CN113125865A - 振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器 - Google Patents

振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN113125865A
CN113125865A CN202110386100.2A CN202110386100A CN113125865A CN 113125865 A CN113125865 A CN 113125865A CN 202110386100 A CN202110386100 A CN 202110386100A CN 113125865 A CN113125865 A CN 113125865A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vibrating
electric field
electrode
field sensor
fixed electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110386100.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113125865B (zh
Inventor
彭春荣
李嘉晨
郑凤杰
毋正伟
任仁
夏善红
吕曜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerospace Information Research Institute of CAS
Original Assignee
Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospace Information Research Institute of CAS filed Critical Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority to CN202110386100.2A priority Critical patent/CN113125865B/zh
Publication of CN113125865A publication Critical patent/CN113125865A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113125865B publication Critical patent/CN113125865B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12Measuring electrostatic fields or voltage-potential
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02Sensors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

一种振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器,其中振动电容式微型电场传感器包括:振动电极、固定电极、支撑梁、支撑梁锚区、固定电极锚区和衬底;支撑梁锚区与固定电极锚区均设置在衬底上;振动电极包括悬空设置在衬底上方的振动薄膜元件;所述振动薄膜元件通过支撑梁固定在支撑梁锚区上;固定电极设置在振动薄膜元件的至少一侧。本发明通过对振动电极和固定电极采用共面叉指布置、共面相对布置或平行相对布置形式,使振动电极在电场力作用下发生位移,导致振动电极与固定电极的电容值发生改变,通过检测电容值实现对被测电场的测量;本发明所述的电场传感器不需要额外引入驱动电压,具有功耗低,可实现交直流宽频带电场测量的优点。

Description

振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,简称MEMS)领域,尤其涉及一种振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器。
背景技术
基于MEMS(微机电系统)的电场传感器是一种用来测量电场强度的器件,广泛应用于气候气象、电力电网、石油化工、航空航天等各个领域。当电场传感器组成无线传感网络用于电力电网监测时,传感节点的能耗和体积问题是不得不考虑的问题。
随着MEMS技术的发展,相对于传统电场传感器,基于MEMS技术的电场传感器体积减小、更易制造和集成。其中大多数提出的MEMS电场传感器都是利用外加驱动电压来驱使驱动结构发生位移,然后基于电荷感应原理实现对待测电场的测量,其受限于工作原理的限制,也带来功耗较高的缺点。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种振动电容式微型电场传感器及其制备方法,以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
本发明针对电力物联网应用以及智能电网发展的实际需求,采用先进MEMS(微机电系统)技术,提出一种振动电容式低功耗、高精度微型电场传感器。
为实现上述目的,作为本发明的一个方面,本发明提供了一种振动电容式微型电场传感器,包括:
振动电极、固定电极、支撑梁、支撑梁锚区、固定电极锚区和衬底;其中,支撑梁锚区与固定电极锚区均设置在衬底上;
振动电极包括振动薄膜元件,振动薄膜元件悬空设置在衬底上方;所述振动薄膜元件通过支撑梁固定在支撑梁锚区上;
固定电极,设置在振动薄膜元件的至少一侧;所述固定电极固定在固定电极锚区上。
所述振动电极在电场的激励作用下产生振动,与固定电极产生位移,引起振动式电容装置的电容值发生改变,即电场信号转化为电容变化量信号,从而实现对被测电场或电压的测量。
作为本发明的又一方面,还公开了一种振动电容式微型电场传感器,包括:
振动电极、固定电极、支撑梁、支撑梁支撑结构和衬底;其中,支撑梁支撑结构设置在衬底上;
振动电极包括振动薄膜元件,振动薄膜元件悬空设置在衬底上方;所述振动薄膜元件通过支撑梁固定在支撑梁支撑结构上;
固定电极设置在衬底上,固定电极平行于所述振动电极。
所述振动电极在电场的激励作用下产生振动,与固定电极产生位移,引起振动式电容装置的电容值发生改变,即电场信号转化为电容变化量信号,从而实现对被测电场或电压的测量。
作为本发明的再一个方面,还公开了如上所述的振动电容式微型电场传感器的制备方法,包括:
S1:在SOI晶圆顶部的器件层上方的光刻胶层刻画设定的图案;
S2:依据步骤S1中所述图案刻蚀器件层,形成振动电极、固定电极、支撑梁、支撑梁锚区和固定电极锚区;
S3:在SOI晶圆底部的衬底硅层刻蚀出窗口;
S4:通过窗口刻蚀SOI晶圆中部的氧化层,释放器件层,并形成衬底,完成所述的振动电容式微型电场传感器的制备。
作为本发明的又一个方面,还公开了如上所述的振动电容式微型电场传感器的制备方法,包括:
S1:在衬底上制备固定电极;
S2:刻蚀SOI晶圆顶部的器件层,形成一个凹槽以及支撑梁支撑结构;
S3:将步骤S2得到的SOI晶圆倒扣在衬底上,并进行键合;
S4:刻蚀步骤S3中的SOI晶圆,去除步骤S3中SOI晶圆的衬底硅层和氧化层;
S5:刻蚀步骤S4得到的SOI晶圆器件层,形成振动电极、支撑梁和支撑梁锚区,完成所述振动电容式微型电场传感器的制备。
最后,作为本发明的再一个方面,还公开了一种电场传感器,内含有如上所述的振动电容式微型电场传感器;
其中,上述电场传感器包括二维电场传感器或三维电场传感器。
基于上述技术方案可以看出,本发明振动电容式微型电场传感器及其制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一:
1、本发明通过对振动电极和固定电极采用共面叉指交错布置、共面相对布置或平行相对布置形式,使振动电极在电场力作用下发生位移,导致振动电极与固定电极的电容发生改变,通过电容检测电路实现对被测电场与电压的测量;因而不需要额外引入驱动电压,实现了非接触式测量,具有功耗低,可实现交直流宽频带电场测量的优点;
2、本发明的振动电容式微型电场传感器采用微纳制造工艺,体积小,制造成本低,容易实现批量化制造和系统集成,有利于在电力物联网以及智能电网中高强度电场或电压测量的广泛应用。
附图说明
图1是本发明实施例中共面叉指型振动电容式微型电场传感器的结构示意图;
图1a是本发明实施例中共面叉指型振动电容式微型电场传感器的局部放大图;
图2是本发明实施例中共面相对型振动电容式微型电场传感器的结构示意图;
图3是本发明实施例中平行相对型振动电容式微型电场传感器的结构示意图;
图4是本发明实施例中不同形状支撑梁的结构示意图;
图5本发明实施例中共面叉指型振动电容式微型电场传感器的制备流程图;
图6是本发明实施例中的平行相对型振动电容式微型电场传感器的制备流程图。
附图标记说明:
1-振动电极;11-振动薄膜元件;12-移动电极元件;
2-固定电极;
3-支撑梁;
41-支撑梁锚区;42-固定电极锚区;
3a-直形支撑梁;
3b-蛇形支撑梁;
3c-L形支撑梁;
3d-U形支撑梁;
3e-不规则形支撑梁;
5-衬底;
6-支撑梁支撑结构;
701-器件层;
702-氧化层;
703-衬底硅层;
704-光刻胶层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了振动电容式微型电场传感器,包括:
振动电极1、固定电极2、支撑梁3、支撑梁锚区41、固定电极锚区42和衬底5;其中,支撑梁锚区41与固定电极锚区42均设置在衬底5上;
振动电极1包括振动薄膜元件11,振动薄膜元件11悬空设置在衬底5上方;所述振动薄膜元件11通过支撑梁3固定在支撑梁锚区41上;
固定电极2,设置在振动薄膜元件11的至少一侧;所述固定电极2固定在固定电极锚区42上。
所述振动电极1在电场的激励作用下产生振动,与固定电极2产生位移,引起振动式电容装置的电容值发生改变,即电场信号转化为电容变化量信号,从而实现对被测电场或电压的测量。
在本发明的一些实施例中,所述固定电极2与所述振动电极1共面相对设置。
在本发明的一些实施例中,所述振动电极1还包括:移动电极元件12,移动电极元件12设置在所述振动薄膜元件11的至少一侧;
其中,所述移动电极元件12与所述固定电极2的平面投影形状均为梳齿状,且移动电极元件12与所述固定电极2形成共面叉指结构。
在本发明的一些实施例中,所述振动电极1的激励方式包括静电方式、电磁方式或压电方式;
在本发明的一些实施例中,所述振动薄膜元件11的形状包括矩形、正方形、圆形或三角形;
在本发明的一些实施例中,所述振动薄膜元件11的结构包括完整的薄膜结构或设置有通孔的薄膜结构;
在本发明的一些实施例中,所述通孔的形状包括星形、扇形、矩形、正方形、圆形或三角形;
在本发明的一些实施例中,所述支撑梁3包括直梁、L形梁、U形梁或蛇形梁;
本发明还公开了一种振动电容式微型电场传感器,包括:
振动电极1、固定电极2、支撑梁3、支撑梁支撑结构6和衬底5;其中,支撑梁支撑结构6设置在衬底5上;
振动电极1包括振动薄膜元件11,振动薄膜元件11悬空设置在衬底5上方;所述振动薄膜元件11通过支撑梁3固定在支撑梁支撑结构6上;
固定电极2设置在衬底5上,固定电极2平行于所述振动电极1。
在本发明的一些实施例中,上述振动电容式微型电场传感器还包括:支撑梁锚区41;
在本发明的一些实施例中,所述支撑梁锚区41设置在所述支撑梁支撑结构6顶部,所述支撑梁3与支撑梁锚区41连接。
所述振动电极1在电场的激励作用下产生振动,与固定电极2产生位移,引起振动式电容装置的电容值发生改变,即电场信号转化为电容变化量信号,从而实现对被测电场或电压的测量。
本发明还公开了一种如上所述的振动电容式微型电场传感器的制备方法,包括:
S1:在SOI晶圆顶部的器件层701上方的光刻胶层704刻画设定的图案;
S2:依据步骤S1中所述图案刻蚀器件层701,形成振动电极1、固定电极2、支撑梁3、支撑梁锚区41和固定电极锚区42;
S3:在SOI晶圆底部的衬底硅层703刻蚀出窗口;
S4:通过窗口刻蚀SOI晶圆中部的氧化层702,释放器件层701,并形成衬底5,完成所述的振动电容式微型电场传感器的制备。
本发明又公开了一种如上所述的振动电容式微型电场传感器的制备方法,包括:
S1:在衬底5上制备固定电极2;
S2:刻蚀SOI晶圆顶部的器件层701,形成一个凹槽以及支撑梁支撑结构6;
S3:将步骤S2得到的SOI晶圆倒扣在衬底5上,并进行键合;
S4:刻蚀步骤S3中的SOI晶圆,去除步骤S3中SOI晶圆的衬底硅层703和氧化层702;
S5:刻蚀步骤S4得到的SOI晶圆器件层701,形成振动电极1、支撑梁3和支撑梁锚区41,完成所述振动电容式微型电场传感器的制备。
本发明又公开了一种电场传感器,内含有如上所述的振动电容式微型电场传感器;
在本发明的一些实施例中,所述电场传感器包括二维电场传感器或三维电场传感器。
本发明的一个实施例公开了一种振动电容式微型电场传感器,包括振动电极1、固定电极2、支撑梁3、锚区(即支撑梁锚区41和固定电极锚区42)和衬底5等部分组成,其中所述振动电极1在电场力作用下发生位移,导致与固定电极2的电容值发生改变,通过电容检测电路实现对被测电场或电压的测量。所述振动电极1与固定电极2可以是共面叉指布置、共面相对布置、平行相对布置结构。所述振动电极1通过支撑梁3以及锚区(即支撑梁锚区41)固定在衬底5上。本实施例所述的电场传感器不需要额外引入驱动电压,具有功耗低,可实现交直流宽频带电场测量的优点;所述电场传感器采用微纳制造工艺,体积小,有益于实现批量化制造和系统集成,在降低成本的同时,能够广泛应用于电力物联网以及智能电网中,用于测量高强度电场(例如电场强度≥10kV/m)或测量高强度电压(例如电压≥35kV)。
在本发明的一个实施例中,公开了一种振动电容式微型电场传感器,其特征在于,包括振动电极1、固定电极2、固定电极锚区42、支撑梁3、支撑梁锚区41和衬底5;
振动电极1与固定电极2形成电容,所述振动电极1在电场激励作用下产生振动,引起与固定电极2的电容发生改变,从而实现被测电场的测量;所述振动电极1可以通过静电、电磁、压电方式激励振动。
其中,所述振动电极1可以为薄膜结构(即振动薄膜元件11),或在薄膜结构(即振动薄膜元件11)的至少一个侧面设置有梳齿状结构(即移动电极元件12);
所述振动薄膜元件11通过支撑梁3和支撑梁锚区41固定在衬底5上;所述固定电极2通过固定电极锚区42固定在衬底5上。
其中,如图1所示,所述固定电极2采用平面投影形状为梳齿状的结构,与移动电极元件12形成共面叉指结构,如图1a所示;所述移动电极元件12可分布在振动薄膜元件11一侧、两侧或四周等,振动电极1与固定电极2构成共面叉指型电容装置;
其中,如图2所示,所述固定电极2采用平板结构,与由振动薄膜元件11构成的振动电极1共面相对设置,此时振动电极1与固定电极2构成共面相对型电容装置;
此外,如图3所示,还包括振动电极1与固定电极2构成上下型平行板布置的振动电容式微型电场传感器,所述固定电极2设置在衬底5上,且平行于由振动薄膜元件11构成的振动电极1,固定电极2与振动电极1形成平行相对结构,构成平行相对型电容装置;
所述振动薄膜元件11的形状包括但不限于方形薄膜结构、圆形薄膜结构或不规则形状结构,所述振动薄膜元件11包括完整的薄膜结构或设置通孔的薄膜结构,上述通孔形状包括圆形、方形、三角形、扇形或星形。
如图4所示,所述支撑梁3的形状包括但不限于直梁3a、蛇形梁3b、L形梁3c、U形梁3d或不规则梁3e,所述支撑梁3的位置包括布置在振动薄膜元件11的顶角,或分布在振动薄膜元件11侧边;所述支撑梁3的数量至少为一组。
本发明公开的实施例提供的振动电容式微型电场传感器的制备方法包括微纳米加工技术、微机电系统(MEMS)技术、SOI MEMS(基于SOI硅片的微加工工艺)、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术。
本发明的一个实施例中还公开了一种二维电场传感器,由上述振动电容式微型电场传感器的的敏感结构(即振动电极1、固定电极2、支撑梁3、支撑梁锚区41和固定电极锚区42)构成,用于测量二维电场。
本发明的一个实施例中还公开了一种三维电场传感器,由上述振动电容式微型电场传感器的的敏感结构(即振动电极1、固定电极2、支撑梁3、支撑梁锚区41和固定电极锚区42)构成,用于测量三维电场。
下面通过具体实施例结合附图来对本发明的技术方案作进一步阐述说明。需要注意的是,下述的具体实施例仅是作为举例说明,本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
一种共面叉指型振动电容式微型电场传感器,如图1所示,包括:振动电极1、固定电极2、固定电极锚区42、支撑梁3、支撑梁锚区41和衬底5。
支撑梁锚区41与固定电极锚区42均设置在衬底5顶部;
振动电极1由振动薄膜元件11和移动电极元件12构成,作为振动式电容装置的一个极板;其中移动电极元件12设置在振动薄膜元件11的两个侧面;
固定电极2通过固定电极锚区42固定在衬底5上,形成振动式电容装置的另一个极板;
如图1a所示,固定电极2与移动电极元件12的平面投影均为梳齿状,且固定电极2与移动电极元件12形成共面叉指结构,移动电极元件12和固定电极2之间的空间形成振动式电容装置的非导电介质。
其中,振动薄膜元件11为设置有方形镂空形状的方形薄膜结构;支撑梁3的一端连接方形振动薄膜元件11的顶点,另一端连接至支撑梁锚区41。
振动电极1在电场的激励作用下产生振动,与固定电极2产生位移,引起振动式电容装置的电容值发生改变,即电场信号转化为电容变化量信号,从而实现对被测电场的测量。
实施例2
一种共面相对型振动电容式微型电场传感器,如图2所示,包括:振动电极1、固定电极2、固定电极锚区42、支撑梁3、支撑梁锚区41和衬底5。
支撑梁锚区41与固定电极锚区42均设置在衬底5顶部;
振动电极1由振动薄膜元件11构成,作为振动式电容装置的一个极板;支撑梁3的一端连接正方形振动薄膜元件11的顶点,另一端连接至支撑梁锚区41;
上述振动薄膜元件11的形状为正方形薄膜结构,薄膜结构上设置有圆形通孔;
固定电极2通过固定电极锚区42固定在衬底5上,形成振动式电容装置的另一个极板;
振动电极1与固定电极2共面相对设置,振动电极1与固定电极2之间的空间形成振动式电容装置的非导电介质。
振动电极1在电场的激励作用下产生振动,与固定电极2产生位移,引起振动式电容装置的电容值发生改变,即电场信号转化为电容变化量信号,从而实现对被测电场的测量。
实施例3
一种平行相对型振动电容式微型电场传感器,如图3所示,包括:振动电极1、固定电极2、支撑梁3、支撑梁锚区41、支撑梁支撑结构6和衬底5。
支撑梁支撑结构6设置在衬底5上表面,支撑梁锚区41设置在支撑梁支撑结构6顶部;
振动电极1由振动薄膜元件11构成,作为振动式电容装置的一个极板;振动薄膜元件11的形状为正方形薄膜结构,薄膜结构上设置有圆形通孔;支撑梁3的一端连接正方形振动薄膜元件11侧边的中点,另一端连接至支撑梁锚区41;
固定电极2作为振动式电容装置的另一个极板,设置在衬底5上,且平行于振动电极1;振动电极1与所述固定电极2形成平行相对结构,振动电极1与固定电极2之间的空间形成振动式电容装置的非导电介质。
振动电极1在电场的激励作用下产生振动,与固定电极2产生位移,引起振动式电容装置的电容值发生改变,即电场信号转化为电容变化量信号,从而实现对被测电场的测量。
本发明的另一个实施例中,还公开了一种振动电容式微型电场传感器的制备方法,本实施例针对共面叉指型振动电容式电场传感器可采用SOI工艺进行加工制造,如图5所示,包括以下步骤:
S1:在SOI晶圆上旋涂光刻胶层704,利用掩膜版进行光刻,形成图5中5A图的结构形状;
S2:采用DRIE工艺刻蚀器件层701,形成振动电极1、固定电极2、支撑梁3、固定电极锚区42和支撑梁锚区41,并去除光刻胶层704,形成图5中5B图的结构形状;
S3:通过DRIE工艺在SOI衬底硅层703上刻蚀出窗口,形成图5中5C图的结构形状;
S4:采用HF湿法刻蚀氧化层702,最终释放器件层701,并得到衬底5,形成图5中5D图的结构形状,完成共面叉指型振动电容式电场传感器的制备。
本发明的另一个实施例中,公开了一种振动电容式微型电场传感器的制备方法。本实施例针对平行相对型振动电容式微型电场传感器,可采用三层多晶硅表面微加工PolyMUMPs工艺进行加工。其中,Poly 1层用于设计传感器的可动结构,上述可动结构包括振动电极1、支撑梁3及支撑梁锚区41等;Poly zero层用于设计传感器中的固定电极2;First oxide层将Poly zero层和Poly 1层隔开,First oxide层经过牺牲层释放之后,完成平行相对型振动电容式微型电场传感器的的制备。
本发明的另一个实施例中,还公开了一种振动电容式微型电场传感器的制备方法;本实施例针对平行相对型振动电容式微型电场传感器,使用体加工工艺进行加工制造,如图6所示,包括:
S1,在洁净玻璃圆片(即衬底5)上,通过金属溅射和Lift-off工艺,制备出固定电极2,形成图6中6A图的结构形状;
S2,在SOI晶圆的器件层701上,通过DRIE工艺刻蚀出一凹槽,形成图6中6B图的结构形状,用于形成振动电极1与固定电极2之间的间隙,以及形成支撑梁支撑结构6;
S3,将SOI晶圆上的凹槽倒扣在玻璃圆片(即衬底5)上,并将SOI晶圆和上述玻璃圆片(即衬底5)进行对准,通过阳极键合工艺实现键合,形成图6中6C图的结构形状,即含有空心结构的圆片;
S4,通过湿法腐蚀去除上述圆片顶部的衬底硅层703,形成图6中6D图的结构形状;
S5,采用HF湿法或者利用RIE工艺刻蚀上述圆片的氧化层702,即去除SOI晶圆的氧化层702,形成图6中6E图的结构形状;
S6,通过DRIE工艺,在上述圆片的器件层701,即SOI晶圆的器件层701上刻蚀出振动薄膜元件11、支撑梁3、支撑梁锚区41等,形成图6中6F图的结构形状,完成平行相对型振动电容式电场传感器的制备。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种振动电容式微型电场传感器,其特征在于,包括:
振动电极(1)、固定电极(2)、支撑梁(3)、支撑梁锚区(41)、固定电极锚区(42)和衬底(5);其中,支撑梁锚区(41)与固定电极锚区(42)均设置在衬底(5)上;
振动电极(1)包括振动薄膜元件(11),振动薄膜元件(11)悬空设置在衬底(5)上方;所述振动薄膜元件(11)通过支撑梁(3)固定在支撑梁锚区(41)上;
固定电极(2),设置在振动薄膜元件(11)的至少一侧;所述固定电极(2)固定在固定电极锚区(42)上。
2.根据权利要求1所述的振动电容式微型电场传感器,其特征在于,
所述固定电极(2)与所述振动电极(1)共面相对设置。
3.根据权利要求1所述的振动电容式微型电场传感器,其特征在于,所述振动电极(1)还包括:移动电极元件(12),移动电极元件(12)设置在所述振动薄膜元件(11)的至少一侧;
其中,所述移动电极元件(12)与所述固定电极(2)的平面投影形状均为梳齿状,且移动电极元件(12)与所述固定电极(2)形成共面叉指结构。
4.根据权利要求1所述的振动电容式微型电场传感器,其特征在于,
所述振动电极(1)的激励方式包括静电方式、电磁方式或压电方式。
5.根据权利要求1所述的振动电容式微型电场传感器,其特征在于,
所述振动薄膜元件(11)的形状包括矩形、正方形、圆形或三角形;
所述振动薄膜元件(11)的结构包括完整的薄膜结构或设置有通孔的薄膜结构;
其中,所述通孔的形状包括星形、扇形、矩形、正方形、圆形或三角形;
所述支撑梁(3)包括直梁、L形梁、U形梁或蛇形梁等。
6.一种振动电容式微型电场传感器,其特征在于,包括:
振动电极(1)、固定电极(2)、支撑梁(3)、支撑梁支撑结构(6)和衬底(5);其中,支撑梁支撑结构(6)设置在衬底(5)上;
振动电极(1)包括振动薄膜元件(11),振动薄膜元件(11)悬空设置在衬底(5)上方;所述振动薄膜元件(11)通过支撑梁(3)固定在支撑梁支撑结构(6)上;
固定电极(2)设置在衬底(5)上,固定电极(2)平行于所述振动电极(1)。
7.根据权利要求6所述的振动电容式微型电场传感器,其特征在于,还包括:支撑梁锚区(41);
其中,所述支撑梁锚区(41)设置在所述支撑梁支撑结构(6)顶部,所述支撑梁(3)与支撑梁锚区(41)连接。
8.一种如权利要求1至5中任一项所述的振动电容式微型电场传感器的制备方法,其特征在于,包括:
S1:在SOI晶圆顶部的器件层(701)上方的光刻胶层(704)刻画设定的图案;
S2:依据步骤S1中所述图案刻蚀器件层(701),形成振动电极(1)、固定电极(2)、支撑梁(3)、支撑梁锚区(41)和固定电极锚区(42);
S3:在SOI晶圆底部的衬底硅层(703)刻蚀出窗口;
S4:通过窗口刻蚀SOI晶圆中部的氧化层(702),释放器件层(701),并形成衬底(5),完成所述的振动电容式微型电场传感器的制备。
9.一种如权利要求6所述的振动电容式微型电场传感器的制备方法,其特征在于,包括:
S1:在衬底(5)上制备固定电极(2);
S2:刻蚀SOI晶圆顶部的器件层(701),形成一个凹槽以及支撑梁支撑结构(6);
S3:将步骤S2得到的SOI晶圆倒扣在衬底(5)上,并进行键合;
S4:刻蚀步骤S3中的SOI晶圆,去除步骤S3中SOI晶圆的衬底硅层(703)和氧化层(702);
S5:刻蚀步骤S4得到的SOI晶圆器件层(701),形成振动电极(1)、支撑梁(3)和支撑梁锚区(41),完成所述振动电容式微型电场传感器的制备。
10.一种电场传感器,内含有如权利要求1至6中任一项所述的振动电容式微型电场传感器。
CN202110386100.2A 2021-04-09 2021-04-09 振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器 Active CN113125865B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110386100.2A CN113125865B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110386100.2A CN113125865B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113125865A true CN113125865A (zh) 2021-07-16
CN113125865B CN113125865B (zh) 2023-04-14

Family

ID=76775811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110386100.2A Active CN113125865B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113125865B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113655300A (zh) * 2021-09-10 2021-11-16 中国科学院空天信息创新研究院 谐振式电场传感器及其制备方法
CN113671276A (zh) * 2021-09-10 2021-11-19 中国科学院空天信息创新研究院 空间电场测量装置及系统
CN113740621A (zh) * 2021-09-08 2021-12-03 中国科学院空天信息创新研究院 驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法
CN113960380A (zh) * 2021-10-25 2022-01-21 中国科学院空天信息创新研究院 微型电场传感器
CN116500349A (zh) * 2023-06-28 2023-07-28 西安交通大学 一种压电电容式的mems电场传感器
CN117330817A (zh) * 2023-12-01 2024-01-02 云南电网有限责任公司 二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法及系统

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020136485A1 (en) * 2001-02-02 2002-09-26 Reed Jason D. Apparatus and method for micro-electromechanical systems two-dimensional large movement electrostatic comb drive
CN101685119A (zh) * 2008-09-24 2010-03-31 中国科学院电子学研究所 谐振式微型电场传感器
CN102879655A (zh) * 2012-10-31 2013-01-16 南京信息工程大学 一种振动式微机械电场传感器
CN104020359A (zh) * 2014-06-20 2014-09-03 清华大学 基于驻极体的mems电场传感器
CN106840258A (zh) * 2017-01-23 2017-06-13 国网山东省电力公司电力科学研究院 基于多参数协同监测的广域全态电磁环境监测系统及方法
CN109212328A (zh) * 2018-10-24 2019-01-15 清华大学 基于压电效应的高精度高场强电容式微型电场测量传感器件
CN109437089A (zh) * 2018-10-24 2019-03-08 清华大学 悬臂梁结构的微型电场传感器的制备工艺流程
CN112505438A (zh) * 2020-11-26 2021-03-16 清华大学 基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件
CN112540239A (zh) * 2019-09-20 2021-03-23 中国科学院电子学研究所 基于多结构耦合的微型电场传感器及其制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020136485A1 (en) * 2001-02-02 2002-09-26 Reed Jason D. Apparatus and method for micro-electromechanical systems two-dimensional large movement electrostatic comb drive
CN101685119A (zh) * 2008-09-24 2010-03-31 中国科学院电子学研究所 谐振式微型电场传感器
CN102879655A (zh) * 2012-10-31 2013-01-16 南京信息工程大学 一种振动式微机械电场传感器
CN104020359A (zh) * 2014-06-20 2014-09-03 清华大学 基于驻极体的mems电场传感器
CN106840258A (zh) * 2017-01-23 2017-06-13 国网山东省电力公司电力科学研究院 基于多参数协同监测的广域全态电磁环境监测系统及方法
CN109212328A (zh) * 2018-10-24 2019-01-15 清华大学 基于压电效应的高精度高场强电容式微型电场测量传感器件
CN109437089A (zh) * 2018-10-24 2019-03-08 清华大学 悬臂梁结构的微型电场传感器的制备工艺流程
CN112540239A (zh) * 2019-09-20 2021-03-23 中国科学院电子学研究所 基于多结构耦合的微型电场传感器及其制备方法
CN112505438A (zh) * 2020-11-26 2021-03-16 清华大学 基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
冯勇建: "MEMS电容应变传感器", 《仪器仪表学报》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113740621A (zh) * 2021-09-08 2021-12-03 中国科学院空天信息创新研究院 驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法
CN113655300A (zh) * 2021-09-10 2021-11-16 中国科学院空天信息创新研究院 谐振式电场传感器及其制备方法
CN113671276A (zh) * 2021-09-10 2021-11-19 中国科学院空天信息创新研究院 空间电场测量装置及系统
CN113655300B (zh) * 2021-09-10 2024-05-17 中国科学院空天信息创新研究院 谐振式电场传感器及其制备方法
CN113960380A (zh) * 2021-10-25 2022-01-21 中国科学院空天信息创新研究院 微型电场传感器
CN116500349A (zh) * 2023-06-28 2023-07-28 西安交通大学 一种压电电容式的mems电场传感器
CN117330817A (zh) * 2023-12-01 2024-01-02 云南电网有限责任公司 二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法及系统
CN117330817B (zh) * 2023-12-01 2024-04-19 云南电网有限责任公司 二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113125865B (zh) 2023-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113125865B (zh) 振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器
CN113092885B (zh) 压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器
Legtenberg et al. Comb-drive actuators for large displacements
EP1187789B1 (en) Precisely defined microelectromechanical structures and associated fabrication methods
CN110940866B (zh) 灵敏度可调节的谐振微型电场传感器
CN100410724C (zh) 梳齿电极对的制造方法
CN112540239B (zh) 基于多结构耦合的微型电场传感器及其制备方法
CN102879608B (zh) 弯折形弹性梁的电容式加速度传感器及制备方法
Rollier et al. The stability and pull-in voltage of electrostatic parallel-plate actuators in liquid solutions
JP2010043929A (ja) モーションセンサ
JP2010205766A (ja) 可動部を有するマイクロデバイス
EP2329280B1 (en) A capacitive sensor device and a method of sensing accelerations
CN113702665B (zh) 一种mems加速度计及其形成方法
CN113063996A (zh) 一种静电驱动金属微结构电场传感器
WO2002103368A1 (en) Silicon device
CN101531334A (zh) 一种磁驱动增大检测电容的微惯性传感器及其制作方法
CN113655300B (zh) 谐振式电场传感器及其制备方法
Tang et al. Technology for fabricating dense 3-D microstructure arrays for biomimetic hair-like sensors
CN106546232B (zh) 一种mems陀螺仪及其制造工艺
CN111766405B (zh) 一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计
CN115077508A (zh) 一种mems器件及其形成方法
JPH11340477A (ja) マイクロマシニングにおける電極のスティッキング防止方法
CN114866056B (zh) 一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器
CN113625064B (zh) 基于模态局域化的扭矩式微型电场传感器
CN112424613B (zh) 三维结构部件的制造方法、加速度拾取部件的制造方法、加速度拾取部件以及加速度传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant