摘要：梳齿式电容微加速度传感器是电容式微加速度传感器的一种典型结构，具有结构简单、灵敏度高、响应快等优点，其以优越的性能和应用价值而成为国内外攻关的热点之一。本文通过对梳齿式电容微机械加速度传感器这一主题的专利文献进行分析，梳理了其在全球范围内的专利申请发展趋势，统计分析了其国内外主要申请人的申请量排名情况以及申请人的主要类型构成，并对梳齿式电容微加速度传感器的部分核心专利技术进行了归纳和分析。
关键词：梳齿；电容；加速度；传感器
一、引言
梳齿式电容微加速度传感器主要包括梁结构、敏感质量块和梳齿电容检测结构，其在敏感质量块上伸出很多悬臂电极，敏感质量块、梁结构和悬臂电极是该结构中的可动部分，并通过锚点固定于基底，上极板和下极板为固定电极，与基底相连，一个上极板和一个下极板之间都有一个悬臂电极形成一组差分电容。梳齿式敏感元件通过把若干个极板正对面积较小的电容并联起来形成相对较大的电容，将所有的上极板和下极板分别用金属线连接起来，就可以实现这种并联，整个梳齿结构实际上就是一个大的差分电容。采用该结构类型的传感器可以制作反馈结构实现闭环控制，利于精度的提高。工艺方面，此类型微速度传感器的制作方法基本上与大规模集成电路的工艺技术相互兼容。目前，梳齿式电容微加速度传感器研究较多并己经得到了成功的应用。
二、专利分析
本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和外文专利文摘库（VEN）中，通过关键词和分类号相结合的方式对与梳齿式电容微加速度传感器相关的且已经收录并公开的专利文献进行了检索。
2.1专利申请人分布状况分析
经过检索发现，全球范围内关于梳齿式电容微加速度传感器的专利申请共计3344项，其中向中国专利局提交的国内申请为706项。根据统计分析可以知道排名前四的申请人分别为罗伯特博世有限公司、电装株式会社、应用材料公司、亚德诺半导体公司（简称ADI），其中，罗伯特博世有限公司主要从事汽车与智能交通技术、工业技术、消费品和能源及建筑技术的产业，该企业被引次数最高的专利是DE4241045A，被引次数高达353次，其是关于硅基材加工方法。而美国ADI公司在梳齿式电容微加速度传感器领域的研究起步比较早，其于1989年开始进行叉指电容式力平衡加速度计的研究，由ADI公司生产的ADXL50和ADXL05型加速度计是近年来微惯性加速度计的标志性产品，该ADXL系列的微机械电容式加速度传感器的结构为叉指式，其将惯性敏感单元、伺服电子线路和信号处理电路集成在一块硅基片上，其机械部分采用表面微机械制作，电路部分采用CMOSIC技术制作，该系列传感器利用表面硅微机械加工工艺与集成电路工艺相兼容的特点，将传感器与处理电路同时加工在一块芯片上，解决了电容量小、易受分布电容影响的问题。除1994年AnalogDevice成功推出ADXL50后，一些半导体公司也相应的推出了自己的产品，如飞思卡尔的MMA系列，博世的BMA和SMB系列，意法半导体的AIX和LIS系列和美新的MXR系列等。2003年以来，Bosch、ADI、BEISensor、DelphiDelco、Denso、Freescale等公司都是以各种传感器，特别是车用传感器闻名于业界。此外，近年来一些半导体公司如ST、Fairchild、Infineon也积极投入到有关MEMS的研究中，这些半导体公司主要研究有关MEMS传感器的应用。
2.2国内申请人类型分析
就该领域专利申请的主体看，国外申请的主体相对集中，其申请主体大部分为企业，大专院校及科研单位所占比例比较小，而国内申请则呈现主体多元化的态势，该领域中国专利申请的主要来源为企业、大专院校及科研单位，个人申请比较少。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中，中国在该领域的企业申请人大部分为国外企业如电装株式会社、精工爱普生株式会社、松下电器产业株式会社等，而国内从事微机械加速度计研制的单位主要有清华大学、东南大学、北京大学、中科院上海微系统所、杭州电子科技大学等。
2.3梳齿式电容微机械加速度传感器的专利发展分析
目前国内外对梳齿式电容微加速度传感器的研究集中于在现有的工艺条件下对系统性能的提高，包括灵敏度、带宽、线性度、噪声特性、稳定性等，可通过对微加速度计的结构进行优化设计、研究更优的MEMS微加工技术以及通过对接口电路的优化设计来提高梳齿式电容微机械加速度传感器的性能。
在结构的优化设计方面，微机械加速度传感器的弹性支撑梁类型的选择、弹性系数的计算、工作中所受到阻尼的类型与大小是研究的重点。而梁结构的设计直接关系到微传感器的量程、分辨率以及横向灵敏度等性能参数，如何选择合理的梁结构形式和参数，是微加速度计设计的重要内容，其中，直行梁、L形梁、U形折叠梁、蛇形折叠梁均是梳齿式电容微机械加速度传感器中常见的梁结构。国内主要的MEMS研究集中在微器件的设计制造方面，国内的许多高校、科研院开展了用建模仿真法对叉指式微加速度计进行分析的研究，在系统仿真分析的基础上提出优化设计的方向。如清华大学的董景新等人在专利CN103983807A中通过采用不等高振梁的方式，将三轴谐振式加速度计集成在一个芯片上，制成了一种梳齿式电容微机械加速度传感器。
在加工技术的改进方面，MEMS微加工技术总的发展趋势是：（1）加工技术从单一加工技术向组合加工技术发展；（2）从简单的平面硅结构微加工向着三维结构以及更加复杂的组合结构加工发展；（3）LIGA技术是MEMs微加工技术的一个重要发展方向；（4）加工材料从单纯的硅向着各种不同类型的非硅材料发展，比如玻璃、陶瓷、树脂、金属及一些有机物；（5）加工工艺将不断地进行标准化。
在接口电路的优化设计方面，梳齿式电容微加速度传感器的接口电路分为开环式和闭环式两种，通常为了显著提高梳齿式电容微加速度传感器的性能，需要引入静电力负反馈即闭环控制使敏感质量块在上下极板中间位置附近保持力平衡化态。闭环数字微加速度计接口电路利用Sigma-Delta（ΣΔ）调制技术来实现闭环反馈和数字输出，低噪声、高稳定性、高灵敏度、低功耗的ΣΔ微加速度计接口电路是国内外研究的热点，而国外的Sigma-Delta调制技术发展己经比较成熟，己经将该技术商品化，如美国的德州仪器公司、美国ADI公司、法国Sercel公司、日本日立公司都已取得一定的成果。
三、总结
通过对梳齿式电容微加速度传感器的国内外专利技术进行统计和分析，在了解梳齿式电容微加速度传感器的发展概况和明晰该领域技术发展趋势后，能够快速理解专利申请的技术方案，准确定位发明点，可以有效判断和定位对比文件，进一步提高审查效率。
参考文献：
[1]“一种叉齿式微硅加速度计的设计与分析”，秦君华等，《宇航学报》，第23卷第1期，2002年01月31日，第83-86页。
[2]“梳齿式微加速度计闭环系统性能的分析与优化”，吴天准等，《仪器仪表学报》，第27卷第3期，2006年03月31日，第285-289页。
[3]“一种梳齿力平衡式微加速度计”，刘恒等，《仪表技术与传感器》，第6期，2012年06月30日，第16-18、21页。
[4]“梳齿式电容加速度传感器的原理和性能分析”，胡雪梅等，《武汉理工大学学报》，第31卷第8期，2009年04月30日，第120-122、127页。
论文作者:伊慧贞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/29
标签：梳齿论文; 传感器论文; 加速度论文; 电容论文; 加速度计论文; 结构论文; 极板论文; 《基层建设》2019年第5期论文;