谐振式微型电场传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种谐振式微型电场传感器，包括：一衬底；具有梳齿结构的激励电极由锚点固定在衬底的一侧；具有梳齿结构的振动敏感电极由锚点固定在衬底的另一侧；屏蔽电极和电场感应电极固定在激励电极和振动敏感电极中间位置的衬底区域上，其中，屏蔽电极和电场感应电极交错排列；横梁，位于屏蔽电极的中部；支撑梁，支撑梁的一端由锚点固定在衬底上，另一端与激励电极和振动敏感电极连接。本发明专利技术可以降低器件的静电激励电压，提高传感器的灵敏度和精度，进一步增强其环境抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电场传感器，尤其涉及一种基于绝缘体上硅(SOI) 技术的谐振式微型电场传感器。
技术介绍
电场传感器是测量电场强度的装置，它广泛应用于国防、航空航天、 气象探测、电力、地震预报、科学研究以及工业生产等多个领域，具有非 常重要的作用。比如，借助电场传感器对地面和空中大气电场变化的监测， 可以获取准确的气象信息，从而为导弹、卫星等飞行器发射升空提供安全 保障；在工业生产领域，利用静电场传感器监测工业环境中的电势分布和 电场分布，有助于我们及时采取有效的措施预防事故的发生；还有通过测 量电力系统和电器设备周围电场，可用于故障监测和诊断等等。此外电场 检测在静电防护、电磁环境监测、以及科学研究等方面也具有十分重要的 应用。 微型电场传感器是基于MEMS技术制备的一类电场传感器，相对于 采用传统机械加工技术的加工的电场传感器，是加工方式的改变。微型电 场传感器具有体积小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生产等突 出优点，很好地满足了电场传感器的发展趋势和需求，进一步拓宽了其应 用领域。 谐振式微型电场传感器是基于谐振工作原理的微型电场传感器，该类 传感器是基于获得最大电场感应灵敏度而设计的。目前，主要是本专利的 专利技术者在论文“Design and testing of a micromechanical resonant electrostatic field sensor，J.Micromech.Microeng.16(2006)914-919”和Kent H. Lundberg等在论文“A Self-Resonant MEMS-Based Electrostatic Field Sensor，Proceedings of the 2006 American Control Conference.Minneapolis， Minnesota，USA，June 14-16，2006”中所描述的原理和器件。器件的敏感结 -->构采用多晶硅工艺制备而成，主要包括梳齿激励结构、梳齿电容拾振结构、 屏蔽电极、感应电极和支撑梁等部分组成，这种静电梳齿激励的谐振微型 电场传感器结构尽管可获得较高的灵敏度和精度，但离实际应用要求仍然 存在一定距离，此外激励电压较大，容易发生器件粘连，而且品质因数不 高、信噪比低。 一般地，闭环自谐振采用“恒定驱动模式”提供恒定的驱动力，工作时， 该传感器的振动结构以恒定的振动幅度来回周期振动。由于电场传感器的 灵敏度取决于振动幅度和工作频率的乘积，因此，当频率发生变化，振幅 恒定，传感器的灵敏度也将发生变化。
技术实现思路
针对现有微型电场传感器存在的问题，本专利技术的目的旨在提供一种基 于SOI微机械加工技术的谐振式微型电场传感器。 为达成所述目的，本专利技术的第一方面，是提供一种谐振式微型电场传 感器，其敏感结构单元包括： 一衬底；具有梳齿结构的激励电极由锚点固定在衬底的一侧；具有梳 齿结构的振动敏感电极由锚点固定在衬底的另一侧；屏蔽电极和电场感应 电极固定在激励电极和振动敏感电极中间位置的衬底区域上，其中，屏蔽 电极和电场感应电极交错排列；横梁，位于屏蔽电极的中部；支撑梁，支 撑梁的一端由锚点固定在衬底上，另一端与激励电极和振动敏感电极连 接；闭环反馈控制电路部分的输入端与振动敏感电极相连的焊盘连接，而 其输出端则接入与激励电极相连的焊盘，闭环反馈控制电路实现传感器屏 蔽电极自动工作在谐振状态。 为达成所述目的，本专利技术的另一方面，是提供一种谐振式微型电场传 感器，包括：两个传感器敏感结构，在两个传感器敏感结构之间的衬底上 放置一个音叉结构，所述音叉结构与两个传感器的振动敏感电极平行，其 中，所述音叉结构与两个传感器敏感结构的横梁连接。 本专利技术传感器敏感结构的激励电极、振动敏感电极与闭环反馈控制电 路部分构成一个闭环反馈控制系统，实现传感器恒幅自激振动，从而保证 传感器自动工作在谐振频率处，补偿环境引起的谐振频率变化，获取最大 -->电场感应灵敏度。本专利技术传感器敏感结构的敏感电极的输出信号通过信号 检测电路进行提取，并计算频率偏差，补偿谐振频率变化引起的灵敏度变 化。本专利技术可以降低器件的静电激励电压，提高传感器的灵敏度和精度， 进一步增强其环境抗干扰能力。 附图说明 图1a为本专利技术所述的一种基于SOI技术的谐振式微型电场传感器、 图1a1为图1a中屏蔽电极、电场感应电极、支撑梁、横梁及锚点部 分连接的局部放大示意图； 图1a2为图1a中激励电极和振动敏感电极梳齿部分的局部放大示意 图； 图1b为本专利技术所述的一种带有音叉结构的基于SOI技术的谐振式微 型电场传感器，图1b1为图1b的部分结构放大图； 图2a为电场感应电极与屏蔽电极的平行极板布置方案； 图2b为电场感应电极与屏蔽电极梳齿结构布置方案； 图3a、图3b、图3c为本专利技术所述的可用于制备谐振式微型电场传感 器的一种SOI工艺流程所包括的主要步骤，其中图3a是工艺流程的第一 步，图3b是工艺流程的第二步，图3c是工艺流程的第三步。 具体实施方式 下面结合附图来具体说明本专利技术。 图1a为本专利技术所述的基于SOI技术的谐振式微型电场传感器结构示 意图，所述传感器主要包括传感器敏感结构、闭环反馈控制电路部分2和 信号检测电路部分3等，其中，所述传感器敏感结构主要包括衬底1、激 励电极4、振动敏感电极5、屏蔽电极6、电场感应电极7、支撑梁8和多 个锚点9等部分组成。具有梳齿结构的激励电极4由锚点9固定在衬底1 的一侧；具有梳齿结构的振动敏感电极5由锚点9固定在衬底1的另一侧； 屏蔽电极6和电场感应电极7固定在激励电极4和振动敏感电极5中间位 置的衬底1区域上，其中，屏蔽电极6和电场感应电极7交错排列；横梁 61，位于屏蔽电极6的中部；支撑梁8，支撑梁8的一端由锚点9固定在 -->衬底1上，另一端与激励电极4和振动敏感电极5连接；闭环反馈控制电 路部分2的输入端与振动敏感电极5相连的焊盘59连接，而其输出端则 接入与激励电极4相连的焊盘49，闭环反馈控制电路2实现传感器屏蔽电 极(6)自动工作在谐振状态。 本专利技术所述的基于SOI技术的谐振式微型电场传感器还包括如图1b 所示的传感器敏感结构，除了包括衬底1、激励电极4、振动敏感电极5、 屏蔽电极6、电场感应电极7、支撑梁8和多个固定锚点9等部分外，还 包括音叉结构10，可进一步提高器件的品质因数(Q值)，提高灵敏度， 并降低器件共模噪声。 针对本专利技术所述的基于SOI技术的谐振式微型电场传感器敏感结构， 其中所述的一种结构如图1a所示：激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振式微型电场传感器，其特征在于，其传感器敏感结构包括：　　　　一衬底（１）；　　　　具有梳齿结构的激励电极（４）由锚点（９）固定在衬底（１）的一侧；　　　　具有梳齿结构的振动敏感电极（５）由锚点（９）固定在衬底（１）的另一侧；屏蔽电极（６）和电场感应电极（７）固定在激励电极（４）和振动敏感电极（５）中间位置的衬底（１）区域上，其中，屏蔽电极（６）和电场感应电极（７）交错排列；　　　　横梁（６１），位于屏蔽电极（６）的中部；　　　　支撑梁（８），支撑梁（８）的一端由锚点（９）固定在衬底（１）上，另一端与激励电极（４）和振动敏感电极（５）连接；　　　　闭环反馈控制电路部分（２）的输入端与振动敏感电极（５）相连的焊盘（５９）连接，而其输出端则接入与激励电极（４）相连的焊盘（４９），闭环反馈控制电路（２）实现传感器屏蔽电极（６）自动工作在谐振状态。

【技术特征摘要】
1.一种谐振式微型电场传感器，其特征在于，其传感器敏感结构包 括： 一衬底(1)； 具有梳齿结构的激励电极(4)由锚点(9)固定在衬底(1)的一侧； 具有梳齿结构的振动敏感电极(5)由锚点(9)固定在衬底(1)的 另一侧； 屏蔽电极(6)和电场感应电极(7)固定在激励电极(4)和振动敏 感电极(5)中间位置的衬底(1)区域上，其中，屏蔽电极(6)和电场 感应电极(7)交错排列； 横梁(61)，位于屏蔽电极(6)的中部； 支撑梁(8)，支撑梁(8)的一端由锚点(9)固定在衬底(1)上， 另一端与激励电极(4)和振动敏感电极(5)连接； 闭环反馈控制电路部分(2)的输入端与振动敏感电极(5)相连的焊 盘(59)连接，而其输出端则接入与激励电极(4)相连的焊盘(49)， 闭环反馈控制电路(2)实现传感器屏蔽电极(6)自动工作在谐振状态。 2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁(8)是 直梁、二折梁或不规则梁。 3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁(8)为 四根。 4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述激励电极(4)、 振动敏感电极(5)、屏蔽电极(6)、电场感应电极(7)、支撑梁(8) 和固定锚点(9)采用相同的材料并位于同一平面，所述材料是绝缘体上 硅SOI的顶层单晶硅。 5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述屏蔽电极(6) 和电场感应电极(7)采用长条矩形结构。 6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述电场感应电极 (7)的长条矩形与相邻的屏蔽电极(6)的两个长条矩形的间距不相等。 7.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，在所述长条矩形侧 -->面伸出的多个梳齿。 8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁(8)的 另一端与屏蔽电极(6)相连的矩形块(421)和(521)相连，支撑梁(8) 或者与横梁(61)的直接相连。 9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述激励电极(4) 的梳齿结构包括第一固定梳齿(41)和第一可动梳齿(42)，振动敏感电 极(5)的梳齿结构包括第二固定梳齿(51)和第二可动梳齿(52)，所 述激励电极(4)的第一可动梳齿(42)与横梁(61)的一端连接，振动 敏感电极(5)的第二可动梳齿(52)与横梁...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭春荣，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：11[中国|北京]