一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，硅微结构栅格层与玻璃镀铬栅格层上下排布组成敏感结构，下层硅微结构通过弹簧连接在底层硅结构之上，上层玻璃镀铬层通过键合的方式固定在硅微结构之上，上层结构固定不动下层硅微结构随电场变化发生形变，光源从正上方垂直入射，再穿过两层结构后被接收，下层硅微结构的形变引发的栅格与上层栅格重叠面积发生变化，从而实现接收光通量的变化，能够实现强电磁环境下的电场强度测量，制备封装方法简单，便于安装使用，且成本较低，可应用于电力系统状态监测、空间电场检测等多场景测电场。电场。电场。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器


[0001]本专利技术属于传感器
，具体涉及一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器。

技术介绍

[0002]电场测量在诸多科学研究和工程
具有重要意义，特别是在电力系统、电磁兼容及微波技术等领域具有广泛应用。例如，在电磁科学研究中，电场测量可作为检验电场理论计算是否准确的有效手段，为许多难以计算的电场环境提供测量数值；在电力工业，电场测量可用于电力系统状态监测、电气设备内外电场分布测量、高电压试验及电晕放电现象研究等；在电磁兼容领域研究中，电场测量可用于检测电气、电子设备的对外电磁辐射与干扰，以及研究环境电场对电子仪器运行的影响；在微波技术中，需要对微波发射与接收设备周围电场进行测量。此外，在核物理以及航空航天科学与技术研究中也需要空间电场传感器电场的探测对人们的生活、生产以及科学研究具有重大意义。
[0003]目前市面上流通的传感器主要有四类：
[0004](1)基于电感应原理的场磨式电场传感器；
[0005](2)采用MEMS工艺的微型电场传感器；
[0006](3)基于波长调制的光纤光栅式电场传感器
[0007](4)基于相位解调的光学电场传感器。
[0008]其中，场磨式直流电场传感器性能良好，能对输电线路的电场进行测量，但是传感器使用金属制作，体积较大，金属结构对被测电场干扰大，同时需要接地，使用不方便；基于MEMS的电场传感器，目前最先进的是中国科学技术大学提出的扭转谐振式电场传感器，扭转谐振式MEMS电场传感器体积较小，功耗底，易于大量生产，但是少量电荷在感应电极之间会产生较大的电场，因此需要解决由电荷引起的电场畸变问题；光纤光栅电场传感器不易受外界电磁干扰，但是由于光电晶体易受到温度等因素容易影响，会对被测电场产生干扰；基于Pockels效应基本原理的旋转式光学电场传感器，通过旋转消除空间电荷引起的影响，但是传感器需要光纤准直器、起偏器、电光晶体、检偏器等元件，结构较复杂，实际使用不方便。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，用于解决同类型传感器安装方式复杂，成本较高，始终存在内部干扰，难以适应复杂工业电测环境的技术问题。
[0010]本专利技术采用以下技术方案：
[0011]一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，包括玻璃镀铬层，玻璃镀铬层的表面溅射阵列设置有栅格状金属铬，玻璃镀铬层设置在器件层上，器件层设置在底硅层上，器件层和底硅层之间设置有绝缘层，栅格状金属铬与器件层上的硅微结构栅格上下排布组成
敏感结构，利用硅微结构栅格形变后与栅格状金属铬重叠面积的变化实现接收光通量的变化。
[0012]具体的，栅格状金属铬的厚度为0.5～1μm。
[0013]具体的，器件层为悬空结构，最小精度为20μm。
[0014]进一步的，硅微结构栅格通过弹簧与器件层固定连接，弹簧的宽度为40μm
±
10％，长度为280μm
±
10％。
[0015]进一步的，器件层的厚度为50μm
±
10％。
[0016]具体的，器件层包括额外硅结构，额外硅结构设置在硅微结构栅格的一侧。
[0017]进一步的，额外硅结构与硅微结构栅格之间的间距小于等于10μm
±
10％。
[0018]具体的，栅格状金属铬和硅微结构栅格的孔隙数均为1600
±
10％个，并一一对应。
[0019]进一步的，栅格状金属铬和硅微结构栅格的对准误差小于等于5μm。
[0020]具体的，玻璃镀铬层与器件层之间通过高温键合连结。
[0021]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0022]本专利技术一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，基于静电感应原理，在玻璃上通过溅射金属铬形成栅格状结构，与下方硅微结构的栅格交错使得正上方的光线无法通过两层栅格，在静电力作用下下方硅微结构发生形变，使得两层栅格交错处出现孔隙，通过检测光通量变化实现对空间电场测量，为了保证器件层最左侧的额外硅结构起到增强局部电场作用，需要保证额外硅结构与硅微栅格分离，但又要保证两者处于同一平面，因此器件层与底硅层之间存在绝缘层，通过绝缘层连接两部分结构，玻璃镀铬层上面的栅格状金属铬为铬金属通过磁控溅射制备形成，采用磁控溅射法制备薄膜，成膜速度快、质量高，有利于提高电场传感器的测量精度，所选材料均为半导体材料，自身不会产生电荷畸变，避免内部干扰存在，并且整体结构尺寸较小，可应用于航空航天等多场景测量电场。
[0023]进一步的，为了保证玻璃上的金属层可以遮蔽光线通过，对薄膜的厚度有一定要求，避免薄膜层太薄而失效，薄膜太厚会导致金属铬在电场作用下形成局部电场干扰测量精度，因此玻璃镀铬层上的栅格状金属铬的厚度为0.5～1μm。
[0024]进一步的，为了保证器件层的加工精度，选择通过湿法刻蚀加工，湿法刻蚀设备简单，刻蚀速率高，选择性高，因此器件层通过湿法刻蚀形成悬空结构，最小精度可达到20μm。
[0025]进一步的，为保证弹簧在静电力作用下发生形变，硅微结构栅格所固定用到的弹簧宽度为40μm
±
10％，长度为280μm
±
10％。
[0026]进一步的，为了保证硅微结构的变形能力，器件层的厚度有一定要求，太厚的器件层使得形变过小，太薄的器件层无法保证刻蚀精度，因此器件层的厚度为50μm。
[0027]进一步的，选择硅材料作为敏感结构的主体材料避免了内部干扰，但由于硅材料属于半导体材料，对静电力不敏感，因此通过在最左侧增加额外硅结构增强局部电场，达到增加形变的目的。
[0028]进一步的，为了保证额外硅结构起到增强电场作用，器件层的额外硅结构与硅微结构栅格之间的间距不应太远，但距离太近会导致吸合，因此间距不超过10μm
±
10％。
[0029]进一步的，上下栅格所开孔隙数为1600个，所开孔隙越多，在静电力使得硅微结构发生形变后，通过上下两层栅格的光通量变化越大，传感器测量精度越高，孔隙数量的多少取决于传感器敏感结构的面积与加工技术。
[0030]进一步的，在没有静电力作用时，光线无法通过上下两层栅格结构到达底部，两层栅格结构的对准精度影响到传感器的测量精度，因此栅格状金属铬与器件层的硅微栅格结构对准误差不超过5μm。
[0031]进一步的，玻璃镀铬结构与硅微结构分为两部分加工，因此玻璃镀铬层与器件层之间通过高温键合连结在一起，上下两层结构通过高温键合的方式连接在一起，整体工艺采用MEMS技术，可做到大批量生产。
[0032]综上所述，本专利技术具有微型化、结构简单、易封装、无源检测和精度高的优势。
[0033]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，其特征在于，包括玻璃镀铬层(1)，玻璃镀铬层(1)的表面溅射阵列设置有栅格状金属铬(2)，玻璃镀铬层(1)设置在器件层(3)上，器件层(3)设置在底硅层(5)上，器件层(3)和底硅层(5)之间设置有绝缘层(4)，栅格状金属铬(2)与器件层(3)上的硅微结构栅格(8)上下排布组成敏感结构，利用硅微结构栅格(8)形变后与栅格状金属铬(2)重叠面积的变化实现接收光通量的变化。2.根据权利要求1所述的基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，其特征在于，栅格状金属铬(2)的厚度为0.5～1μm。3.根据权利要求1所述的基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，其特征在于，器件层(3)为悬空结构，最小精度为20μm。4.根据权利要求3所述的基于光通量检测的MEMS光学电场传感器，其特征在于，硅微结构栅格(8)通过弹簧(7)与器件层(3)固定连接，弹簧(7)的宽度为40μm
±
10％，长度为280μm
±
10％。5.根据权利要求1或...

【专利技术属性】
技术研发人员：田边，雷嘉明，张仲恺，李乐，刘江江，徐书生，赵立波，蒋庄德，
申请(专利权)人：烟台先进材料与绿色制造山东省实验室，
类型：发明
国别省市：