CN117490732A - 一种mems器件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种MEMS器件，包括：可动电极板；位于所述可动电极板第一侧的第一电极板和第一反馈电极板，所述第一电极板与所述可动电极板构成第一电容，所述第一反馈电极板与所述可动电极板构成第一反馈电容；位于所述可动电极板第二侧的第二电极板和第二反馈电极板，所述第二电极板与所述可动电容构成第二电容，所述第二反馈电极板与所述可动电极板构成第二反馈电容；其中，所述第一电容和所述第二电容连接至检测电路，所述检测电路用于对所述第一电容和所述第二电容进行差分检测；所述第一反馈电容和所述第二反馈电容连接至反馈电路，所述反馈电容用于消除所述检测电路的输出电压与可动电极板位移的非线性关系。

Description

一种MEMS器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种MEMS器件。
背景技术
由于平行板电容易于加工，用于信号检测具有灵敏度高、温度范围宽、能响应直流信号、冲击后变化小等优点，广泛用于微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)传感器的设计中。为了抑制共模信号和保证标度因数的对称性，差动平行板电容具有更强的实用性。但是，由于平行板的电容变化随间距的变化是非线性的，因此导致对信号的检测也是非线性的，且随着电容极板间距变化的增大，非线性也增大，严重影响检测的准确度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种MEMS器件，以消除平行板电容检测的非线性。
本发明提供一种MEMS器件，包括：
可动电极板；
位于所述可动电极板第一侧的第一电极板和第一反馈电极板，所述第一电极板与所述可动电极板构成第一电容，所述第一反馈电极板与所述可动电极板构成第一反馈电容；
位于所述可动电极板第二侧的第二电极板和第二反馈电极板，所述第二电极板与所述可动电容构成第二电容，所述第二反馈电极板与所述可动电极板构成第二反馈电容；
其中，所述第一电容和所述第二电容连接至检测电路，所述检测电路用于对所述第一电容和所述第二电容进行差分检测；
所述第一反馈电容和所述第二反馈电容连接至反馈电路，所述反馈电容用于消除所述检测电路的输出电压与可动电极板位移的非线性关系。
优选地，所述第一电极板和所述第二电极板与所述可动电极板的相对面积相等；所述第一反馈电极板和所述第二反馈电极板与所述可动电极板的相对面积相等；所述可动电极板处于平衡位置时，所述第一电极板、第二电极板、第一反馈电极板以及第二反馈电极板与所述可动电极板之间的距离相等。
优选地，所述检测电路包括：
第一电压源，与所述第一电极板连接，用于向所述第一电容提供第一电压；
第二电压源，与所述第二电极板连接，用于向所述第二电容提供第二电压；
运算放大器，所述可动电极板连接至所述运算放大器的反相输入端。
优选地，所述第一反馈电极板和所述第二反馈电极板同时连接至所述运算放大器的输出端，构成所述反馈电路。
优选地，所述第一电压和所述第二电压为交流高频载波，且所述第一电压和所述第二电压的电压幅值相等，相位相反。
优选地，还包括：
电子模拟开关，用于控制时序；以及
采样保持器，用于对运算放大器的输出电压进行采样保持。
优选地，所述电子模拟开关包括多个第一电子模拟开关以及多个第二电子模拟开关，其中，多个第一模拟开关的时序相同，多个第二模拟开关的时序相同。
优选地，多个第一电子模拟开关分别连接于第一电压源和第一电容之间、第二电压源和第二电容之间以及运算放大器的反相输入端和输出端之间；多个第二电子模拟开关分别连接于第一电容与地之间、第二电容与地之间以及所述运算放大器的输出端与所述采样保持器的正相输入端之间。
优选地，所述第一电压和所述第二电压为恒定电压，且所述第一电压和所述第二电压的电压幅值相等，相位相反。
优选地，还包括第三反馈电极板以及第四反馈电极板；
所述可动电极板包括：
第一可动电极板，与所述第一电极板构成第一电容，以及与所述第二电极板构成第二电容；
第二可动电极板，与所述第一反馈电极板构成第一反馈电容，以及与所述第二反馈电极板构成第二反馈电容；
第三可动电极板，与所述第三反馈电极板构成第三反馈电容，以及与所述第四反馈电极板构成第四反馈电容；
其中，所述第一可动电极板、第二可动电极板以及第三可动电极板相互分离，且同步运动。
优选地，所述第一电极板和所述第二电极板与所述第一可动电极板的相对面积相等；所述第一反馈电极板、所述第二反馈电极板与所述第二可动电极板的相对面积以及所述第三反馈电极板和所述第四反馈电极板与所述第三可动电极板的相对面积相等；所述可动电极板处于平衡位置时，所述第一电极板、第二电极板、第一反馈电极板、第二反馈电极板、第三反馈电极板以及第四反馈电极板与所述可动电极板之间的距离相等。
优选地，所述检测电路包括：
电压源，与所述第一可动电极板连接，用于向所述第一电容和所述第二电容提供电压；
第一运算放大器，其反相输入端连接至所述第一电极板；
第二运算放大器，其反相输入端连接至所述第二电极板；以及
第三运算放大器，其同相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端，其反相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端。
优选地，所述第一反馈电极板和所述第二反馈电极板连接至所述第一运算放大器的输出端或反相输入端，所述第二可动电极板对应地连接至所述第一运算放大器的反相输入端或输出端，构成第一反馈电路；
所述第三反馈电极板和所述第四反馈电极板连接至所述第二运算放大器的输出端或反相输入端，所述第三可动电极板对应地连接至所述第二运算放大器的反相输入端或输出端，构成第二反馈电路。
优选地，所述第一电极板和所述第一反馈电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接；所述第二电极板和所述第二反馈电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接。
优选地，所述MEMS器件为MEMS加速度计或者MEMS陀螺。
本发明提供的MEMS器件通过在器件的MEMS敏感单元中增加与平行板检测电容联动的反馈电容，并且将反馈电容接入反馈电路中，大幅提高差动平行板电容检测的线性度，尤其是当平行板间距变化较大导致非线性度较强时。本发明理论上可以消除非线性度，方法简单，可行性强。
进一步地，本发明的MEMS器件中增加的反馈电容与现有器件中的平行板检测电容的材料、结构形式和加工技术完全相同，温度系数一致，降低了电容-电压转换的温度漂移。
进一步地，本发明的MEMS器件可以为微机电加速度计、微机电陀螺等，应用范围较广。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。显而易见地，下面描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1示出了现有技术的MEMS器件的示意图；
图2示出了现有技术的MEMS器件的等效电路图；
图3示出了本发明第一实施例的MEMS器件的示意图；
图4示出了本发明第一实施例的MEMS器件的加速度敏感单元的结构示意图；
图5示出了本发明第一实施例的MEMS器件的加速度敏感单元的电容等效结构示意图；
图6示出了本发明第一实施例的MEMS器件的等效电路图；
图7a示出了本发明第二实施例的MEMS器件的等效电路示意图；
图7b示出了本发明第二实施例第一模拟开关S1的时序以及第二模拟开关S2的时序图；
图8示出了本发明第三实施例的MEMS器件的示意图；
图9示出了本发明第三实施例的MEMS器件的加速度敏感单元的结构示意图；
图10示出了本发明第四实施例的MEMS器件的示意图；
图11示出了本发明第四实施例的MEMS器件的加速度敏感单元的结构示意图；
图12示出了本发明第四实施例的MEMS器件的等效电路图；
图13示出了一种MEMS陀螺的敏感单元结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了现有技术的MEMS器件的示意图，图2示出了现有技术的MEMS器件的等效电路。
如图1所示，所述MEMS器件100包括平行板电容110、运算放大器120、第一电压源131、第二电压源132以及反馈电容Cf。所述平行板电容110包括可动电极板115、位于可动电极板115一侧的第一电极板111以及位于所述可动电极板115另一侧的第二电极板112。
其中，所述第一电极板111与所述可动电极板115构成第一电容C1，所述第二电极板112与所述可动电极板115构成第二电容C2。所述可动电极板115处于平衡位置时，所述第一电极板111与所述可动电极板115 之间的距离等于所述第二电极板112与所述可动电极板115之间的距离，且均为d0；所述第一电极板111与所述可动电极板115的相对面积等于所述第二电极板112与所述可动电极板115的相对面积，且均为A0；即第一电容C1等于第二电容C2，且均为C0。所述第一电压源131向所述第一电容C1提供第一电压，所述第二电压源132向所述第二电容C2提供第二电压，所述第一电压和所述第二电压为交流高频载波，且所述第一电压和所述第二电压的电压幅值相等，相位相反。
当可动电极板115在第一方向(例如X方向)上发生位移时，所述可动电极板115与所述第一电极板111之间的距离以及所述可动电极板 115与所述第二电极板112之间的距离发生变化，进而使得第一电容C1和第二电容C2发生变化。
进一步地，所述可动电极板115连接至所述运算放大器120的反相输入端，所述第一电极板111连接至所述第一电压源131，以使得所述第一电容C1的两端连接于第一电压源131和运算放大器120的反相输入端之间；所述第二电极板112连接至第二电压源132，以使得所述第二电容C2的两端连接于第二电压源132和和运算放大器120的反相输入端之间；所述反馈电容Cf连接于所述运算放大器120的反相输入端和输出端之间，所述第一电容C1和所述第二电容C2连接形成图2所示的等效电路。
如图2所示，所述运算放大器的输出端的输出电压Uout为：
其中，所述可动电极板115处于平衡位置时，所述第一电容C1等于第二电容C2，所述输出电压Uout为0。
当所述可动电极板115在第一方向(例如X方向)上发生位移，所述第一电容C1和所述第二电容C2发生变化。例如，当所述可动电极板 115例如向着靠近第一电极板111的方向移动距离x时，所述可动电极板115与所述第一电极板111的距离为d0-x，所述第一电容C1为：
其中，ε为所述第一电容板111与所述可动的电极板115之间的介电常数。同时，所述可动电极板115与所述第二电极板112之间的距离为 d0+x，所述第二电容C2为：
其中，ε为所述第二电容板112与所述可动的电极板115之间的介电常数。
所述运算放大器120的输出端的输出电压Uout如下：
所述反馈电容Cf为外接的固定电容，由上述公式可知，平行板的电容变化随位移的变化是非线性的，进而所述输出电压随位移的变化也是非线性的，且随着位移的增大，非线性也增大，严重影响检测的准确度。
图3示出了本发明第一实施例的MEMS器件的示意图；本实施例中，所述MEMS器件例如为MEMS加速度计。如图3所示，所述MEMS器件200包括加速度敏感单元210、运算放大器220、第一电压源231以及第二电压源232。
图4示出了本发明第一实施例的MEMS器件的加速度敏感单元的结构示意图；图5示出了加速度敏感单元的电容等效结构示意图；如图4 和图5所示，所述加速度敏感单元210包括可动电极板215、第一电极板211、第二电极板212、第一反馈电极板213以及第二反馈电极板214。
本实施例中，所述可动电极板215包括多个，多个所述可动电极板 215固定连接于可动质量块216上。进一步地，所述可动质量块216为矩形的质量块，所述可动电极板215垂直于所述可动质量块216。进一步地，所述可动质量块216通过弹性梁217连接于锚点218，当加速度敏感单元210感受到加速度时，所述弹性梁在第一方向(例如X方向) 上伸缩，所述可动质量块216在第一方向(例如X方向)上发生位移，进而带动多个可动电极板215在第一方向(例如X方向)上一起移动。
所述第一电极板211、第二电极板212、第一反馈电极板213以及第二反馈电极板214为固定电极板。本实施例中，所述第一电极板211包括多个，每个所述第一电极板211与一个所述可动电极板215相对，多个所述第一电极板211与对应的多个可动电极板215共同构成第一电容 C1。所述第二电极板212包括多个，每个所述第二电极板212与一个所述可动电极板215相对，多个所述第二电极板212与对应的多个可动电极板215共同构成第二电容C2。所述第一反馈电极板213包括多个，每个所述第一反馈电极板213与一个所述可动电极板215相对，多个所述第一反馈电极板213与对应的多个可动电极板215共同构成第一反馈电容Cf1。所述第二反馈电极板214包括多个，每个所述第二反馈电极板214与一个所述可动电极板215相对，多个所述第二反馈电极板214与对应的多个可动电极板215共同构成第二反馈电容Cf2。
所述第一电极板211和所述第一反馈电极板213位于所述可动电极板215的一侧，所述第二电极板212和所述第二反馈电极板214位于所述可动电极板215的另一侧。所述可动质量块216发生位移，带动所述可动电极板215靠近所述第一电极板211和第一反馈电极板213时，所述可动电极板215远离所述第二电极板212和所述第二反馈电极板214；相反，所述可动质量块216发生位移，带动所述可动电极板215远离所述第一电极板211和第一反馈电极板213时，所述可动电极板215靠近所述第二电极板212和所述第二反馈电极板214。所述可动质量块216 发生位移时，所述第一电容C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1和第二反馈电容Cf2均发生变化。
所述可动质量块216相对处于平衡位置时，每个所述第一电极板211 与对应的可动电极板215之间的距离、每个所述第二电极板212与对应的可动电极板215之间的距离、每个所述第一反馈电极板213与对应的可动电极板215之间的距离以及每个所述第二反馈电极板214与对应的可动电极板215之间的距离相等。每个所述第一电极板211与对应的可动电极板215之间的相对面积、每个所述第二电极板212与对应的可动电极板215之间的相对面积、每个所述第一反馈电极板213与对应的可动电极板215之间的相对面积以及每个所述第二反馈电极板214与对应的可动电极板215之间的相对面积相等。所述第一电极板211的数量与所述第二电极板212的数量相等，所述可动质量块216处于平衡位置时，所述第一电容C1和所述第二电容C2容值相等，例如为C0；所述第一反馈电极板213的数量与所述第二反馈电极板214的数量相等，所述可动质量块216处于平衡位置时，所述第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2容值相等，例如为Cf。
多个所述第一电极板211固定连接于一个或者多个第一固定电极 211a，其中，当第一固定电极211a为多个时，多个第一固定电极211a 之间短接。多个所述第二电极板212固定连接于一个或者多个第二固定电极212a，其中，当第二固定电极212a为多个时，多个第二固定电极212a之间短接。多个所述第一反馈电极板213固定连接于一个或者多个第三固定电极213a，其中，当第三固定电极213a为多个时，多个第三固定电极213a之间短接。多个所述第二反馈电极板214固定连接于一个或者多个第四固定电极214a，其中，当第四固定电极214a为多个时，多个第四固定电极214a之间短接。
图6示出了本发明第一实施例的MEMS器件的等效电路图；如图3 和图6所示，所述第一电容C1、所述第二电容C2、第一电压源231、第二电压源232以及运算放大器220连接形成检测电路。具体地，所述第一电极板211经由所述第一固定电极211a连接至第一电压源231，所述第二电极板212经由所述第二固定电极212a连接至第二电压源232，所述可动电极板215经由所述锚点218连接至所述运算放大器220的反相输入端，以使得所述第一电容C1连接于所述第一电压源231和所述运算放大器220的反相输入端之间，所述第二电容C2连接于所述第二电压源 232和所述运算放大器220的反相输入端之间。所述第一电压源231向所述第一电容C1提供第一电压，所述第二电压源232向所述第二电容 C2提供第二电压，所述第一电压源和所述第二电压源提供的电压的频率和幅值相同、相位相反。
所述第一反馈电容Cf1、所述第二反馈电容Cf2以及运算放大器220 连接形成反馈电路。具体地，共用的可动电极板215连接至所述运算放大器220的反相输入端，所述第一反馈电极板213经由第三固定电极 213a连接至所述运算放大器220的输出端，所述第二反馈电极板214经由所述第四固定电极214a连接至所述运算放大器220的输出端，以使得所述第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2连接于所述运算放大器 220的反相输入端和输出端之间。
所述检测电路用于对所述第一电容C1和所述第二电容C2进行差分检测；所述反馈电路用于消除所述检测电路的输出电压与可动电极板位移之间的非线性关系。具体地，所述运算放大器220的输出端的输出电压Uout为：
所述可动电极板215相对处于平衡位置时，所述第一电容C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2分别为：
其中，d0为第一电极板211和可动电极板215、第二电极板212和可动电极板215、第一反馈电极板213和可动电极板215、第二反馈电极板214和可动电极板215之间的距离；A0为多个第一电极板211和多个可动电极板215相对面积的总和，同时为多个第二电极板212多个可动电极板215相对面积的总和；Af为多个第一反馈电极板213和多个可动电极板215相对面积的总和，同时为多个第二反馈电极板214和多个可动电极板215相对面积的总和。由上述公式可知，所述第一电容C1和所述第二电容C2相等；所述第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2相等，所述检测电路的输出电压Uout为0。
当可动电极板215在第一方向(例如X方向)上发生位移时，所述可动电极板215与所述第一电极板211之间的距离、所述可动电极板215 与所述第二电极板212之间的距离、所述可动电极板215与所述第一反馈电极板213之间的距离以及所述可动电极板215与所述第二反馈电极板214之间的距离发生变化，进而使得第一电容C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1以及所述第二反馈电容Cf2发生变化。
当所述可动电极板215例如向着靠近第一电极板211的方向移动距离x时，所述可动电极板215与所述第一电极板211的距离为d0-x，所述可动电极板215与所述第一反馈电极板213的距离为d0-x；同时，所述可动电极板215与所述第二电极板212之间的距离为d0+x，所述可动电极板215与所述第二反馈电极板214的距离为d0+x；进而第一电容C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1以及第二反馈电容Cf2发生变化，具体为：
所述运算放大器的输出端的输出电压Uout如下：
上述公式化简为：
由上述公式可知，所述检测电路的输出电压Uout与可动电极板215 的位移成正比，即所述检测电路的输出电压Uout与可动电极板215的位移呈线性变化。
图7a示出了本发明第二实施例的MEMS器件的等效电路示意图，包括本实施例中，所述MEMS器件300包括加速度敏感单元310、运算放大器320、采样保持器340、第一电压源331、第二电压源332、解耦电容Cp以及控制时序的电子模拟开关。其中，所述加速度敏感单元310 的结构和第一实施例中的加速度敏感单元210相同，本实施例不再赘述。如图7a所示，所述第一电容C1、所述第二电容C2、第一电压源331、第二电压源332以及运算放大器320连接形成检测电路。所述第一反馈电容Cf1、所述第二反馈电容Cf2以及运算放大器320连接形成反馈电路。
与前述电路不同的是，本电路中，所述第一电压源331向所述第一电容C1提供第一电压，所述第二电压源332向所述第二电容C2提供第二电压，所述第一电压和所述第二电压为恒定电压，且所述第一电压和所述第二电压的幅值相同、相位相反，所述第一电压例如为Vref，所述第二电压例如为-Vref。进一步地，所述运算放大器320的输出端与所述采样保持器340的正相输入端连接。
所述模拟开关包括多个第一模拟开关S1以及多个第二模拟开关S2。其中，多个第一模拟开关S1的时序相同，多个第二模拟开关S2的时序相同。
本实施例中，多个第一模拟开关S1分别为第一模拟开关S11、第一模拟开关S12、第一模拟开关S13；其中，第一模拟开关S11连接于第一电压源331和第一电容C1之间，第一模拟开关S12连接于第二电压源 332和第二电容C2之间，第一模拟开关S13连接于运算放大器320的反相输入端和输出端之间。
多个第二模拟开关S2分别为第二模拟开关S21、第二模拟开关S22、第二模拟开关S23；其中，第二模拟开关S21连接于第一电容C1与地之间，第二模拟开关S22连接于第二电容C2与地之间，第二模拟开关S23 连接于所述运算放大器320的输出端与所述采样保持器340的正相输入端之间。
本实施例MEMS器件在量测时，先将加速度敏感单元310的第一电容C1和第二电容C2充电，然后让第一电容C1和第二电容C2放电。第一电容C1和第二电容C2的充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使第一电容C1和第二电容C2总处于动态的充、放电过程。第一电容C1和第二电容C2连续的放电电流脉冲经过运算放大器320转换为电压，再经过采样保持器340得到输出Uout。
第一模拟开关S1的时序以及第二模拟开关S2的时序如图7b所示。
参考图7b，MEMS器件的整个量测过程通过两步完成：
(1)第一模拟开关S1(包括第一模拟开关S11、第一模拟开关S12、第一模拟开关S13)处于开启状态(即第一模拟开关S1＝ON)，第二模拟开关S2(包括第二模拟开关S21、第二模拟开关S22、第二模拟开关 S23)处于关闭状态(即第二模拟开关S2＝OFF)时，第一电容C1和第二电容C2充电，电荷量为VrefC1-VrefC2，第一反馈电容Cf1和第二反馈电容Cf2放电，第一反馈电容Cf1和第二反馈电容Cf2上的电荷量为0，相当于第一反馈电容Cf1和第二反馈电容Cf2复位；
(2)第一模拟开关S1(包括第一模拟开关S11、第一模拟开关S12、第一模拟开关S13)处于关闭状态(即第一模拟开关S1＝OFF)，第二模拟开关S2(包括第二模拟开关S21、第二模拟开关S22、第二模拟开关 S23)处于开启状态(即第二模拟开关S2＝ON)时，第一电容C1和第二电容C2放电。第一电容C1和第二电容C2的电荷转移到第一反馈电容 Cf1和第二反馈电容Cf2上；采样保持器电路采样并保持Uout；根据电荷守恒原理Vref(C1-C2)＝Vref(Cf1+Cf2)，可得
上述公式化简为：
进一步地，本实施例中，还包括解偶电容Cp，所述解偶电容Cp的一端与所述运算放大器320的反相输入端连接，另一端接地。当放电电流脉冲流过运算放大器320的动态输入电阻时，会在运算放大器的输入端产生瞬态的电压尖峰。所述运算放大器320的反相输入端和地之间加的解耦电容Cp可以吸收电压尖峰，保证运算放大器320反相输入端良好的地电位，并且不影响电荷测量。
图8示出了本发明第三实施例的MEMS器件的结构示意图，如图8 所示，所述MEMS器件400包括加速度敏感单元410、运算放大器420、第一电压源431以及第二电压源432。
图9示出了本发明第三实施例的MEMS器件的加速度敏感单元的结构示意图；所述加速度敏感单元410包括可动电极板415、第一电极板 411、第二电极板412、第一反馈电极板413以及第二反馈电极板414。其中，所述第一电极板411和所述第一反馈电极板413位于所述可动电极板415的一侧，所述第二电极板412和所述第二反馈电极板414位于所述可动电极板415的另一侧，所述第一电极板411与所述可动电极板 415之间构成第一电容C1，所述第二电极板412与所述可动电极板415 之间构成第二电容C2，所述第一反馈电极板413与所述可动电极板415 之间构成第一反馈电容Cf1，所述第二反馈电极板414与所述可动电极板 415之间构成第二反馈电容Cf2。
与第一实施例不同的是，所述第一电极板411和所述第一反馈电极板413之间经由绝缘介质419连接在一起；所述第二电极板412和所述第二反馈电极板414之间经由绝缘介质419连接在一起。所述可动电极板415经由弹性梁417连接至锚点418，当所述MEMS器件受到Y方向加速度作用时，所述可动电极板415沿Y方向移动，从而所述第一电容 C1、所述第二电容C2、第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2发生变化。
其中，所述第一电容C1、所述第二电容C2、第一电压源431、第二电压源432、运算放大器420连接形成检测电路。所述第一反馈电容Cf1、所述第二反馈电容Cf2以及运算放大器420连接形成反馈电路。所述检测电路和所述反馈电路的连接结构与第一实施例相同，本实施例在此不再赘述。
图10示出了本发明第四实施例的MEMS器件的示意图；本实施例中，所述MEMS器件例如为MEMS加速度计。如图10所示，所述MEMS 器件500包括加速度敏感单元510、第一运算放大器521、第二运算放大器522、第三运算放大器523以及电压源530。
图11示出了本发明第四实施例的MEMS器件的加速度敏感单元的结构示意图；如图11所示，所述加速度敏感单元510包括第一可动电极板5151、第二可动电极板5152、第三可动电极板5153、第一电极板511、第二电极板512、第一反馈电极板5131、第二反馈电极板5141、第三反馈电极板5132以及第四反馈电极板5142。
本实施例中，所述第一可动电极板5151、第二可动电极板5152以及第三可动电极板5153均包括多个，多个所述第一可动电极板5151固定连接于第一可动质量块5161上，多个所述第二可动电极板5152固定连接于第二可动质量块5162上，多个所述第三可动电极板5153固定连接于第三可动质量块5163上。进一步地，所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163均为矩形的质量块，所述第一可动电极板5151垂直于所述第一可动质量块5161，所述第二可动电极板5152垂直于所述第二可动质量块5162，所述第三可动电极板5153垂直于所述第三可动质量块5163。进一步地，所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块 5163分别通过弹性梁5171、5172和5173连接于锚点518。进一步地，设计所述三个可动质量块-弹性梁系统(5161-5171、5162-5172和 5163-5173)工作模态频率相等或尽可能接近，即沿X方向的本征频率相等或尽可能接近。当加速度敏感单元510感受到加速度时，所述弹性梁在第一方向(例如X方向)上伸缩，所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163沿第一方向(例如 X方向)发生同步位移，且位移方向和位移量相同，进而带动所述第一可动电极板5151、第二可动电极板5152以及第三可动电极板5153沿第一方向(例如X方向)同步移动，且位移方向和位移量相同。
所述第一电极板511、第二电极板512、第一反馈电极板5131、第二反馈电极板5141、第三反馈电极板5132以及第四反馈电极板5142为固定电极板。本实施例中，所述第一电极板511包括多个，每个所述第一电极板511与一个所述第一可动电极板5151相对，多个所述第一电极板511与对应的多个第一可动电极板5151共同构成第一电容C1。所述第二电极板512包括多个，每个所述第二电极板512与一个所述第一可动电极板5151相对，多个所述第二电极板512与对应的多个第一可动电极板5151共同构成第二电容C2。所述第一反馈电极板5131包括多个，每个所述第一反馈电极板5131与一个所述第二可动电极板5152相对，多个所述第一反馈电极板5131与对应的多个第二可动电极板5152共同构成第一反馈电容Cf1。所述第二反馈电极板5141包括多个，每个所述第二反馈电极板5141与一个所述第二可动电极板5152相对，多个所述第二反馈电极板5141与对应的多个第二可动电极板5152共同构成第一反馈电容Cf2。所述第三反馈电极板5132包括多个，每个所述第三反馈电极板5132与一个所述第三可动电极板5153相对，多个所述第三反馈电极板5132与对应的多个第三可动电极板5153共同构成第三反馈电容 Cf3。所述第四反馈电极板5142包括多个，每个所述第四反馈电极板5142 与一个所述第三可动电极板5153相对，多个所述第四反馈电极板5142 与对应的多个第三可动电极板5153共同构成第四反馈电容Cf4。
所述第一电极板511位于所述第一可动电极板5151的第一侧，所述第二电极板512位于所述第一可动电极板5151的第二侧；所述第一反馈电极板5131位于所述第二可动电极板5152的第一侧，所述第二反馈电极板5141位于所述第二可动电极板5152的第二侧，所述第三反馈电极板5132位于所述第三可动电极板5153的第二侧，所述第四反馈电极板 5142位于所述第三可动电极板5153的第一侧。其中，所述第一可动电极板5151的第一侧、所述第二可动电极板5152的第一侧以及所述第三可动电极板5153的第一侧为同一侧。
所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163发生同步位移，带动所述第一可动电极板5151靠近所述第一电极板511、所述第二可动电极板5152靠近第一反馈电极板 5131、所述第三可动电极板5153靠近所述第四反馈电极板5142时，所述第一可动电极板5151远离所述第二电极板512、所述第二可动电极板 5152远离所述第二反馈电极板5141、所述第三可动电极板5153远离所述第三反馈电极板5132；相反，所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163发生同步位移发生同步位移，带动所述第一可动电极板5151远离所述第一电极板511、所述第二可动电极板5152远离第一反馈电极板5131、所述第三可动电极板5153 远离所述第四反馈电极板5142时，所述第一可动电极板5151靠近所述第二电极板512、所述第二可动电极板5152靠近所述第二反馈电极板 5141、所述第三可动电极板5153靠近所述第三反馈电极板5132。即，所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163发生同步位移时，所述第一电容C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1、第二反馈电容Cf2、第三反馈电容Cf3和第四反馈电容Cf4均发生变化。
所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163处于平衡位置时，每个所述第一电极板511与对应的第一可动电极板5151之间的距离、每个所述第二电极板512与对应的第一可动电极板5151之间的距离、每个所述第一反馈电极板5131与对应的第二可动电极板5152之间的距离、每个所述第二反馈电极板5141与对应的第二可动电极板5152之间的距离、每个所述第三反馈电极板5132 与对应的第三可动电极板5153之间的距离、每个所述第四反馈电极板 5142与对应的第三可动电极板5153之间的距离相等。每个所述第一电极板511与对应的第一可动电极板5151之间的相对面积、每个所述第二电极板512与对应的第一可动电极板5151之间的相对面积、每个所述第一反馈电极板5131与对应的第二可动电极板5152之间的相对面积、每个所述第二反馈电极板5141与对应的第二可动电极板5152之间的相对面积、每个所述第三反馈电极板5132与对应的第三可动电极板5153之间的相对面积、每个所述第四反馈电极板5142与对应的第三可动电极板5153之间的相对面积相等。所述第一电极板511的数量与所述第二电极板512的数量相等，使得所述第一可动质量块5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163处于平衡位置时，所述第一电容 C1和所述第二电容C2相等，例如为C0；所述第一反馈电极板5131的数量、所述第二反馈电极板5141的数量、所述第三反馈电极板5132的数量以及所述第四反馈电极板5142的数量相等，使得所述第一可动质量块 5161、所述第二可动质量块5162以及所述第三可动质量块5163处于平衡位置时，所述第一反馈电容Cf1、第二反馈电容Cf2、第三反馈电容Cf3和第四反馈电容Cf4相等，例如为Cf。
多个所述第一电极板511固定连接于一个或者多个第一固定电极511a，其中，当第一固定电极511a为多个时，多个第一固定电极511a 之间短接。多个所述第二电极板512固定连接于一个或者多个第二固定电极512a，其中，当第二固定电极512a为多个时，多个第二固定电极 512a之间短接。多个所述第一反馈电极板5131固定连接于一个或者多个第三固定电极513a，其中，当第三固定电极513a为多个时，多个第三固定电极513a之间短接。多个所述第二反馈电极板5141固定连接于一个或者多个第四固定电极514a，其中，当第四固定电极514a为多个时，多个第四固定电极514a之间短接。多个所述第三反馈电极板5132 固定连接于一个或者多个第五固定电极513b，其中，当第五固定电极 513b为多个时，多个第五固定电极513b之间短接。多个所述第四反馈电极板5142固定连接于一个或者多个第六固定电极514b，其中，当第六固定电极514b为多个时，多个第六固定电极514b之间短接。
图12示出了本发明第四实施例的MEMS器件的等效电路图，如图 10和图12所示，所述第一电容C1、所述第二电容C2、电压源530、第一运算放大器521、第二运算放大器522以及第三运算放大器523连接形成检测电路。具体地，所述电压源530连接至所述第一可动电极板，以使得所述电压源530同时连接至所述第一电容C1的一端以及所述第二电容C2的一端；所述第一电极板511经由所述第一固定电极511a连接至第一运算放大器521的反相输入端，所述第二电极板512经由所述第二固定电极512a连接至第二运算放大器522的反相输入端，即所述第一电容C1连接于所述电压源530和所述第一运算放大器521的反相输入端之间，所述第二电容C2连接于所述电压源530和所述第二运算放大器 522的反相输入端之间。所述电压源530向所述第一电容C1以及第二电容C2提供相同的电压；所述第一运算放大器521的输出端连接至所述第三运算放大器523的反相输入端；所述第二运算放大器522的输出端连接至所述第三运算放大器523的同相输入端。
所述第一反馈电容Cf1、所述第二反馈电容Cf2、第三反馈电容Cf3和第四反馈电容Cf4、第一运算放大器521以及第二运算放大器522连接形成反馈电路。具体地，所述第二可动电极板5152连接至所述第一运算放大器521的反相输入端或输出端，所述第一反馈电极板5131经由第三固定电极513a与所述第二反馈电极板5141经由第四固定电极514a短接，并且对应地连接至所述第一运算放大器521的输出端或反相输入端，即所述第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2连接于所述第一运算放大器521的反相输入端和输出端之间，构成第一反馈电路；所述第三可动电极板5153连接至所述第二运算放大器522的反相输入端或输出端，所述第三反馈电极板5132经由所述第五固定电极513b与所述第四反馈电极板5142经由第六固定电极514b短接，并且对应地连接至所述第二运算放大器522的输出端或反相输入端，以使得所述第三反馈电容Cf3和所述第四反馈电容Cf4连接于所述第二运算放大器522的反相输入端和输出端之间，构成第二反馈电路。
所述检测电路用于对所述第一电容C1和所述第二电容C2进行检测；所述反馈电路用于消除所述检测电路的输出电压与可动电极板位移之间的非线性关系。具体地，所述第三运算放大器523的输出端的输出电压 Uout为：
所述可动电极板5151、5152、5153处于平衡位置时，所述第一电容 C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1、所述第二反馈电容Cf2、第三反馈电容Cf3和所述第四反馈电容Cf4分别为：
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其中，d0同时为第一电极板511和第一可动电极板5151、第二电极板512和第一可动电极板5151、第一反馈电极板5131和第二可动电极板5152、第二反馈电极板5141和第二可动电极板5152、第三反馈电极板5132和所述第三可动电极板5153、第四反馈电极板5142和所述第三可动电极板5153之间的距离；A0为多个第一电极板511和多个第一可动电极板5151相对面积的总和，同时为多个第二电极板512多个第一可动电极板5151相对面积的总和；Af为多个第一反馈电极板5131和多个第二可动电极板5152相对面积的总和，同时为多个第二反馈电极板5141 和多个第二可动电极板5152相对面积的总和，多个第三反馈电极板5132 和所述第三可动电极板5153之间的相对面积的总和，多个第四反馈电极板5142和所述第三可动电极板5153之间的相对面积的总和。由上述公式可知，所述第一电容C1和所述第二电容C2相等；所述第一反馈电容 Cf1、所述第二反馈电容Cf2、第三反馈电容Cf3和第四反馈电容Cf4相等，所述检测电路的输出电压Uout为0。
当第一可动电极板5151、第二可动电极板5152以及第三可动电极板5153在第一方向(例如X方向)上发生同步位移时，所述第一可动电极板5151与所述第一电极板511之间的距离、所述第一可动电极板 5151与所述第二电极板512之间的距离、所述第二可动电极板5152与所述第一反馈电极板5131之间的距离、所述第二可动电极板5152与所述第二反馈电容5141之间的距离、所述第三可动电极板5153与第三反馈电极板5132以及所述第三可动电极板5153与所述第四反馈电极板 5142之间的距离发生变化，进而使得第一电容C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1、所述第二反馈电容Cf2、第三反馈电容Cf3和第四反馈电容 Cf4发生变化。
当所述第一可动电极板5151例如向着靠近第一电极板511的方向移动距离x时，所述第一可动电极板5151与所述第一电极板511的距离为 d0-x，所述第二可动电极板5152与所述第一反馈电极板5131的距离为d0-x，所述第三可动电极板5153与所述第四反馈电极板5142之间的距离为d0-x；同时，所述第一可动电极板5151与所述第二电极板512 之间的距离为d0+x，所述第二可动电极板5152与所述第二反馈电极板 5141之间的距离为d0+x，所述第三可动电极板5153与所述第三反馈电极板5132之间的距离为d0+x；进而第一电容C1、第二电容C2、第一反馈电容Cf1、第二反馈电容Cf2、第三反馈电容Cf3和第四反馈电容Cf4发生变化，具体为：
/>
所述运算放大器的输出端的输出电压Uout如下：
上述公式化简为：
由上述公式可知，所述检测电路的输出电压Uout与可动电极板的位移成正比，即所述检测电路的输出电压Uout与可动电极板的位移完全呈线性变化。
以上四个实施例中，所述MEMS器件均包括MEMS加速度计，其中MEMS加速度计等效为包括反馈电容的平行板电容。在其他实施例中，所述MEMS器件还可以为任何其他可以等效为包括反馈电容的平行板电容的MEMS器件，例如MEMS陀螺等。
图13示出了一种MEMS陀螺敏感单元的结构示意图，所述MEMS 陀螺敏感单元610包括可动电极板615、第一电极板611、第二电极板 612、第一反馈电极板613以及第二反馈电极板614。
本实施例中，所述可动电极板615、第一电极板611、第二电极板 612、第一反馈电极板613以及第二反馈电极板614的设置与第一实施例相同，即所述第一电极板611与所述可动电极板615之间构成第一电容 C1，所述第二电极板612与所述可动电极板615之间构成第二电容C2，所述第一反馈电极板613与所述可动电极板615之间构成第一反馈电容 Cf1，所述第二反馈电极板614与所述可动电极板615之间构成第二反馈电容Cf2。
与第一实施例不同的是，本实施例中，所述可动电极板615包括多个，多个所述可动电极板615固定连接于可动质量块616上。进一步地，所述可动质量块616为环形的质量块，所述可动电极板615固定于所述环形的可动质量块616相对的两个内侧壁上。进一步地，所述可动质量块616通过弹性梁617连接于驱动单元619上，所述驱动单元619的两端通过弹性梁618连接于锚点620，所述驱动单元619在驱动力作用下带动所述可动质量块616沿Y方向做简谐振动。当有沿Z方向的角速度输入时，产生沿X轴方向的科里奥利力，使可动质量块616与所述可动电极板615沿X轴方向产生位移x。
当没有角速度输入时，所述可动质量块616处于平衡位置，所述第一电极板611的数量与所述第二电极板612的数量相等，所述第一电容 C1和所述第二电容C2相等，例如为C0；所述第一反馈电极板613的数量与所述第二反馈电极板614的数量相等，所述第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2相等，例如为Cf。当有沿Z方向的角速度输入时，可动质量块616在科里奥利力作用下产生沿X轴方向的位移x。所述第一电容C1、所述第二电容C2、所述第一反馈电容Cf1和所述第二反馈电容Cf2均发生变化。
其中，所述第一电容C1、所述第二电容C2连接至检测电路。所述第一反馈电容C3、所述第二反馈电容C4连接至反馈电路。所述检测电路和所述反馈电路的连接结构与第一实施例相同，本实施例在此不再赘述。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (15)

1.一种MEMS器件，其中，包括：
可动电极板；
位于所述可动电极板第一侧的第一电极板和第一反馈电极板，所述第一电极板与所述可动电极板构成第一电容，所述第一反馈电极板与所述可动电极板构成第一反馈电容；
位于所述可动电极板第二侧的第二电极板和第二反馈电极板，所述第二电极板与所述可动电容构成第二电容，所述第二反馈电极板与所述可动电极板构成第二反馈电容；
其中，所述第一电容和所述第二电容连接至检测电路，所述检测电路用于对所述第一电容和所述第二电容进行差分检测；
所述第一反馈电容和所述第二反馈电容连接至反馈电路，所述反馈电容用于消除所述检测电路的输出电压与可动电极板位移的非线性关系。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述第一电极板和所述第二电极板与所述可动电极板的相对面积相等；所述第一反馈电极板和所述第二反馈电极板与所述可动电极板的相对面积相等；所述可动电极板处于平衡位置时，所述第一电极板、第二电极板、第一反馈电极板以及第二反馈电极板与所述可动电极板之间的距离相等。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述检测电路包括：
第一电压源，与所述第一电极板连接，用于向所述第一电容提供第一电压；
第二电压源，与所述第二电极板连接，用于向所述第二电容提供第二电压；
运算放大器，所述可动电极板连接至所述运算放大器的反相输入端。
4.根据权利要求3所述的MEMS器件，其中，所述第一反馈电极板和所述第二反馈电极板连接至所述运算放大器的输出端，构成所述反馈电路。
5.根据权利要求4所述的MEMS器件，其中，所述第一电压和所述第二电压为交流高频载波，且所述第一电压和所述第二电压的电压幅值相等，相位相反。
6.根据权利要求4所述的MEMS器件，其中，还包括：
电子模拟开关，用于控制时序；以及
采样保持器，用于对运算放大器的输出电压进行采样保持。
7.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中，所述电子模拟开关包括多个第一电子模拟开关以及多个第二电子模拟开关，其中，多个第一模拟开关的时序相同，多个第二模拟开关的时序相同。
8.根据权利要求7所述的MEMS器件，其中，多个第一电子模拟开关分别连接于第一电压源和第一电容之间、第二电压源和第二电容之间以及运算放大器的反相输入端和输出端之间；多个第二电子模拟开关分别连接于第一电容与地之间、第二电容与地之间以及所述运算放大器的输出端与所述采样保持器的正相输入端之间。
9.根据权利要求8所述的MEMS器件，其中，所述第一电压和所述第二电压为恒定电压，且所述第一电压和所述第二电压的电压幅值相等，相位相反。
10.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，还包括第三反馈电极板以及第四反馈电极板；
所述可动电极板包括：
第一可动电极板，与所述第一电极板构成第一电容，以及与所述第二电极板构成第二电容；
第二可动电极板，与所述第一反馈电极板构成第一反馈电容，以及与所述第二反馈电极板构成第二反馈电容；
第三可动电极板，与所述第三反馈电极板构成第三反馈电容，以及与所述第四反馈电极板构成第四反馈电容；
其中，所述第一可动电极板、第二可动电极板以及第三可动电极板相互分离，且同步运动。
11.根据权利要求10所述的MEMS器件，其中，所述第一电极板和所述第二电极板与所述第一可动电极板的相对面积相等；所述第一反馈电极板、所述第二反馈电极板与所述第二可动电极板的相对面积以及所述第三反馈电极板和所述第四反馈电极板与所述第三可动电极板的相对面积相等；所述可动电极板处于平衡位置时，所述第一电极板、第二电极板、第一反馈电极板、第二反馈电极板、第三反馈电极板以及第四反馈电极板与所述可动电极板之间的距离相等。
12.根据权利要求11所述的MEMS器件，其中，所述检测电路包括：
电压源，与所述第一可动电极板连接，用于向所述第一电容和所述第二电容提供电压；
第一运算放大器，其反相输入端连接至所述第一电极板；
第二运算放大器，其反相输入端连接至所述第二电极板；以及
第三运算放大器，其同相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端，其反相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端。
13.根据权利要求12所述的MEMS器件，其中，所述第一反馈电极板和所述第二反馈电极板连接至所述第一运算放大器的输出端或反相输入端，所述第二可动电极板对应地连接至所述第一运算放大器的反相输入端或输出端，构成第一反馈电路；
所述第三反馈电极板和所述第四反馈电极板连接至所述第二运算放大器的输出端或反相输入端，所述第三可动电极板对应地连接至所述第二运算放大器的反相输入端或输出端，构成第二反馈电路。
14.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述第一电极板和所述第一反馈电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接；所述第二电极板和所述第二反馈电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接。
15.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述MEMS器件为MEMS加速度计或者MEMS陀螺。
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