CN1637391A - 配备有具有mems结构的电容补偿器的差分电容型mems传感器设备 - Google Patents

配备有具有mems结构的电容补偿器的差分电容型mems传感器设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种其具有MEMS结构的差分电容型MEMS传感器设备，该MEMS结构包括一差分电容型MEMS传感器和其具有MEMS结构的一电容补偿器。该差分电容型MEMS传感器设备包括：一固定框架单元，该固定框架单元包括成对配备的第一和第二固定框架，该第一和第二固定框架被部分的固定到MEMS基底上；一活动框架单元，该活动框架单元可移动的与MEMS基底相连以便在活动框架单元与第一固定框架之间产生第一电容并且在活动框架单元与第二固定框架之间产生第二电容；第一电容补偿框架单元，该第一电容补偿框架单元利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第一电容进行补偿；以及第二电容补偿框架单元，该第二电容补偿框架单元利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第二电容进行补偿。

Description

配备有具有MEMS结构的电容补偿器的 差分电容型MEMS传感器设备
技术领域
本发明涉及一种配备有具有MEMS结构的电容补偿器的差分电容型MEMS(微电机械系统)传感器设备，尤其是涉及这样一种配备有具有MEMS结构的电容补偿器的差分电容型MEMS传感器设备，该MEMS传感器设备包括其包含有一差分电容型MEMS传感器和电容补偿器的一MEMS结构，以便由电容补偿器对MEMS传感器的电容进行实时补偿，该MEMS传感器设备是通过简单过程来制造的，因此降低了生产成本，并且该MEMS传感器设备具有减小的尺寸。
背景技术
近来，根据对微型多功能系统的开发，各种传感器已用作基本元件。传感器包括惯性传感器、手抖动-补偿传感器、加热检测传感器、红外线传感器等等。另外，大力开发高性能的传感器以便用于专门的用途。对当前正在研制的传感器的重要研究目标是“怎样使它们微型化”并且“怎样使其耗电量比率最小化”。由用于利用半导体制造工艺来制造三维活动结构的MEMS方法可实现这种目标。该结构包括一微加速度计、一微压力计等等。
MEMS(微电机械系统)表示电子控制和测量目的所使用的微型机器。也就是说MEMS是通过半导体制造工艺所制造的微型设备，该MEMS电子的操作并且机械的运动，因此不同于半导体设备。
例如，通常所使用的一个MEMS设备可以是用于车辆的气袋的加速计。该加速计具有微米大小以便检测速度的细微变化，并且将位于其内的速度计的运动转换成电压或者电流，因此确定是否对气袋进行操作。因此，已将MEMS设备应用到各种微传感器。
将利用MEMS方法的微传感器划分成电容型传感器和压电式传感器。与压电式传感器相比，就易于制造、加热特性、对特性曲线的影响、工作频率范围等等而言，电容型传感器是有利的。
然而，利用MEMS方法的电容型传感器的不利之处在于其电容变化是由于诸如温度变化这样的环境变化、制造过程中所产生的细微错误、以及寄生元件所造成的，而不是由于外部输入所造成的。因此，必须对该电容的变化进行补偿。参考图1对用于补偿电容的一个传统方法进行描述。
图1给出了传统的差分电容型MEMS传感器的电容补偿的电路图。
当将指定方向上的外力施加到图1所示的传统差分电容型MEMS传感器110时，活动结构与位于那里的固定框架单元之间所呈现出的电容变化了。传统的差分电容型MEMS传感器110利用变化的电容而实现了传感功能。为了提高传感容量，传感器110是一电容型，该传感器110包括一差分结构并且根据外力而产生了诸如正电容(+ΔC)和负电容(-ΔC)这样的差分电容。对这两个电容进行差分放大，因此可使传感器110的灵敏度加倍。
这里，最好是在未将外力施加到传感器110上的条件下该差分结构的正负电容具有相同的值。
如上所述，在即就是正负电容的差分电容之间产生了错误，这是由于其包括有处理误差这样的各种因素所造成的。为了补偿差分电容之间的错误，传感器110与位于外部的电容补偿电路120相连，并且位于电容补偿电路120中的可变电容C1和C2的容量变化了。因此，可对处理误差进行补偿。
在电容补偿电路120中，多个可变电容器C1和C2以及用于接通/断开每个可变电容器C1和C2与电路120的连接的一开关元件。由外部存储器的数字信号或者借助于用于调整的电阻元件来控制开关元件的开关。
因为借助于独立配备的电路来对上述传统差分电容型MEMS传感器110的电容进行补偿，因此必须通过其他的处理来分别制造MEMS传感器110和电容补偿电路120。另外，因为电容补偿电路120使用多个大尺寸的电容器，因此传统的差分电容型MEMS传感器110需要复杂的设计及制造过程，因此其尺寸和生产成本增加了。
发明内容
因此，针对上述问题而提出了本发明，并且本发明的目的是提供一种配备有具有MEMS结构的电容补偿器的差分电容型MEMS传感器设备，该MEMS传感器设备包括其具有一差分电容型MEMS传感器和电容补偿器的一MEMS结构以便由电容补偿器对MEMS传感器的电容进行实时补偿，该MEMS传感器设备是通过简单过程来制造的，因此降低了生产成本，并且该MEMS传感器设备具有减小的尺寸。
根据本发明，通过提供这样一种配备有具有MEMS结构的电容补偿器的差分电容型MEMS传感器设备可实现上述及其他目的，该MEMS传感器设备具有一MEMS基底以及其包括有由基底所支撑的固定框架和活动框架一MEMS结构，并且该MEMS传感器设备具有由外力所产生的差分电容，该设备包括：一固定框架单元，该固定框架单元包括成对配备的第一和第二固定框架，该第一和第二固定框架部分的固定到MEMS基底上并且彼此相分离；一活动框架单元，该活动框架单元可移动的与MEMS基底相连以便在活动框架单元与第一固定框架之间产生第一电容并且在活动框架单元与第二固定框架之间产生第二电容，所述第一电容和所述第二电容构成了差分电容；第一电容补偿框架单元，每个补偿框架单元包括可移动的与固定框架单元的第一固定框架相连的一活动框架以及其被固定到MEMS基底上的活动电极以使活动框架移动，并且每个补偿框架单元利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第一电容进行补偿；以及第二电容补偿框架单元，每个补偿框架单元包括可移动的与固定框架单元的第二固定框架相连的一活动框架以及其被固定到MEMS基底上的活动电极以使活动框架移动，并且每个补偿框架单元利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第二电容进行补偿。
附图说明
结合随后的附图，从下述说明中可显而易见的得出本发明的上述和其他目的、特性及其他优点。
图1给出了传统差分电容型MEMS传感器的电容补偿的电路图；
图2给出了根据本发明一个实施例的差分电容型MEMS传感器设备的透视图；
图3给出了本发明的差分电容型MEMS传感器设备的等效电路图；以及
图4给出了根据本发明另一个实施例的差分电容型MEMS传感器设备的透视图。
具体实施方式
现在，参考随后的附图对本发明的优选实施例进行详细的说明。
在附图中，相同的或者类似的元件由相同的附图标记来表示，即使它们是在不同的附图中描述的。
图2给出了根据本发明一个实施例的差分电容型MEMS传感器设备的透视图。
参考图2，根据本发明一个实施例的差分电容型MEMS传感器设备具有由外力所产生的差分电容，并且包括一基底205、其包括有由基底205所支撑的固定框架和活动框架的一MEMS结构、具有MEMS结构的一传感器单元210、以及具有MEMS结构的电容补偿单元220至250。
MEMS传感器单元210包括一固定框架单元和一活动框架单元213。固定框架单元包括成对配备的且部分固定到MEMS基底205上的第一和第二固定框架211和212。第一和第二框架211和212彼此相分离。
活动框架单元213可移动的连接到MEMS基底205上以便在活动框架单元213与第一固定框架211之间产生第一电容(+ΔC)并且在活动框架单元213与第二固定框架212之间产生第二电容(-ΔC)。第一电容(+ΔC)和第二电容(-ΔC)用作该差分电容型MEMS传感器设备的差分电容。
对MEMS传感器单元210的差分电容的补偿是通过MEMS电容补偿单元220至250来实现的。MEMS电容补偿单元220至250包括第一电容补偿框架单元220和230以及第二电容补偿框架单元240和250。
首先，对第一电容补偿框架单元220和230进行详细的描述。第一电容补偿帧单元220和230具有相同的结构，该第一电容补偿框架单元220和230以固定框架单元上的中心相对称。每个第一电容补偿框架单元220和230包括可移动的连接到固定框架单元的第一固定框架211上的一活动框架221或者231以及固定到MEMS基底205上的活动电极222或者232以使活动框架221或者231移动。第一电容补偿框架单元220和230利用在活动框架221和231与活动电极222和232之间所产生的电容来补偿第一电容(+ΔC)。
更具体地，第一电容补偿框架单元220和230的每个活动框架221和231包括与MEMS传感器单元210的第一固定框架211相连的一连接框架(CF)、从连接框架(CF)伸出的第一框架(F1)、从第一框架近乎垂直伸出的第二框架(F2)、以及从第二框架(F2)近乎垂直伸出的并且与第一框架(F1)相隔指定距离的第三框架(F3)。
另外，第一电容补偿框架单元单元220和230的活动电极222和232位于活动框架221和231的第一与第三框架(F1与F3)之间，并且分别与第一和第三框架(F1和F3)相隔指定的距离。这里，活动电极222和232与第一框架(F1)之间的间距大于活动电极222和232与第三框架(F3)之间的间距，因此在活动电极222以及232与第二框架(F2)之间产生了很大的静电力。
这里，当将驱动电压提供给活动电极222和232时，在活动电极222和232与活动框架221和231之间产生了静电力。此后，通过该静电力来移动活动框架221和231，并且其间距变化了，从而改变了活动框架221和231与MEMS传感器单元210的活动框架213的固定部分213A和213B之间的电容。因为上述电容与在活动框架单元213与第一固定框架211之间所产生的第一电容(+ΔC)相连，因此上述电容的变化造成了MEMS传感器单元210的第一电容(+ΔC)变化了。
接下来，对第二电容补偿框架单元240和250进行详细的描述。第二电容补偿框架单元240和250的每一个均包括可移动的与固定框架单元的第二固定框架212相连的一活动框架241或者251以及其被固定到MEMS基底205上的一活动电极242或者252以使活动框架241或者251移动。第二电容补偿框架单元240和250利用在活动框架241和251与活动电极242和252之间所产生的电容来补偿第二电容(-ΔC)。
更具体地，第二电容补偿框架单元240和250的每个活动框架241和251包括与MEMS传感器单元210的第二固定框架212相连的一连接框架(CF)、从连接框架(CF)伸出的第一框架(F1)、从第一框架(F1)近乎垂直伸出的第二框架(F2)、以及从第二框架(F2)近乎垂直伸出的并且与第一框架(F1)相隔指定距离的第三框架(F3)。
另外，第一电容补偿框架单元240和250的活动电极242和252位于活动框架241和241的第一与第三框架(F1与F3)之间，并且分别与第一和第三框架(F1和F3)相隔指定的距离。这里，活动电极242和252与第一框架(F1)之间的间距大于活动电极242和252与第三框架(F3)之间的间距，因此在活动电极242和252与第二框架(F2)之间产生了很大的静电力。
这里，按照与第一电容补偿框架单元220和230相同的方式，当将驱动电压提供给活动电极242和252时，在活动电极242和252与活动框架241和251之间产生了静电力。此后，通过该静电力来移动活动框架241和251，并且其间距变化了，从而改变了活动框架241和251与MEMS传感器单元210的活动框架213的固定部分213A和213B之间的电容。因为上述电容与在活动框架单元213与第一固定框架211之间所产生的第一电容(-ΔC)相连，因此上述电容的变化造成了MEMS传感器单元210的第二电容(-ΔC)变化了。
在图2中，未描述的参考标记“COM”表示电路公共端点。
也就是说，在本发明的差分电容型MEMS传感器设备中，在活动电极与活动框架之间产生了电容的变化，并且由活动框架的位移程度来确定电容的变化程度并且由如下的等式1来定义电容的变化程度。
[等式1]
RMΔC＝epsilon×A/Δgap
这里，ε(epsilon)表示介电常数，A表示上下电极所面对的区域的尺寸，并且Δgap表示两个电极之间的距离。
如等式1所示，电容是通过可移动结构的位移所产生的，并且通过对可移动结构的位移程度进行控制来对该电容进行补偿。
图3给出了本发明的差分电容型MEMS传感器的等效电路图。
在图3中，C11和C12表示由第一电容补偿框架单元所补偿的电容，并且C21和C22表示由第二电容补偿框架单元所补偿的电容。如图3所示，通过第一电容补偿框架单元的电容(C11和C12)的变化来对传感器单元210的差分电容(+ΔC和-ΔC)当中的即就是正电容的第一电容(+ΔC)进行补偿，并且通过第二电容补偿框架单元的电容(C21和C22)变化来对传感器单元210的差分电容(+ΔC和-ΔC)当中的即就是负电容的第二电容(-ΔC)进行补偿。
图4给出了根据本发明另一个实施例的差分电容型MEMS传感器设备的透视图。
参考图4，根据本发明另一个实施例的差分电容型MEMS传感器设备具有由外力所产生的差分电容，并且包括基底205、包括由基底205所支撑的固定框架和活动框架的MEMS结构、具有MEMS结构的传感器单元210、以及具有MEMS结构的电容补偿单元220至250。
这里，电容补偿单元220至250与如图2所示的差分电容型MEMS传感器设备的那些电容补偿单元相同。
MEMS传感器单元210包括固定框架单元和活动框架单元213。固定框架单元包括成对配备的并且部分固定到MEMS基底205上的第一和第二固定框架211和212。第一和第二框架211和212彼此相分离。活动框架单元213可移动的与MEMS基底205相连以便在活动框架单元213与第一固定框架211之间产生第一电容(+ΔC)并且在活动框架单元213与第二固定框架212之间产生第二电容(-ΔC)。第一电容(+ΔC)和第二电容(-ΔC)用作差分电容型MEMS传感器设备的差分电容。
第一固定框架211包括一主框架211A和一梳状单元(comb unit)211B。该主框架211A由MEMS基底205所支撑并且其两侧分别与电容补偿单元220和230相连。该梳状单元211B包括从沿着活动框架单元213方向的主框架211A伸出的多个齿。
第二固定框架212包括一主框架211A和一梳状单元211B。该主框架211A由MEMS基底205所支撑并且其两侧分别与电容补偿单元240和250相连。该梳状单元211B包括从沿着活动框架单元213方向的主框架211A伸出的多个齿。
活动框架单元213包括固定部分213A和213B、一质量体213C(mass body)、一梳状单元213D、以及一梳状单元213E。该固定部分213A和213B部分的固定到MEMS基底205上。该质量体通过一弹簧而与固定部分213A和213B相连。该梳状单元213D与第一固定框架211的梳状单元211B相分离并包括多个从质量体213C伸出的齿以便该齿与第一固定框架211的梳状单元211B的齿相交叉锁定。该梳状单元213E与第一固定框架212的梳状单元212B相分离并包括多个从质量体213C伸出的齿以便该齿与第一固定框架212的梳状单元212B的齿相交叉锁定。
在这种差分电容型MEMS传感器设备中，通过第一补偿单元220和230来对活动框架单元213与第一固定框架211之间所产生的第一电容(+ΔC)进行补偿，并且通过第二电容补偿单元240和250对活动框架单元213与第二固定框架212之间所产生的第二电容(-ΔC)进行补偿。
如上所述，具有基于MEMS技术的补偿器的差分电容型MEMS传感器设备对电容进行实时补偿，该MEMS传感器设备是通过简单过程来制造的，从而降低了生产成本。另外，在将补偿器与传感器集成在一起的情况下，该差分电容型MEMS传感器设备具有显著减小的尺寸。
从上述描述可知，本发明提供了一种差分电容型MEMS传感器设备，该MEMS传感器设备包括其包含有差分电容型MEMS传感器的一MEMS结构以及其具有MEMS结构的一电容补偿器，以便由电容补偿器对该MEMS传感器的电容进行实时补偿，该MEMS传感器设备是通过简单过程来制造的，因此降低了生产成本，并且该MEMS传感器设备具有减小的尺寸。
虽然为了说明的目的而公开了本发明的优选实施例，但是对于本领域的普通技术人员来说在不脱离由随后的权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下可做出各种修改、添加、以及替换。

Claims (7)

1、一种配备有具有MEMS结构的电容补偿器的差分电容型MEMS传感器设备，该MEMS传感器设备具有MEMS基底以及其包括有由基底所支撑的固定框架和活动框架的MEMS结构，并且具有由外力所产生的差分电容，该设备包括：
一固定框架单元，该固定框架单元包括成对配备的第一和第二固定框架，该第一和第二固定框架部分的固定到MEMS基底上并且彼此相分离；
一活动框架单元，该活动框架单元可移动的与MEMS基底相连以便在活动框架单元与第一固定框架之间产生第一电容并且在活动框架单元与第二固定框架之间产生第二电容，所述第一电容和所述第二电容构成了差分电容；
第一电容补偿框架单元，每个包括可移动的与固定框架单元的第一固定框架相连的一活动框架，以及其被固定到MEMS基底上的活动电极以使活动框架移动，并且利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第一电容进行补偿；以及
第二电容补偿框架单元，每个包括可移动的与固定框架单元的第二固定框架相连的一活动框架，以及其被固定到MEMS基底上的活动电极以使活动框架移动，并且利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第二电容进行补偿。
2、如权利要求1所述的差分电容型MEMS传感器设备，其中每个第一电容补偿框架单元包括：
可移动的与固定框架单元的第一固定框架相连的活动框架，第一电容补偿框架单元的所述活动框架以固定框架单元为中心相对称；以及
被固定到MEMS基底上的活动电极，以使活动框架移动，
其中，第一电容补偿框架单元利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第一电容进行补偿。
3、如权利要求1所述的差分电容型MEMS传感器设备，其中第一电容补偿框架单元的每个活动框架包括：
与MEMS传感器的第一固定框架相连的一连接框架；
从连接框架伸出的第一框架；
从第一框架近乎垂直伸出的第二框架；以及
从第二框架近乎垂直伸出的且与第一框架相隔指定距离的第三框架。
4、如权利要求3所述的差分电容型MEMS传感器设备，其中第一电容补偿框架的活动电极与活动框架的第一和第三框架相隔指定的距离，并且位于第一与第三框架之间，以便将驱动电压提供给活动电极以可在活动电极与第一和第三框架之间产生静电力。
5、如权利要求1所述的差分电容型MEMS传感器设备，其中每个第二电容补偿框架单元包括：
可移动的与固定框架单元的第二固定框架相连的活动框架；以及
被固定到MEMS基底上的活动电极，以使活动框架移动，
其中第二电容补偿框架单元利用活动框架与活动电极之间所产生的电容来对第二电容进行补偿。
6、如权利要求5所述的差分电容型MEMS传感器设备，其中第二电容补偿框架单元的每个活动框架包括：
与MEMS传感器的第二固定框架相连的一连接框架；
从连接框架伸出的第一框架；
从第一框架近乎垂直伸出的第二框架；以及
从第二框架近乎垂直伸出的且与第一框架相隔指定距离的第三框架。
7、如权利要求6所述的差分电容型MEMS传感器设备，其中第二电容补偿框架的活动电极与活动框架的第一和第三框架相隔指定的距离并且位于第一与第三框架之间以便将驱动电压提供给活动电极以可在活动电极与第一和第三框架之间产生静电力。
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