包括电容测量或致动装置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)或纳米机电系统(nems)类型。本发明更特别地涉及一种机电系统，该机电系统包括可移动元件、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动移动的装置。此系统可用作电声换能器(例如，麦克风、扬声器...)或用作差压传感器。

背景技术：

1、微机电或纳米机电麦克风代表迅速扩大的市场，尤其是由于移动装置(如平板电脑、智能手机和其他连接的物体)的发展，其中它们逐渐地取代驻极体麦克风。

2、麦克风测量大气压力(也称为声压)的快速变化。因此，它们包括至少一个与外部接触的部件。

3、现今制造的大多数mems或nems麦克风是电容检测麦克风。图1表示在专利fr3114584b1中描述的电容检测麦克风1的一个实例。

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以及用于传动第一区域11与第二区域12之间的移动的装置14。麦克风1的第一区域11和第二区域12彼此密封地绝缘。

5、可移动元件13(也称为活塞)与第一区域11相接触。它包括膜131和膜加固结构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，以便由此推导出大气压力的变化。膜131的一侧经受大气压力(希望检测其变化)，并且膜131的相对侧经受参考压力。

6、此外，麦克风1包括在第二区域12中所布置的电容检测装置15。这些电容检测装置15允许测量活塞13的位移，并且因此测量其两个面之间的压力差。它们优选地包括可移动电极151和面向可移动电极151的至少一个固定电极。电极形成电容器的电枢，该电容器的电容根据活塞13的位移而变化。

7、传动装置14通过若干枢转铰链16相对于框架可旋转地安装。传动装置14包括在第一区域11中延伸的两个第一传动臂141、在第二区域12中延伸的两个第二传动臂142以及在第一区域11中部分地延伸的和在第二区域12中部分地延伸的两个传动轴143。每个传动轴143将第一传动臂141连接到第二传动臂142。

8、每个第一传动臂141包括耦接至活塞13的第一端以及耦接至与其相关联的传动轴143的第二相对端。每个第二传动臂142包括耦接至电容检测装置15的可移动电极151的第一端与耦接至与其相关联的传动轴143的第二相对端。

9、专利fr3059659b1描述了类似于图1的电容检测麦克风的电容检测麦克风。电容检测装置包括可移动电极和两个固定电极，可移动电极设置在这两个固定电极之间。电极形成两个电容器的电枢，其电容根据活塞的位移在相反方向上变化。因此，活塞位移的测量是微差测量。

10、为了实现这种微差测量，经由高电阻，通过在可移动电极与固定电极之间施加dc偏压，预先对电容器充电。活塞的位移导致电容的变化，并且因此导致固定电极之间的电压变化(电容器电荷在可听频率处基本上恒定，通常高于100hz)，这可以由仪器放大器读取。

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

12、此外，由于可移动电极“拉入”现象，这些电容检测麦克风可能变得失效，这对包括电容测量或致动装置的所有机电系统是常见的。此拉入现象是由静电力引起，所述静电力倾向于使可移动电极更靠近固定电极(或固定电极中的一个)，并且其取决于偏压的平方。还取决于可移动电极的位移的静电力通过恒定力加上针对小位移的由负刚度的弹簧所施加的力而可以近似为一阶。

13、为了避免(在一定程度上)这种拉入现象，弹性力与静电力相反。此弹性力可以通过将可移动电极的框架连接到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“拉入电压”)越大，并且可移动电极可被偏置的电压(麦克风的灵敏度随着偏压而增加)越高。

14、当施加在电容器两端的电压恒定时，静电力的线性分量(负刚度)以及相关联的拉入风险在静态状态下是最大的。它们相反地强加了高刚度。另一方面，当检测动态压力变化时(因此在动态状态中)，施加在可移动电极上的静电的力的线性分量更小，或甚至为零，并且不有助于使系统更灵活。然后，活塞应收集足够的能量，以压缩弹簧并移动可移动电极。经引入以抵消可移动电极的拉入的弹簧的刚度因此表示在检测到动态压力变化时有用的信号损失。

15、因此，在具有电容检测或电容致动的机电系统中，通过增加刚度和减少能量损失来增加拉入电压是自相矛盾的。

技术实现思路

1、因此，需要提供一种具有电容检测或电容致动的机电系统，其在拉入电压与能量损失之间具有更好的折衷。

2、根据本发明的第一方面，这种需要倾向于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，与第一区域接触；

5、-电容测量或致动装置，包括相对于框架可移动的动电极，所述电极位于与第一区域密封地绝缘的第二区域中，以及相对于框架固定的至少一个电极，所述电极被称为反电极，可移动电极包括膜和膜加固结构；

6、-用于在可移动元件与可移动电极之间传动移动的装置，所述传动装置借助于多个枢转铰链相对于框架可旋转地移动；以及

7、-弹性装置，其连接到可移动电极，并且被配置为以产生与可移动电极的移动相反的弹力。

8、机电系统的特征在于，可移动电极的加固结构被固定至传动装置，并且在枢转铰链的至少一部分处被锚定至传动装置。

9、术语“固定”是指在可移动电极的加固结构与传动装置之间不存在相对移动。更特别地，在传动装置与可移动电极之间没有移动的变换(例如，从传动装置的旋转到可移动电极的平移)，并且因此没有与该变换相关联的能量损失。

10、由于可移动电极锚定在枢转铰链处，可移动元件与可移动电极之间的机械力的传动链(该链包括传动装置的不同元件)被减小到最小。由于传动装置的(弹性)变形引起的能量损失因此减小，这在麦克风或差压传感器的情况下导致从电容检测器件输出的更高有用信号(可移动电极的更大位移)。

11、因此，能量损失被限制于通过减少传动装置的(不必要的)变形来抵抗可移动电极的拉入的弹性装置(所谓的“抗拉入”装置)的(有用的)变形。

12、进一步，针对以上段落中刚刚讨论的特征，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来考虑的以下附加特征中的一项或多项：

13、-传动装置包括在第一区域中延伸的第一元件与在第一区域中部分地延伸的和在第二区域中部分地延伸的第二元件，并且可移动电极的加固结构通过第二元件连接到传动装置的第一元件；

14、-传动装置的第一元件具有在5μm与800μm之间、优选地在50μm与200μm之间的厚度；

15、-传动装置的第一元件包括两个传动臂和连接两个传动臂的横梁，每个传动臂包括耦接至可移动元件的第一端以及固定至横梁的第二端；

16、-传动装置的第一元件包括：

17、-传动轴，具有纵向旋转轴线；以及

18、-多个传动臂，每个传动臂包括耦接至可移动元件的第一端和固定至传动轴的第二端；

19、可移动电极的加固结构被固定到传动轴，从而可移动电极围绕第一纵向旋转轴线可旋转地和可移动地安装；

20、-可移动电极的加固结构包括彼此平行延伸的多个梁，并且梁中的至少一些梁锚定到传动装置，所述至少一部分中的每个梁锚定在对应于所述梁的枢转铰链处；

21、-所述至少一部分的每个梁以其长度的一半锚定至传动装置；

22、-所述至少一个部分的每个梁具有随着距相应的枢转铰链的距离而减小的宽度；

23、-梁的数量大于或等于所述至少一部分的枢转铰链的数量；

24、-所述至少一部分的每个枢转铰链可以包括能够弹性变形和确保第一区域与第二区域之间密封的密封绝缘元件，所述弹性装置包括枢转铰链的所述至少一部分的密封绝缘元件；

25、-所述至少一部分的每个枢转铰链进一步包括两个扭转叶片，每个扭转叶片在框架的一部分与可移动电极的加固结构之间延伸，所述弹性装置进一步包括枢转铰链的所述至少一部分的扭转叶片；

26、-机电系统进一步包括用于在可移动电极接触固定电极和产生短路之前，停止可移动电极的拉入的装置，所述装置位于一个或多个梁的一端或多个端处；

27、-电容测量或致动装置包括相对于框架固定的两个反电极，可移动电极的膜的至少一部分位于两个反电极之间；

28、-每个反电极包括位于膜的任一侧上和位于所述至少一部分的枢转铰链的任一侧上的第一部分和第二部分，每个反电极的第一部分和第二部分被电连接；

29、-每个反电极的第一部分包括由可移动电极的加固结构分开的多个区块，并且第一部分的每个区块通过在所述至少一部分的两个连续枢转铰链之间穿过的连接器，电连接到反电极的第二部分；以及

30、-所述至少一个部件的枢转铰链彼此对准。