一种灵敏度及带宽可调的MEMS传感器的制作方法

本发明属于微机电系统技术领域，更具体地，涉及一种灵敏度及带宽可调的mems传感器。

背景技术：

现有技术1中设计的谐振式加速度计，利用一组平行板电极与加速度计检验质量之间的静电力产生的一阶静电负刚度，减小整个加速度计结构的机械刚度，提高灵敏度，一组梳齿电极用来调节加速度计受力平衡。该设计需要特别高的电压，才能有效减小器件的刚度，实现较高的灵敏度提升，调控性较差。

现有技术2中使用参量调制的方法控制两个谐振器之间的耦合强度，提高加速度计的灵敏度和分辨率。此处参量调制的用途是用高频交流电压控制谐振器之间的耦合强度。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种灵敏度及带宽可调的mems传感器，旨在稳定负刚度结构的同时，实现器件的灵敏度和带宽实时可调。

本发明提供了一种灵敏度及带宽可调的mems传感器，包括敏感模块和检测模块，所述敏感模块包括负刚度结构和稳定结构；所述负刚度结构用于减小mems传感器的有效刚度并提高器件检测的灵敏度；所述稳定结构用于稳定负刚度结构并实现mems传感器总有效刚度的可调控。

更进一步地，稳定结构包括：第一稳定电极和第二稳定电极，通过在第一稳定电极和第二稳定电极上施加交流电压来引入高频振动实现负刚度结构的稳定。

更进一步地，负刚度结构包括第一负刚度电极n1和第二负刚度电极n2，所述第一负刚度电极n1和所述第二负刚度电极n2通过静电力在加速度计中引入静电负刚度。

更进一步地，敏感模块还包括第一位移控制电极d1和第二位移控制电极d2，所述第一位移控制电极d1和所述第二位移控制电极d2通过静电力控制检测质量的位移。

更进一步地，负刚度结构包括第一负刚度拱形梁c1和第二负刚度拱形梁c2，所述第一负刚度拱形梁c1和所述第二负刚度拱形梁c2拱形梁通过屈曲在加速度计中引入负刚度。

更进一步地，在第一稳定电极和第二稳定电极上施加频率为f且幅值为vp的交流电压。

更进一步地，交流电压vp的频率f大小取决于负刚度结构引入的负刚度大小和实际应用的传感器灵敏度和带宽需求。

其中，通过调节交流电压的幅值vp和频率f，改变mems传感器的敏感结构的灵敏度。通过调节交流电压的幅值vp和频率f，调节mems传感器的带宽。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得如下的有益效果：

(1)现有技术利用负刚度结构，减小mems器件机械结构的正刚度。负刚度结构由于加工误差，正负刚度大小不匹配，易使系统不稳定，因此本发明在负刚度结构的基础上，根据类似于kapitza摆的稳定原理，引入高频振荡，使负刚度结构保持稳定状态。

(2)加入高频振荡的负刚度mems传感器，可以根据实际应用需求，通过调整高频振荡的电压幅值和频率，实时调控器件的灵敏度。

(3)基于高频振荡的负刚度mems传感器，改变高频振荡的电压幅值和频率，还能实现带宽可调。

附图说明

图1是本发明实施例提供的谐振式加速度计结构示意图；

图2是本发明实施例提供的谐振式加速度计的势能位移曲线示意图；

图3为本发明实施例提供的谐振式加速度计在不同频率交流电压稳定时的幅频响应曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的基于本发明原理的电容式加速度计结构示意图；

其中，m为检验质量，l1、l2、l3、l4分别为四个微杠杆结构、r1、r2分别为两个谐振器梁，s1、s2、s3、s4分别为四根悬臂梁，n1和n2为一组负刚度电极，d1和d2为一组位移控制电极，w1和w2为一组稳定电极；a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、a10、a11、a12、a13、a14、a15、a16为将器件固定在衬底上的锚点，其中a1、a3、a4、a5、a7、a9、a11、a12、a13、a15将微杠杆、谐振器和悬臂梁固定在衬底上；负刚度电极通过锚点a16、a8固定在衬底上；位移控制电极通过锚点a2、a6固定在衬底上；稳定电极利用a10、a14固定。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种在负刚度基础上，通过引入高频振荡使系统稳定，进而实现灵敏度和带宽可调的mems传感器的设计及实现方法；该设计提出一种新型的使负刚度结构稳定的方法，即在负刚度结构的基础上，根据类似于kapitza摆的稳定原理，通过引入高频振荡，使负刚度结构达到稳定状态；利用此方法设计的mems传感器，不仅灵敏度可调，还能实现带宽可调。

本发明提供的灵敏度及带宽可调的mems传感器包括敏感模块和检测模块；其中，敏感模块用于感应外界输入的位移信号或者力信号；检测模块用于将敏感模块感应到的信号转化为电信号输出；敏感模块包括负刚度结构和稳定结构；负刚度结构用于减小mems传感器的有效刚度并提高器件检测的灵敏度；稳定结构用于稳定负刚度结构并实现mems传感器总有效刚度的可调控。其中，有效刚度为传感器的机械正刚度与负刚度之和，为了防止负刚度结构引入的负刚度不稳定，超过系统的正刚度导致整个系统的有效刚度为负，从而使得整个系统不稳定，因此本发明引入了稳定结构，且由于灵敏度和刚度是反比关系，刚度越小，灵敏度越高，同时带宽越小。故本发明通过对稳定后系统有效刚度的调节，从而实现对mems传感器灵敏度及带宽的有效调控。

在本发明实施例中，稳定结构包括：第一稳定电极和第二稳定电极，通过在稳定电极上施加交流电压来引入高频振动实现负刚度结构的稳定。具体地，可以在第一稳定电极和第二稳定电极上施加频率为f且幅值为vp的交流电压；交流电压vp的频率f的大小取决于负刚度结构引入的负刚度大小和实际应用的传感器灵敏度和带宽需求。通过调节交流电压的幅值vp和频率f，可以改变mems传感器的敏感结构的灵敏度，可以调节mems传感器的带宽。

本发明提供的灵敏度及带宽可调的mems传感器包括：应用负刚度结构的电容式加速度计、磁力计、压力计等基于力或位移的传感器。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的灵敏度及带宽可调的mems传感器，现参照附图并结合具体实例详述如下：

图1示出了本发明第一实施例提供的一种基于力传感的mems传感器——谐振式加速度计的具体结构，包括敏感模块和检测模块。其中，检测模块采用了谐振器作为检测装置，敏感模块包括检验质量m，第一位移控制电极d1和第二位移控制电极d2，第一负刚度电极n1和第二负刚度电极n2，第一稳定电极w1和第二稳定电极w2。其中，第一负刚度电极n1和第二负刚度电极n2通过静电力在加速度计中引入静电负刚度；第一位移控制电极d1和第二位移控制电极d2通过静电力控制检测质量的位移；第一稳定电极w1和第二稳定电极w2通过施加交流电压，产生高频振动，稳定负刚度电极引入的负刚度。

图4示出了本发明第二实施例提供的一种基于位移传感的mems传感器——电容式负刚度加速度计的具体结构，包括敏感模块和检测模块。其中，检测模块具体采用了电容位移检测的方式，敏感模块具体为检验质量m，第一负刚度拱形梁c1和第二负刚度拱形梁c2，第一稳定电极w1和第二稳定电极w2；其中，第一负刚度拱形梁c1和第二负刚度拱形梁c2通过屈曲在加速度计中引入负刚度；第一稳定电极w1和第二稳定电极w2通过施加交流电压，产生高频振动，稳定负刚度电极引入的负刚度。

本发明灵敏度及带宽可调的原理以及具体实施方法如下：

静电负刚度谐振式加速度计的结构如图1所示，包含一个传统的谐振式加速度计结构、一组负刚度梳齿电极和一组位移控制电极；当各个电极都没有施加电压时就是一个传统的谐振式加速度计，加速度计系统位于平衡位置。

其中，锚点a1、a3、a4、a5、a7、a9、a11、a12、a13、a15用于将微杠杆、谐振器和悬臂梁固定在衬底上；第一负刚度电极n1和第二负刚度电极n2通过锚点a16和a8固定在衬底上；第一位移控制电极d1和第二位移控制电极d2通过锚点a2和a6固定在衬底上；第一稳定电极w1和第二稳定电极w2通过锚点a10和a14固定在衬底上。

当第一负刚度电极n1和第二负刚度电极n2上施加直流电压v1，第一位移控制电极d1和第二位移控制电极d2上施加直流电压v2，检验质量上施加偏置电压v4，就是一个应用了静电负刚度结构的谐振式加速度计。

由于加速度计机械结构的正刚度产生的机械回复力，是把系统拉回平衡位置，而静电力是吸引力，使加速度计系统偏离平衡位置，所以与机械正刚度相反，静电力产生的是负刚度。负刚度结构也可以利用拱形梁实现，如图4所示的电容式负刚度加速度计。当静电负刚度大于机械正刚度时，整个系统的刚度为负，势能曲线如图2中的虚线所示，处于不稳定的状态。应用类似于kapitza摆的工作原理，在稳定电极w1、w2上，施加频率为f，幅值为vp的交流电压，引入高频振动。

在本发明实施例中，交流电压的幅值vp和频率f的大小取决于负刚度结构引入的负刚度大小，与检验质量和各个电极上所加电压的大小有关，一般为1～5v，5hz～100hz。

此时，系统的势能曲线如图2中的实线所示，势能存在极小值，在极小值附近的一段位移区间内都是稳定状态。

如图3所示，改变交流电压的频率f，系统的谐振频率也随之改变。调节交流电压的幅值vp也可以调节系统的带宽。因此，利用本发明的原理设计的谐振式加速度计，不仅具有稳定且可调控的负刚度结构，还具有可调节的带宽。

本发明也可用于负刚度电容式加速度计、磁力计等传感器中，加入稳定电极，以及在稳定电极上施加相应的交流电压，也能达到稳定负刚度结构的效果，并且灵敏度和带宽可根据实际应用需要调节。谐振式加速度计以准零刚度工作时，灵敏度大大提高，通过调节稳定电极上交流电压的幅值和频率，可以使系统处于稳定的准零刚度，从而提高灵敏度。如果实际应用对传感器的灵敏度要求不高，对带宽有较高的要求，则可以调节稳定电极上的交流电压，改变传感器的带宽，满足实际应用的带宽需求。如图4所示，为一个利用高频振荡稳定负刚度拱形梁的电容式加速度计。灵敏度和带宽的调控方法和上述的谐振式加速度计类似。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。