数化扫描，几何参数具体为两个固定电极直角梯形的上底和下底的尺寸以及可动电极处于直角梯形上底/下底方向上的边尺寸。

所述的变面积电容结构用于微机械陀螺和微机械加速度计中的频率修调模块上。

本发明优化后的电极的几何形状也发生了改变，原有结构中的由直角三角形拼接而成的电极，经过优化，变为了由两个直角梯形拼接而成的电极。

在每个可重复的基本单元结构中，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由两个直角梯形拼接成的平行四边形，或者所述可动电极的正表面为由两个直角梯形拼接成的平行四边形且固定电极的正表面为矩形。

由于传统的用于调节弹性系数的变面积式电容结构的调谐能力因为电容的边缘效应小于预期值。本发明在原有结构的基础上，考虑了边缘电容的影响，对变面积式电容结构的几何形状和几何尺寸进行了优化，使得变面积式电容结构的改变弹性系数的能力更强。

本发明的有益效果是：

本发明通过对以往微机械器件中用于调节弹性系数的变面积电容结构形状进行改进，将原有的由两个直角三角形拼接而成的电极优化为由两个直角梯形拼接而成的平行四边形形状的电极，可有效增强结构的弹性系数调节能力。在对可动电极和固定电极之间施加相同大小电压差的条件下，能够产生更强的弹性系数调节效果。

本发明将原有的由直角三角形拼接而成的电极优化变为了由两个直角梯形组成的电极，因其具有优化后的几何尺寸，电容边缘效应对电容值的影响减小，使得改变的弹性系数变化更大，具有较大的调谐能力。

本发明能够为微机械陀螺仪和微机械加速度计提供更大的谐振频率修调范围。进一步的，在微机械陀螺仪中，变面积电容结构具有较大的调谐能力，能够更容易实现模态匹配，从而使得微机械陀螺具有更大的机械灵敏度，进而提高了检测精度。

附图说明

图1为现有的一种变面积电容结构沿Z轴的俯视图；

图2为变面积电容结构优化过程示意图；

图3是在图1基础上改进的变面积电容结构图；

图4是图3结构沿Y方向的阵列形式示意图；

图5是图3结构沿X方向的阵列形式示意图；

图6是图3结构同时沿X方向、Y方向的阵列形式示意图；

图7是现有的一种变面积电容结构沿Z轴的俯视图；

图8是在图7基础上改进的变面积电容结构图；

图9是图8结构沿Y方向的阵列形式示意图；

图10是图8结构沿X方向的阵列形式示意图；

图11是图8结构同时沿X方向、Y方向的阵列形式示意图。

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所示为现有的一种变面积电容结构沿Z轴的俯视图，1，2为固定电极，3为可动电极。固定电极1、2与可动电极3在Z轴上有一定间距。

固定电极1、2的正表面是指与可动电极3正对的表面，可动电极3的正表面是指与固定电极1、2正对的表面。固定电极1的正表面为直角三角形ADB，固定电极2的正表面为直角三角形CBD。直角三角形ADB和直角三角形CBD 的几何尺寸完全相同。固定电极1、2沿等长直角边进行拼接形成了平行四边形 ABCD，即共用直角边BD。可动电极3的正表面为矩形。固定电极1、2的正表面与可动电极3的正表面相互平行。

如图1所示为可动电极3与固定电极1、2的初始位置，可动电极3的正表面矩形沿Y轴方向的对称轴与BD重合，固定电极1的正表面为直角三角形且与可动电极3的正表面的矩形形成直角梯形交叠区域，固定电极2的正表面为直角三角形且与可动电极3的正表面的矩形形成直角梯形交叠区域。当可动电极3沿着图中的X轴左右运动时，直角梯形交叠区域的面积也发生变化，此时，可动电极3与固定电极1、2之间形成的电容也发生变化。根据电动力学相关理论，此时可动电极3会受到沿着X轴且方向与运动方向相反的静电力，且静电力的大小与可动电极3沿X轴的位移大小成正比，相当于使得等效弹性系数变大。静电力的大小与可动电极3沿X轴的位移大小的比值越大，则弹性系数变化越大。

如图1所示的变面积电容结构，由于边缘电容的影响，最终经过有限元仿真分析得到的弹性系数变化量小于理论公式计算得到的弹性系数变化量，且有限元仿真分析得到的弹性系数变化量与实际测试的弹性系数变化量接近。

如图2所示为改进后的固定电极1、2，在图1所示的变面积电容结构的基础上，利用有限元分析，建立可动电极3和固定电极1、2的电磁场仿真模型。此时，在有限元分析建立的电磁场仿真模型中，对可动电极3和固定电极1、2 的几何参数进行参数化扫描，即对所有可能的几何参数条件下的可动电极3和固定电极1、2，都进行计算得到其弹性系数变化量，最终选取弹性系数变化量最大的结果所对应的可动电极和固定电极的几何参数，来作为优化的最终结果。参数化扫描的具体细节为，选取固定电极1的正表面的直角三角形ADB的顶点A和顶点B作为控制点，在参数化扫描中，顶点A和顶点B的位置可沿X轴方向平移，在Y轴上的坐标保持不变。记顶点A和顶点B的新位置分别为A’，B’。其中，顶点A’和顶点B’的移动范围向右均不超出原本的直角边BD。

特别的，当顶点B位置移动到B’时，原本顶点B的位置仍存在一个顶点B，此时固定电极1的正表面由直角三角形ADB变为直角梯形A’DBB’，即原本的直角三角形ADB可以看作直角梯形A’DBB’中BB’＝0的特殊情况。由于固定电极1和固定电极2的正表面几何尺寸完全相同，在对固定电极1进行参数化扫描时，固定电极2的正表面几何尺寸也随之确定，记固定电极2的正表面由直角三角形CBD变为直角梯形C’BDD’。可动电极3的正表面的矩形的与X轴平行的边长也可以改变。最终，参数化扫描改变的参数为A’D长度，BB’长度，可动电极3的正表面的矩形的与X轴平行的边长，共计三个参数。在有限元分析中将此三个参数的所有组合对应的弹性系数变化量均计算获得，从中选取弹性系数变化量最大的结果所对应的三个参数，来作为优化的最终结果。

本发明改进优化的最终结果如图3所示，固定电极1的正表面之前为直角三角形ADB，此时变为直角梯形A’DBB’，固定电极2的正表面之前为直角三角形CBD，此时变为直角梯形C’BDD’,固定电极1和固定电极2仍共用公共边 BD，拼接形成平行四边形A’B’C’D’。可动电极3的正表面仍为矩形。初始位置时，可动电极3的正表面矩形沿Y轴方向的对称轴与BD重合。在可动电极3 与固定电极1、2之间的电压一定时，图3所示的变面积电容结构相对于图1所示的结构，能够获得更大的弹性系数变化量。从图2可看出，图3所示的结构在X轴方向占用的空间小于图1所示的结构，并且由于优化时并未改变Y方向的尺寸，图3所示的结构与图1所示的结构在Y轴方向占用的空间相同，因此，图3所示的结构占用的整体空间变小，即在更小的空间下实现了更大的弹性系数变化量。

图3所示的结构可看作变面积电容结构的一个基本单元，在实际应用时，为了引入更多的弹性系数变化量，可以对图3所示的结构进行阵列。如图4所示为沿Y方向的阵列形式，每个基本单元的固定电极1、2的公共边BD都在同一条直线上，且相邻两个基本单元的固定电极相对于公共边BD所在直线互为镜像。经过有限元仿真分析，图4所示结构实际弹性系数变化量为图3所示结构的三倍。

按照现有图1的结构，在AD＝12um，BD＝30um，可动电极宽12um尺寸设置下，经过COMSOL Multiphysics工具仿真测试模拟，获得测试结果如下：当施加的电压差为15V时，引入的弹性系数变化为0.0011N/m。

按照本发明图3的结构，在A‘D＝7.5um，BB’＝4.5um，BD＝30um，可动电极宽12um尺寸设置下，经过COMSOL Multiphysics仿真测试模拟，获得测试结果如下：当施加的电压差为15V时，引入的弹性系数变化为0.0014N/m，相对于图1提高了27.3％。

由此，本发明获得的弹性系数变化更大，减小了电容边缘效应对电容值的影响，具有较大的谐振频率修调范围和调谐能力。

更普遍的，当图3所示的结构沿着Y轴阵列，数量变为n倍时，弹性系数变化量为变为原来的n倍。

如图5所示为沿X方向的阵列形式，每个基本单元的固定电极1、2的公共边BD所在直线互相平行，且间距为a。经过有限元分析，间距a至少需大于等于可动电极3正表面矩形沿X方向的边长。按照图5所示的阵列形式，当结构沿着X轴阵列，数量变为n倍时，弹性系数变化量变为原来的n倍。

按照图3的创新电容结构以图5方式排列的情况和按照图1的现有电容结构以图5方式排列的情况分别经过COMSOL Multiphysics仿真测试，获得(1) 图3的创新电容结构以图5方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为0.0026N/m，(2)图1的创新电容结构以图5方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为0.0020N/m，结果。从结果可见，按照图5 方式排列能够让引入的弹性系数变化成倍增加。

如图4所示为沿Y方向的阵列形式，与如图5所示为沿X方向的阵列形式可以同时进行。

按照图3的创新电容结构以图4方式排列的情况和按照图1的现有电容结构以图4方式排列的情况分别经过COMSOL Multiphysics仿真测试，获得(1) 图3的创新电容结构以图4方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为0.0043N/m，(2)图1的创新电容结构以图5方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为0.0033N/m，结果。从结果可见，按照图4 方式排列能够让引入的弹性系数变化成倍增加。

如图6所示为对变面积电容结构同时沿着X方向、Y方向进行阵列的示意图，按照图3的创新电容结构以图6方式排列的情况和按照图1的现有电容结构以图6方式排列的情况分别经过COMSOL Multiphysics仿真测试，获得(1) 图3的创新电容结构以图6方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为0.0115N/m，(2)图1的创新电容结构以图5方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为0.0086N/m，结果。从结果可见，按照图6 方式排列能够让引入的弹性系数变化成倍增加。当图3所示结构沿着X轴阵列，数量变为n1倍，沿着Y轴阵列，数量变为n2倍时，最终弹性系数变化量变为基本单元的n1×n2倍。

如图7所示为现有的一种变面积电容结构沿Z轴的俯视图，1，2，4，5为固定电极，3为可动电极。其固定电极1、2，4，5的几何参数与图1所示结构一致，由于可动电极3的初始位置变化，最终能够引入符号为负的弹性系数变化量。同样由于边缘电容的影响，实际测试中测得的弹性系数变化量的绝对值小于根据理论公式计算的得到的弹性系数变化量的绝对值。

如图8所示为改进后的变面积电容结构，改进的方式与图2所示的方式相同，符号为负的弹性系数变化量的绝对值大于图7所示结构。

按照现有图7的结构，在AD＝12um，BD＝30um，可动电极宽12um尺寸设置下，经过COMSOL Multiphysics仿真测试模拟，获得测试结果如下：当施加的电压差为15V时，引入的弹性系数变化为-0.00051975N/m。

按照本发明图8的结构，在A‘D＝6um，BB’＝3um，BD＝30um，可动电极宽 12um尺寸设置下，经过COMSOL Multiphysics仿真测试模拟，获得测试结果如下：当施加的电压差为15V时，引入的弹性系数变化为-0.00098564N/m，相对于图7提高了52.7％。

如图9所示为图8所示基本单元沿Y方向的阵列形式，按照图8的创新电容结构以图9方式排列的情况和按照图7的现有电容结构以图9方式排列的情况分别经过COMSOLMultiphysics仿真测试，获得(1)图8的创新电容结构以图9方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为-0.003N/m，(2) 图7的创新电容结构以图9方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为-0.0015N/m，结果。从结果可见，按照图9方式排列能够让引入的弹性系数变化成倍增加。当图8所示的结构沿着Y轴阵列，数量变为n倍时，弹性系数变化量为变为原来的n倍。

如图10所示为图8所示基本单元沿X方向的阵列形式，按照图8的创新电容结构以图10方式排列的情况和按照图7的现有电容结构以图10方式排列的情况分别经过COMSOLMultiphysics仿真测试，获得(1)图8的创新电容结构以图10方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为-0.002N/m， (2)图7的创新电容结构以图10方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为-0.001N/m，结果。从结果可见，按照图10方式排列能够让引入的弹性系数变化成倍增加。当图8所示的结构沿着X轴阵列，数量变为n倍时，弹性系数变化量为变为原来的n倍。

如图11所示为图8所示基本单元同时沿X方向和Y方向的阵列形式。按照图8的创新电容结构以图11方式排列的情况和按照图7的现有电容结构以图 11方式排列的情况分别经过COMSOL Multiphysics仿真测试，获得(1)图8 的创新电容结构以图11方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为-0.006N/m，(2)图7的创新电容结构以图11方式排列，当施加的电压差为15V时引入的弹性系数变化为-0.003N/m，结果。从结果可见，按照图11方式排列能够让引入的弹性系数变化成倍增加。当图8所示的结构沿着X轴阵列，数量变为n1倍，沿着Y轴阵列，数量变为n2倍时，最终弹性系数变化量变为基本单元的n1×n2倍。

图1-图11所述的固定电极可作为可动电极，此时需令原本的可动电极作为固定电极。

Claims (5)

1.一种更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其特征在于：包含至少一组固定电极组和至少一个可动电极(3)，每组固定电极组均由两个固定电极(1、2)构成，两个固定电极(1、2)形状均为直角梯形且尺寸相同，两个固定电极(1、2)之间以直角边反向连接形成旋转对称结构；可动电极(3)和固定电极组平行间隔布置构成了变面积电容结构；

通过调节两个固定电极(1、2)直角梯形的上底和下底的尺寸以及可动电极(3)处于直角梯形上底/下底方向上的边尺寸，来实现变面积电容结构的弹性系数；

所述的两个固定电极(1、2)直角梯形的上底和下底的尺寸以及可动电极(3)平行于直角梯形的上底/下底方向的边尺寸按照以下方式处理设置：通过有限元分析建立变面积电容结构的电磁场仿真模型，对两个固定电极(1、2)直角梯形的上底和下底以及可动电极(3)处于直角梯形上底/下底方向上的三个参数进行参数化扫描，即对所有可能的参数条件下的两个固定电极(1、2)和可动电极(3)均进行计算弹性系数，选取弹性系数最大的结果所对应的两个固定电极(1、2)和可动电极(3)的参数，作为优化最终结果进行设置。

2.根据权利要求1所述的一种更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其特征在于：包括多组固定电极组，多组固定电极组沿直角梯形的直边腰所在直线方向依次反向穿接布置构成一个固定电极条。

3.根据权利要求2所述的一种更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其特征在于：包括多个可动电极(3)，多个可动电极(3)沿固定电极组直角梯形的直边腰所在直线方向依次穿接布置构成一个可动电极条。

4.根据权利要求3所述的一种更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其特征在于：所述固定电极条表面正对地布置可动电极条，或者在固定电极条之间布置可动电极条。

5.权利要求1所述更大可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构的应用，其特征在于：所述的变面积电容结构用于微机械陀螺和微机械加速度计中的频率修调模块上。

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