[发明专利]基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法

权利要求书

1.一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器，包括通过支撑梁固定在边框上的质量块，质量块、支撑梁悬空，质量块外侧布置有运动限位结构；质量块前端设置有一个凸起的探针，探针受载时能够使质量块及支撑梁产生运动，探针的形状尺寸根据实际应用确定；其特征在于：质量块左、右外侧末端布置有两个动梳齿阵列组，其与固定在边框左、右侧锚点的定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列组；质量块内部末端布置有四个动梳齿阵列组，其与定梳齿悬臂上的定梳齿阵列组构成差分梳齿电容阵列组，定梳齿悬臂通过锚点固定在边框下部；器件受载荷时，位于质量块左外侧梳齿电容阵列与质量块内部且靠右的两个梳齿电容阵列具有相同电容变化，位于质量块右外侧梳齿电容阵列与质量块内部且靠左的两个梳齿电容阵列具有相同电容变化，但其与质量块左外侧梳齿电容阵列、质量块内部且靠右的两个梳齿电容阵列的电容变化相反；所述的质量块由x方向刚度高的支撑梁支撑，y方向为其工作敏感方向，动梳齿阵列组、定梳齿阵列组偏离质量块中心布置在质量块末端，偏离位置根据质量块、探针、梳齿阵列长度进行确定。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的动梳齿阵列组和定梳齿阵列组配合，每相邻两组动定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列，各差分梳齿电容阵列中，动梳齿的电极板距相邻定梳齿的电极板距离d₁、d₂不相同，其相邻动梳齿的电极板距相邻定梳齿的电极板距离d₃、d₄不相同，在初始状态下，距离d₁＝d₃，距离d₂＝d₄；MEMS电容式微力传感器受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列中电容极板之间的间距d₁、d₂、d₃、d₄发生变化，从而改变各差分梳齿电容阵列间的总电容。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的动梳齿阵列组和定梳齿阵列组配合，动梳齿阵列分别与定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列，各差分梳齿电容阵列中，初始状态下，动梳齿的电极板与相邻定梳齿的间距d_o相等，重叠区域对应的长度l_o相等；MEMS电容式微力传感器受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列中电容极板之间的重叠区域长度l_o发生变化，从而使得动、定梳齿正对面积发生变化，进而改变各差分梳齿电容阵列间的总电容。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的质量块和边框的上下部四角处设置有驱动梳齿阵列，其中质量块上布置有驱动动梳齿阵列，边框上布置有与对应的驱动定梳齿阵列，驱动定梳齿阵列与驱动动梳齿阵列构成差分驱动梳齿电容阵列。

5.根据权利要求2、3或4所述的传感器，其特征在于：所述的基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器通过布置不同的间距、厚度、长度、数量的动梳齿阵列、定梳齿阵列以及驱动梳齿阵列，实现亚nN-μN量级微小力、位移、转角、加速度的惯性信号的精确测量。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的MEMS电容式微力传感器使用绝缘衬底型硅片制备，质量块、支撑梁使用顶部器件层硅制备，具有相同材料厚度；边框不仅具有顶部器件层硅材料，其区域下方存在基底层硅和绝缘层氧化硅材料，能够为质量块、支撑梁的运动提供固支作用。

7.权利要求5所述的一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器的去耦合测试方法，测试中，定梳齿阵列中具有相同间距/面积变化趋势的阵列进行电气连接；测试时定梳齿阵列彼此通过电气连接施加相同的电势V₁，外侧的定梳齿阵列彼此通过电气连接，并施加电势V₂；内侧的定梳齿阵列施加电势V₃，驱动定梳齿阵列根据需要施加电势V₄，V₅，V₆，V₇；电势V₁、V₂、V₃接入到电容/电压转换电路、电容/频率转换电路、积分微分电路的电容检测方法进行差分检测；电势V₄、V₅、V₆、V₇施加相应的交流电压信号，用以调整结构刚度，从而调整传感器的检测量程。