基于多结构耦合的微型电场传感器及其制备方法技术

技术编号:27770733 阅读:100 留言:0更新日期:2021-03-23 12:43
一种基于多结构耦合的微型电场传感器,包括:所述微型电场传感器包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、电极单元和固定单元;其中:所述第一谐振器和第二谐振器之间、第三谐振器和第二谐振器之间通过电容耦合或机械梁耦合连接,第一谐振器和第三谐振器分别置于第二谐振器的两侧,且第一谐振器和第三谐振器接参考零电位或一定的参考电位;所述电极单元包括分别安装在第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和固定单元上的激励电极、调谐电极、振动检测电极和电场感应电极,用于通过电极极板间的场强变化来测量所述微型电场传感器所处位置的电场强度。所述的电场传感器具有灵敏度高、结构简单、动态范围和灵敏度可调等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于多结构耦合的微型电场传感器及其制备方法
本专利技术涉及电子行业传感器领域,尤其涉及一种基于多结构耦合的微型电场传感器及其制备方法。
技术介绍
电场传感器广泛应用于航空航天、气象探测、电力系统、工业生产、环境监测等众多领域,对安全保障和科学研究都具有重要的作用。针对不同的应用领域,待测电场的性质(例如待测电场的频率、强度、方向和持续时间等)和传感器的工作环境(例如传感器所处环境的温度和物态等)均不尽相同,因此测量所需的电场传感器的种类也不尽相同。目前,众多电场测量原理和传感器加工技术已被用于电场传感器的研究。近二十年来,随着微机电技术(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)的快速发展,微型电场传感器凭借其体积小、成本低、可批量生产和功耗低等优点,成为了电场传感器的研究热点。一些特殊的应用领域,比如目标探测、低静电敏感测量等等,要求电场传感器具有极高的灵敏性,分辨力需要达到1V/m甚至更高。然而微型电场传感器由于器件尺寸小,存在信号比较微弱等问题,分辨力较低,目前,微型电场传感器的静电场分辨力普遍低于10V/m,难以满足这些特殊领域的需求。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术的主要目的在于提供一种基于多结构耦合的微型电场传感器及制备方法,以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的,作为本专利技术的一个方面,提供了一种基于多结构耦合的微型电场传感器,所述微型电场传感器包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、电极单元和固定单元;其中:所述第一谐振器和第二谐振器之间、第三谐振器和第二谐振器之间通过电容耦合或机械梁耦合连接,第一谐振器和第三谐振器分别置于第二谐振器的两侧,且第一谐振器和第三谐振器接参考零电位或一定的参考电位;所述电极单元包括分别安装在第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和固定单元上的激励电极、调谐电极、振动检测电极和电场感应电极,用于通过电极极板间的场强变化来测量所述微型电场传感器所处位置的电场强度;所述固定单元包括固定锚点和衬底,用于通过固定锚点分别将第一谐振器和第三谐振器的一端,以及第二谐振器的两端固定在衬底上。作为本专利技术的另一方面,提供了一种基于多结构耦合的微型电场传感器的制备方法,包括以下步骤:在SOI晶片的正面上涂敷光刻胶,通过掩膜图案化光刻胶;对顶层硅进行刻蚀处理,定义第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、电极单元和固定锚点的结构形状;去除光刻胶,进行切割;使用HF溶液或HF气体去除第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、电极单元下方的氧化层,释放结构,固定锚点下方的氧化层保留,使之固定在衬底硅上;作为优选,在进行切割的步骤中需要保留氧化层,以便在切割过程中不会损坏易碎的谐振器结构。基于上述技术方案可知,本专利技术的微型电场传感器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一:1、本专利技术的传感器是由两个或两个以上的谐振器弱耦合连接构成的对称结构,这种结构的振动模态对微小的结构扰动具有极高的灵敏性;2、本专利技术的传感器中的谐振器之间采用电容耦合或机械耦合连接,对于电容耦合可以自主调节耦合的强弱;对于机械耦合,结构具有更高的稳定性;3、本专利技术的传感器中的调谐电极可以有效地对谐振器的刚度产生扰动;4、本专利技术的传感器的振动检测电极置于谐振器的内侧,提高平面利用率,实现对谐振器谐振频率和振幅的测量;5、本专利技术设计多结构耦合的微型电场传感器来实现电场的探测,旨在提高电场传感器的灵敏度和分辨力。附图说明图1是本专利技术的基于多结构耦合的微型电场传感器结构示意图,其中,图1(a)和图1(b)分别是激励电极在谐振器的外侧时,传感器结构的平面示意图和相应的三维结构示意图,图1(c)和图1(d)分别是激励电极在谐振器的内侧时,传感器结构的平面示意图和相应的三维结构示意图;图2是传感器结构剖视图,其中,图2(a)为电场感应电极置于一个谐振器中支撑梁的轴向时的示意图,图2(b)为置于封帽上表面时的示意图;图2(c)为置于封帽下底面时的示意图;图3(a)是谐振器支撑梁两端通过固定锚点固定在衬底上时的示意图,图3(b)是谐振器支撑梁一端通过固定锚点固定在衬底上,另一端与一个相互垂直的支撑梁连接时的示意图;图4(a)和图4(b)分别是平板激励电极置于谐振器外侧和内侧的示意图,图4(c)和图4(d)分别是梳齿激励电极置于谐振器外侧和内侧的示意图;图5(a)是平板检测电极示意图,图5(b)是梳齿检测电极示意图;图6是谐振器之间耦合连接的示意图,其中,图6(a)是静电平板电容耦合示意图,图6(b)是静电梳齿电容耦合示意图,图6(c)是机械梁耦合示意图;图7是可选择的谐振器结构示意图,包括如图7(a)和图7(b)所示的由支撑梁及其支撑的质量块所构成的结构,如图7(c)和图7(d)所示的音叉结构,如图7(e)所示的环形梁结构;图8是本专利技术的SOI工艺流程示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、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,对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术的基于多结构耦合的微型电场传感器的工作原理是:电场感应电极在被测电场的作用下产生感应电荷,直接或通过调谐电极对某一个谐振器产生刚度扰动,从而改变整体的振动模态,通过振动检测电极分析谐振器的振幅变化情况,实现探测电场的目的。具体的,一种基于多结构耦合的微型电场传感器,所述微型电场传感器包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、电极单元和固定单元;其中:所述第一谐振器和第二谐振器之间、第三谐振器和第二谐振器之间通过电容耦合或机械梁耦合连接,第一谐振器和第三谐振器分别置于第二谐振器的两侧,且第一谐振器和第三谐振器接参考零电位或一定的参考电位;所述电极单元包括分别安装在第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和固定单元上的激励电极、调谐电极、振动检测电极和电场感应电极,用于通过电极极板间的场强变化来测量所述微型电场传感器所处位置的电场强度;所述固定单元包括固定锚点和衬底,用于通过固定锚点分别将第一谐振器和第三谐振器的一端,以及第二谐振器的两端固定在衬底上。其中,所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、激励电极、调谐电极和振动检测电极,均通过固定锚点固定在衬底上;在衬底的上表面还设置有封帽;作为优选,所述微型电场传感器是由两个或两个以上的谐振器依次排列构成的对称结构。其中,相邻谐振器之间的电容耦合包括静电平板电容耦合和/或静电梳齿电容耦合,相邻谐振器之间正对的可动极板或相互交错的可动梳齿构成耦合电容,可动极板或可动梳齿分别连接在两个相邻谐振器上;作为优选,相邻谐振器之间通过机械梁耦合,即相邻谐振器之间通过机械梁连接在一起并起到支撑作用,所述机械梁为直梁、折梁、双折梁或蛇形梁的弹性梁结构。其中,所述激励电极包括平板激励电极和/或梳齿激励电极,与固定在谐振器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多结构耦合的微型电场传感器,其特征在于,所述微型电场传感器包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、电极单元和固定单元;其中:/n所述第一谐振器和第二谐振器之间、第三谐振器和第二谐振器之间通过电容耦合或机械梁耦合连接,第一谐振器和第三谐振器分别置于第二谐振器的两侧,且第一谐振器和第三谐振器接参考零电位或一定的参考电位;/n所述电极单元包括分别安装在第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和固定单元上的激励电极、调谐电极、振动检测电极和电场感应电极,用于通过电极极板间的场强变化来测量所述微型电场传感器所处位置的电场强度;/n所述固定单元包括固定锚点和衬底,用于通过固定锚点分别将第一谐振器和第三谐振器的一端,以及第二谐振器的两端固定在衬底上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多结构耦合的微型电场传感器,其特征在于,所述微型电场传感器包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、电极单元和固定单元;其中:
所述第一谐振器和第二谐振器之间、第三谐振器和第二谐振器之间通过电容耦合或机械梁耦合连接,第一谐振器和第三谐振器分别置于第二谐振器的两侧,且第一谐振器和第三谐振器接参考零电位或一定的参考电位;
所述电极单元包括分别安装在第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和固定单元上的激励电极、调谐电极、振动检测电极和电场感应电极,用于通过电极极板间的场强变化来测量所述微型电场传感器所处位置的电场强度;
所述固定单元包括固定锚点和衬底,用于通过固定锚点分别将第一谐振器和第三谐振器的一端,以及第二谐振器的两端固定在衬底上。


2.根据权利要求1所述的微型电场传感器,其特征在于,所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、激励电极、调谐电极和振动检测电极,均通过固定锚点固定在衬底上;
在衬底的上表面还设置有封帽;
作为优选,所述微型电场传感器是由两个或两个以上的谐振器依次排列构成的对称结构。


3.根据权利要求1所述的微型电场传感器,其特征在于,相邻谐振器之间的电容耦合包括静电平板电容耦合和/或静电梳齿电容耦合,相邻谐振器之间正对的可动极板或相互交错的可动梳齿构成耦合电容,可动极板或可动梳齿分别连接在两个相邻谐振器上;
作为优选,相邻谐振器之间通过机械梁耦合,即相邻谐振器之间通过机械梁连接在一起并起到支撑作用,所述机械梁为直梁、折梁、双折梁或蛇形梁的弹性梁结构。


4.根据权利要求1所述的微型电场传感器,其特征在于,所述激励电极包括平板激励电极和/或梳齿激励电极,与固定在谐振器上的可动平板电极正对,或与固定在谐振器上的可动梳齿电极相互交错,置于第一谐振器和第三谐振器的外侧或内侧;
作为优选,所述谐振器中还设置有支撑梁;
作为优选,所述调谐电极置于谐振器中支撑梁的两侧,或置于谐振器中支撑梁的轴向,或同时布置于这些位置,通过导线或导体结构与电场感应电极或电压源相连。


5.根据权利要求2和4所述的微型电场传感器,其特征在于,所述振动检测电极包括平板检测电极和/或梳齿检测电极,与固定在谐振器上...

【专利技术属性】
技术研发人员:彭春荣修日任仁毋正伟夏善红
申请(专利权)人:中国科学院电子学研究所
类型:发明
国别省市:北京;11

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1