專利名稱：一種可調節(jié)微機械器件彈性系數的變面積電容結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及變面積電容結構，特別涉及用于微機械陀螺和微機械加速度計的變面 積電容結構，屬于微機械傳感器領域。
背景技術：
在微機械傳感器領域，如微機械陀螺和微機械加速度計，微機械陀螺是用來測量 角速度和角位移的傳感器，微機械加速度計是用來測量物體加速度的傳感器，兩者都可等 效為彈簧質量塊系統(tǒng)，彈簧的彈性系數是器件中關鍵的物理量，它對器件的諧振頻率及靈 敏度都有直接的關系。經過幾十年的研究，微機械傳感器發(fā)展迅速，就其檢測類型來講，主要有壓阻式， 電容式，諧振式，隧道式等。其中電容式由于其響應快，制作簡單等優(yōu)點已成為當今設計的 主流。電容式的微機械傳感器有變間距式電容結構和變面積式電容結構兩種類型，由于應 用變間距式電容結構對器件的彈性系數進行調節(jié)已廣泛地應用于微機械傳感器領域，使得 變間距式結構成為設計中的主流，而變面積式的電容結構一直沒能實現對器件的彈性系數 進行調節(jié)。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種可調節(jié)微機械器件彈性系數的變面積電 容結構。本發(fā)明的發(fā)明構思是由于傳統(tǒng)的變面積式電容結構的單元可動電極與固定電極 的正表面都為矩形，一直沒有實現對微機械器件的彈性系數的調節(jié)。本發(fā)明為實現對微機 械器件的彈性系數進行調節(jié)，在保持單元可動電極的正表面與單元固定電極的正表面平行 且單元可動電極的正表面與單元固定電極的正表面的間距不變的前提下，通過將單元固定 電極的正表面的形狀由傳統(tǒng)的矩形改為三角形或鋸齒形而單元可動電極的正表面形狀仍 為矩形，或者將單元可動電極的正表面的形狀由傳統(tǒng)的矩形改為三角形或鋸齒形而單元固 定電極的正表面形狀仍為矩形，并且使單元可動電極的正表面與單元固定電極的正表面形 成具有一定特征的交疊，在單元固定電極與單元可動電極間施加一電壓，即可引入一等效 彈性系數，該等效彈性系數為常數，既可以為正數，也可以為負數，使得總的彈性系數增大 或減小。本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是該可調節(jié)微機械器件彈性系數的 變面積電容結構，在每個單元電容中，可動電極的正表面與固定電極的正表面相互平行，其 中，所述可動電極的正表面為矩形且固定電極的正表面為三角形或鋸齒形，或者所述可動 電極的正表面為三角形或鋸齒形且固定電極的正表面為矩形；所述三角形正表面僅與所述 矩形正表面的一條長邊交疊。進一步地，本發(fā)明所述鋸齒形正表面的鋸齒為三角形且所述三角形鋸齒僅與所述 矩形正表面的一條長邊交疊。
進一步地，本發(fā)明所述鋸齒形正表面的鋸齒為梯形且所述梯形鋸齒僅與所述矩形正表面的一條長邊交疊，交疊部分呈三角形。進一步地，本發(fā)明所述鋸齒形正表面的鋸齒為梯形且所述梯形鋸齒僅與所述矩形 正表面的一條長邊交疊，交疊部分呈梯形，所述梯形交疊部分的底邊與所述矩形正表面的 長邊平行。與采用變間距電容結構對微機械器件彈性系數進行調節(jié)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)占.1.利用本發(fā)明進行彈性系數調節(jié)，引入的等效彈性系數既可以為正數，也可以為 負數，可以根據需要靈活地進行設計。2.利用本發(fā)明進行彈性系數調節(jié)，在電容的結構參數和個數確定且單元固定電極 與單元可動電極的電壓差為定值時，引入的等效彈性系數為常數。3.通過調節(jié)單元固定電極與單元可動電極的電壓差的大小即可調節(jié)微機械器件 在相應方向上總的彈性系數。


圖1是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第一種單邊電容俯 視圖；圖2是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第二種單邊電容俯 視圖；圖3是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第三種單邊電容俯 視圖；圖4是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第四種單邊電容俯 視圖；圖5是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第一種差分電容俯 視圖；圖6是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第二種差分電容俯 視圖；圖7是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第三種差分電容俯 視圖；圖8是本發(fā)明變面積電容結構的單元固定電極為三角形時的第四種差分電容俯 視圖；圖9是本發(fā)明變面積電容結構在其單元固定電極為鋸齒形且各鋸齒為三角形時 的第一種差分電容俯視圖；圖10是本發(fā)明變面積電容結構在其單元固定電極為鋸齒形且各鋸齒為三角形時 的第二種差分電容俯視圖；圖11是本發(fā)明變面積電容結構在其單元可動電極為鋸齒形且各鋸齒為梯形時的 第一種結構俯視圖；圖12是本發(fā)明變面積電容結構在其單元可動電極為鋸齒形且各鋸齒為梯形時的 第二種結構俯視圖13是本發(fā)明變面積電容結構的差分結構剖面示意圖。圖中1.單元可動電極，2.單元固定電極，a.矩形單元可動電極的寬度，b.矩形 單元可動電極的長度，c.直角三角形單元固定電極底邊的長度，d.直角三角形單元固定電 極的高度，h.單元可動電極與單元固定電極的間距，e.單元可動電極與單元固定電極的初 始交疊寬度，s.單元可動電極與單元固定電極的交疊面積，x.單元可動電極的位移，m.三 角形單元固定電極的底邊長度，f.三角形單元固定電極的高度。
具體實施例方式如圖1至圖13所示的本發(fā)明的各種形式的變面積電容結構中，在每個單元電容 中，單元可動電極1的正表面是指與單元固定電極2正對的表面，單元固定電極2的正表面 是指與單元可動電極1正對的表面。每個單元可動電極1的正表面與單元固定電極2的正 表面相互平行。其中，如圖1至圖8所示，單元可動電極1的正表面為矩形，當單元固定電極2的正 表面為三角形時，單元固定電極2的三角形正表面僅與單元可動電極1的矩形正表面的一 條長邊交疊；當單元固定電極2的正表面為鋸齒形時，如圖9、10所示，每個鋸齒為三角形， 各鋸齒僅與單元可動電極1的矩形正表面的其中一條長邊交疊。如圖1所示，單元固定電極2的正表面為三角形且僅與單元可動電極1的矩形正 表面的一條長邊交疊形成三角形的交疊區(qū)域，此外，三角形單元固定電極2的一條邊與矩 形單元可動電極1的長邊平行且三角形單元固定電極2的這條邊在交疊區(qū)域外。單元固定 電極2與單元可動電極1的電壓差為V，三角形單元固定電極2底邊的長度為m，三角形單 元固定電極2的高度為f，單元可動電極1沿X軸方向的位移為x。由圖1可見，單元可動 電極1與單元固定電極2的交疊部分的形狀為三角形，交疊區(qū)域的面積為s，當單元可動電 極1沿X軸正方向產生位移x后，根據三角形的面積計算公式s =底邊長度X高度/2，可 得單元可動電極1與單元固定電極2的交疊區(qū)域的面積s為<formula>formula see original document page 5</formula>根據平板電容公式可得到電容大小為<formula>formula see original document page 5</formula>根據切向靜電力公式得到切向靜電力大小，即在X軸方向上的靜電力大小為<formula>formula see original document page 5</formula>最終得到在X軸方向上的等效彈性系數為<formula>formula see original document page 5</formula>另如圖2所示，單元固定電極2的正表面為三角形且僅與單元可動電極1的矩形 正表面的一條長邊交疊。并且，三角形單元固定電極2的一條邊與矩形單元可動電極1的 長邊平行且三角形單元固定電極2的這條邊與矩形單元可動電極1交疊。此時，單元可動 電極1與單元固定電極2的交疊部分的形狀為梯形，梯形交疊區(qū)域的面積為s。根據梯形的面積計算公式S =(上底長度+下底長度)X高度/2，得到單元可動電極1與單元固定電 極2的交疊區(qū)域的面積s為
<formula>formula see original document page 6</formula>根據平板電容公式可得到電容大小為 <formula>formula see original document page 6</formula>根據切向靜電力公式得到切向靜電力大小，即在X軸方向上的靜電力大小 <formula>formula see original document page 6</formula>最終得到在X軸方向上的等效彈性系數為
<formula>formula see original document page 6</formula>為方便說明本發(fā)明的技術方案，以下假設矩形單元可動電極1的寬度a為lOum，矩 形單元可動電極1的長度b為2100um，三角形單元固定電極2底邊的長度m為2000um，三角 形單元固定電極2的高度f為10um，單元可動電極1與單元固定電極2的間距h為1.5um， 單元固定電極2與單元可動電極1的電壓差V為15V。如圖1所示的情況下，引入的等效彈 性系數為-0. 1328N/m，該等效彈性系數為負且為常數；如圖2所示的情況下，引入的等效彈 性系數為0. 1328N/m，而該引入的等效彈性系數為正且為常數。如圖3所示，單元固定電極2的正表面為直角三角形且僅與單元可動電極1的矩 形正表面的一條長邊交疊，直角三角形單元固定電極2的一條直角邊與單元可動電極1的 矩形正表面的長邊平行，且直角三角形單元固定電極2的直角位于單元可動電極1與單元 固定電極2的交疊區(qū)域外。單元固定電極2與單元可動電極1的電壓差為V ；單元可動電 極1的位移為χ，χ為單元可動電極1在X軸方向上的位移，既可為正，也可為負；單元可動 電極1與單元固定電極2的初始交疊寬度為e ；直角三角形單元固定電極2的高度為d，直 角三角形單元固定電極2的底邊的長度為c ；如圖13所示，單元可動電極1與單元固定電 極2的間距為h，在單元可動電極1沿X軸方向運動時，單元可動電極1與單元固定電極2 的間距h不變。單元可動電極1與單元固定電極2的交疊部分的形狀為直角三角形，交疊 區(qū)域的面積為s。當單元可動電極1沿X軸正方向產生位移χ后，該交疊部分的直角三角形
底邊長度為e-x，高度為(e-》·一根據三角形的面積計算公式s=底邊長度X高度/2，得
c ,
到單元可動電極1與單元固定電極2的交疊區(qū)域的面積s為<formula>formula see original document page 6</formula>根據平板電容公式可得到電容大小為<formula>formula see original document page 6</formula>
根據切向靜電力公式得到切向靜電力大小，即在X軸方向上的靜電力大小為 <formula>formula see original document page 6</formula>
最終得到在X軸方向上的等效彈性系數為<formula>formula see original document page 7</formula>如圖4所示，單元固定電極2的正表面為直角三角形，僅與單元可動電極1的矩形 正表面的一條長邊交疊，直角三角形單元固定電極2的一條直角邊與單元可動電極1的矩 形正表面的長邊平行，且直角三角形單元固定電極2的直角位于單元可動電極1與單元固 定電極2的交疊區(qū)域內。單元可動電極1與單元固定電極2的交疊形狀為梯形，交疊區(qū)域的
面積為s。當單元可動電極1沿X軸正方向產生位移x后，該梯形上底長度為<formula>formula see original document page 7</formula>
下底長度為d，高度為e-x。根據梯形的面積計算公式s =(上底長度+下底長度)X高度/2，得到單元可動 電極1與單元固定電極2的交疊區(qū)域的面積s為<formula>formula see original document page 7</formula>根據平板電容公式可得到電容大小為<formula>formula see original document page 7</formula>根據切向靜電力公式得到切向靜電力大小，即在X軸方向上的靜電力大小<formula>formula see original document page 7</formula>最終得到在X軸方向上的等效彈性系數為<formula>formula see original document page 7</formula>為方便說明本發(fā)明的技術方案，以下假設矩形單元可動電極1的寬度a為lOum，矩 形單元可動電極1的長度b為2100um，直角三角形單元固定電極2底邊的長度c為lOum， 直角三角形單元固定電極2的高度d為2000um，單元可動電極1與單元固定電極2的間距 h為1.5um，單元固定電極2與單元可動電極1的電壓差V為15V。如圖3所示的情況下，引 入的等效彈性系數為-0. 1328N/m，該等效彈性系數為負數且為常數；如圖4所示的情況下， 引入的等效彈性系數為0. 1328N/m，而該引入的等效彈性系數為正數且為常數。以上各示例中，在既定的結構下，即電容的結構參數和個數確定時，通過調節(jié)單元 固定電極2與單元可動電極1的電壓差V，就能在X軸方向上引入不同的等效彈性系數，從 而調節(jié)微機械器件在X軸方向上總的彈性系數。當單元電容為差分電容時，如圖5 圖8所示，其單邊引入的等效彈性系數的計算 方法與前述方法相同，而該差分電容整體引入的等效彈性系數則為單邊引入的等效彈性系 數兩倍。其中，在既定的結構及單元固定電極2與單元可動電極1的電壓差V為定值時，圖 5和圖7引入的等效彈性系數為負數且為常數，圖6和圖8引入的等效彈性系數為正數且為常數。當單元固定電極2的正表面為鋸齒形時，如圖9、10所示，各鋸齒為三角形，每個鋸 齒僅與單元可動電極1的矩形正表面的一條長邊交疊。每個鋸齒與單元可動電極1的矩形 正表面形成一個三角形鋸齒電容結構，單個三角形鋸齒電容結構所引入的等效彈性系數的計算方法與前述方法相同，整個電容結構引入的等效彈性系數為單元固定電極2的所有三 角形鋸齒電容結構引入的等效彈性系數之和。同理，若單元可動電極1的正表面為三角形、而單元固定電極2的正表面為矩形 (未在圖中示出)，則按上述計算方法可以知道，在既定的結構及單元固定電極2與單元可 動電極1的電壓差V為定值時，具有該結構的整個電容所引入的等效彈性系數或為負數或 為正數，且均為常數。圖11和圖12示出了單元可動電極1的正表面為鋸齒形且各鋸齒為梯 形、同時單 元固定電極2的正表面為矩形的本發(fā)明變面積電容結構的結構示意圖。如圖11中的單元可動電極1的鋸齒形正表面的各鋸齒為梯形且各梯形鋸齒僅與 單元固定電極2的矩形正表面的一條長邊交疊，交疊部分呈三角形，每個鋸齒與單元固定 電極2的矩形正表面形成一個梯形鋸齒電容結構。此時，單個梯形鋸齒電容結構所引入的 等效彈性系數的計算方法與前述交疊部分呈三角形時的計算方法相同。在既定的結構及單 元固定電極2與單元可動電極1的電壓差V為定值時，整個電容結構引入的等效彈性系數 為單元固定電極2的所有梯形鋸齒電容結構引入的等效彈性系數之和，且或為負數或為正 數，且均為常數。如圖12中的單元可動電極1的鋸齒形正表面的各鋸齒為梯形且各梯形鋸齒僅與 單元固定電極2的矩形正表面的一條長邊交疊，交疊部分呈梯形，且梯形交疊部分的底邊 與所述矩形正表面的長邊平行。每個鋸齒與單元固定電極2的矩形正表面形成一個梯形鋸 齒電容結構。此時，單個梯形鋸齒電容結構所引入的等效彈性系數的計算方法與前述交疊 部分呈梯形時的計算方法相同。在既定的結構及單元固定電極2與單元可動電極1的電壓 差V為定值時，整個電容結構引入的等效彈性系數為單元固定電極2的所有梯形鋸齒電容 結構引入的等效彈性系數之和，且或為負數或為正數，且均為常數。同理，單元固定電極2的正表面為鋸齒形且各鋸齒為梯形、而單元可動電極1的正 表面為矩形的本發(fā)明變面積電容結構(未在圖中示出)所引入的等效彈性系數為或為負數 或為正數，在既定的結構及單元固定電極2與單元可動電極1的電壓差V為定值時均為常數。
權利要求
一種可調節(jié)微機械器件彈性系數的變面積電容結構，在每個單元電容中，可動電極的正表面與固定電極的正表面相互平行，其特征是所述可動電極的正表面為矩形且固定電極的正表面為三角形或鋸齒形，或者所述可動電極的正表面為三角形或鋸齒形且固定電極的正表面為矩形；所述三角形正表面僅與所述矩形正表面的一條長邊交疊。
2.根據權利要求1所述的一種可調節(jié)微機械器件彈性系數的變面積電容結構，其特征 是所述鋸齒形正表面的鋸齒為三角形且所述三角形鋸齒僅與所述矩形正表面的一條長邊 交疊。
3.根據權利要求1所述的一種可調節(jié)微機械器件彈性系數的變面積電容結構，其特 征是所述鋸齒形正表面的鋸齒為梯形且所述梯形鋸齒僅與所述矩形正表面的一條長邊交 疊，交疊部分呈三角形。
4.根據權利要求1所述的一種可調節(jié)微機械器件彈性系數的變面積電容結構，其特 征是所述鋸齒形正表面的鋸齒為梯形且所述梯形鋸齒僅與所述矩形正表面的一條長邊交 疊，交疊部分呈梯形，所述梯形交疊部分的底邊與所述矩形正表面的長邊平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可調節(jié)微機械器件彈性系數的變面積電容結構，在每個單元電容中，可動電極的正表面與固定電極的正表面相互平行，其特征是所述可動電極的正表面為矩形且固定電極的正表面為三角形或鋸齒形，或者所述可動電極的正表面為三角形或鋸齒形且固定電極的正表面為矩形；所述三角形正表面僅與所述矩形正表面的一條長邊交疊。本發(fā)明克服了以往變面積式電容結構微機械器件中彈性系數無法調節(jié)的缺陷，通過調節(jié)單元固定電極與單元可動電極電壓差的大小即可調節(jié)微機械器件在相應方向上總的彈性系數，提高了微機械傳感器設計的靈活性。
文檔編號G01C19/56GK101834065SQ201010151630
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權日2010年4月20日
發(fā)明者張霞, 朱輝杰, 胡世昌, 金仲和 申請人:浙江大學