用于微机电系统装置的梳状驱动器及梳状驱动器的分压电路的制作方法

用于微机电系统装置的梳状驱动器及梳状驱动器的分压电路【技术领域】1.本实用新型涉及微机电系统(mems)领域，特别是用于微机电系统器件的梳状驱动器及其分压电路。背景技术：2.静电梳状驱动器已被广泛用于mems装置中，以基于电容变化来感测 mems装置的振膜的位移。与其他类型的电容式驱动器(例如由平行板组成的电容器)相比，静电梳状驱动器具有以下优点：例如由靠近的膜驱动时声阻低、动子和定子之间的间隙不随运动而改变，从而防止静电吸合，在恒定充电模式下驱动时，电压-位移特性曲线的线性度高。3.典型的梳状驱动器包括若干重复单元，每个单元包括单个导电动子梳状齿和单个导电定子梳状齿。动子梳状齿和定子梳状齿其中之一电连接到高阻抗节点(hin)，动子梳状齿和定子梳状齿中的另一个电连接到恒定偏置电压。动子梳状齿和定子梳状齿相互交叉以在其间形成电容器，动子运动引起电容器的电容发生变化，该变化使用传统的mems-asic恒定充电模式电路测量为电压。4.进一步的发展包括使用多个导电域来形成两个电容器，两个电容器分别连接至分压电路，这允许动子的更大范围的位移，在该范围内静电灵敏度是恒定的，并且电压-位移特性曲线具有高的线性度。5.然而，对于上述梳状驱动器，很难在不严重损害其他因素的情况下实现非常高的静电灵敏度，难以控制由静电力引起的定子和动子之间的刚度并且难以将灵敏度最高的操作位置的刚度设置为零。6.因此，有必要提供一种改进的微机电系统用梳状驱动器，其能够克服上述问题中的至少一个。技术实现要素：7.本实用新型的目的在于提供一种改进的微机电系统用梳状驱动器，其在提高灵敏度的同时能保持定子和动子之间的刚度和电压-位移线线性度在可接受的范围。8.一方面，本实用新型提供一种用于微机电系统装置的梳状驱动器，包括第一组梳状齿、第二组梳状齿和若干电容器对，两组梳状齿可相对彼此移动。所述第一组梳状齿中的一个电连接到高阻抗节点(hin)，另一个电连接到另一个独立的hin，以形成在第一方向上交替布置的至少两个hin 域。所述第二组梳状齿中的一个电连接到第一偏置电极，另一个电连接到与所述第一偏置电极具有相反极性的第二偏置电极，以形成在所述第一方向上交替排列的至少两个相反偏置域。若干电容器对分别形成在所述至少两个hin域和所述至少两个相反偏置域之间，每一所述电容器对中的两电容器具有相反的声极性。9.在一些实施例中，在未向所述梳状驱动器施加电压的静止位置，所述至少两个hin域和所述至少两个相对偏置域在所述第一方向上不重叠。10.在一些实施例中，所述第一组梳状齿沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向垂直。11.在一些实施例中，每个所述偏置域具有垂直于所述第二方向的矩形横截面，所述矩形横截面包括平行于所述第一方向的高度尺寸和垂直于所述第一方向和所述第二方向的宽度尺寸，并且所述高度尺寸小于所述宽度尺寸。12.在一些实施例中，所述梳状驱动器包括沿所述第一方向堆叠的多个材料层。13.在一些实施例中，所述梳状驱动器包括沿第三方向堆叠的多个材料层，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。14.在一些实施例中，所述梳状驱动器包括定子和动子，所述第一组梳状齿和第二组梳状齿其中之一形成于所述定子，其中之另一形成于所述动子，所述hin域的数量小于所述偏置域的数量，所述梳状驱动器还包括安装在所述定子上的附加偏置电极。15.在一些实施例中，所述梳状驱动器还包括通过使用交替极性的偏置动子电极和接地定子电极为所述梳状驱动器提供正刚度的附加单元。16.在一些实施例中，所述梳状驱动器还包括通过使用相同极性的偏置动子电极和接地定子电极为所述梳状驱动器提供正刚度的附加单元。17.在一些实施例中，所述梳状驱动器还包括通过使用交替极性的偏置动子电极和交替极性的偏置定子电极为梳状驱动器提供正刚度的附加单元。18.在一些实施例中，所述梳状驱动器还包括通过使用交替极性的偏置动子电极和接地定子电极为所述梳状驱动器提供负刚度的附加单元。19.在一些实施例中，所述梳状驱动器还包括通过使用相同极性的偏置动子电极和接地定子电极为所述梳状驱动器提供负刚度的附加单元。20.在一些实施例中，所述梳状驱动器还包括通过使用交替极性的偏置动子电极和交替极性的偏置定子电极为所述梳状驱动器提供负刚度的附加单元。21.在一些实施例中，所述第一偏置电极和所述第二偏置电极具有相同的电压大小。22.在一些实施例中，所述第一偏置电极和所述第二偏置电极具有不同的电压大小。23.在一些实施例中，所述第一组梳状齿为定子梳状齿，所述第二组梳状齿为动子梳状齿。24.在一些实施例中，所述第一组梳状齿为动子梳状齿，所述第二组梳状齿为定子梳状齿。25.另一方面，本实用新型还提供一种梳状驱动器的分压电路，包括第一高阻抗节点和第二高阻抗节点，其中电压信号在所述第一高阻抗节点和第二高阻抗节点之间差分输出；第一电容器对，分别形成在所述第一高阻抗节点和两个相反偏置电极之间，所述第一电容器对中的两电容器具有相反的声极性；和第二电容器对，分别形成在所述第二高阻抗节点和所述两个相反偏置电极之间，所述第二电容器对中的两电容器具有相反的声极性。26.本实用新型的有益效果在于：具有高的静电灵敏度，而同时保持可接受的电容和电压-位移的线性度。在主传感单元阵列中添加额外的力附加单元，使得动子和定子之间由静电相互作用产生的刚度可以控制，并在特定位移操作范围内可以将刚度降低到零，而不会影响灵敏度。【附图说明】27.图1所示为本实用新型一实施例提供的用于微机电系统(mems)装置的静电梳状驱动器示意图。28.图2所示为图1的静电梳状驱动器的电路图。29.图3所示为图1的静电梳状驱动器在y-z平面中的投影示意图。30.图4a-4c所示的静电梳状驱动器类似于图1的静电梳状驱动器，但具有更多阵列的域。31.图5所示为根据本实用新型的另一实施例的用于微机电系统装置的静电梳状驱动器示意图。32.图6所示为图4a-4c的实施例之一的静电灵敏度与动子位移的关系图。33.图7所示为图4a-4c的实施例中的一个的动子驱动力与dc位移曲线图。34.图8所示为在ac模式下静电刚度与位移的关系曲线图。35.图9所示为图7的实施例的替代实施例，其中定子上设附加的偏置电极。36.图10a所示为另一个实施例，其中梳状驱动器包括附加单元，该附加单元通过使用交替极性的偏置动子电极和接地定子电极为梳状驱动器提供正刚度。37.图10b所示为再一个实施例，其中梳状驱动器包括附加单元，该附加单元通过使用相同极性的偏置动子电极和接地定子电极为梳状驱动器提供正刚度。38.图10c所示为又一个实施例，其中梳状驱动器包括附加单元，该附加单元通过使用交替极性的偏置动子和定子电极为梳状驱动器提供正刚度。【具体实施方式】39.下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。应当注意，在整个附图中，具有相似结构或功能的元件由相同的附图标记表示。此处描述的实施例并不旨在作为各种其他实施例的详尽说明或描述，或者作为对权利要求的范围或一些其他对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的实施例的限制。此外，一个实施例不需要具有下面描述的所有结构或优点。40.根据本实用新型的用于微机电系统(mems)装置的静电梳状驱动器包括定子和可相对定子运动的动子。所述定子包括一组导电定子梳状齿；动子包括一组导电动子梳状齿，该动子梳状齿可在第一方向上相对于定子梳状齿移动。在一个单位单元内，一个定子梳状齿电连接到一个高阻抗节点 (hin)，另一个定子梳状齿电连接到另一个分开且独立的hin，以形成至少两个在第一方向上交替排列的hin域(hin domain)；并且动子梳状齿中的一个电连接到预定电压的第一偏置电极，而另一个动子梳状齿电连接到第二偏置电极，该第二偏置电极与第一偏置电极具有相同的电压幅值但极性相反，从而形成至少两个在第一方向上交替排列的相反偏置域(biaseddomain)。可以理解地，动子梳状齿可电连接到hin，而定子梳状齿可电连接到第一和第二偏置电极。可以理解地，第一偏置电极和第二偏置电极也可以具有不同的电压幅值。在所述至少两个hin域和至少两个相反偏置域之间分别形成具有相反声学极性的成对电容器。在本实用新型中，对于 mems装置上相同的声压输入，如果电容器的电容增加(例如电容器的动子梳状齿与定子梳状齿之间的相邻区域增加)，则电容器的声学极性为正，如果电容器的电容减小(例如电容器的动子梳状齿与定子梳状齿之间的相邻区域减小)，则电容器的声学极性为负。一个偏置域和与该偏置域相邻的 hin域形成梳状驱动器的感测单位单元。梳状驱动器可以包括在第一方向或其他方向上延伸的多个感测单位单元。41.图1所示为根据本实用新型一实施例的用于微机电系统(mems)装置的静电梳状驱动器。图2所示为图1的静电梳状驱动器的电路示意图。42.请参考图1和图2，静电梳状驱动器包括沿z轴方向设置的两个hin 域gl、g2、电连接到两个相反偏置电极+vb、-vb的三个偏置域10和两电容器对c1+、c1-、c2+、c2-，每一电容器对中的两个电容器具有相反的声学极性。电容器对c1+、c1-分别形成在电极+vb、-vb与hin域g1之间；电容器c2+、c2-分别形成在电极+vb、-vb和hin域g2之间。43.请参考图3，在一些实施例中，每个偏置域10包括至少一个齿12，该齿12沿着垂直于第一方向的第二方向延伸。每个hin域g1/g2包括至少一个沿第二方向延伸的齿22。在本实施例中，当电压信号施加到驱动器时， mems装置的膜片可沿z轴方向发生偏移。在本实施例中，第一个方向为 z轴方向，第二个方向为y轴方向。44.在一些实施例中，该至少两个hin域g1/g2和相反偏置域10在静止位置(rest position)时在第一方向上不重叠，所谓静止位置是指没有电压信号施加到驱动器时的位置。也即，偏置域10在动子的位移方向上相对较短，这允许在动子的位移方向上设置多个重复单位单元从而增加驱动器的静电灵敏度。一个感测单位单元使用两个偏置电极和两个hin域以及短的偏置域的使用，可使得驱动器具有高的静电灵敏度。45.在一些实施例中，偏置域10包括垂直于第二方向的矩形截面。矩形截面包括平行于第一方向的高度尺寸h以及沿第三方向的宽度尺寸w，第三方向垂直于第一方向和第二方向。优选地，高度尺寸h小于宽度尺寸w从而形成相对短的偏置域。46.在一些实施例中，梳状驱动器包括在第一方向即z轴方向上堆叠的多个材料层，诸如衬底层、导电层和绝缘层等等。47.为了最大限度地利用驱动器结构在z轴或动子/振膜位移轴线上排列可能性，具有更多域的更大阵列是优选的，如图4a、图4b和图4c的实施例所示。在图4a所示的实施例中，梳状驱动器包括三个hin域和四个偏置域。在图4b所示的实施例中，梳状驱动器包括四个hin域和四个偏置域。在图4c所示的实施例中，梳状驱动器包括四个hin域和三个偏置域。优选地，梳状驱动器包括至少两个hin域和至少两个相反偏置域，阵列的末端可以不同方式结束，如图4a、图4b和图4c的实施例所示。48.图5所示为根据本实用新型的另一实施例的用于微机电系统(mems) 装置的静电梳状驱动器。在本实施例中，第一方向为x轴方向。梳状驱动器包括两个hin和两个偏置电极+vb、-vb。两个hin与定子梳状齿或动子梳状齿12/22电连接，形成多个沿x轴方向交替排列的hin域g1、g2。两个偏置电极+vb、-vb电连接到动子梳状齿或定子梳状齿22/12，形成多个在x轴方向交替排列的偏置域。动子梳状齿或定子梳状齿12/22沿y轴方向延伸，如图3所示。电容器c1+、c1-分别由hin域g1和电连接到偏置电极+vb、-vb的相邻偏置域形成。电容c2+、c2-分别由hin域g2和相邻的电连接到偏置电极+vb、-vb的偏置域形成。当电压信号施加到驱动器时，mems器件的动子/膜可沿x轴方向移动。梳状驱动器包括在x-y 平面内堆叠的多个材料层，即，材料层沿x-y平面延伸，沿垂直于x-y平面的z轴方向堆叠。在本实施例中，梳状驱动器的多个单元沿x轴方向排列。也就是说，梳状驱动器的多个单元的排列方向与材料层堆叠方向不同，从而消除了单元的阵列长度受制于动子运动方向的限制，并允许在每个偏置域和相应的hin域之间形成高电容。49.当在mems装置中使用高灵敏度梳状驱动器时可能出现的问题之一为由静电场引起的动子和定子之间的吸合力和刚度。对于上述实施例，动子域处于具有最大静电灵敏度的z轴静止位置。图6所示为图4a-4c所示的其中一个实施例的静电灵敏度与静止位置的关系图，其中z＝0的位置对应于图4a-4c中的其中一个实施例的动子的位置。当hin电连接到mems 的电容器时，hin充当具有给定截止频率的rc滤波器。对于慢速动子运动并因此产生截止频率以下的慢速电容变化，hin用于提供恒定电压 (constant voltage)；这种行为可以描述为dc偏移(dc displacement)。对于快速动子运动并因此产生截止频率以上的快速电容变化，hin用于保持恒定电荷(constant charge)；这种行为可以描述为ac偏移(acdisplacement)。z轴上的力与dc偏移的关系如图7所示，因此电路处于电压模式(voltage mode)而不是充电模式(charge mode)，因此使用dc来表示力的类型。50.在ac驱动下也即在电路的充电模式操作时，静电刚度与位移的关系曲线如图8所示。可以看出，从静止位置进行的dc偏移和ac偏移,mems 梳状驱动器的刚度为负，对应于一个不稳定的平衡。不稳定的静电平衡可以通过具有正刚度的机械部件(例如膜或悬臂梁)来稳定。然而，对于某些设计，不希望对支撑机械结构的刚度设置任何额外的设计约束。在这种情况下，希望梳状驱动器自身从最大灵敏度静止位置在直流和交流位移下具有零静电刚度。51.为了实现零刚度，可以使用额外的静电域来抵消当前述实施例之一的动子位移时的力。图9所示为图4a的实施例的替代实施例，其中，定子上有添加附加偏置电极50。附加偏置电极50与靠近其的偏置动子域10相互作用，从而获得一个动子位移的正刚度。通过改变附加偏置电极50的几何形状或偏压的大小，可以控制驱动器的总刚度并使其为零。52.或者，如图4b和图4c中所示的单位单元(也称为感测单元)保持不变，在梳状齿的y轴阵列中设置附加的单独的垫片单元(shim cells)，每 n个感测单元增加一个，其中n》1。图10a示出了一个实施例，其中梳状驱动器包括附加单元，该附加单元具有主要或唯一目的：即使用正负交替极性的偏置动子电极和接地定子电极为梳状驱动器提供正刚度。图10b图示了一个实施例，其中梳状驱动器包括附加单元，该附加单元具有主要或唯一目的：即使用相同极性的偏置动子电极和接地定子电极为梳状驱动器提供正刚度。图10c示出了一个实施例，其中梳状驱动器包括附加单元，该附加单元具有主要或唯一目的：即使用交替极性的偏置动子电极和定子电极为梳状驱动器提供正刚度。参考图10a、图10b和图10c，在这些实施例中，附加单元具有与感测单元相同的动子几何形状。然而，定子电极不同于感测单元的定子电极。在这些实施例中，定子电极与动子电极对齐并且定子电极具有与其相邻动子电极相同的高度。这些额外的力附加单元具有使其从静止位置偏移的正刚度。或者，定子电极可具有与其相邻动子电极不同的高度，并且定子电极可相对其相邻动子电极偏移。在图10a、图 10b和图10c所示的实施例中，图10a、图10b和图10c所示的力附加单元的正负偏压可以与图10a、图10b和图10c中使用的感应单元和电气接地共用，如果需要的话可以共同接地。因此，力附加单元不需要在mems芯片中增加额外的焊盘连接。53.根据本实用新型的上述实施例的梳状驱动器对于给定的单位单元横截面积允许大约2-3倍高的静电灵敏度，而同时保持可接受的电容和电压信号与ac位移的线性度。在主传感单元阵列中添加额外的力附加单元，使得动子和定子之间由静电相互作用产生的刚度可以控制，并在特定位移操作范围内将刚度降低到零，而不会影响灵敏度。54.可以理解地，在一些设计中可能希望梳状驱动器具有负刚度，以便当梳状驱动器机械连接到具有高正刚度的膜或悬臂时，系统的净有效刚度在幅度上减小但仍然为正(可用于增加面向大气的膜的有效顺应性)，从而增加其机械敏感度。允许梳状驱动器的刚度更负的实施例可以通过如下方式获得：如将图9所示的实施例中的附加偏置定子电极的极性进行相反设置而其他不变，如将图10c中所示的实施例中的偏置定子电极或动子电极的极性进行相反设置而其他不变。在图10a和图10b所示的实施例中，如果改变这两种设计中的动子位置使得动子电极和定子电极在新的静止位置未对准，则这些改变后的设计将提供负刚度。55.以上所述的仅是本实用新型的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本实用新型的保护范围。