CN115980467B - 一种压电驱动的mems型电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动的MEMS型电场传感器，包括衬底、弹性梁、多级压电驱动结构和互屏蔽电极，在弹性梁的两侧设置互屏蔽电极，弹性梁的两端分别设置有多级压电驱动结构，衬底表面形成有基坑，基坑为互屏蔽电极提供振动变形空间，弹性梁悬置在基坑的上方，弹性梁的两端与衬底的顶部固接；采用多级压电驱动结构能够有效增强其对可动电极的驱动能力，多级压电驱动结构的长度大于可动电极的长度，压电驱动结构的长度越长，相同驱动电压下自由端位移越大，因此能够有效减小MEMS型电场传感器的驱动电压以及功耗。

Description

一种压电驱动的MEMS型电场传感器

技术领域

本发明涉及电场传感器领域，具体为一种压电驱动的MEMS型电场传感器。

背景技术

电场与人类的生产生活有着密不可分的联系，无论是日常所用家电还是航空航天及军事研究，都需要考虑电场的影响，因此，对于电场的测量具有十分重大的意义。电场传感器作为测量电场的工具也成为当前的研究热点，并且基于微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）的微型电场传感器因其体积小、低成本、低功耗、易于集成等优点被广泛关注。

MEMS型电场传感器的驱动方式可分为静电驱动型、压电驱动型和热驱动型；其中，静电驱动型电场传感器需要较高的驱动电压，功耗较大且易影响外界电场测量；热驱动型电场传感器容易受外界影响，稳定性较差；压电驱动型电场传感器的驱动电压虽然小于静电驱动型电场传感器的驱动电压，但是目前市面上的压电驱动型电场传感器的驱动电压和功耗仍然较高，因此需要对压电驱动型电场传感器的结构进行研究，以进一步降低压电驱动型电场传感器的驱动电压和功耗。

发明内容

针对现有压电驱动型电场传感器存在的驱动电压和功耗较高的问题，本发明提供一种压电驱动的MEMS型电场传感器，实现MEMS型电场传感器的低电压驱动，有效降低MEMS型电场传感器的功耗。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种压电驱动的MEMS型电场传感器，包括衬底、弹性梁、多级压电驱动结构和互屏蔽电极；

所述衬底的表面形成有基坑，弹性梁悬置在基坑的顶部，弹性梁的两端与衬底的顶部固接，弹性梁的两侧分别连接互屏蔽电极，弹性梁的两端分别设置多级压电驱动结构；

所述互屏蔽电极包括固定电极和可动电极，可动电极与弹性梁连接，固定电极与衬底连接，并且可动电极与多级压电驱动结构平行设置，多级压电驱动结构能够驱动可动电极发生垂直振动。

优选的，所述多级压电驱动结构的长度大于可动电极的长度。

优选的，所述多级压电驱动结构包括多个级联的压电驱动结构，压电驱动结构与弹性梁连接，多个压电驱动结构平行且间隔排布。

优选的，所述多级压电驱动结构自下而上包括绝缘层、下驱动电极、压电驱动层和上驱动电极，绝缘层与弹性梁连接。

优选的，所述压电驱动层的材料为锆钛酸铅、铌酸锂、聚偏二氟乙烯或铌镁酸铅-钛酸铅。

优选的，所述弹性梁包括横向梁和两个竖向梁，两个竖向梁设置在横向梁的两侧，并且竖向梁的中部与横向梁的端部连接，形成H型结构的弹性梁，两组互屏蔽电极对称设置在横向梁的两侧。

优选的，所述竖向梁的端部通过连接梁与固定梁连接，所述多级压电驱动结构固接在固定梁上，连接梁与竖向梁垂直设置，固定梁与竖向梁平行设置。

优选的，两组多级压电驱动结构设置在两个竖向梁的两侧，并分别与两个竖向梁相反的两端连接。

优选的，所述固定电极和可动电极均为感应电极，且两者相互屏蔽，固定电极和可动电极为梳齿型结构。

优选的，所述衬底的材料为硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种压电驱动的MEMS型电场传感器，弹性梁悬置在基坑的上方，在弹性梁的两侧设置互屏蔽电极，基坑为互屏蔽电极提供振动变形空间，弹性梁的两端分别连接多级压电驱动结构，多级压电驱动结构的固定端通过弹性梁与衬底连接，多级压电驱动结构的自由端在MEMS电场传感器工作时发生垂直振动，采用多级压电驱动结构能够有效增强对可动电极的驱动能力，多级压电驱动结构的长度大于可动电极的长度，压电驱动结构的长度越长，相同驱动电压下自由端位移越大，有助于提高可动电极的最大位移和平均位移，有效减小MEMS型电场传感器的驱动电压以及功耗。

进一步，竖向梁通过连接梁与多级压电驱动结构连接，竖向梁与连接梁呈直角排布，MEMS型电场传感器在工作中，最大应力集中在竖向梁与连接梁的连接处，使可动电极区域的应力变小，提高可动电极的位移一致性，进而提高MEMS型电场传感器的可靠性和耐用性。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的两级压电驱动结构的MEMS型电场传感器的结构示意图；

图2为本发明所述的压电驱动结构长度与自由端位移的关系示意图；

图3为本发明实施例1所述的MEMS型电场传感器中弹性梁的结构示意图；

图4为本发明实施例1所述的MEMS型电场传感器工作状态下的应力分布图；

图5为本发明实施例2所述的三级压电驱动结构的MEMS型电场传感器的结构示意图。

图中：1、衬底；2、多级压电驱动结构；3、固定电极；4、可动电极；5、弹性梁；6、绝缘层；7、下驱动电极；8、压电驱动层；9、上驱动电极；51、横向梁；52、竖向梁；53、固定梁；54、连接梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种压电驱动的MEMS型电场传感器，包括衬底1、弹性梁5、多级压电驱动结构2和互屏蔽电极；

所述衬底1的表面形成有基坑，弹性梁5悬置在基坑的上方，弹性梁5两端固定于衬底1的顶部，弹性梁5的两端分别设置有多级压电驱动结构2，弹性梁5的两侧分别连接互屏蔽电极；所述互屏蔽电极包括可动电极4和固定电极3，可动电极4与弹性梁5连接，固定电极3与衬底1连接，并且可动电极4与多级压电驱动结构2平行设置。

固定电极3和可动电极4均为感应电极，且两者相互屏蔽。外界电场环境下，多级压电驱动结构2驱动可动电极4和固定电极3发生相对位移变化，感应电极表面的电荷量重新分布从而产生感应电流，将感应电流连接到检测电路中即可得到与外界电场相对应的感应信号。

所述弹性梁5包括固定梁53、横向梁51和竖向梁52，两个竖向梁设置在横向梁51的两端，并且竖向梁52的中部与横向梁51的端部连接从而形成H型结构，固定梁53位于竖向梁52的外侧，固定梁53的固定端与衬底1连接，固定梁53的自由端通过连接梁54与竖向梁52的端部连接，固定梁53与竖向梁52平行设置，两组互屏蔽电极对称设置在横向梁51的两侧。

所述固定电极3为梳齿型结构，固定电极3的齿尖向弹性梁5方向延伸，可动电极4包括多个梳齿，多个梳齿平行且间隔排布，梳齿的一端与横向梁51连接，另一端向固定电极3方向延伸，固定电极3的梳齿与可动电极4的多个梳齿交替间隔排布，形成互屏蔽电极，固定电极3和可动电极4的材料为金、铜、银、铂以及合金中的一种。

所述两组多级压电驱动结构2沿横向梁51的轴向中心对称设置在弹性梁5的两侧，多级压电驱动结构2粘接在固定梁53的顶部，两组多级压电驱动结构2分别与H型的弹性梁5的两个对角连接，多级压电驱动结构2的自由端与竖向梁52的端部通过连接梁54连接并悬置的基坑上方，多级压电驱动结构2的固定端通过固定梁53与衬底1连接，多级压电驱动结构2的长度方向与可动电极4平行排布，两组多级压电驱动结构2的级数可以根据电场传感器的体积要求决定，两组多级压电驱动结构2的级数可以相同，也可以不相同，例如，弹性梁5一侧为两级压电驱动结构，弹性梁5的另一侧为三级压电驱动结构。

所述多级压电驱动结构2为至少两级，多级压电驱动结构包括多个平行间隔排布且级联的压电驱动结构，固定梁53的数量与多级压电驱动结构2的级数相对应，压电驱动结构粘接在固定梁53的顶部，固定梁53的自由端通过连接梁54与竖向梁52的端部连接，连接梁54与竖向梁52呈直角排布。

所述多级压电驱动结构2的工作原理是，通过多个压电悬臂梁共同驱动可动电极4振动，压电悬臂梁长度越长，相同驱动电压下自由端位移越大，多级压电驱动结构2长度大于可动电极4长度的两倍，用于提高压电驱动效果，降低MEMS型电场传感器的功耗。

压电驱动结构为长条形结构，压电驱动结构包括自下而上叠置的绝缘层6、下驱动电极7、压电驱动层8和上驱动电极9，绝缘层6粘接在固定梁53的顶部。工作条件下，对下驱动电极7和上驱动电极9施加不同的电压，多级压电驱动结构2的自由端在竖直方向上产生位移，在此过程中，应力主要集中在弹性梁5上，使得可动电极4上的位移一致性更高，平均位移量更大。

绝缘层6用以实现可动电极4和下驱动电极7之间的电气绝缘，绝缘层6的材料为二氧化硅、三氧化硅、橡胶和氮化硅中的一种。

所述压电驱动层8利用逆压电效应实现可动电极4的驱动，当上驱动电极9和下驱动电极7之间有电势差时，压电驱动层8会发生极化效应，多级压电驱动结构2自由端产生振动，压电驱动层8的材料为锆钛酸铅、铌酸锂、聚偏二氟乙烯和铌镁酸铅-钛酸铅中的一种。

所述衬底1用于支撑整个MEMS型电场传感器，在衬底1的表面设置基坑，为可动电极4和固定电极3提供振动空间，衬底1材料为硅、碳化硅、氮化镓和砷化镓中的一种。

上述压电驱动的MEMS型电场传感器，多级压电驱动结构2的长度大于可动电极4的两倍，有助于提高可动电极4的最大位移和平均位移，实现MEMS型电场传感器的低电压驱动，降低MEMS型电场传感器的功耗，同时MEMS型电场传感器工作时的应力集中在竖向梁52和连接梁54的连接处，从而提高MEMS型电场传感器的可靠性和耐用性。

实施例1

参阅图1，一种两级压电驱动结构级联的MEMS型电场传感器，包括衬底1、弹性梁5、两级压电驱动结构和互屏蔽电极；

所述弹性梁5的两侧分别设置互屏蔽电极，弹性梁5的两个对角分别连接两级压电驱动结构，两级压电驱动结构粘接在固定梁53的顶部。

两级压电驱动结构包括两个级联的压电驱动结构，压电驱动结构的长度大于可动电极4的两倍，为探究压电驱动结构长度与自由端位移的关系，设置压电驱动层8的厚度为2um，可动电极4的厚度5um，上驱动电极9和下驱动电极7以及绝缘层6厚度在纳米量级忽略不计，通过Comsol Multiphysics有限元软件仿真得到图2中结果，参阅图2，压电驱动结构长度越长，压电驱动结构的自由端位移越大，可动电极4振动幅度也越大，即压电驱动结构驱动能力更强。

参阅图3，本实施例中，弹性梁5为横向梁51和两个竖向梁52组成的H型结构，在H型结构的弹性梁5的两侧分别设置两组平行的固定梁53，固定梁53的端部通过连接梁54与竖向梁52的端部连接，固定梁53的顶部粘接压电驱动结构。

参阅图4，该MEMS型电场传感器的应力集中在竖向梁52和连接梁54的连接处，有效降低可动电极4上的应力，提高可动电极4振动位移的一致性；设置固定电极3和可动电极4的厚度均为5um，长度为500um，宽度为5um，固定电极3和可动电极4相邻两个梳齿的间距为5um，利用Comsol Multiphysics有限元软件对该MEMS型电场传感器进行仿真，在谐振频率下施加1V交流电压，可动电极4的最大位移为96.8um，可动电极4的平均位移达到88.1um。

本实施例中，MEMS型电场传感器的两端分别设置两级压电驱动结构，两组两级压电驱动结构共同驱动可动电极4振动，可动电极4与固定电极3由此产生相对位移，由于两者具有互屏蔽的作用，在外界电场环境下，可动电极4与固定电极3产生相对位移时，表面感应电荷量会重新分布，从而产生感应电流，将感应电流信号连接到后端的检测电路即可得到与外界电场相对应的感应信号。

实施例2

该实施例2中的多级压电驱动结构采用三级压电驱动结构，由三个压电驱动结构级联组成，其余内容与实施例1相同，不再赘述。

参阅图5，一种三级压电驱动结构级联的MEMS型电场传感器，包括衬底1、弹性梁5、三级压电驱动结构和互屏蔽电极；设置弹性梁5的宽度为50um，厚度5um；固定电极3和可动电极4的宽度5um，厚度5um，长度500um；压电驱动结构长度为1250um。

利用Comsol Multiphysics有限元软件仿真得到该MEMS型电场传感器的仿真结果，在谐振频率下施加1V交流电压，可动电极4的最大位移为121.6um，可动电极4的平均位移达到107.7um，相较于两级压电驱动结构级联的MEMS型电场传感器，可动电极4平均位移提高21.6%。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种压电驱动的MEMS型电场传感器，其特征在于，包括衬底（1）、弹性梁（5）、多级压电驱动结构（2）和互屏蔽电极；

所述衬底（1）的表面形成有基坑，弹性梁（5）悬置在基坑的顶部，弹性梁（5）的两端与衬底（1）的顶部固接，弹性梁（5）的两侧分别连接互屏蔽电极，弹性梁（5）的两端分别设置多级压电驱动结构（2）；

所述互屏蔽电极包括固定电极（3）和可动电极（4），可动电极（4）与弹性梁（5）连接，固定电极（3）与衬底（1）连接，并且可动电极（4）与多级压电驱动结构（2）平行设置，多级压电驱动结构（2）能够驱动可动电极（4）发生垂直振动；

所述多级压电驱动结构（2）的长度大于可动电极（4）的长度的2倍，所述多级压电驱动结构（2）包括多个级联的压电驱动结构，压电驱动结构与弹性梁（5）连接，多个压电驱动结构平行且间隔排布；

所述弹性梁（5）包括横向梁（51）和两个竖向梁（52），两个竖向梁（52）设置在横向梁（51）的两侧，并且竖向梁（52）的中部与横向梁（51）的端部连接，形成H型结构的弹性梁（5），两组互屏蔽电极对称设置在横向梁（51）的两侧；

所述竖向梁（52）的端部通过连接梁（54）与固定梁（53）连接，所述多级压电驱动结构（2）固接在固定梁（53）上，连接梁（54）与竖向梁（52）垂直设置，固定梁（53）与竖向梁（52）平行设置，两组多级压电驱动结构（2）设置在两个竖向梁（52）的两侧，并分别与两个竖向梁（52）相反的两端连接。

2.根据权利要求1所述的一种压电驱动的MEMS型电场传感器，其特征在于，所述多级压电驱动结构（2）自下而上包括绝缘层（6）、下驱动电极（7）、压电驱动层（8）和上驱动电极（9），绝缘层（6）与弹性梁（5）连接。

3.根据权利要求2所述的一种压电驱动的MEMS型电场传感器，其特征在于，所述压电驱动层（8）的材料为锆钛酸铅、铌酸锂、聚偏二氟乙烯和铌镁酸铅-钛酸铅中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种压电驱动的MEMS型电场传感器，其特征在于，所述固定电极（3）和可动电极（4）均为感应电极，且两者相互屏蔽，固定电极（3）和可动电极（4）为梳齿型结构。

5.根据权利要求1所述的一种压电驱动的MEMS型电场传感器，其特征在于，所述衬底（1）的材料为硅、碳化硅、氮化镓和砷化镓中的任意一种。

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