[發明專利]一種電容式微機械器件及其操作方法

在審

• 申請號: 201811303385.3
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109269531A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 張劍鋒
• 申請（專利權）人: 楊榮彬
• 主分類號: G01D5/241
• 分類號: G01D5/241
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種電容式微機械器件及其操作方法，包括固定于錨點的機械結構，通過可動電極彈簧固定于可動電極錨點的第一可動電極、第二可動電極，和固定的用于改變第一可動電極、第二可動電極狀態的可動電極驅動電極。其中，可動電極彈簧的初始狀態中，直量與水平方向呈一個夾角，第一可動電極、第二可動電極與機械結構之間構成了第一檢測電容、第二檢測電容，二者在機械結構形變的過程中會發生變化，當第一檢測電容增大時第二檢測電容減小，從而可以實現對機械結構形變的差分檢測。本發明還公開了一種電容式微機械器件的操作方法。本發明通過可動電極結構在相同工藝條件下實現更小的檢測電容間隙，從而提高檢測電容的變化量。

技術領域

本發明屬于電學技術領域，涉及一種電容式微機械器件及其操作方法，具體地說，涉及一種具有雙穩態可動電極結構的電容式微機械器件及其操作方法。

背景技術

近年來MEMS技術以其小體積、低功耗和低價格的優勢得到越來越多的應用。在眾多MEMS檢測方式之中，電容檢測由于與傳統集成電路工藝兼容性強，因此在諧振器、麥克風、電場傳感器、加速度計和陀螺儀等器件中都得到了廣泛的應用。

由于電容檢測方式的輸出信號與電容變化量相關，因此為了提高器件整體的性能，應盡量增加機械結構在受到環境影響時的電容變化。改進方式包括增加電容面積、增加結構的形變、增加電容介質的介電常數和減小檢測電容的基礎間隙。

現有技術存在的缺點：

上述前三種改進方式受到器件面積、檢測原理和系統設計等因素的制約，通常無法進行大幅度改變，而檢測電容的基礎間隙則受到工藝水平的限制。對于常見的體硅(或SOI)微機械工藝來說，受到刻蝕工藝的制約，電容間隙的最小值通常僅可以達到2um甚至更大，這就使得檢測電容無法進一步增大。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提供一種電容式微機械器件及其操作方法，通過可動電極結構在相同工藝條件下實現更小的檢測電容間隙，從而提高檢測電容的變化量。在器件工作時通過靜電力使得電容達到小間隙穩態后即可撤銷該靜電力。此時，器件即可以遠小于工藝水平的電容間隙工作。

其技術方案如下：

一種電容式微機械器件，包括固定于錨點的機械結構，通過可動電極彈簧固定于可動電極錨點的第一可動電極、第二可動電極，和固定的用于改變第一可動電極、第二可動電極狀態的可動電極驅動電極。其中，可動電極彈簧的初始狀態中，直量與水平方向呈一個夾角，

第一可動電極、第二可動電極與機械結構之間構成了第一檢測電容、第二檢測電容，二者在機械結構形變的過程中會發生變化，當第一檢測電容增大時第二檢測電容減小，從而可以實現對機械結構形變的差分檢測。

進一步，所述機械結構為諧振器、加速度計或陀螺儀等微機械器件。

進一步，所述可動電極彈簧結構為與水平方向呈一定夾角的單端引導直梁。

該角度受到可以提供的可動電極驅動電壓、可動電極驅動電極尺寸、可動電極的行程、芯片面積以及可靠性等因素的影響，可取的范圍為a>0。考慮實際因素可以取(0,10]，但是上限不絕對。

比如設計的可動電極行程為1.5um，可動電極彈簧長度為L，則角度a應為arcsin(1.5/2/L)。具體L取何值還需要考慮吸合電壓和芯片面積。

作為本發明的一個實施例，所述機械結構上設有若干機械結構梳齒，可動電極上設有若干可動電極梳齒。

作為本發明的一個實施例，還包括阻擋塊，其中可動電極彈簧變為正常的單端引導直梁，可動電極上設有限位閂。

本發明所述電容式微機械器件的操作方法，包括以下步驟：