[发明专利]一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统

说明书

本发明涉及一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，属于MEMS传感器领域。系统主要结构包括：环状耦合梁203，耦合刚度调节电极205、206。所述环状耦合梁是圆环、正方环、矩环或者其他封闭结构；所述环状耦合梁203通过连接两个谐振梁201、202实现机械耦合。相较于传统的机械耦合梁，本发明可以使耦合梁对侧向刻蚀的敏感程度大幅度降低，在加工精度水平不变的情况下可以进一步提高传感器的稳定性和一致性；同时设计了针对所述环状耦合梁的耦合刚度调节电极，通过调节耦合刚度调节电极的电势产生与环状耦合梁的电势差，从而产生静电力，改变环状耦合梁内部的应力分布，以实现机械耦合刚度的调节。

技术领域

本发明涉及一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，属于MEMS传感器领域。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器一般指内部结构在微米甚至纳米量级，包含感应、控制和执行元件的传感器系统。按照敏感机理的不同，MEMS传感器可基于光学、电学、热学、磁学、声学、力学等各种物理量进行种类划分。其中基于检测物体振动状态变化的谐振式传感器(下文或称谐振器)因为具有相对较高的灵敏度、数字输出、大动态范围和高抗干扰能力等特点，已成为MEMS传感器的重要发展趋势之一。传统谐振式传感器的主要结构包括：谐振梁、敏感结构、驱动结构和检测结构。其检测原理为：敏感结构在感应到外界物理量的变化后，产生作用在谐振梁上的惯性力，使谐振梁刚度发生变化，从而改变谐振梁的谐振频率。通过检测谐振频率变化即可测得响应的外界物理信息。

基于模态局部化现象的谐振式传感器是一种新型谐振式传感器，其通过检测两个谐振梁谐振状态下的幅值比来敏感外界参数变化。与传统的谐振式传感器相比，模态局部化传感器可以将灵敏度提高2个数量级以上。在模态局部化传感器中，耦合结构的设计非常重要，其耦合的刚度会直接影响传感器测量信号的带宽和输出灵敏度。在耦合结构的作用下，两个谐振梁以静电耦合或机械耦合的方式串联耦合。静电耦合具有耦合刚度可调节的特点，但其结构本身易受到馈通电容的影响，从而使耦合刚度产生漂移。为了提高耦合刚度的稳定性，在设计中通常采用机械耦合的方式。机械耦合刚度主要取决于耦合梁的位置和几何特性。在以往的模态局部化传感器设计中，耦合梁均为直梁，即使用一根或多根均质等截面直型梁沿谐振梁的法向连接若干个谐振梁，其与谐振梁的连接点一般位于谐振梁固接处靠近锚点的位置。在各项异性刻蚀加工工艺中，所述耦合梁的侧壁会不可避免地产生50～500nm的侧向刻蚀，从而使耦合梁的宽度变窄，耦合刚度减小，进而导致传感器的设计指标偏离预期水平。同时，采用直梁耦合的模态局部化传感器不易实现耦合刚度调节。为了降低上述工艺加工误差造成的影响，同时实现机械耦合刚度的调节，本发明提出了一种新型的环状耦合系统。所述耦合系统主要包括一种环状耦合梁和两个耦合刚度调节电极。与直梁耦合梁相比，所述环状耦合梁在同样的侧向刻蚀深度下耦合刚度的变化幅度更小，在工艺加工水平不变的情况下，采用本发明提出的环状耦合梁可以降低耦合梁对加工误差的敏感程度，进一步提升传感器性能的稳定性和一致性。同时，在环状耦合梁外侧布置的两个耦合刚度调节电极可以实现机械耦合刚度的调节功能，拓宽了模态局部化传感器的量程。

发明内容

本发明的目的是：提供一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，降低耦合梁对工艺加工误差的敏感程度，同时实现机械耦合刚度的调节。为了实现上述发明目的，本发明提出了一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，其主要结构包括：环状耦合梁203，耦合刚度调节电极205、206。

所述环状耦合梁具有中心对称的特性。所述环状耦合梁的具体结构可以是圆环、正方环、矩环或者其他任意在工程实践中可以被定义为环状的封闭结构；所述环状耦合梁的环宽w可以为等宽，也可以为不等宽，其具体宽度的设定不应影响对其“环状”特征的判定，但在工程实践中，所述环状耦合梁的环宽w应满足：500nm＜w＜10*d，其中d为谐振梁201、202的宽度；使得其同时满足加工工艺的限制并保证一定的耦合效果。