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CN117490733A - 一种mems器件 - Google Patents

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CN117490733A
CN117490733A CN202210875783.2A CN202210875783A CN117490733A CN 117490733 A CN117490733 A CN 117490733A CN 202210875783 A CN202210875783 A CN 202210875783A CN 117490733 A CN117490733 A CN 117490733A
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Abstract

公开了一种MEMS器件，包括：可动电极板；位于可动电极板第一侧的第一电极板和第三电极板，第一电极板与可动电极板构成第一电容，第三电极板与可动电极板构成第三电容；以及位于可动电极板第二侧的第二电极板和第四电极板，第二电极板与可动电极板构成第二电容，第四电极板与可动电极板构成第四电容；其中，第一电容和第二电容连接至检测电路；第三电容和第四电容连接至参考电路；检测电路的输出端和参考电路的输出端连接至除法器的输入端，除法器用于消除检测电路的输出电压与可动电极板位移的非线性关系。

Description

一种MEMS器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种MEMS器件。
背景技术
由于平行板电容易于加工，用于信号检测具有灵敏度高、温度范围宽、能响应直流信号、冲击后变化小等优点，广泛用于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)传感器的设计中。为了抑制共模信号和保证标度因数的对称性，差动平行板电容具有更强的实用性。但是，由于平行板的电容变化随间距的变化是非线性的，因此导致对信号的检测也是非线性的，且随着平行板电容之间的间距变化的增大，非线性也增大，严重影响检测的准确度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种MEMS器件，以消除平行板电容检测的非线性。
本发明提供一种MEMS器件，包括：
可动电极板；
位于所述可动电极板第一侧的第一电极板和第三电极板，所述第一电极板与所述可动电极板构成第一电容，所述第三电极板与所述可动电极板构成第三电容；以及
位于所述可动电极板第二侧的第二电极板和第四电极板，所述第二电极板与所述可动电极板构成第二电容，所述第四电极板与所述可动电极板构成第四电容；
其中，所述第一电容和所述第二电容连接至检测电路；所述检测电路用于对所述第一电容和第二电容进行差分检测；
所述第三电容和所述第四电容连接至参考电路；所述参考电路用于对所述第三电容和所述第四电容进行检测；
所述检测电路的输出端和所述参考电路的输出端连接至除法器的输入端，所述除法器用于消除所述检测电路的输出电压与可动电极板位移的非线性关系。
优选地，所述可动电极板处于平衡位置时，所述第一电极板、第二电极板、第三电极板以及第四电极板与所述可动电极板之间的距离相等。
优选地，所述第一电极板和所述第二电极板与所述可动电极板的相对面积相等；所述第三电极板和所述第四电极板与所述可动电极板的相对面积相等。
优选地，所述检测电路包括：
第一运算放大器，所述第一电极板连接至所述第一运算放大器的反相输入端；
第二运算放大器，所述第二电极板连接至所述第二运算放大器的反相输入端；
第三运算放大器，其同相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端，其反相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端，其输出端连接至所述除法器的输入端；以及
第一反馈电容，连接于所述第一运算放大器的反相输入端以及输出端之间；
第二反馈电容，连接于所述第二运算放大器的反相输入端以及输出端之间；
其中，所述第一反馈电容与所述第二反馈电容容值相等。
优选地，所述参考电路包括：
第四运算放大器，其反相输入端连接至所述第三电极板和所述第四电极板，其输出端连接至所述除法器；以及
第三反馈电容，连接于所述第四运算放大器的反相输入端以及输出端之间。
优选地，还包括电压源，所述电压源连接至所述可动电极板，用于向所述第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容提供电压。
优选地，所述第一电极板和所述第三电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接。
优选地，所述第二电极板和所述第四电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接。
优选地，所述MEMS器件为MEMS加速度计。
优选地，所述MEMS器件为MEMS陀螺。
本发明提供的MEMS器件通过在MEMS敏感单元中引入与平行板检测电容联动的参考电容，其中，所述平行板检测电容连接至检测电路，参考电容连接至参考电路，所述检测电路输出和所述参考电路输出相除，理论上消除非线性度，方法简单，可行性强。
进一步地，本发明的MEMS器件中参考电容与检测电容的材料、结构形式和加工技术完全相同，温度系数一致，降低了除法器输出的温度漂移。
进一步地，本发明的MEMS器件可以为微机电加速度计、微机电陀螺等，应用范围较广。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。显而易见地，下面描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。在附图中：
图1示出了现有技术的MEMS器件的等效示意图；
图2示出了现有技术的MEMS器件的等效电路图；
图3示出了本发明第一实施例的MEMS器件的示意图；
图4示出了本发明第一实施例的MEMS加速度敏感单元结构示意图；
图5示出了本发明第一实施例的MEMS加速度敏感单元的电容等效结构示意图；
图6示出了本发明第一实施例的MEMS器件的检测电路的等效电路图；
图7示出了本发明第一实施例的MEMS器件的参考电路的等效电路图；
图8示出了本发明第二实施例的MEMS器件的结构示意图；
图9示出了本发明第二实施例的MEMS加速度敏感单元的结构示意图；
图10示出了一种MEMS陀螺敏感单元的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了现有技术的MEMS器件的等效示意图；图2示出了现有技术的MEMS器件的等效电路图。
如图1所示，所述MEMS器件100包括平行板电容110、运算放大器120、第一电压源131以及第二电压源132和反馈电容Cf。所述平行板电容110包括可动电极板115、位于所述可动电极板115一侧的第一电极板111、位于所述可动电极板115另一侧的第二电极板112。
其中，所述第一电极板111与所述可动电极板115构成第一电容C1，所述第二电极板112与所述可动电极板115构成第二电容C2。所述可动电极板115处于平衡位置时，所述第一电极板111与所述可动电极板115之间的距离等于所述第二电极板112与所述可动电极板115之间的距离，且均为d0；所述第一电极板111与所述可动电极板115的相对面积等于所述第二电极板112与所述可动电极板115的相对面积，且均为A0；即第一电容C1等于第二电容C2，且均为C0。所述第一电压源131和所述第二电压源132提供交流高频载波，电压幅值相等，相位相反。
当可动电极板115离开平衡位置，在第一方向(例如X方向)上发生位移时，所述可动电极板115与所述第一电极板111之间的距离以及所述可动电极板115与所述第二电极板112之间的距离发生变化，进而使得第一电容C1和第二电容C2发生变化。
进一步地，所述可动电极板115连接至所述运算放大器120的反相输入端，所述第一电极板111连接至所述第一电压源131，以使得所述第一电容C1的两端连接于第一电压源131和运算放大器120的反相输入端之间；所述第二电极板112连接至第二电压源132，以使得所述第二电容C2的两端连接于第二电压源132和和运算放大器120的反相输入端之间；所述反馈电容Cf连接于所述运算放大器120的反相输入端和输出端之间，所述第一电容C1和所述第二电容C2连接形成图2所示的等效电路。
如图2所示，所述运算放大器的输出端的输出电压Uout为：
其中，所述可动电极板115处于平衡位置时，所述第一电容C1等于第二电容C2，所述输出电压Uout为0。
当所述可动电极板115在第一方向(例如X方向)上发生位移，所述第一电容C1和所述第二电容C2发生变化。例如，当所述可动电极板115例如向着靠近第一电极板111的方向移动距离x时，所述可动电极板115与所述第一电极板111的距离为d0-x，所述第一电容C1为：
其中，ε为所述第一电容板120与所述可动的电极板110之间的介电常数。同时，所述可动电极板115与所述第二电极板112之间的距离为d0+x，所述第二电容C2为：
其中，ε为所述第二电容板130与所述可动的电极板110之间的介电常数。
所述运算放大器120的输出端的输出电压Uout如下：
所述反馈电容Cf为外接的固定电容，由上述公式可知，平行板的电容变化随距离的变化是非线性的，进而所述输出电压随距离的变化也是非线性的，且随着距离变化的增大，非线性也增大，严重影响检测的准确度。
图3示出了本发明第一实施例的MEMS器件的示意图；本实施例中，所述MEMS器件例如为MEMS加速度计。如图3所示，所述MEMS器件200包括加速度敏感单元210、第一运算放大器221、第二运算放大器222、第三运算放大器223、第四运算放大器224、第一反馈电容Cfa1、第二反馈电容Cfa2、第三反馈电容Cfb、电压源230、除法器240。
图4示出了本发明第一实施例的MEMS加速度敏感单元结构示意图；图5示出了本发明第一实施例的MEMS加速度敏感单元的电容等效结构示意图；如图4和图5所示，所述加速度敏感单元210包括可动电极板215、第一电极板211、第二电极板212、第三电极板213以及第四电极板214。
本实施例中，所述可动电极板215包括多个，多个所述可动电极板215固定连接于可动质量块216上。进一步地，所述可动质量块216为矩形的质量块，所述可动电极板215垂直于所述可动质量块216。进一步地，所述可动质量块216通过弹性梁217连接于锚点218，当MEMS加速度敏感单元210感受到加速度时，离开平衡位置，所述弹性梁在第一方向(例如X方向)上伸缩，所述可动质量块216在第一方向(例如X方向)上发生位移，进而带动多个可动电极板215在第一方向(例如X方向)上一起移动。
所述第一电极板211、第二电极板212、第三电极板213以及第四电极板214为固定电极板。本实施例中，所述第一电极板211包括多个，每个所述第一电极板211与一个所述可动电极板215相对，多个所述第一电极板211与对应的多个可动电极板215共同构成第一电容C1。所述第二电极板212包括多个，每个所述第二电极板212与一个所述可动电极板215相对，多个所述第二电极板212与对应的多个可动电极板215共同构成第二电容C2。所述第三电极板213包括多个，每个所述第三电极板213与一个所述可动电极板215相对，多个所述第三电极板213与对应的多个可动电极板215共同构成第三电容C3。所述第四电极板214包括多个，每个所述第四电极板214与一个所述可动电极板215相对，多个所述第四电极板214与对应的多个可动电极板215共同构成第四电容C4。
所述第一电极板211和所述第三电极板213位于所述可动电极板215的一侧，所述第二电极板212和所述第四电极板214位于所述可动电极板215的另一侧。所述可动质量块216发生位移，带动所述可动电极板215靠近所述第一电极板211和第三电极板213时，所述可动电极板215远离所述第二电极板212和所述第四电极板214；相反，所述可动质量块216发生位移，带动所述可动电极板215远离所述第一电极板211和第三电极板213时，所述可动电极板215靠近所述第二电极板212和所述第四电极板214。所述可动质量块216发生位移时，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4均发生变化。
所述可动质量块216相对处于平衡位置时，每个所述第一电极板211与对应的可动电极板215之间的距离、每个所述第二电极板212与对应的可动电极板215之间的距离、每个所述第三电极板213与对应的可动电极板215之间的距离以及每个所述第四电极板214与对应的可动电极板215之间的距离相等。每个所述第一电极板211与对应的可动电极板215之间的相对面积、每个所述第二电极板212与对应的可动的电极板215之间的相对面积、每个所述第三电极板213与对应的可动的电极板215之间的相对面积以及每个所述第四电极板214与对应的可动的电极板215之间的相对面积相等。所述第一电极板211的数量与所述第二电极板212的数量相等，所述可动质量块216处于平衡位置时，所述第一电容C1和所述第二电容C2容值相等，例如为C0；所述第三电极板213的数量与所述第四电极板214的数量相等，所述可动质量块216处于平衡位置时，所述第三电容C3和所述第四电容C4容值相等，例如为C01。所述第一反馈电容Cfa1和所述第二反馈电容Cfa2容值相等，例如为Cfa。
多个所述第一电极板211固定连接于一个或者多个第一固定电极211a，其中，当第一固定电极211a为多个时，多个第一固定电极211a之间短接。多个所述第二电极板212固定连接于一个或者多个第二固定电极212a，其中，当第二固定电极212a为多个时，多个第二固定电极212a之间短接。多个所述第三电极板213固定连接于一个或者多个第三固定电极213a，其中，当第三固定电极213a为多个时，多个第三固定电极213a之间短接。多个所述第四电极板214固定连接于一个或者多个第四固定电极214a，其中，当第四固定电极214a为多个时，多个第四固定电极214a之间短接。
图6示出了本发明第一实施例的MEMS器件的检测电路的等效电路图；图7示出了本发明第一实施例的MEMS器件的参考电路的等效电路图；如图3、图6所示，所述第一电容C1、所述第二电容C2、电压源230、第一运算放大器221、第二运算放大器222、第三运算放大器223、第一反馈电容Cfa1、第二反馈电容Cfa2连接形成检测电路。
具体地，共用的所述可动电极板215连接至所述电压源230，电压源230提供高频载波信号；所述第一电极板211经由所述第一固定电极211a连接至所述第一运算放大器221的反相输入端，以使得所述第一电容C1连接至所述电压源230和所述第一运算放大器221的反相输入端之间；所述第二电极板212经由所述第二固定电极212a连接至所述第二运算放大器222的反相输入端，以使得所述第二电容连接至所述电压源230和所述第二运算放大器222的反相输入端之间。所述第一反馈电容Cfa1连接于所述第一运算放大器221的反相输入端以及输出端之间，所述第二反馈电容Cfa2连接于所述第二运算放大器222的反相输入端以及输出端之间，所述第一反馈电容Cfa1和所述第二反馈电容Cfa2容值相等。所述第一运算放大器221的输出端连接至所述第三运算放大器223的反相输入端；所述第二运算放大器222的输出端连接至所述第三运算放大器223的同相输入端，所述第三运算放大器223的输出端连接至所述除法器240的输入端。
如图3、图7所示，所述电压源230、第三电容C3、所述第四电容C4、第三反馈电容Cfb以及第四运算放大器224连接形成参考电路。具体地，共用的可动电极板215连接至电压源230；所述第三电极板213经由第三固定电极213a连接至所述第四运算放大器224的反相输入端，所述第四电极板214经由所述第四固定电极214a连接至所述第四运算放大器224的反相输入端，以使得所述第三电容C3和所述第四电容C4分别连接于所述电压源230和所述第四运算放大器224的反相输入端之间。所述第三反馈电容Cfb连接于所述第四运算放大器224的反相输入端以及输出端之间。所述第四运算放大器224的输出端连接至所述除法器240的输入端。
所述检测电路用于对所述第一电容C1和所述第二电容C2进行差分检测；所述参考电路用于对所述第三电容C3和所述第四电容C4进行检测，所述除法器240用于消除所述检测电路输出电压与可动电极板位移之间的非线性关系。
具体地，所述第三运算放大器223的输出端的输出电压Uout1为：
所述第四运算放大器224的输出端的输出电压Uout2为：
其中，U1为第一运算放大器221输出端的输出电压；U2为第二运算放大器222输出端的输出电压；所述可动电极板215处于平衡位置时，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和所述第四电容C4分别为：
其中，d0为第一电极板211和可动电极板215、第二电极板212和可动电极板215、第三电极板213和可动电极板215、第四电极板214和可动电极板215之间的距离；A0为多个第一电极板211和多个可动电极板215相对面积的总和，同时为多个第二电极板212多个可动电极板215相对面积的总和；A01为多个第三电极板213和多个可动电极板215相对面积的总和，同时为多个第四电极板214和多个可动电极板215相对面积的总和。由上述公式可知，所述第一电容C1和所述第二电容C2相等；所述第三电容C3和所述第四电容C4相等，所述除法器的输出电压Uout为0。
当可动电极板215在第一方向(例如X方向)上发生位移时，所述可动电极板215与所述第一电极板211之间的距离、所述可动电极板215与所述第二电极板212之间的距离、所述可动电极板215与所述第三电极板213之间的距离以及所述可动电极板215与所述第四电极板214之间的距离发生变化，进而使得第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及所述第四电容C4发生变化。
当所述可动电极板215例如向着靠近第一电极板211的方向移动距离x时，所述可动电极板215与所述第一电极板211的距离为d0-x，所述可动电极板215与所述第三电极板213的距离为d0-x；同时，所述可动电极板215与所述第二电极板212之间的距离为d0+x，所述可动电极板215与所述第四电极板214的距离为d0+x；进而第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4发生变化，具体为：
所述第三运算放大器的输出端的输出电压Uout1如下：
所述第四运算放大器的输出端的输出电压Uout2如下：
所述除法器240输出端的输出电压Uout如下：
由上述公式可知，所述除法器240的输出端的输出电压Uout与可动电极板215的位移成正比，即所述除法器的输出电压Uout与可动电极板215的位移呈线性。
图8示出了本发明第二实施例的MEMS器件的结构示意图，如图8所示，本实施例中，所述MEMS器件300包括“三明治”式加速度敏感单元310、第一运算放大器321、第二运算放大器322、第三运算放大器323、第四运算放大器324、第一反馈电容Cfa1、第二反馈电容Cfa2、第三反馈电容Cfb、电压源330、除法器340。
图9示出了本发明第二实施例的MEMS加速度敏感单元310的结构示意图，如图9所示，本实施例中，所述加速度敏感单元310包括可动电极板315、第一电极板311、第二电极板312、第三电极板313以及第四电极板314。其中，所述第一电极板311和所述第三电极板313位于所述可动电极板315的一侧，所述第二电极板312和所述第四电极板314位于所述可动电极板315的另一侧，所述第一电极板311与所述可动电极板315之间构成第一电容C1，所述第二电极板312与所述可动电极板315之间构成第二电容C2，所述第三电极板313与所述可动电极板315之间构成第三电容C3，所述第四电极板314与所述可动电极板315之间构成第四电容C4。
与第一实施例不同的是，所述第一电极板311和所述第三电极板313由绝缘介质319隔离；所述第二电极板312和所述第四电极板314由绝缘介质319隔离。所述可动电极板315经由弹性梁317连接至锚点318，当所述MEMS器件受到Y方向加速度时，所述可动电极板315离开平衡位置沿Y方向移动，从而所述第一电容C1、所述第二电容C2、第三电容C3和所述第四电容C4发生变化。
其中，所述电压源330、所述第一电容C1、所述第二电容C2、电压源330、第一运算放大器321、第二运算放大器322、第三运算放大器323、第一反馈电容Cfa1和第二反馈电容Cfa2连接形成检测电路。所述电压源330、第三电容C3、所述第四电容C4、第三反馈电容Cfb以及第四运算放大器324连接形成参考电路。所述检测电路和所述参考电路的输出端连接至所述除法器340。所述检测电路和所述参考电路的连接结构与第一实施例相同，本实施例在此不再赘述。
以上实施例中，所述MEMS器件均包括MEMS加速度计，其中MEMS加速度计等效为包括检测电容(第一电容和第二电容)和参考电容(第三电容和第四电容)的平行板电容。在其他实施例中，所述MEMS器件还可以为任何其他可以等效为包括检测电容(第一电容和第二电容)和参考电容(第三电容和第四电容)的平行板电容的MEMS器件，例如MEMS陀螺等。
图10示出了一种MEMS陀螺敏感单元的结构示意图，所述MEMS陀螺敏感单元410包括可动电极板415、第一电极板411、第二电极板412、第三电极板413以及第四电极板414。
本实施例中，所述可动电极板415、第一电极板411、第二电极板412、第三电极板413以及第四电极板414的设置与第一实施例相同，即所述第一电极板411与所述可动电极板415之间构成第一电容C1，所述第二电极板412与所述可动电极板415之间构成第二电容C2，所述第三电极板413与所述可动电极板415之间构成第三电容C3，所述第四电极板414与所述可动电极板415之间构成第四电容C4，且所述第一电容C1和所述第二电容C2接入检测电路。所述第三电容C3和第四电容C4接入参考电路的连接结构与第一实施例相同，本实施例不再赘述。
与第一实施例不同的是，本实施例中，所述可动电极板415包括多个，多个所述可动电极板415固定连接于可动质量块416上。进一步地，所述可动质量块416为环形的质量块，所述可动电极板415固定于所述环形的可动质量块416相对的两个内侧壁上。进一步地，所述可动质量块416通过弹性梁417连接于驱动单元419上，所述驱动单元419的两端通过弹性梁418连接于锚点420，所述驱动单元419在驱动力作用下带动所述质量块416在图中的Y轴方向上简谐振动。当有沿Z轴方向的角速度输入时，产生沿X轴方向的科里奥利力，使可动质量块416与所述可动电极板415离开平衡位置，沿X轴方向产生位移x。
当没有角速度输入时，所述可动质量块和所述可动电极板处于平衡位置，所述第一电容C1和所述第二电容C2相等，例如为C0；所述第三电极板413的数量与所述第四电极板414的数量相等，所述可动质量块416处于平衡位置时，所述第三电容C3和所述第四电容C4相等。当有沿Z方向的角速度输入时，可动质量块416在科里奥利力作用下产生沿X轴方向的位移x。所述第一电容C1、所述第二电容C2、所述第三电容C3和所述第四电容C4均发生变化。
其中，所述第一电容C1、所述第二电容C2连接至检测电路。所述第三电容C3、所述第四电容C4连接至参考电路。所述检测电路和所述参考电路的输出端连接至所述除法器。所述检测电路和所述参考电路的连接结构与第一实施例相同，本实施例在此不再赘述。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种MEMS器件，其中，包括：
可动电极板；
位于所述可动电极板第一侧的第一电极板和第三电极板，所述第一电极板与所述可动电极板构成第一电容，所述第三电极板与所述可动电极板构成第三电容；以及
位于所述可动电极板第二侧的第二电极板和第四电极板，所述第二电极板与所述可动电极板构成第二电容，所述第四电极板与所述可动电极板构成第四电容；
其中，所述第一电容和所述第二电容连接至检测电路；所述检测电路用于对所述第一电容和第二电容进行差分检测；
所述第三电容和所述第四电容连接至参考电路；所述参考电路用于对所述第三电容和所述第四电容进行检测；
所述检测电路的输出端和所述参考电路的输出端连接至除法器的输入端，所述除法器用于消除所述检测电路的输出电压与可动电极板位移的非线性关系。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述可动电极板处于平衡位置时，所述第一电极板、第二电极板、第三电极板以及第四电极板与所述可动电极板之间的距离相等。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述第一电极板和所述第二电极板与所述可动电极板的相对面积相等；所述第三电极板和所述第四电极板与所述可动电极板的相对面积相等。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述检测电路包括：
第一运算放大器，所述第一电极板连接至所述第一运算放大器的反相输入端；
第二运算放大器，所述第二电极板连接至所述第二运算放大器的反相输入端；
第三运算放大器，其同相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端，其反相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端，其输出端连接至所述除法器的输入端；以及
第一反馈电容，连接于所述第一运算放大器的反相输入端以及输出端之间；
第二反馈电容，连接于所述第二运算放大器的反相输入端以及输出端之间；
其中，所述第一反馈电容与所述第二反馈电容容值相等。
5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述参考电路包括：
第四运算放大器，其反相输入端连接至所述第三电极板和所述第四电极板，其输出端连接至所述除法器；以及
第三反馈电容，连接于所述第四运算放大器的反相输入端以及输出端之间。
6.根据权利要求4或5所述的MEMS器件，其中，还包括电压源，所述电压源连接至所述可动电极板，用于向所述第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容提供电压。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述第一电极板和所述第三电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述第二电极板和所述第四电极板之间相互分离或者通过绝缘介质连接。
9.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述MEMS器件为MEMS加速度计。
10.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述MEMS器件为MEMS陀螺。
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Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1164286A (zh) * 1994-09-02 1997-11-05 辛纳普蒂克斯有限公司 目标位置检测器
US5986497A (en) * 1997-05-16 1999-11-16 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Interface circuit for capacitive sensor
JP2005017216A (ja) * 2003-06-27 2005-01-20 Act Lsi:Kk ３軸加速度センサ
TW200828779A (en) * 2006-10-17 2008-07-01 Marvell World Trade Ltd Crystal oscillator emulator
CN101968360A (zh) * 2010-07-05 2011-02-09 北京信息科技大学 一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统
CN102654409A (zh) * 2006-04-28 2012-09-05 松下电器产业株式会社 电容式传感器
CN103842831A (zh) * 2011-11-15 2014-06-04 富士电机株式会社 静电电容检测电路
CN104614552A (zh) * 2014-12-18 2015-05-13 清华大学 五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统
JP2016073045A (ja) * 2014-09-29 2016-05-09 富士電機株式会社 回転型アクチュエータ
CN107036636A (zh) * 2017-03-29 2017-08-11 广西安博特智能科技有限公司 一种差动式变极距垂直电极型电容传感器
CN107085124A (zh) * 2017-04-25 2017-08-22 湘潭大学 一种全差分力平衡模式mems加速度传感器信号处理电路
CN113534109A (zh) * 2020-04-22 2021-10-22 英飞凌科技股份有限公司 振荡器控制系统的延迟测量、监测和补偿
CN114509579A (zh) * 2021-03-31 2022-05-17 西安电子科技大学 采用电压控制比例读出技术的mems电容型加速度计接口电路
CN114765459A (zh) * 2021-01-12 2022-07-19 德克萨斯仪器股份有限公司 用于低带宽低噪声锁相环的高增益检测器技术
CN117490732A (zh) * 2022-07-25 2024-02-02 准懋(杭州)科技有限公司 一种mems器件

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1164286A (zh) * 1994-09-02 1997-11-05 辛纳普蒂克斯有限公司 目标位置检测器
US5986497A (en) * 1997-05-16 1999-11-16 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Interface circuit for capacitive sensor
JP2005017216A (ja) * 2003-06-27 2005-01-20 Act Lsi:Kk ３軸加速度センサ
CN102654409A (zh) * 2006-04-28 2012-09-05 松下电器产业株式会社 电容式传感器
TW200828779A (en) * 2006-10-17 2008-07-01 Marvell World Trade Ltd Crystal oscillator emulator
CN101968360A (zh) * 2010-07-05 2011-02-09 北京信息科技大学 一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统
CN103842831A (zh) * 2011-11-15 2014-06-04 富士电机株式会社 静电电容检测电路
JP2016073045A (ja) * 2014-09-29 2016-05-09 富士電機株式会社 回転型アクチュエータ
CN104614552A (zh) * 2014-12-18 2015-05-13 清华大学 五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统
CN107036636A (zh) * 2017-03-29 2017-08-11 广西安博特智能科技有限公司 一种差动式变极距垂直电极型电容传感器
CN107085124A (zh) * 2017-04-25 2017-08-22 湘潭大学 一种全差分力平衡模式mems加速度传感器信号处理电路
CN113534109A (zh) * 2020-04-22 2021-10-22 英飞凌科技股份有限公司 振荡器控制系统的延迟测量、监测和补偿
CN114765459A (zh) * 2021-01-12 2022-07-19 德克萨斯仪器股份有限公司 用于低带宽低噪声锁相环的高增益检测器技术
CN114509579A (zh) * 2021-03-31 2022-05-17 西安电子科技大学 采用电压控制比例读出技术的mems电容型加速度计接口电路
CN117490732A (zh) * 2022-07-25 2024-02-02 准懋(杭州)科技有限公司 一种mems器件

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HAITAO DING: "A High-Resolution Silicon-on-Glass Axis Gyroscope Operating at Atmospheric Pressure", IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 10, no. 6, 30 June 2010 (2010-06-30) *
XUESONG LIU: "Design and Fabrication of a lateral axis Gyroscope with Asymmetric Comb-Fingers as Sensing Capacitors", PROCEEDINGS OF THE 1ST IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON NANO/MICRO ENGINEERED AND MOLECULAR SYSTEMS, 21 January 2006 (2006-01-21) *

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