低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器、方法及阵列

本发明涉及谐振器，特别涉及一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器、方法及阵列。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、微机电系统谐振器凭借体积小巧、功耗偏低、易于集成以及可批量制造的优势，广泛应用于谐振式传感、频率控制、惯性测量以及射频器件等诸多领域。静电驱动搭配电容检测是这类谐振器常用的工作形式，整体结构设计简单，工艺适配性良好，无需额外增设功能薄膜，长期工作状态也更为稳定，能够顺利实现机械振动信号与电信号之间的相互转换，因此成为业内主流的技术方案之一，也常结合绝缘衬底上的硅基底工艺进行规模化制备与应用。

3、现有同类型静电驱动电容检测式谐振器多采用直梁作为支撑结构，想要实现低频工作效果时，常规结构设计容易影响整体机械性能。同时这类结构缺少专门的位移防护设计，活动结构在振动过程中出现位移偏大的情况时，容易让活动部分与电极发生接触，进而影响器件正常工作，难以兼顾低频运行需求与器件工作的稳定性，存在一定的使用局限。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器、方法及阵列，依托复合柔顺支撑结构实现谐振器低频工作，借助位移限位结构约束活动结构振动行程，解决了传统结构难以兼顾低频运行与工作稳定的问题，减少了电极接触带来的不良影响，有效提高了器件运行可靠性与环境适配能力。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器。

4、一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，包括衬底结构、活动谐振结构、复合柔顺支撑结构、驱动电极、检测电极、位移限位结构与锚点；

5、复合柔顺支撑结构连接相邻的锚点之间，位于活动谐振结构两侧，驱动电极、检测电极分别对应布置在活动谐振结构两侧并形成电容间隙；

6、位移限位结构设置于活动谐振结构周边并形成限位间隙，限位间隙尺寸小于电容间隙尺寸，驱动电极施加电信号以驱动活动谐振结构产生机械振动，检测电极用于采集振动引发的电容变化信号以进行谐振状态检测。

7、在本发明第一方面的一种实现方式中，还包括接地屏蔽电极和备用电极，接地屏蔽电极布置在驱动电极与检测电极之间，以用于削弱电极间的信号寄生耦合，备用电极设置在活动谐振结构外侧，以用于实现谐振频率调谐或冗余检测。

8、在本发明第一方面的一种实现方式中，衬底结构为绝缘衬底上的硅基底，衬底结构包含器件硅层、埋氧层与衬底硅层，活动谐振结构、复合柔顺支撑结构、驱动电极、检测电极、位移限位结构以及锚点均成型于器件硅层。

9、作为本发明第一方面进一步的限定，活动谐振结构与复合柔顺支撑结构下方的埋氧层被去除，使活动谐振结构与复合柔顺支撑结构呈悬空状态，锚点与固定电极下方保留埋氧层作为支撑。

10、在本发明第一方面的一种实现方式中，活动谐振结构包含主谐振梁与锚点，主谐振梁连接在锚点之间，驱动电极与检测电极皆为可动电极设置。

11、在本发明第一方面的一种实现方式中，复合柔顺支撑结构为折叠梁结构，折叠梁结构对称布置在活动谐振结构的两侧。

12、在本发明第一方面的一种实现方式中，位移限位结构为固定凸台或限位齿，位移限位结构表面设置有绝缘层或低粘附涂层；位移限位结构为多级限位结构，多级限位结构分别对应实现小位移防护与大冲击防护；

13、驱动电极分为两组并对称布置，两组驱动电极配合实现差分驱动模式，检测电极分为两组并对称布置，两组检测电极配合实现差分检测模式。

14、在本发明第一方面的一种可选实现方式中，复合柔顺支撑结构采用u形梁结构，多组u形梁依次串联形成整体支撑体系，串联排布的u形梁持续延长弹性形变路径。

15、在本发明第一方面的一种可选实现方式中，复合柔顺支撑结构采用s形梁结构，s形梁整体连续弯折且无分段拼接，s形梁分别衔接活动谐振结构与锚点。

16、在本发明第一方面的一种可选实现方式中，复合柔顺支撑结构采用环形梁结构，环形梁环绕布置在活动谐振结构的端部位置，环形封闭结构均匀分担振动载荷以限制活动结构出现径向偏移。

17、第二方面，本发明提供了一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器的制备方法。

18、一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器的制备方法，用于制备本发明第一方面的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，包括：

19、选取绝缘衬底上的硅基底，在基底表面制备金属焊盘；

20、通过光刻与刻蚀工艺在器件硅层上形成活动谐振结构、复合柔顺支撑结构、驱动电极、检测电极、位移限位结构与锚点；

21、选择性刻蚀去除活动区域下方的埋氧层，使可动结构悬空；

22、完成划片、封装与电极引线连接。

23、第三方面，本发明提供了一种谐振器件阵列。

24、一种谐振器件阵列，由多个本发明第一方面的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器排布组成，各个低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器的结构尺寸、电容间隙、限位间隙采用差异化参数设计。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、本发明采用复合柔顺支撑结构连接于锚点之间，依托弯折延展的结构形式调整活动谐振结构旁的可动电极的等效刚度，可适配低频工作需求，能够在维持结构机械性能的前提下，满足器件低频运行的使用要求。具体的，本发明在活动谐振结构周边设置位移限位结构，限位间隙不大于电极之间形成的电容间隙，当活动谐振结构振动位移出现偏差时，位移限位结构可以率先起到阻挡作用，减少了活动结构与驱动电极、检测电极发生接触的情况，有助于提升器件运行过程中的稳定性；驱动电极与检测电极分设于活动谐振结构两侧，依靠电容变化完成振动信号的采集，搭配优化后的支撑结构与限位结构，让器件在实现静电驱动与电容检测基本功能的同时，改善了传统结构存在的使用局限，适配更多复杂的工作场景，也能够更好地发挥微机电系统谐振器集成度高、适配性强的固有特点。

27、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，包括衬底结构、活动谐振结构、复合柔顺支撑结构、驱动电极、检测电极、位移限位结构与锚点；

2.如权利要求1所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，

3.如权利要求1所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，

4.如权利要求3所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，

5.如权利要求1所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，

6.如权利要求1所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，

7.如权利要求1所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，

8.如权利要求1所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器，其特征在于，

9.一种低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至8任一项所述的谐振器，包括：

10.一种谐振器件阵列，其特征在于，由多个权利要求1至8任一项所述的低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器排布组成，各个低频静电驱动电容检测式微机电系统谐振器的结构尺寸、电容间隙、限位间隙采用差异化参数设计。