CN112684262B - 硅微米柱阵列三电极电离式mems电场传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及制备方法，包括三个自下而上依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极由内表面分布着采用深硅刻蚀法制备的硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔的阴极构成；第二电极由一面有硅微米柱阵列及设有小引出孔的引出极构成；第三电极由内表面设有深槽的收集极构成；三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。该传感器基于场致发射电离机理，通过检测输出电流，检测电场强度，与现有技术相比，量程宽、分辨率高、准确度高，可检测直流、交流及脉冲电场强度。

Description

硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及电场传感领域，特别是一种基于硅微米柱阵列及气体放电原理的可敏感静电场、交变电场及脉冲电场的电场传感器。

背景技术

电场传感器在航空航天、国防、智能电网、石油化工、工业生产、气象，以及科学研究等诸多领域，具有重要而广泛的应用。尤其在航空航天领域，只有在电场强度低于某一临界值时才能发射卫星。许多事实表明，强大气电场可能导致发射失败。加强电场监测，已成为卫星等航天器发射的重要决策依据之一。随着我国航空航天、智能电网等领域的发展，对电场传感器的灵敏度、量程、体积、抗干扰等性能的要求也越来越高。电场的测量方式较多，主要有电学式和光学式两大类。机械式电场传感器的原理是通过导体在电场中感应出一定量的电流或者电压，经过电路将信号放大，计算得到电场强度值。光学式电场传感器的原理是利用逆压电或电致伸缩等光学效应来改变光敏原件的外形或应力，依靠测量外形和应力等参数，从而推算出电场。比较常见的是基于Pockels效应的电场传感器，基于Kerr效应的电场传感器和基于光波导原理的传感器。电学式电场传感器中，2005年中科院电子所夏善红团队设计出一种压电驱动的纵向振动电场传感器，该电场传感器的感应电极和屏蔽电极交错分布，接地的屏蔽电极会在纵向振动。当屏蔽电极向上运动时，感应电极被隐藏在下面，大部分入射电场线将在屏蔽电极边缘终止，此时感应电极上不会感生很多电荷；而当屏蔽电运动向下运动，感应电极相对屏蔽电极在上面时，电场线则大部分终止于感应电极，此时感应电极能够感应出最多电荷。这种屏蔽方式可称之为边缘效应屏蔽方式，通过屏蔽电极的相对运动，感应电极上便会形成交变电荷，从而进行电场测量。该结构采用了压电悬臂梁驱动屏蔽电极，由于压电陶瓷与MEMS工艺兼容性的问题，该电场传感器的加工工艺比较复杂。夏善红团队还研制了多种基于电荷感应原理的电场传感器，但均存在量程窄、灵敏度低、分辨率低等缺点。光学式电场传感器中，西安交通大学丁晖教授等，报道了一种基于硅微丝的紧凑型光电传感器，成功地用于检测频率为50Hz的交变电场和200μs的脉冲电场，检测灵敏度分别为～1.24V·cm/kV和～1.27V·cm/kV，交变电场的检测范围：59V/cm-4kV/cm，脉冲电场的检测范围：60V/cm-14kV/cm，但是光学电场传感器中光吸收池大，造成整个传感系统体积大，分辨率低。重庆大学电气工程学院杨庆教授等，提出了一种具有来自双晶配置的共轭补偿的交变电场光学传感器，对于10Hz-1MHz频率、1.2-155kV/m的电场强度，测量误差<5％，但是分辨率低，为10kV/m。因此，目前对可在较宽的量程范围内进行电场检测的传感器的研究，成为亟待解决的技术问题。西安交通大学张勇教授课题组，在研究基于微纳结构的电离式气体传感器的过程中，发现传感器对电场响应明显(图1)，因此展开了基于硅微米阵列结构的三电极电离式MEMS电场传感器的研究。目前，还未见到国内外有关于此类传感器的研究成果报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，通过传感器收集电流的大小检测被测电场。通过实验与测试，获得本发明一种硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集电流与外电场之间的单值对应关系，能够检测直流电场、交流电场及脉冲电场的大小，具有量程宽、分辨率高、检测准确度高的优势。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，传感器包括三个自下而上依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极的硅基底内表面制备有硅微米柱阵列和小通孔，构成阴极；所述第二电极中心设有小引出孔及硅基底的一面制备有硅微米柱阵列，构成引出极；所述第三电极的硅基底内表面设有深槽，构成收集极；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；

所述第二电极硅基底制备硅微米柱阵列面与第一电极硅基底内表面相对；

在无源及有源条件下，传感器处于电场环境中时，在硅微米柱阵列场增强的作用下，场域中气体的场致电离及场致电子发射，将直流电场、交流电场及脉冲电场的变化转化为输出电流的变化，实现电场强度的检测。

优选的，所述硅微米柱直径为5～10μm，高度为10～60μm，左右间隔为10～30μm。

优选的，所述电场环境包括直流激励条件：50～500V；脉冲激励条件：电压峰值为50～500V，频率范围为10～100kHz，占空比为1～100％。

优选的，所述第一电极小通孔的孔径设定在0.6～3.6mm，第二电极小引出孔的孔径为1.0～5.0mm，第三电极深槽的边长、深度分别为1×1～8×8mm和100～240μm；

三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。

优选的，所述小通孔的孔径为0.6～3.6mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60～1/8；

所述小引出孔的孔径为1.0～5.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250～3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000～2/25；

所述深槽的边长、槽深分别为1×1～8×8mm和100～240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16～4/5。

优选的，所述第一电极的电极表面的小通孔为1～20个；所述第二电极引出极的小引出孔设有1～20个；所述第三电极收集极的深槽设有1～20个。

本发明进而给出了一种硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器的制备方法，包括下述步骤：

1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔及深槽的三个电极硅片作为基底，并进行深硅刻蚀前清洗、涂胶、曝光预处理；

2)硅微米柱阵列刻蚀：采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备传感器硅微米柱阵列；

在持续通入SF₆保护气体、C₄F₈刻蚀气体2～15s条件下，通过设定压力、射频功率、源功率、C₄F₈与SF₆气体的流量比和刻蚀速率，得到硅微米柱阵列；

3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；

4)封装：采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。

优选的，在Bosch工艺中，刻蚀和钝化交替进行，直至到达刻蚀深度要求。

优选的，步骤2)中，压力设定为6Pa，射频功率为20～70W，源功率为220～450W，C₄F₈与SF₆气体的流量比为1.5:1～5:1，刻蚀速率为80～400A/min。

本发明具有以下技术效果：

1)在第一电极硅基底内表面、第二电极硅基底的一面刻蚀硅微米柱阵列结构，制作传感器时，第一电极和第二电极的硅微米阵列结构相对，可以增强待测电场对阴极结构放电特性的影响，结构上构成了对被测微弱电场的一种物理结构上的放大器，不同于电路上的无源和有源放大器。硅材料功函数小，硅微米柱阵列结构具有较好的尖端发射特性及较大的场增强因子，对被测弱电场具有放大作用，使得传感器具有检测微弱电场的能力，分辨率高。硅微米柱阵列结构稳定，耐轰击能力强，强电场作用下具有稳定的性能，使得传感器检测量程宽。

2)通过三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定，使得传感器能够获得待测电场与收集电流之间的一一对应关系。能够检测直流电场、交流电场及脉冲电场的大小，具有量程宽、分辨率高、检测准确度高的优势。

制作传感器时，第一电极硅微米柱阵列与第二电极硅微米柱阵列相对，结构上构成了对被测微弱电场的一种物理结构上的放大器，不同于电路上的无源和有源放大器。硅材料功函数小，硅微米柱阵列具有较好的尖端发射特性及较大的场增强因子，对被测弱电场具有放大作用，使得传感器具有检测微弱电场的能力，分辨率高。硅微米柱阵列结构稳定，耐轰击能力强，强电场作用下具有稳定的性能，使得传感器检测量程宽。有源激励条件下，传感器具有较高的检测准确度。

附图说明

图1是现有技术三电极电离式传感器对电场的响应曲线；

图2是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器结构示意图；

图3是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器三维展示图；

图4是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，无源条件下，收集电流与静电场强度的单值关系；

图5是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，脉冲激励条件下，收集电流与静电场强度的单值关系；

图6是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，无源条件下，收集电流与工频电场强度的单值关系；

图7是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，脉冲激励条件下，收集电流与工频电场强度的单值关系；

图8是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，无源条件下，收集电流与脉冲电场强度的单值关系；

图9是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，直流激励条件下，收集电流与脉冲电场强度的单值关系；

图10是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，直流激励条件下，收集电流与射频电场强度的单值关系；

图11是本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，射频激励条件下，收集电流与射频电场强度的单值关系。

图中：1、第一电极；2、第二电极；3、第三电极；4、硅基底；5、玻璃绝缘支柱；6、硅微米柱；1-1、小通孔；2-1、小引出孔；3-1、深槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

图2、图3所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，包括三个自下而上依次分布的第一电极1、第二电极2和第三电极3，第一电极1由内表面制备有硅微米柱6阵列以及设有小通孔的硅基底4构成。第二电极2由内表面制备有硅微米柱6以及中心设有小引出孔2-1的引出极构成；第二电极硅基底制备硅微米柱阵列面与第一电极硅基底内表面相对；其中，硅微米柱直径为5～10μm，高度为10～60μm，左右间隔为10～30μm。第三电极3由板面设有深槽3-1的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱5相互隔离，绝缘支柱5分别设置在第一电极1与第二电极2之间、第二电极2与第三电极3之间，即绝缘支柱5分布于第二电极2正对第一电极1的表面两侧及第三电极3的内侧表面的两侧。

其中，小通孔1-1的孔径设定在0.6～3.6mm、小引出孔2-1的孔径为1.0～5.0mm，深槽3-1的边长、深度分别为1×1～8×8mm和100～240μm。当小通孔的孔径为0.6～3.6mm时，第一电极与第二电极间距之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60～1/8；当小引出孔的孔径为1.0～5.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250～3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000～2/25；当深槽的边长、槽深分别为1×1～8×8mm和100～240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16～4/5。

在本发明结构中，第一电极的电极表面的小通孔有1～20个，小通孔形状可以是圆形的；第二电极引出极的小引出孔设有1～20个，小引出孔形状可以是圆形的；第三电极收集极的深槽设有1～20个，深槽形状可以是矩形的。

在无源及有源条件下，传感器处于电场以下环境中：直流激励条件：50～500V；脉冲激励条件：电压峰值为50～500V，频率范围为10～100kHz，占空比为1～100％；在硅微米柱阵列场增强的作用下，场域中气体的场致电离及场致电子发射，将直流电场、交流电场及脉冲电场的变化转化为输出电流的变化，实现电场强度的检测。

本发明电极采用硅片材料制作；硅基底上制作硅微米柱阵列；第二电极和第三电极均采用硅片制作。

本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器的制备方法，采用以下步骤：

1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔及深槽的三个电极硅片作为基底，并进行深硅刻蚀前清洗、涂胶、曝光预处理；

2)硅微米柱阵列刻蚀：采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备传感器硅微米柱阵列；在Bosch工艺中，刻蚀和钝化交替进行，直至到达刻蚀深度要求。

在持续通入SF₆保护气体、C₄F₈刻蚀气体2～15s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为20～70W、源功率为220～450W、C₄F₈与SF₆气体的流量比为1.5:1～5:1和刻蚀速率为80～400A/min，得到硅微米柱阵列；

3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；

4)封装：采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。

下面通过传感器结构制作实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

第一电极的电极上有9个小通孔，孔径设定在1.2mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的比值为1/16；第二电极由中心有9个小引出孔，小引出孔的孔径为1.2mm，第一电极与第二电极之间、第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径之比为1/16；第一电极与第二电极上均制备有间隔为20μm，直径为10μm，高度为60μm的硅微米柱阵列结构，两个电极的硅微米阵列结构相对；第三电极上设有1个深槽，深槽的边长6×8mm，深度为200μm，第二电极与第三电极之间极间距与收集极深槽的孔深之比为15/40。

本实施例所使用的传感器结构，是通过课题组前期授权结构优化专利(ZL201610629640.8)的仿真方法优化所得，传感器的第一电极有9个小通孔时，传感器具有最大的收集电流密度。

本实施例硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器的硅微米柱阵列制备步骤如下：

1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔和深槽的三个硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；

2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。

在持续通入SF₆保护气体、C₄F₈刻蚀气体10s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为40W、源功率为220W、C₄F₈与SF₆气体的流量比为1.5:1和刻蚀速率为100A/min，得到硅微米柱阵列；

3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；

4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。

本发明第一电极的电极上设置有小通孔，便于对电场强度的放大；第二电极上设有正离子流小引出孔；第三电极收集极通过第二电极的小引出孔，可收集气体电离产生的正离子流。第一电极与第二电极之间、第二电极与第三电极之间通过绝缘支柱相互隔离。

本发明采取上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式传感器在测量电场强度时，在无源及有源条件下，呈现单值电场强度敏感关系。

采用上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，传感器处于电场以下环境中：直流激励条件：300V；脉冲激励条件：电压峰值为300V，频率范围为100kHz，占空比为100％；在硅微米柱阵列场增强的作用下，场域中气体的场致电离及场致电子发射，将直流电场、交流电场及脉冲电场的变化转化为输出电流的变化，实现电场强度的检测。

下面通过一个具体实例，对本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器检测电场强度做进一步说明。

实验获得了无源及脉冲激励条件下对静电场强度的单值敏感特性(图4、图5)。

图4所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在无源条件下测量静电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～45kV/m时的迟滞为6.7％，准确度为7.0％。

图5所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在脉冲激励条件下(电压300V，占空比35％，频率70kHz)测量静电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～200kV/m时的迟滞为3.3％，准确度为4.6％。

实施例2

本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：第一电极的电极上有16个小通孔，孔径设定在0.6mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔孔径的比值为1/600；第二电极由中心有16个小引出孔，小引出孔的孔径为0.5mm，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔孔径的比值为1/600；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔孔径的比值为1/500；第一电极与第二电极上均制备有间隔为10μm，直径为5μm，高度为10μm的硅微米柱阵列结构，两个电极的硅微米柱阵列结构相对；第三电极上设有12个深槽，深槽的边长1.0×1.0mm，深度为100μm，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之间的比值为1/1。

本实施例硅微米柱阵列三电极电离式传感器的硅微米柱阵列制备步骤如下：

1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔和深槽的三个硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；

2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。

在持续通入SF₆保护气体、C₄F₈刻蚀气体8s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为60W、源功率为300W、C₄F₈与SF₆气体的流量比为3.5:1和刻蚀速率为400A/min，得到硅微米柱阵列；

3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；

4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。

采用上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，传感器处于电场以下环境中：直流激励条件：50V；脉冲激励条件：电压峰值为50V，频率范围为80kHz，占空比为70％；在硅微米柱阵列场增强的作用下，场域中气体的场致电离及场致电子发射，将直流电场、交流电场及脉冲电场的变化转化为输出电流的变化，实现电场强度的检测。

实验获得了无源及脉冲激励条件下对工频电场强度的单值敏感特性(图6、图7)。

图6所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在无源条件下测量工频电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～13kV/m时的迟滞为3.0％，准确度为7.2％。

图7所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在脉冲激励条件下(电压12V，占空比16％，频率30kHz)测量工频电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～13kV/m时的迟滞为1.7％，准确度为5.5％。

实施例3

本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：第一电极的电极表面有20个小通孔，孔径为0.6mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔孔径之间的比值为1/8。第二电极中心有20个小引出孔，孔径为0.6mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为1/8。第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为1/8。第一电极与第二电极上均制备有间隔为30μm，直径为10μm，高度为60μm的硅微米柱阵列结构，两个电极的硅微米柱阵列结构相对；第三电极有20个深槽，边长、深度分别为0.5×0.5mm和240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之间的比值为15/28。

本实施例硅微米柱阵列三电极电离式传感器的硅微米柱阵列制备步骤如下：

1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔和深槽的三个硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；

2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。

在持续通入SF₆保护气体、C₄F₈刻蚀气体15s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为20W、源功率为400W、C₄F₈与SF₆气体的流量比为2.5:1和刻蚀速率为80A/min，得到硅微米柱阵列；

3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；

4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。

采用上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，传感器处于电场以下环境中：直流激励条件：200V；脉冲激励条件：电压峰值为500V，频率范围为40kHz，占空比为30％；在硅微米柱阵列场增强的作用下，场域中气体的场致电离及场致电子发射，将直流电场、交流电场及脉冲电场的变化转化为输出电流的变化，实现电场强度的检测。

实验获得了无源及直流激励条件下对脉冲电场强度的单值敏感特性(图8、图9)。

图8所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在无源条件下测量脉冲电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～25kV/m时的迟滞为2.1％，准确度为7.3％。

图9所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在直流激励条件下(电压100V)测量脉冲电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～25kV/m时的迟滞为1.5％，准确度为4.3％。

实施例4

本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：第一电极的电极表面有15个小通孔，孔径为1.2mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔孔径之间的比值为1/12。第二电极中心有15个小引出孔，孔径为1.2mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为1/12。第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为1/12。第一电极与第二电极上均制备有间隔为15μm，直径为8μm，高度为40μm的硅微米柱阵列结构，两个电极的硅微米柱结构相对；第三电极有20个深槽，边长、深度分别为0.5×0.5mm和200μm时，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之间的比值为1/2。

本实施例硅微米柱阵列三电极电离式传感器的硅微米柱阵列制备步骤如下：

1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔和深槽的三个硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；

2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。

在持续通入SF₆保护气体、C₄F₈刻蚀气体2s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为70W、源功率为450W、C₄F₈与SF₆气体的流量比为5:1和刻蚀速率为300A/min，得到硅微米柱阵列；

3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；

4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。

采用上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，传感器处于电场以下环境中：直流激励条件：500V；脉冲激励条件：电压峰值为50～500V，频率范围为10kHz，占空比为1％；在硅微米柱阵列场增强的作用下，场域中气体的场致电离及场致电子发射，将直流电场、交流电场及脉冲电场的变化转化为输出电流的变化，实现电场强度的检测。

实验获得了直流激励及射频激励条件下对射频电场强度的单值敏感特性(图10、图11)。

图10所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在50V直流激励条件下测量1.5MHz射频电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～20kV/m时的迟滞为1.2％，准确度为3.6％。

图11所示的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，在射频激励条件下(13.56MHz、幅值100V)测量1.5MHz射频电场强度的实施例中，随着电场强度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器收集极收集到的离子流增加，离子流与电场强度之间呈现单值上升关系，传感器量程为0～20kV/m时的迟滞为0.8％，准确度为3.4％。

本发明在相同实验条件下，采用实施例1-4的传感器结构均能够获得满足要求的实验效果。

表1是本发明传感器与现有技术传感器的性能对比。

表1本发明电场传感器与现有电场传感器对比

从表1可以看出，本发明硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器与现有电场传感器相比，其准确度、量程及分辨率均得到了提高，增强了实用性能，具有非常好的应用前景。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但上述实施例并不用于限定本发明。在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和结构范围的情况下，对技术特征所作的增加、变形或以本领域同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，传感器包括三个自下而上依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，其特征在于，所述第一电极的硅基底内表面制备有硅微米柱阵列和小通孔，构成阴极；所述第二电极中心设有小引出孔及硅基底的一面制备有硅微米柱阵列，构成引出极；所述第三电极的硅基底内表面设有深槽，构成收集极；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；

在持续通入SF₆保护气体、C₄F₈刻蚀气体2～15s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为20～70W、源功率为220～450W、C₄F₈与SF₆气体的流量比为1.5:1～5:1和刻蚀速率为80～400A/min，得到硅微米柱阵列；

所述第二电极硅基底制备硅微米柱阵列面与第一电极硅基底内表面相对；

所述硅微米柱直径为5～10μm，高度为10～60μm，左右间隔为10～30μm；

在无源及有源条件下，传感器处于电场环境中时，在硅微米柱阵列场增强的作用下，场域中气体的场致电离及场致电子发射，将直流电场、交流电场及脉冲电场的变化转化为输出电流的变化，实现电场强度的检测；

所述电场环境包括直流激励条件：50～500V；脉冲激励条件：电压峰值为50～500V，频率范围为10～100kHz，占空比为1～100％。

2.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，其特征在于，所述第一电极小通孔的孔径设定在0.6～3.6mm，第二电极小引出孔的孔径为1.0～5.0mm，第三电极深槽的边长、深度分别为1×1～8×8mm和100～240μm；

三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。

3.根据权利要求2所述的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，其特征在于，所述小通孔的孔径为0.6～3.6mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60～1/8；

所述小引出孔的孔径为1.0～5.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250～3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000～2/25；

所述深槽的边长、槽深分别为1×1～8×8mm和100～240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16～4/5。

4.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器，其特征在于，所述第一电极的电极表面的小通孔为1～20个；所述第二电极引出极的小引出孔设有1～20个；所述第三电极收集极的深槽设有1～20个。

5.一种权利要求1-4任一项所述硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔及深槽的三个电极硅片作为基底，并进行深硅刻蚀前清洗、涂胶、曝光预处理；

2)硅微米柱阵列刻蚀：采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备传感器硅微米柱阵列；

3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；

4)封装：采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。

6.根据权利要求5所述硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器的制备方法，其特征在于，在Bosch工艺中，刻蚀和钝化交替进行，直至到达刻蚀深度要求。

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