包括电容测量或致动装置以及传动轴的机电系统的制作方法

本发明的是机电系统，尤其是微机电系统(mems)或纳机电系统(nems)类型。本发明更具体地涉及一种机电系统，其包括可移动元件、电容测量或致动装置以及用于在可移动元件与电容测量或致动装置之间传输运动的装置。这样的系统可以用作电声换能器(例如麦克风、扬声器……)或差压传感器。

背景技术：

1、微机电或纳机电麦克风代表了一个快速扩大的市场，特别是由于移动设备(例如平板电脑、智能手机和其他连接物体)的发展，它们正在逐渐取代驻极体麦克风。

2、麦克风测量大气压力(也称为声压)的快速变化。因此它们至少包括一个与外界接触的部分。

3、目前制造的大多数 mems或nems麦克风都是电容式检测麦克风。图1表示专利fr3114584b1中描述的电容式检测麦克风1的一个示例。

4、麦克风1包括至少部分地限定第一区域11和第二区域12的框架(未示出)、相对于框架可移动的元件13以及用于在第一区域11和第二区域12之间传送运动的装置14。麦克风1的第一区11和第二区12彼此密封绝缘。

5、可移动元件13，也称为活塞，与第一区域11接触。它包括膜131和膜刚性结构132。活塞13的膜131的作用是在其整个表面上收集其两个面之间的压力差，以便从中推断出大气压力的变化。膜131的一侧承受大气压力(期望检测其变化)，并且膜131的相对侧承受参考压力。

6、另外，麦克风1包括设置在第二区域12中的电容检测装置15。这些电容检测装置15允许测量活塞13的位移，并因此测量其两个面之间的压力差。它们优选地包括可动电极151和面向可动电极151的至少一个固定电极。这些电极形成电容器的电枢，该电容器的电容作为活塞13的位移的函数而变化。

7、传动装置14通过数个枢转铰链16相对于框架可旋转安装。传动装置14包括延伸于第一区域11的两个第一传动臂141、延伸于第二区域12的两个第二传动臂142以及部分延伸于第一区域11和部分延伸于第二区域12的两个传动轴143。每个传动轴143连接第一传动臂141和第二传动臂142。

8、每个第一传动臂141包括耦接到活塞13的第一端和耦接到与其相关联的传动轴143的相对的第二端。每个第二传输臂142包括耦接到电容检测装置15的可动电极151的第一端和耦接到与其相关联的传输轴143的相对的第二端。

9、专利fr3059659b1描述了一种类似于图1的电容检测麦克风。电容检测装置包括可动电极和两个固定电极，可动电极设置在两个固定电极之间。电极形成两个电容器的电枢，其电容根据活塞位移沿相反方向变化。因此，活塞位移的测量是差分测量。

10、为了实现这种差分测量，通过高电阻在可动电极和固定电极之间施加dc偏置电压来预先对电容器充电。活塞的位移导致电容变化，从而导致固定电极之间的电压变化(电容器电荷在可听频率下基本恒定，通常高于100hz)，该变化可以由仪表放大器读取。

11、这些电容式检测麦克风的一个缺点是能量在传动装置14的变形中和可动电极151的框架中损失，这表示在检测动态压力变化时有用信号的损失。

12、此外，这些电容式检测麦克风可能会由于可动电极“吸合”(pull in)现象而发生故障，这种现象对于所有机电系统来说都很常见，包括电容式测量或驱动装置。这种吸合现象是由静电力引起的，静电力倾向于使可动电极更接近固定电极(或固定电极之一)并且取决于偏置电压的平方。静电力也取决于可动电极的位移，对小位移，可以通过恒定力加上负刚度弹簧施加的力近似一阶。

13、为了(在一定程度上)避免这种吸合现象，弹力与静电力相反。该弹力可以由将可动电极的框架连接至麦克风框架的弹簧产生。弹簧的刚度越大，静电力克服弹力的电压(所谓的“吸合电压”)就越大，并且可动电极151可被偏置的电压就越高。这是有利的，因为麦克风1的灵敏度随着偏置电压而增加。

14、麦克风1的灵敏度也随着可动电极151的位移而增加。增加可动电极151的位移的一种解决方案是增加活塞13的位移(也称为顺应性)，但这受到麦克风1的谐振频率(期望至少为35khz)的限制。另一种解决方案是减小第一传动臂141的长度和/或增加第二传动臂142的长度，从而增加杠杆臂效应。然而，减小第一传输臂141的长度是困难的，因为在电容检测装置15周围存在密封区域以将它们封闭在第二区域12中，并且因为这意味着减小活塞13的表面积。增加第二传输臂142的长度较容易，但显著增加了麦克风的整体尺寸。另外，单纯增加第二传动臂142的长度使其更容易变形，从而极大减少可动电极的位移，降低灵敏度。

技术实现思路

1、因此需要提供一种既紧凑又具有高灵敏度的具有电容检测或致动的机电系统。

2、根据本发明，这种需要往往通过提供一种机电系统来满足，该机电系统包括：

3、框架；

4、相对于框架可移动的元件；

5、电容测量或致动装置包括：

6、可相对于框架移动的第一电极；和

7、至少一个电极相对于框架固定并通过第一介电介质与第一可动电极分开；

8、第一传动装置，用于传递可移动元件与第一可动电极之间的运动，第一传动装置可通过多个第一枢转铰链相对于框架旋转运动。

9、第一传动装置包括：

10、具有第一纵向旋转轴线的第一传动轴；和

11、多个第一传动臂，各第一传动臂包括耦接于可移动元件的第一半部的第一端以及固定于第一传动轴的第二端；

12、第一可动电极连接于第一传动轴。

13、因此，当可移动元件移位时，其围绕第一纵向轴线可旋转地驱动第一传动装置，这进而移动第一可动电极。这种布置使得对于可移动元件的给定位移获得可动电极的更大位移成为可能，然而不会增加机电系统的总体尺寸，因为可动电极的位移现在与可移动元件和可动电极之间的距离不相关。现在它取决于第一传动臂的第一端和第一纵向旋转轴线之间的距离。因此，根据本发明的机电系统比现有技术的麦克风在灵敏度和紧凑性之间具有更好的折衷。

14、有利地，第一可动电极固定至第一传动轴，使得第一可动电极围绕第一纵向旋转轴线可旋转地安装。

15、在一优选实施例中：

16、电容测量或致动装置还包括：

17、可相对于框架移动的第二电极；和

18、至少一个附加电极，其相对于框架固定并通过第二介电介质与第二可动电极隔开；

19、该系统还包括第二传动装置，用于传递可移动元件和第二可动电极之间的运动，第二传动装置可通过多个第二枢转铰链相对于框架可旋转地运动，并且包括：

20、具有第二纵向旋转轴线的第二传动轴；和

21、多个第二传动臂，各第二传动臂包括耦接于可移动元件的第一端以及固定于第二传动轴的第二端。

22、第二可动电极连接于第二传动轴。

23、根据该优选实施例的一个改进，第二可动电极固定至第二传动轴，从而使得第二可动电极围绕第二纵向旋转轴线可移动地可旋转地安装。

24、在与前一改进兼容的另一改进中，第一纵向旋转轴线平行于第二纵向旋转轴线。

25、根据与先前的改进兼容的另一改进，第一传动臂的第一端耦接至可移动元件的第一半部，并且第二传动臂的第一端耦接可移动元件的第二半部。

26、优选地，可移动元件与第一区域接触，并且第一和第二可动电极位于与第一区域密封绝缘的第二区域中。

27、除了前面段落中刚刚讨论的特征之外，根据本发明的机电系统可以具有单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的一个或多个以下附加特征：

28、可移动元件相对于框架平移；

29、可移动元件相对于框架转动；

30、至少一个第一枢转铰链位于第一可动电极，且另一第一枢转铰链位于第一传动轴与第一可动电极相对的一端。

31、至少一个第二枢转铰链位于第二可动电极，且另一第二枢转铰链位于第二传动轴的与第二可动电极相对的一端。

32、第一传动臂垂直于第一纵向旋转轴线延伸；

33、第二传动臂垂直于第二纵向旋转轴线延伸；

34、第一纵向旋转轴线平行于第二纵向旋转轴线；

35、第一可动电极和第二可动电极相对于分隔可移动元件的第一半部和第二半部的平面对称；

36、第一传动装置与第二传动装置相对于可移动元件的第一半部与第二半部分开的平面对称。

37、每个第一传动臂的第一端位于距第一纵向旋转轴线一定距离lpist1处，使得：

38、1/2×lelec1≤lpist1≤2×lelec1

39、其中lelec1是第一可动电极的纵向边缘与第一纵向旋转轴线之间的距离；

40、每个第二传动臂的第一端位于距第二纵向旋转轴线一定距离lpist2处，使得：

41、1/2×lelec2≤lpist2≤2×lelec2

42、其中lelec2是第二可动电极的纵向边缘与第二纵向旋转轴线之间的距离；

43、第一传动轴的与可移动元件相对的至少部分穿孔。

44、第二传动轴的与可移动元件相对的至少一部分穿孔。

45、第一传动轴及第一传动臂延伸于第一区域，且第一传动装置还包括部分延伸于第一区域且部分延伸于第二区域的支柱。

46、第二传动轴与第二传动臂延伸于第一区域，第二传动装置还包括部分延伸于第一区域且部分延伸于第二区域的支柱。

47、第一传动轴和第一传动臂的厚度为5μm～800μm，优选为50μm～200μm。

48、第二传动轴和第二传动臂的厚度为5μm～800μm，优选为50μm～200μm。

49、第一可动电极包括膜和膜刚性结构；

50、第一动电极的刚性结构于第一枢转铰链的部分处锚定于第一传动装置。

51、第一可动电极的刚性结构包括多个彼此平行延伸的细长型元件(beam)，并且至少一些细长型元件锚定到第一传动装置，所述至少一个部分的每个细长型元件锚定到与所述细长型元件对应的第一枢转铰链；

52、所述至少一部分的每个第一枢转铰链包括能够弹性变形并确保第一区域和第二区域之间密封的密封绝缘元件。

53、第二可动电极包括膜和膜刚性结构；

54、第二可动电极的刚性结构于第二枢转铰链的部分处锚定于第二传动装置。

55、第二可动电极的刚性结构包括多个彼此平行延伸的细长型元件，并且至少一些细长型元件锚定至第二传动装置，所述至少一个部分的每个细长型元件锚定至与所述细长型元件对应的第二枢转铰链；

56、所述至少一部分的每个第二枢转铰链包括能够弹性变形并确保第一区域和第二区域之间密封的密封绝缘元件。

57、电容测量或致动装置包括与第一可动电极相关联的第一和第二固定电极，第一可动电极包括设置在第一和第二固定电极之间的膜；

58、第一固定电极和第二固定电极中的每一个均包括位于膜的两侧和第一枢转铰链的两侧的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分电连接；

59、电容测量或致动装置还包括与第二可动电极相关联的第三和第四固定电极，第二可动电极包括设置在第三和第四固定电极之间的膜；和

60、第三和第四固定电极中的每一个均包括位于膜的两侧和第二枢转铰链的两侧的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分电连接。