专利名称：一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及变面积电容结构，特别涉及用于微机械陀螺和微机械加速度计的变面 积电容结构，属于微机械传感器领域。
背景技术：
在微机械传感器领域，如微机械陀螺和微机械加速度计，微机械陀螺是用来测量 角速度和角位移的传感器，微机械加速度计是用来测量物体加速度的传感器，两者都可等 效为弹簧质量块系统，弹簧的弹性系数是器件中关键的物理量，它对器件的谐振频率及灵 敏度都有直接的关系。经过几十年的研究，微机械传感器发展迅速，就其检测类型来讲，主要有压阻式， 电容式，谐振式，隧道式等。其中电容式由于其响应快，制作简单等优点已成为当今设计的 主流。电容式的微机械传感器有变间距式电容结构和变面积式电容结构两种类型，由于应 用变间距式电容结构对器件的弹性系数进行调节已广泛地应用于微机械传感器领域，使得 变间距式结构成为设计中的主流，而变面积式的电容结构一直没能实现对器件的弹性系数 进行调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电 容结构。本发明的发明构思是由于传统的变面积式电容结构的单元可动电极与固定电极 的正表面都为矩形，一直没有实现对微机械器件的弹性系数的调节。本发明为实现对微机 械器件的弹性系数进行调节，在保持单元可动电极的正表面与单元固定电极的正表面平行 且单元可动电极的正表面与单元固定电极的正表面的间距不变的前提下，通过将单元固定 电极的正表面的形状由传统的矩形改为三角形或锯齿形而单元可动电极的正表面形状仍 为矩形，或者将单元可动电极的正表面的形状由传统的矩形改为三角形或锯齿形而单元固 定电极的正表面形状仍为矩形，并且使单元可动电极的正表面与单元固定电极的正表面形 成具有一定特征的交叠，在单元固定电极与单元可动电极间施加一电压，即可引入一等效 弹性系数，该等效弹性系数为常数，既可以为正数，也可以为负数，使得总的弹性系数增大 或减小。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是该可调节微机械器件弹性系数的 变面积电容结构，在每个单元电容中，可动电极的正表面与固定电极的正表面相互平行，其 中，所述可动电极的正表面为矩形且固定电极的正表面为三角形或锯齿形，或者所述可动 电极的正表面为三角形或锯齿形且固定电极的正表面为矩形；所述三角形正表面仅与所述 矩形正表面的一条长边交叠。进一步地，本发明所述锯齿形正表面的锯齿为三角形且所述三角形锯齿仅与所述 矩形正表面的一条长边交叠。
进一步地，本发明所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿仅与所述矩形正表面的一条长边交叠，交叠部分呈三角形。进一步地，本发明所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿仅与所述矩形 正表面的一条长边交叠，交叠部分呈梯形，所述梯形交叠部分的底边与所述矩形正表面的 长边平行。与采用变间距电容结构对微机械器件弹性系数进行调节相比，本发明具有以下优占.1.利用本发明进行弹性系数调节，引入的等效弹性系数既可以为正数，也可以为 负数，可以根据需要灵活地进行设计。2.利用本发明进行弹性系数调节，在电容的结构参数和个数确定且单元固定电极 与单元可动电极的电压差为定值时，引入的等效弹性系数为常数。3.通过调节单元固定电极与单元可动电极的电压差的大小即可调节微机械器件 在相应方向上总的弹性系数。
图1是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第一种单边电容俯 视图；图2是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第二种单边电容俯 视图；图3是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第三种单边电容俯 视图；图4是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第四种单边电容俯 视图；图5是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第一种差分电容俯 视图；图6是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第二种差分电容俯 视图；图7是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第三种差分电容俯 视图；图8是本发明变面积电容结构的单元固定电极为三角形时的第四种差分电容俯 视图；图9是本发明变面积电容结构在其单元固定电极为锯齿形且各锯齿为三角形时 的第一种差分电容俯视图；图10是本发明变面积电容结构在其单元固定电极为锯齿形且各锯齿为三角形时 的第二种差分电容俯视图；图11是本发明变面积电容结构在其单元可动电极为锯齿形且各锯齿为梯形时的 第一种结构俯视图；图12是本发明变面积电容结构在其单元可动电极为锯齿形且各锯齿为梯形时的 第二种结构俯视图13是本发明变面积电容结构的差分结构剖面示意图。图中1.单元可动电极，2.单元固定电极，a.矩形单元可动电极的宽度，b.矩形 单元可动电极的长度，c.直角三角形单元固定电极底边的长度，d.直角三角形单元固定电 极的高度，h.单元可动电极与单元固定电极的间距，e.单元可动电极与单元固定电极的初 始交叠宽度，s.单元可动电极与单元固定电极的交叠面积，x.单元可动电极的位移，m.三 角形单元固定电极的底边长度，f.三角形单元固定电极的高度。
具体实施例方式如图1至图13所示的本发明的各种形式的变面积电容结构中，在每个单元电容 中，单元可动电极1的正表面是指与单元固定电极2正对的表面，单元固定电极2的正表面 是指与单元可动电极1正对的表面。每个单元可动电极1的正表面与单元固定电极2的正 表面相互平行。其中，如图1至图8所示，单元可动电极1的正表面为矩形，当单元固定电极2的正 表面为三角形时，单元固定电极2的三角形正表面仅与单元可动电极1的矩形正表面的一 条长边交叠；当单元固定电极2的正表面为锯齿形时，如图9、10所示，每个锯齿为三角形， 各锯齿仅与单元可动电极1的矩形正表面的其中一条长边交叠。如图1所示，单元固定电极2的正表面为三角形且仅与单元可动电极1的矩形正 表面的一条长边交叠形成三角形的交叠区域，此外，三角形单元固定电极2的一条边与矩 形单元可动电极1的长边平行且三角形单元固定电极2的这条边在交叠区域外。单元固定 电极2与单元可动电极1的电压差为V，三角形单元固定电极2底边的长度为m，三角形单 元固定电极2的高度为f，单元可动电极1沿X轴方向的位移为x。由图1可见，单元可动 电极1与单元固定电极2的交叠部分的形状为三角形，交叠区域的面积为s，当单元可动电 极1沿X轴正方向产生位移x后，根据三角形的面积计算公式s =底边长度X高度/2，可 得单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域的面积s为<formula>formula see original document page 5</formula>根据平板电容公式可得到电容大小为<formula>formula see original document page 5</formula>根据切向静电力公式得到切向静电力大�。丛赬轴方向上的静电力大小为<formula>formula see original document page 5</formula>最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为<formula>formula see original document page 5</formula>另如图2所示，单元固定电极2的正表面为三角形且仅与单元可动电极1的矩形 正表面的一条长边交叠。并且，三角形单元固定电极2的一条边与矩形单元可动电极1的 长边平行且三角形单元固定电极2的这条边与矩形单元可动电极1交叠。此时，单元可动 电极1与单元固定电极2的交叠部分的形状为梯形，梯形交叠区域的面积为s。根据梯形的面积计算公式S =(上底长度+下底长度)X高度/2，得到单元可动电极1与单元固定电 极2的交叠区域的面积s为
<formula>formula see original document page 6</formula>根据平板电容公式可得到电容大小为 <formula>formula see original document page 6</formula>根据切向静电力公式得到切向静电力大�。丛赬轴方向上的静电力大小 <formula>formula see original document page 6</formula>最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为
<formula>formula see original document page 6</formula>为方便说明本发明的技术方案，以下假设矩形单元可动电极1的宽度a为lOum，矩 形单元可动电极1的长度b为2100um，三角形单元固定电极2底边的长度m为2000um，三角 形单元固定电极2的高度f为10um，单元可动电极1与单元固定电极2的间距h为1.5um， 单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为15V。如图1所示的情况下，引入的等效弹 性系数为-0. 1328N/m，该等效弹性系数为负且为常数；如图2所示的情况下，引入的等效弹 性系数为0. 1328N/m，而该引入的等效弹性系数为正且为常数。如图3所示，单元固定电极2的正表面为直角三角形且仅与单元可动电极1的矩 形正表面的一条长边交叠，直角三角形单元固定电极2的一条直角边与单元可动电极1的 矩形正表面的长边平行，且直角三角形单元固定电极2的直角位于单元可动电极1与单元 固定电极2的交叠区域外。单元固定电极2与单元可动电极1的电压差为V ；单元可动电 极1的位移为χ，χ为单元可动电极1在X轴方向上的位移，既可为正，也可为负；单元可动 电极1与单元固定电极2的初始交叠宽度为e ；直角三角形单元固定电极2的高度为d，直 角三角形单元固定电极2的底边的长度为c ；如图13所示，单元可动电极1与单元固定电 极2的间距为h，在单元可动电极1沿X轴方向运动时，单元可动电极1与单元固定电极2 的间距h不变。单元可动电极1与单元固定电极2的交叠部分的形状为直角三角形，交叠 区域的面积为s。当单元可动电极1沿X轴正方向产生位移χ后，该交叠部分的直角三角形
底边长度为e-x，高度为(e-》·一根据三角形的面积计算公式s=底边长度X高度/2，得
c ,
到单元可动电极1与单元固定电极2的交叠区域的面积s为<formula>formula see original document page 6</formula>根据平板电容公式可得到电容大小为<formula>formula see original document page 6</formula>
根据切向静电力公式得到切向静电力大�。丛赬轴方向上的静电力大小为 <formula>formula see original document page 6</formula>
最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为<formula>formula see original document page 7</formula>如图4所示，单元固定电极2的正表面为直角三角形，仅与单元可动电极1的矩形 正表面的一条长边交叠，直角三角形单元固定电极2的一条直角边与单元可动电极1的矩 形正表面的长边平行，且直角三角形单元固定电极2的直角位于单元可动电极1与单元固 定电极2的交叠区域内。单元可动电极1与单元固定电极2的交叠形状为梯形，交叠区域的
面积为s。当单元可动电极1沿X轴正方向产生位移x后，该梯形上底长度为<formula>formula see original document page 7</formula>
下底长度为d，高度为e-x。根据梯形的面积计算公式s =(上底长度+下底长度)X高度/2，得到单元可动 电极1与单元固定电极2的交叠区域的面积s为<formula>formula see original document page 7</formula>根据平板电容公式可得到电容大小为<formula>formula see original document page 7</formula>根据切向静电力公式得到切向静电力大�。丛赬轴方向上的静电力大小<formula>formula see original document page 7</formula>最终得到在X轴方向上的等效弹性系数为<formula>formula see original document page 7</formula>为方便说明本发明的技术方案，以下假设矩形单元可动电极1的宽度a为lOum，矩 形单元可动电极1的长度b为2100um，直角三角形单元固定电极2底边的长度c为lOum， 直角三角形单元固定电极2的高度d为2000um，单元可动电极1与单元固定电极2的间距 h为1.5um，单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为15V。如图3所示的情况下，引 入的等效弹性系数为-0. 1328N/m，该等效弹性系数为负数且为常数；如图4所示的情况下， 引入的等效弹性系数为0. 1328N/m，而该引入的等效弹性系数为正数且为常数。以上各示例中，在既定的结构下，即电容的结构参数和个数确定时，通过调节单元 固定电极2与单元可动电极1的电压差V，就能在X轴方向上引入不同的等效弹性系数，从 而调节微机械器件在X轴方向上总的弹性系数。当单元电容为差分电容时，如图5 图8所示，其单边引入的等效弹性系数的计算 方法与前述方法相同，而该差分电容整体引入的等效弹性系数则为单边引入的等效弹性系 数两倍。其中，在既定的结构及单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时，图 5和图7引入的等效弹性系数为负数且为常数，图6和图8引入的等效弹性系数为正数且为常数。当单元固定电极2的正表面为锯齿形时，如图9、10所示，各锯齿为三角形，每个锯 齿仅与单元可动电极1的矩形正表面的一条长边交叠。每个锯齿与单元可动电极1的矩形 正表面形成一个三角形锯齿电容结构，单个三角形锯齿电容结构所引入的等效弹性系数的计算方法与前述方法相同，整个电容结构引入的等效弹性系数为单元固定电极2的所有三 角形锯齿电容结构引入的等效弹性系数之和。同理，若单元可动电极1的正表面为三角形、而单元固定电极2的正表面为矩形 (未在图中示出)，则按上述计算方法可以知道，在既定的结构及单元固定电极2与单元可 动电极1的电压差V为定值时，具有该结构的整个电容所引入的等效弹性系数或为负数或 为正数，且均为常数。图11和图12示出了单元可动电极1的正表面为锯齿形且各锯齿为梯 形、同时单 元固定电极2的正表面为矩形的本发明变面积电容结构的结构示意图。如图11中的单元可动电极1的锯齿形正表面的各锯齿为梯形且各梯形锯齿仅与 单元固定电极2的矩形正表面的一条长边交叠，交叠部分呈三角形，每个锯齿与单元固定 电极2的矩形正表面形成一个梯形锯齿电容结构。此时，单个梯形锯齿电容结构所引入的 等效弹性系数的计算方法与前述交叠部分呈三角形时的计算方法相同。在既定的结构及单 元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时，整个电容结构引入的等效弹性系数 为单元固定电极2的所有梯形锯齿电容结构引入的等效弹性系数之和，且或为负数或为正 数，且均为常数。如图12中的单元可动电极1的锯齿形正表面的各锯齿为梯形且各梯形锯齿仅与 单元固定电极2的矩形正表面的一条长边交叠，交叠部分呈梯形，且梯形交叠部分的底边 与所述矩形正表面的长边平行。每个锯齿与单元固定电极2的矩形正表面形成一个梯形锯 齿电容结构。此时，单个梯形锯齿电容结构所引入的等效弹性系数的计算方法与前述交叠 部分呈梯形时的计算方法相同。在既定的结构及单元固定电极2与单元可动电极1的电压 差V为定值时，整个电容结构引入的等效弹性系数为单元固定电极2的所有梯形锯齿电容 结构引入的等效弹性系数之和，且或为负数或为正数，且均为常数。同理，单元固定电极2的正表面为锯齿形且各锯齿为梯形、而单元可动电极1的正 表面为矩形的本发明变面积电容结构(未在图中示出)所引入的等效弹性系数为或为负数 或为正数，在既定的结构及单元固定电极2与单元可动电极1的电压差V为定值时均为常数。
权利要求
一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，在每个单元电容中，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三角形或锯齿形，或者所述可动电极的正表面为三角形或锯齿形且固定电极的正表面为矩形；所述三角形正表面仅与所述矩形正表面的一条长边交叠。
2.根据权利要求1所述的一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其特征 是所述锯齿形正表面的锯齿为三角形且所述三角形锯齿仅与所述矩形正表面的一条长边 交叠。
3.根据权利要求1所述的一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其特 征是所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿仅与所述矩形正表面的一条长边交 叠，交叠部分呈三角形。
4.根据权利要求1所述的一种可调节微机械器件弹性系数的变面积电容结构，其特 征是所述锯齿形正表面的锯齿为梯形且所述梯形锯齿仅与所述矩形正表面的一条长边交 叠，交叠部分呈梯形，所述梯形交叠部分的底边与所述矩形正表面的长边平行。
全文摘要
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，在每个单元电容中，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三角形或锯齿形，或者所述可动电极的正表面为三角形或锯齿形且固定电极的正表面为矩形；所述三角形正表面仅与所述矩形正表面的一条长边交叠。本发明克服了以往变面积式电容结构微机械器件中弹性系数无法调节的缺陷，通过调节单元固定电极与单元可动电极电压差的大小即可调节微机械器件在相应方向上总的弹性系数，提高了微机械传感器设计的灵活性。
文档编号G01C19/56GK101834065SQ201010151630
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者张霞, 朱辉杰, 胡世昌, 金仲和 申请人:浙江大学
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