[发明专利]一种电容式微机械器件及其操作方法

说明书

本发明公开了一种电容式微机械器件及其操作方法，包括固定于锚点的机械结构，通过可动电极弹簧固定于可动电极锚点的第一可动电极、第二可动电极，和固定的用于改变第一可动电极、第二可动电极状态的可动电极驱动电极。其中，可动电极弹簧的初始状态中，直量与水平方向呈一个夹角，第一可动电极、第二可动电极与机械结构之间构成了第一检测电容、第二检测电容，二者在机械结构形变的过程中会发生变化，当第一检测电容增大时第二检测电容减小，从而可以实现对机械结构形变的差分检测。本发明还公开了一种电容式微机械器件的操作方法。本发明通过可动电极结构在相同工艺条件下实现更小的检测电容间隙，从而提高检测电容的变化量。

技术领域

本发明属于电学技术领域，涉及一种电容式微机械器件及其操作方法，具体地说，涉及一种具有双稳态可动电极结构的电容式微机械器件及其操作方法。

背景技术

近年来MEMS技术以其小体积、低功耗和低价格的优势得到越来越多的应用。在众多MEMS检测方式之中，电容检测由于与传统集成电路工艺兼容性强，因此在谐振器、麦克风、电场传感器、加速度计和陀螺仪等器件中都得到了广泛的应用。

由于电容检测方式的输出信号与电容变化量相关，因此为了提高器件整体的性能，应尽量增加机械结构在受到环境影响时的电容变化。改进方式包括增加电容面积、增加结构的形变、增加电容介质的介电常数和减小检测电容的基础间隙。

现有技术存在的缺点：

上述前三种改进方式受到器件面积、检测原理和系统设计等因素的制约，通常无法进行大幅度改变，而检测电容的基础间隙则受到工艺水平的限制。对于常见的体硅(或SOI)微机械工艺来说，受到刻蚀工艺的制约，电容间隙的最小值通常仅可以达到2um甚至更大，这就使得检测电容无法进一步增大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种电容式微机械器件及其操作方法，通过可动电极结构在相同工艺条件下实现更小的检测电容间隙，从而提高检测电容的变化量。在器件工作时通过静电力使得电容达到小间隙稳态后即可撤销该静电力。此时，器件即可以远小于工艺水平的电容间隙工作。

其技术方案如下：

一种电容式微机械器件，包括固定于锚点的机械结构，通过可动电极弹簧固定于可动电极锚点的第一可动电极、第二可动电极，和固定的用于改变第一可动电极、第二可动电极状态的可动电极驱动电极。其中，可动电极弹簧的初始状态中，直量与水平方向呈一个夹角，

第一可动电极、第二可动电极与机械结构之间构成了第一检测电容、第二检测电容，二者在机械结构形变的过程中会发生变化，当第一检测电容增大时第二检测电容减小，从而可以实现对机械结构形变的差分检测。

进一步，所述机械结构为谐振器、加速度计或陀螺仪等微机械器件。

进一步，所述可动电极弹簧结构为与水平方向呈一定夹角的单端引导直梁。

该角度受到可以提供的可动电极驱动电压、可动电极驱动电极尺寸、可动电极的行程、芯片面积以及可靠性等因素的影响，可取的范围为a>0。考虑实际因素可以取(0,10]，但是上限不绝对。

比如设计的可动电极行程为1.5um，可动电极弹簧长度为L，则角度a应为arcsin(1.5/2/L)。具体L取何值还需要考虑吸合电压和芯片面积。

作为本发明的一个实施例，所述机械结构上设有若干机械结构梳齿，可动电极上设有若干可动电极梳齿。

作为本发明的一个实施例，还包括阻挡块，其中可动电极弹簧变为正常的单端引导直梁，可动电极上设有限位闩。

本发明所述电容式微机械器件的操作方法，包括以下步骤：