[发明专利]静电激励谐振器电容拾振结构

说明书

技术领域

本发明是基于双端激励/双端检测的原理设计一种对称驱动和检测的电容拾振结构，属于微机械系统结构设计和检测技术领域。

背景技术

微型电子机械系统(Micro-electro mechanical System，MEMS)/纳机电系统(Nano-electro mechanical System，NEMS)谐振器的振动检测一直是MEMS领域研究的重点。静电激励电容拾振的MEMS/NEMS谐振器是一种常用的谐振器，分为单端器件和双端器件。在MEMS领域，电容拾振属于微弱信号检测，所以MEMS器件中存在的杂散耦合电容所引入的噪声会影响检测信号的信噪比，甚至会导致检测失败，当器件尺寸小到纳米尺寸时，NEMS器件的电容更小，在10^-17F左右，此时噪声的影响会更加严重。双端器件由于耦合电容导致输入端与输出端之间的馈通效应是一种噪声源，因此需要通过合适的检测结构来尽可能地减少噪声的产生，提高电容拾振的信噪比。

发明内容

技术问题：本发明的目的是设计一种静电激励谐振器电容拾振结构，抑制静电激励电容拾振MEMS/NEMS谐振器中双端器件由于输入端与输出端之间的耦合电容引起的馈通，提高输出信号的信噪比。

技术方案：本发明的静电激励谐振器电容拾振结构在谐振梁的上下方各设计了三个电极，其中在谐振梁的上方中间为第一检测电极，两侧分别为第一驱动电极；在谐振梁的下方中间为第二驱动电极，两侧分别为第二检测电极；谐振梁分别与谐振梁上下方的各电极垂直交叉设置，谐振梁、第一检测电极、第一驱动电极的两端都位于基片上的绝缘层上，第二驱动电极、第二检测电极的两端都位于基片与绝缘层之间。

在第二驱动电极和第一驱动电极上加载相位相差180°的驱动电压，激励谐振梁振动。

由于对称设计，两侧输入端与输出端之间的耦合电容相同，两侧驱动电压在输出端产生了幅度相同相位相反的的噪声信号，从而达到了相互抵消的效果，消除了馈通效应。同时合理设计上下方的检测电极，减小有效信号相互削弱的影响。

有益效果：本发明结构简单，易于实现，能有效地抑制输入端与输出端之间的馈通效应。普通的双端器件由于输入端与输出端之间存在耦合电容，在输入端上加载驱动电压的时候，驱动电压会通过耦合电容在输出端输出一个不随谐振梁振动变化的噪声信号，在MEMS领域由于有效信号极其微弱，噪声信号的存在可能导致有效信号不能被检测。本发明同时在谐振梁上下方设计驱动电极和检测电极，在上下方加载相位相差180°的驱动电压，两个驱动电压在输出端产生两个相位相差180°的噪声信号。由于对称设计，在两侧驱动电压幅度和耦合电容相同，因此输出端产生的噪声信号的幅度相同，从而达到了相互抵消的效果，抑制了馈通效应。

附图说明

图1是对称驱动和检测的新型电容拾振结构图，

图2是对称驱动和检测的新型电容拾振结构A-A面的剖视图，

图3是对称驱动和检测的新型电容拾振结构的B-B面的剖视图。

图中包括：第一检测电极1，第二驱动电极2，第一驱动电极3，第二检测电极4，谐振梁5，绝缘层6、基片7。

具体实施方案

本发明的静电激励谐振器电容拾振结构在谐振梁5的上下方各设计了三个电极，其中在谐振梁5的上方中间为第一检测电极1，两侧分别为第一驱动电极3；在谐振梁5的下方中间为第二驱动电极2，两侧分别为第二检测电极4；谐振梁5分别与谐振梁5上下方的各电极垂直交叉设置，谐振梁5、第一检测电极1、第一驱动电极3的两端都位于基片7上的绝缘层6上，第二驱动电极2、第二检测电极4的两端都位于基片7与绝缘层6之间。在第二驱动电极2和第一驱动电极3上加载相位相差180°的驱动电压，激励谐振梁5振动。

由于对称设计，上方第一驱动电极3和第一检测电极1之间的耦合电容与下方第二检测电极4和第二驱动电极2之间的耦合电容相等，上方的第一驱动电极3通过耦合电容在第一检测电极1上产生的噪声信号与下方的第二驱动电极2通过耦合电容在第二检测电极4上产生的噪声信号相互抵消，消除了输入端与输出端之间的馈通。下方第二检测电极4要尽可能靠近谐振梁5的两侧，谐振梁5振动在下方第二检测电极4上产生的有效信号会远小于上方中间第一检测电极1的有效信号，避免上下方的有效信号相互抵消从而削弱输出有效信号的现象。