[发明专利]微机电电容式传感器结构和装置

说明书

一种MEMS结构，所述MEMS结构提供了利用施加的电压选择性地控制MEMS装置的机电性质的改进方法。MEMS结构包括电容器元件，所述电容器元件包括至少一个定子元件(6，1)和被悬置成相对于定子元件、平行于第一方向运动的至少一个转子元件(8，3)。定子元件和转子元件形成至少一个电容器元件，电容器元件的电容根据转子元件相对于初始位置的位移而变化。定子元件和转子元件相互定向成使得在转子元件相对于初始位置的位移的至少一个范围内，电容关于位移的二阶导数具有负值。

技术领域

本发明涉及具有定子和被悬置成相对于定子、平行于第一方向运动的转子的微机电结构。

背景技术

微机电系统(MEMS)是小型化机电系统，其可以应用于快速准确地感测物理性质的非常小的变化。在许多MEMS装置中，感测是基于检测电容的变化来进行的。

在平行板电容器中，电容与交叠面积成正比并且与两个电容器板之间的间隔成反比。可以使用平行板电容器来产生闭合间隙结构(closing gap structure)或面积调制结构。

图1A示出了图示平行板电容器的配置。在闭合间隙结构中，电容器板沿由x指示的方向朝向彼此移动和远离彼此移动。通常，这些板中的一个是静止的，并且另一个板移动靠近另一个板和移动远离另一个板。那么，电容行为可以用式(1)近似地建模，

其中，C是电容，ε是介电常数，A是板之间的恒定交叠面积，d是板之间的初始间隙，x是相对于初始间隙位置的位移，并且C_f是静态杂散电容。

图1B示出了图示面积调制结构的配置，面积调制结构也称为线性梳结构。在面积调制结构中，板彼此平行运动，并且电容行为可以用式(2)进行建模，

其中，d是板之间的恒定间隙，h是板的恒定交叠尺寸(高度)，l是初始交叠长度，x是相对于初始交叠长度的位移，并且C_f是静态杂散电容。

谐波振荡器的谐振频率f与电弹簧常数成比例。其关系可以写为

其中，k_m是机械弹簧常数，k_e是电弹簧常数，并且m是质量。通过控制电弹簧常数，可以调节谐波振荡器的谐振频率。

MEMS电容器中的势能E可以写为

E＝1/2k_mX²·1/2CV²， (3)

其中，

k_m是机械弹簧常数，x是相对于初始电容器结构的位移，C是电容，并且V是施加在电容器之上的电压。

如果电容器之上的电压保持恒定，则通过下式获得作用在电容器上的电力F_e

然后，可以由下式获得电弹簧常数k_e

因此，电弹簧常数k_e的符号取决于二阶导数项图2中的曲线示出了作为相对于初始位置的位移的函数的图1A和图1B的闭合间隙结构和线性梳结构中的示例性电容的变化。图3中的曲线示出了这些电容的二阶导数的相应行为。可以看出，在通常使用的现有技术的谐振结构中，二阶导数总是为正数(当使用平行板电极时)或零(在线性梳驱动结构中)。然而，对于许多应用，对MEMS结构的机电性能的进一步控制将是非常有价值的。

发明内容

本发明的实施方式包括提供通过施加的电压来选择性地控制MEMS装置的机电性质的改进方法的MEMS结构。