CN101685119B - 谐振式微型电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振式微型电场传感器，包括：一衬底；具有梳齿结构的激励电极由锚点固定在衬底的一侧；具有梳齿结构的振动敏感电极由锚点固定在衬底的另一侧；屏蔽电极和电场感应电极固定在激励电极和振动敏感电极中间位置的衬底区域上，其中，屏蔽电极和电场感应电极交错排列；横梁，位于屏蔽电极的中部；支撑梁，支撑梁的一端由锚点固定在衬底上，另一端与激励电极和振动敏感电极连接。本发明可以降低器件的静电激励电压，提高传感器的灵敏度和精度，进一步增强其环境抗干扰能力。

Description

谐振式微型电场传感器

技术领域

本发明涉及一种电场传感器，尤其涉及一种基于绝缘体上硅(SOI)技术的谐振式微型电场传感器。

背景技术

电场传感器是测量电场强度的装置，它广泛应用于国防、航空航天、气象探测、电力、地震预报、科学研究以及工业生产等多个领域，具有非常重要的作用。比如，借助电场传感器对地面和空中大气电场变化的监测，可以获取准确的气象信息，从而为导弹、卫星等飞行器发射升空提供安全保障；在工业生产领域，利用静电场传感器监测工业环境中的电势分布和电场分布，有助于我们及时采取有效的措施预防事故的发生；还有通过测量电力系统和电器设备周围电场，可用于故障监测和诊断等等。此外电场检测在静电防护、电磁环境监测、以及科学研究等方面也具有十分重要的应用。

微型电场传感器是基于MEMS技术制备的一类电场传感器，相对于采用传统机械加工技术的加工的电场传感器，是加工方式的改变。微型电场传感器具有体积小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生产等突出优点，很好地满足了电场传感器的发展趋势和需求，进一步拓宽了其应用领域。

谐振式微型电场传感器是基于谐振工作原理的微型电场传感器，该类传感器是基于获得最大电场感应灵敏度而设计的。目前，主要是本专利的发明者在论文“Design and testing of a micromechanical resonant electrostaticfield sensor，J.Micromech.Microeng.16(2006)914-919”和Kent H.Lundberg等在论文“A Self-Resonant MEMS-Based Electrostatic FieldSensor，Proceedings of the2006American Control Conference.Minneapolis，Minnesota，USA，June14-16，2006”中所描述的原理和器件。器件的敏感结构采用多晶硅工艺制备而成，主要包括梳齿激励结构、梳齿电容拾振结构、屏蔽电极、感应电极和支撑梁等部分组成，这种静电梳齿激励的谐振微型电场传感器结构尽管可获得较高的灵敏度和精度，但离实际应用要求仍然存在一定距离，此外激励电压较大，容易发生器件粘连，而且品质因数不高、信噪比低。

一般地，闭环自谐振采用“恒定驱动模式”提供恒定的驱动力，工作时，该传感器的振动结构以恒定的振动幅度来回周期振动。由于电场传感器的灵敏度取决于振动幅度和工作频率的乘积，因此，当频率发生变化，振幅恒定，传感器的灵敏度也将发生变化。

发明内容

针对现有微型电场传感器存在的问题，本发明的目的旨在提供一种基于SOI微机械加工技术的谐振式微型电场传感器。

为达成所述目的，本发明的第一方面，是提供一种谐振式微型电场传感器，其敏感结构单元包括：

一衬底；具有梳齿结构的激励电极由锚点固定在衬底的一侧；具有梳齿结构的振动敏感电极由锚点固定在衬底的另一侧；屏蔽电极和电场感应电极固定在激励电极和振动敏感电极中间位置的衬底区域上，其中，屏蔽电极和电场感应电极交错排列；横梁，位于屏蔽电极的中部；支撑梁，支撑梁的一端由锚点固定在衬底上，另一端与激励电极和振动敏感电极连接；闭环反馈控制电路部分的输入端与振动敏感电极相连的焊盘连接，而其输出端则接入与激励电极相连的焊盘，闭环反馈控制电路实现传感器屏蔽电极自动工作在谐振状态。

为达成所述目的，本发明的另一方面，是提供一种谐振式微型电场传感器，包括：两个传感器敏感结构，在两个传感器敏感结构之间的衬底上放置一个音叉结构，所述音叉结构与两个传感器的振动敏感电极平行，其中，所述音叉结构与两个传感器敏感结构的横梁连接。

本发明传感器敏感结构的激励电极、振动敏感电极与闭环反馈控制电路部分构成一个闭环反馈控制系统，实现传感器恒幅自激振动，从而保证传感器自动工作在谐振频率处，补偿环境引起的谐振频率变化，获取最大电场感应灵敏度。本发明传感器敏感结构的敏感电极的输出信号通过信号检测电路进行提取，并计算频率偏差，补偿谐振频率变化引起的灵敏度变化。本发明可以降低器件的静电激励电压，提高传感器的灵敏度和精度，进一步增强其环境抗干扰能力。

附图说明

图1a为本发明所述的一种基于SOI技术的谐振式微型电场传感器、

图1a1为图1a中屏蔽电极、电场感应电极、支撑梁、横梁及锚点部分连接的局部放大示意图；

图1a2为图1a中激励电极和振动敏感电极梳齿部分的局部放大示意图；

图1b为本发明所述的一种带有音叉结构的基于SOI技术的谐振式微型电场传感器，图1b1为图1b的部分结构放大图。

图2a为电场感应电极与屏蔽电极的平行极板布置方案；

图2b为电场感应电极与屏蔽电极梳齿结构布置方案。

图3a、图3b、图3c为本发明所述的可用于制备谐振式微型电场传感器的一种SOI工艺流程所包括的主要步骤，其中图3a是工艺流程的第一步，图3b是工艺流程的第二步，图3c是工艺流程的第三步。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明。

图1a为本发明所述的基于SOI技术的谐振式微型电场传感器结构示意图，所述传感器主要包括传感器敏感结构、闭环反馈控制电路部分2和信号检测电路部分3等，其中，所述传感器敏感结构主要包括衬底1、激励电极4、振动敏感电极5、屏蔽电极6、电场感应电极7、支撑梁8和多个锚点9等部分组成。具有梳齿结构的激励电极4由锚点9固定在衬底1的一侧；具有梳齿结构的振动敏感电极5由锚点9固定在衬底1的另一侧；屏蔽电极6和电场感应电极7固定在激励电极4和振动敏感电极5中间位置的衬底1区域上，其中，屏蔽电极6和电场感应电极7交错排列；横梁61，位于屏蔽电极6的中部；支撑梁8，支撑梁8的一端由锚点9固定在衬底1上，另一端与激励电极4和振动敏感电极5连接；闭环反馈控制电路部分2的输入端与振动敏感电极5相连的焊盘59连接，而其输出端则接入与激励电极4相连的焊盘49，闭环反馈控制电路2实现传感器屏蔽电极(6)自动工作在谐振状态。

本发明所述的基于SOI技术的谐振式微型电场传感器还包括如图1b所示的传感器敏感结构，除了包括衬底1、激励电极4、振动敏感电极5、屏蔽电极6、电场感应电极7、支撑梁8和多个固定锚点9等部分外，还包括音叉结构10，可进一步提高器件的品质因数(Q值)，提高灵敏度，并降低器件共模噪声。

针对本发明所述的基于SOI技术的谐振式微型电场传感器敏感结构，其中所述的一种结构如图1a所示：激励电极4和振动敏感电极5布置在传感器敏感结构的两侧，激励电极4布置在该结构一侧的衬底1上，而振动敏感电极5布置在传感器敏感结构另一侧的衬底1上。激励电极4和振动敏感电极5都采用梳齿结构。

梳齿结构是由如图1a2中所示激励电极4由第一固定梳齿41和第一可动梳齿42两部分组成，第一固定梳齿41包括：矩形块411和多个梳齿412，第一可动梳齿42包括：矩形块421和多个梳齿422；或振动敏感电极5由第二固定梳齿51和第二可动梳齿52两部分组成，第二固定梳齿51包括：矩形块511和多个梳齿512，第二可动梳齿52包括：矩形块521和多个梳齿522。

第一固定梳齿41和第一可动梳齿42两者中的梳齿交错平行排列。第一固定梳齿41包括一个与锚点9相连的矩形块411，以及在矩形块411侧面伸出的多个梳齿412构成，每个梳齿412基本是薄板式矩形结构，当然也可以是其他任何形状，例如，三角形、圆形或半圆形。而第一可动梳齿42基本与第一固定梳齿41相同，包括一个矩形块421，以及在矩形块421侧面伸出的多个梳齿422构成，每个梳齿422基本是薄板式矩形结构，当然也可以是其他任何形状，例如，三角形、圆形或半圆形。但可动梳齿42的矩形块不与锚点9相连，而与屏蔽电极6相连，因此，当屏蔽电极6振动时带动第一可动梳齿42一起运动。梳齿结构中的第一可动梳齿42和第一固定梳齿41两部分中伸出的齿交错布置。第一固定梳齿41也可以通过多个锚点9固定在衬底1上，在其中的一个锚点9上淀积金属，形成图1a中示出的金属焊盘49，便于通过引线压焊接入激励电压或者输出信号，其中作为激励电极4的金属焊盘49引入激励电压，而作为振动敏感电极5的则输出信号。横梁61的一端与激励电极4的第一可动梳齿42相连，而横梁61的另一端与振动敏感电极5的第二可动梳齿52相连。第二可动梳齿52与屏蔽电极6的连接方式可以通过杆状、不规则形状等结构连接。第二固定梳齿51和第二可动梳齿52也可采用与第一固定梳齿41和第一可动梳齿42相同的结构在此不详细赘述。

图1a1中示出了屏蔽电极6与电场感应电极7之间是一根长条矩形的横梁61，屏蔽电极6和电场感应电极7的长条矩形结构交错排列，且布置在激励电极4和振动敏感电极5中间位置的衬底1区域上。图1a1中也示出了支撑梁8的一端与锚点9相连，而支撑梁8的一端与与屏蔽电极6相连的第一可动梳齿42的矩形块421和第二可动梳齿52的矩形块521相连，或者支撑梁8也可直接与横梁61两端直接相连。支撑梁8主要作用在于支撑布置在衬底1区域上的屏蔽电极6，实现敏感结构周期振动，支撑梁8布置在屏蔽电极6的两侧，具体位置在此不一一列举。

针对屏蔽电极6和电场感应电极7的结构方式本发明示例了两种，如图2a和图2b所示，其中一种采用平行极板方式。如图2a所示，电场感应电极7和屏蔽电极6采用长条矩形结构，长条矩形结构以一定的间距交错平行布置，且电场感应电极7的长条形结构71、72与相邻屏蔽电极6的两个长条形结构的间距不等；此外，还可以采用梳齿结构形式进行布置，如图2b所示，此时电场感应电极7和屏蔽电极6之间基本也由长条形结构组成，但在两者的长条形结构上都带有一定数量的较短梳齿结构，相互之间交错间隔排列，工作时，能实现屏蔽电极6周期屏蔽电场感应电极7，从而引起电场感应电极7上的电荷量周期变化即可，产生与电场成正比的感应电流。

屏蔽电极6屏蔽电场感应电极7的结构布置方式采用差分敏感原理，如图2a所示，即以横梁61位于具有长条形结构的屏蔽电极6的中间位置，两个屏蔽电场感应电极7位于横梁61的两侧，当电场感应电极7上侧的长条形结构71靠近放置在长条形结构的屏蔽电极6的右侧，则电场感应电极7下侧的长条形结构72靠近放置在长条形结构的屏蔽电极6的左侧，从而当屏蔽电极6往右运动时，上面一侧的电场感应电极7的长条形结构71与靠近长条形结构的屏蔽电极6的之间的距离减小，而下面一侧的电场感应电极7的长条形结构72与靠近长条形结构的屏蔽电极6之间的距离增加。这样电场感应电极7的上面一侧的电荷量减少，而电场感应电极7的下面一侧的电荷量增加，从而产生差分敏感信号，可以降低共模噪声，提高器件的信噪比。包含激励电极4的第一可动梳齿42结构、振动敏感电极5的第二可动梳齿52结构、横梁61和屏蔽电极6的振动结构由四根支撑梁8支撑，每根支撑梁8的一端由一个锚点9与衬底1固定，如图1a所示。支撑梁8一般是长细梁，可以是直梁、二折梁或者不规则梁，也可以是其中任意一种形状的梁构成。支撑梁8的另一端可与激励电极4和振动敏感电极5的可动梳齿相连(或者也可与屏蔽电极6相连)，如图1a1所示。锚点9与衬底1是通过二氧化硅层固定的，且激励电极4(包括第一固定梳齿41和第一可动梳齿42)、振动敏感电极5(包括第二固定梳齿51和第二可动梳齿52)、屏蔽电极6、电场感应电极7、支撑梁8和固定锚点9等所有结构层都采用绝缘体上硅SOI材料的同一层(即，顶层单晶硅层)制备，与衬底1平面平行。

基于本发明图1a所述的传感器敏感结构，本发明还包括图1b和图1b1所述的传感器敏感结构。该传感器敏感结构与图1a所述的结构最大不同在于增加了音叉结构10。音叉结构10放置在两个相同的传感器敏感结构之间，并由传感器敏感结构的横梁61与音叉结构10相连。其中每个传感器敏感结构基本与图1a所述的传感器敏感结构相同，即包括用于构成传感器闭环谐振的传感器敏感结构部分：激励电极4、振动敏感电极5；用于屏蔽电场，实现产生与被测电场成正比的屏蔽电极6和电场感应电极7；以及用于支撑带有可动梳齿、屏蔽电极6的振动结构的支撑梁8；还包括用于固定结构的固定锚点9；所有的激励电极4、振动敏感电极5、屏蔽电极6、电场感应电极7、支撑梁8和固定锚点9都采用SOI的顶层单晶硅层制备，且与衬底1水平面平行。两个相同敏感结构靠近音叉结构10的一侧不用支撑梁8支撑，也可以用支撑梁8支撑。音叉结构10基本是由两根长条形的矩形条状结构组成，在两端合成一处，由锚点9与衬底1固定，且也采用SOI材料的顶层单晶硅层制备，与衬底1平面平行。

工作时，屏蔽电极6固定在零电势。通过闭环反馈控制电路部分2提取振动敏感电极5的输出信号，并经过幅度和相位调整后，作为激励电极4的输入信号，从而驱动屏蔽电极6来回振动。焊盘59接入闭环反馈控制电路部分2的输入端，用于提取振动信号，从而获取传感器的振动幅度，其中焊盘59是用于固定振动敏感电极5的锚点形成的；而闭环反馈控制电路部分2的输出接入焊盘49，用于提供激励信号，从而驱动传感器的屏蔽电极6，其中焊盘49是用于固定激励电极4的锚点形成的。

所述闭环控制电路2应该包括峰值提取电路、增益控制电路、相位调节电路和激励调整电路等部分组成，使得与激励电极4和振动敏感电极5构成的闭环系统满足闭环自激的幅度和相位条件，并且满足传感器的激励要求。此外，所述激励电极4和振动敏感电极5采用差分激励、差分敏感的结构布置方式，以尽可能减小耦合干扰和共模噪声。

本发明所述的电场感应电极7中的输出通过信号检测电路3进行电场信号的解算和提取。其中，信号检测电路3的工作原理采用基于相关检测的弱信号提取电路，应当主要包括电流电压转换电路、缓冲放大、增益控制、相敏解调电路以及高低通滤波器等部分组成，并根据谐振频率的变化量进行传感器输出灵敏度补偿。信号检测电路3的参考信号采用稳定工作后的振动敏感电极5输出的交流激励信号。电场感应电极7相连的焊盘79分别接入信号检测电路3的对应输入端，用于提取电场信号。

针对本发明的所述基于SOI技术的谐振式微型电场传感器敏感结构制备，本发明示例了其制备工艺流程，如图3a、图3b、图3c所示。该SOI基底材料至少包括底层单晶硅衬底1、中间氧化层11和顶层单晶硅12组成。本发明所述的SOI工艺流程至少应当包括：

1)首先淀积金属电极13，用于传感器敏感结构的激励电极4、振动敏感电极5、屏蔽电极6、电场感应电极7的金属电极；

2)然后，光刻、刻蚀顶层单晶硅12，制备出本发明所述传感器的敏感结构所包括的激励电极4、振动敏感电极5、屏蔽电极6、电场感应电极7和支撑梁8的形状(见图3b)；

3)最后，背面刻蚀SOI底层衬底1，腐蚀中间氧化层11，释放所述传感器敏感结构(见图3c)。此外，在工艺中还可增加氧化、掺杂等步骤，提供保护或增强导电特性等功能。本发明考虑标准的商业化SOI工艺流程，比如MEMSCAP公司的标准SOI工艺等。

尽管已经参考其示例性实施例来特别显示和介绍了本发明，然而本领域的普通技术人员可以理解，在不偏离权利要求所定义的本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种形式上和细节上修改。

Claims (21)

1.一种谐振式微型电场传感器，其特征在于，其传感器敏感结构包括：

一衬底(1)；

具有梳齿结构的激励电极(4)由锚点(9)固定在衬底(1)的一侧；

具有梳齿结构的振动敏感电极(5)由锚点(9)固定在衬底(1)的另一侧；

屏蔽电极(6)和电场感应电极(7)固定在激励电极(4)和振动敏感电极(5)中间位置的衬底(1)区域上，其中，屏蔽电极(6)和电场感应电极(7)交错排列；

横梁(61)，位于屏蔽电极(6)的中部；

支撑梁(8)，支撑梁(8)的一端由锚点(9)固定在衬底(1)上，另一端与激励电极(4)和振动敏感电极(5)连接；

闭环反馈控制电路部分(2)的输入端与振动敏感电极(5)相连的焊盘(59)连接，而其输出端则接入与激励电极(4)相连的焊盘(49)，闭环反馈控制电路(2)实现传感器屏蔽电极(6)自动工作在谐振状态。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁(8)是直梁、二折梁或不规则梁。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁(8)为四根。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述激励电极(4)、振动敏感电极(5)、屏蔽电极(6)、电场感应电极(7)、支撑梁(8)和锚点(9)采用相同的材料并位于同一平面，所述材料是绝缘体上硅SOI的顶层单晶硅。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述屏蔽电极(6)和电场感应电极(7)采用长条矩形结构。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述电场感应电极(7)的长条矩形与相邻的屏蔽电极(6)的两个长条矩形的间距不相等。

7.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，在所述长条矩形侧面伸出的多个梳齿。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁(8)的另一端与屏蔽电极(6)相连的第一矩形块(421)或第二矩形块(521)相连，或者支撑梁(8)的另一端与横梁(61)的直接相连。

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述激励电极(4)的梳齿结构包括第一固定梳齿(41)和第一可动梳齿(42)，振动敏感电极(5)的梳齿结构包括第二固定梳齿(51)和第二可动梳齿(52)，所述激励电极(4)的第一可动梳齿(42)与横梁(61)的一端连接，振动敏感电极(5)的第二可动梳齿(52)与横梁(61)的另一端连接。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述第一固定梳齿(41)具有第三矩形块(411)，在第三矩形块(411)侧面伸出的多个第三梳齿(412)；所述第二固定梳齿(51)具有第四矩形块(511)，在第四矩形块(511)侧面伸出的多个第四梳齿(512)。

11.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述第一固定梳齿(41)、第二固定梳齿(51)通过锚点(9)固定在衬底(1)上。

12.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述第一可动梳齿(42)具有第一矩形块(421)，在第一矩形块(421)侧面伸出的多个第一梳齿(422)；所述第二可动梳齿(52)具有第二矩形块(521)，在第二矩形块(521)侧面伸出的多个第二梳齿(522)。

13.根据权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述多个第一梳齿(422)和第二梳齿(522)的形状是矩形薄板、三角形、圆形或半圆形。

14.根据权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述的第一可动梳齿(42)和第二可动梳齿(52)分别与支撑梁(8)的一端连接。

15.根据权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述第一矩形块(421)、第二矩形块(521)通过横梁(61)与屏蔽电极(6)相连。

16.根据权利要求15所述的传感器，其特征在于，所述横梁(61)是杆状或不规则形状。

17.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，采用两个传感器敏感结构，在两个传感器敏感结构之间的衬底上(1)放置一个音叉结构(10)，所述音叉结构(10)与两个传感器敏感结构的振动敏感电极(5)平行，其中，所述音叉结构(10)与两个传感器敏感结构的横梁(61)连接。

18.根据权利要求17所述的传感器，其特征在于，所述音叉结构(10)包括两根长条形的矩形条状构成，在两根长条形的矩形条状结构的两端固定在同一锚点(9)，且该锚点(9)与衬底(1)固定。

19.根据权利要求18所述的传感器，其特征在于，所述音叉结构(10)采用绝缘体上硅SOI材料的顶层单晶硅。

20.根据权利要求17所述的传感器，其特征在于，靠近音叉结构(10)两侧的振动敏感电极(5)直接和传感器敏感结构的横梁(61)连接。

21.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括由多个传感器敏感结构构成二维或者三维电场传感器，用于测量二维或者三维电场。

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