專利名稱：一種高靈敏度的電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微機(jī)電(MEMQ領(lǐng)域的電容傳感器，尤其涉及一種高靈敏度 的電容傳感器。
背景技術(shù)：
電容式傳感器是將被測(cè)的非電量變化，如位移、壓力變化等，轉(zhuǎn)換為電容量變化的 一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高分辨力、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件 下工作，這是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使它揚(yáng)長(zhǎng)避短，成 為一種前景可觀的傳感器。電容式傳感器的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè) 平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器(見(jiàn)圖1)。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的感應(yīng) 電容的計(jì)算方式為^ S-A,,,,C =--(1)式1中ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，g為兩電極之 間的距離。g、A、e三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。因此電 容式傳感器可分為變間距型、變面積型和變介質(zhì)型三類。其中，變間距型和變面積型電容式傳感器(見(jiàn)圖2A和圖2B)的感應(yīng)電容變量分別 為ρ Δι1 丨 A I (2) [coos] IAC —三 I 似 I (3)由此看出，變間距型電容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，電容變化與位移成非線性關(guān)系(見(jiàn)式2)， 須在小位移范圍內(nèi)工作以便線性化，但由于感應(yīng)關(guān)系式中變量的二次方因子，獲得的電容 變化仍然較高。變間距結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)阻力一般為空氣壓模阻尼。變面積型電容結(jié)構(gòu)中，電容變化與位移為理想的線性關(guān)系(見(jiàn)式3)，可在彈簧線 性區(qū)域內(nèi)直接與加速度成正比。阻尼效應(yīng)主要是滑膜空氣阻尼，產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)小于壓膜，有 利于獲得較高的分辨率。但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所獲得相對(duì)電容變化小，限制了靈敏度的提升。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有變面積型電容傳感器靈敏度小的缺 陷，提供一種靈敏度高的電容傳感器。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所提出的技術(shù)方案是一種高靈敏度的電容傳感器，其包括柔性梁、固定叉指、以及與柔性梁連接的且與 固定叉指配合的可動(dòng)叉指，其中固定叉指和可動(dòng)叉指分別都包括底部和與所述底部垂直連接的兩個(gè)以上的凸起部。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中固定叉指和可動(dòng)叉指的結(jié)構(gòu)完全相同。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中固定叉指或可動(dòng)叉指上的各個(gè)凸起部的形狀 相同。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中凸起部的橫截面是方形。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中凸起部的大小相同。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中每?jī)蓚€(gè)凸起部的間隔寬度相同。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中固定叉指與可動(dòng)叉指相互錯(cuò)位排列，即固定叉 指的凸起部與可動(dòng)叉指的凸起部部分重疊。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中固定叉指包括第一固定叉指和第二固定叉指， 所述第一固定叉指和第二固定叉指分別與可動(dòng)叉指配合形成差分電容。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中第一固定叉指和第二固定叉指分別有兩組。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型涉及的高靈敏度的電容 傳感器，將固定叉指和可動(dòng)叉指加工成包含底部和與底部垂直連接的兩個(gè)以上的凸起部的 類似梳齒的結(jié)構(gòu)，大大增加電容極板的等效變化面積，從而大大提高器件測(cè)量的靈敏度。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的平板電容結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A是現(xiàn)有技術(shù)中變間距型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2B是現(xiàn)有技術(shù)中變面積型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型涉及的高靈敏度的電容式傳感器的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖4是圖3中的一對(duì)固定叉指和活動(dòng)叉指的放大立體圖；和圖5是圖4所示電容極板發(fā)生位移時(shí)的示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。請(qǐng)參閱圖3，本實(shí)用新型涉及的一種高靈敏度的電容傳感器，其包括柔性梁1、固 定叉指3，4、以及與柔性梁1連接的可動(dòng)叉指5。圖3中黑色部分為硅片上的固定結(jié)構(gòu)，固 定結(jié)構(gòu)包括第一固定叉指3和第二固定叉指4 ；灰色部分為底部懸空的可動(dòng)結(jié)構(gòu)，可動(dòng)結(jié)構(gòu) 包括柔性梁1和可動(dòng)叉指5。在本實(shí)施例中，第一固定叉指3和第二固定叉指4各有兩組， 四組固定叉指通過(guò)錨點(diǎn)2連接在一起，而對(duì)應(yīng)于固定叉指3，4，可動(dòng)叉指5也有四組。第一 固定叉指3和第二固定叉指4分別與可動(dòng)叉指5構(gòu)成平行板電容C1, C2，二者形成差分電容 輸出。其中固定叉指3，4和可動(dòng)叉指5分別被加工成梳齒狀，由此加大電容極板的等效 變化面積。在本實(shí)施例中，固定叉指3，4和可動(dòng)叉指5的結(jié)構(gòu)完全相同，都包括沿χ軸方向 的底部61和與底部61垂直的凸起部62，如圖4所示。并且在本實(shí)施例中，沿y軸延伸的凸 起部62的形狀都是相同的，都為方形，且凸起部62的大小也相同，具體而言，凸起部62的 高度、寬度都是相同的。另外，每?jī)蓚€(gè)凸起部62的間隔寬度也相同。圖3中斜線部分表示的就是梳齒狀電容極板凹下去的部分，即圖4所示的間隔部分63。固定叉指3，4與可動(dòng)叉 指5相互錯(cuò)位排列，即固定叉指的凸起部與可動(dòng)叉指的凸起部部分重疊。當(dāng)受到χ軸方向的敏感外力作用時(shí)，柔性梁1在χ軸方向上發(fā)生形變，帶動(dòng)可動(dòng)叉 指5移動(dòng)，可動(dòng)叉指5相對(duì)于固定叉指3，4在χ軸方向上發(fā)生位移Δ χ，致使可動(dòng)叉指5與 固定叉指3，4之間的面積發(fā)生變化ΔΑ，從而使得C1, C2的差值發(fā)生變化，由此測(cè)量出器件 感受到的敏感外力大小，如圖5所示。Δ A = η · h · Δ χ其中，η為凸起部個(gè)數(shù)，h為凸起部高度，ΔΧ為敏感外力引起的χ方向位移。從上式不難看出，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型涉及的高度方向上成梳齒形狀的 電容傳感器，由于電容極板等效變化面積增大η倍，導(dǎo)致電容變化率增大η倍，在相同位移 情況下測(cè)量的靈敏度可提高η倍。在不同實(shí)施方式中，固定叉指和可動(dòng)叉指的結(jié)構(gòu)可以不同，固定叉指或可動(dòng)叉指 上的各個(gè)凸起部的形狀、大小也可以不同，每?jī)蓚€(gè)凸起部的間隔寬度也可以不同。第一固定 叉指和第二固定叉指的組數(shù)以及與其配合的可動(dòng)叉指的組數(shù)不限于上述實(shí)施例。綜上所述，本實(shí)用新型涉及的高靈敏度的電容傳感器，將固定叉指和可動(dòng)叉指加 工成包含底部和與底部垂直連接的兩個(gè)以上的凸起部的類似于梳齒形狀的結(jié)構(gòu)，有效增大 電容極板的等效變化面積，致使電容變化率增大，從而大大提高器件測(cè)量的靈敏度。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不以上述實(shí) 施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化， 皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種高靈敏度的電容傳感器，其包括柔性梁、固定叉指以及與柔性梁連接的且與固 定叉指配合的可動(dòng)叉指，其特征在于所述固定叉指和可動(dòng)叉指分別都包括底部和與所述 底部垂直連接的兩個(gè)以上的凸起部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指和可動(dòng) 叉指的結(jié)構(gòu)完全相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指或可動(dòng) 叉指上的各個(gè)凸起部的形狀相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述凸起部的橫截面 是方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述凸起部的大小相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述每?jī)蓚€(gè)凸起部的 間隔寬度相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指與可動(dòng) 叉指相互錯(cuò)位排列，即所述固定叉指的凸起部與可動(dòng)叉指的凸起部部分重疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指包括第 一固定叉指和第二固定叉指，所述第一固定叉指和第二固定叉指分別與可動(dòng)叉指配合形成 差分電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述第一固定叉指和 第二固定叉指分別有兩組。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高靈敏度的電容傳感器，其包括柔性梁、固定叉指以及與柔性梁連接的且與固定叉指配合的可動(dòng)叉指，其中固定叉指和可動(dòng)叉指分別都包括底部和與所述底部垂直連接的兩個(gè)以上的凸起部。本實(shí)用新型涉及的高靈敏度的電容傳感器，通過(guò)大大增加電容極板的等效變化面積，從而大大提高器件測(cè)量的靈敏度。
文檔編號(hào)G01D5/241GK201837400SQ201020216160
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者周漢秦, 蔣樂(lè)躍 申請(qǐng)人:美新半導(dǎo)體(無(wú)錫)有限公司