专利名称：一种振动式微机械电场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电场传感器，尤其涉及一种振动式微机械电场传感器，能通过静电对电场传感器的谐振频率和品质因数进行调谐。
背景技术：
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，相对于米用传统机械加工技术加工的电场传感器，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。由于振动式电场传感器时刻要求屏蔽层中的活动结构处在谐振状态，同时在谐振状态时同样的能量能够获得更大的振动幅度，从而达到大的灵敏度。目前多采用真空封装的方法来改善封装的品质因数，真空度越高，相同的传感器芯片封装后的品质因数就越大，同样能量驱动下可获得的灵敏度也就越大。真空封装中，金属的封帽具有较好的气密性和稳定性，但金属的封帽会导致电场感应的电荷在封帽上累积，累积的电荷会导致电场重新分布，影响测量电场强度的可靠性。彭春荣、夏善红的《微型电场传感器抗静电积累封装结构》(专利号200810222768.8)，文献提到真空封装在金属封帽上的电荷积累，提出了一种改进的导体封盖来减小静电荷的累积，通过气密圈来实现真空和非真空的封装。密封是通过ο型圈和真空密封胶来完成的，但由于封装工艺的复杂性及塑胶材料的气密性与稳定性问题，目前该技术没有得到推广。采用玻璃和陶瓷等材料作为封帽，虽然能克服电荷累积问题，但长时间存放后真空度得不到保证。Haiyan Zhang, Dongming Fang, Pengfei Yang等在文献报道上(Humidity-Induced Charge Leakage and Field Attenuation in Electric FieldMicrosensors[J] . Sensors, 2012, 12:5105-5115.)提到用一种含聚四氟乙烯高分子化学材料(缩略PTFE)为封帽材料，由于长期真空封装的气密性不好，同时空气中的水分会进入传感器封装腔体内，封装腔体内的水分存在会严重影响传感器测量输出结果的稳定性。另外，由于微机械制造工艺存在的关键线宽损失，使得加工的微结构表芯与设计的不一致。针对电场传感器的制造误差补偿目前很少关注，而结构的制造误差将导致机械谐振频率的变化，给后续的电路设计带来困难。目前文献资料还没有介绍针对微机械振动电场传感器的制造误差的补偿。根据上述说明，现存的振动式微机械电场传感器暂没有针对封装电荷的累积和输出的稳定性提出有效的解决方法，也没有针对制造过程的误差提出补偿办法。
发明内容
本发明的技术解决问题针对现存振动式微机械电场传感器研制中存在的制造误差和封装问题，提出利用平行板电容器加载静电来对屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，通过振动速度信号的差分式反馈来对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐。上述创新性措施能实现振动式微机械电场传感器的常压封装应用，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性，解决了现存微机械电场传感器中的制造误差补偿和封装及输出信号稳定性等关键问题。静电驱动方式具有实现简单，容易与后续信号处理模块集成等特点，广泛应用于微机械电子传感器中。面内振动的微机械电场传感器主要包括屏蔽层结构和感应层电极，屏蔽层结构水平方向运动周期的遮盖下面的敏感电极，使得感应电极表面上的感生电荷量发生周期性变化。因而接口电路中产生与外界电场成比例的交变电流。这种方式下结构对称性比较好，结构层的厚度对面内振动模态频率不产生影响，微机械加工也比较容易。根据原理，感生电流与其他参量关系如下
is = = ε — S(I)
^ dt di
式(I)中(力感生电流α力介电常数4为电场感应的有效面积，β为敏感电极差
分后感应的电荷量，瓦为待测量电场强度。设屏蔽层中的活动结构做正弦振动，且垂直运动方向的长度为L，振动幅度为I，则式(I)可以表示为
. dX η ω ^φ) τ r , .,、
Ii = ε---—iaE = emLX cos{ai + ψ)Β(2)
di
式(2)中，￡y和炉分别为屏蔽层中活动结构振动的角频率和相位。电流信号经过I-V转换、放大、滤波等之后，用激励信号作为电场解调的参考信号，经过相关解调和低通滤波后，解调出的电场强度值为
= ΚφΧΒ(3)
式(3)中的尤为电路参数决定的常量，不能任意增大，太大电路就达到输出电压饱和。根据式(3)可知，振动频率￡ 和振动幅值X以及敏感电极敏感到的电场强度直接影响了输出信号的大小和测量的准确性。 和I越大，传感器灵敏度越高。对于谐振梁结构的幅频特性而言，在谐振频率处振动幅度最大，从而能获得最大的电场感应灵敏度。因此，激励电压应该实时跟踪结构谐振频率的变化。对于屏蔽层的活动结构要求其处在谐振状态，在开环状态下不考虑驱动信号检测反馈静电力、速度反馈电压产生的静电力及调谐活动结构的静电力，活动结构的受力方程可以表示为
I dc\I,
Μ + Ci + klX = -^-{(VDc + CT — (Fdc + Vac) ]= ^cosQt(4)
式(4)中，m为屏蔽层活动结构的质量，c为屏蔽层活动结构的封装后的阻尼系数，K为屏蔽层活动结构的振动模态对应的刚度，Cd为驱动梳齿对电容，Vdc和Vae分别为
对应的直流和交流驱动电压，&和0为对应的静电驱动力大小和角频车I为屏蔽层活动结构的位移。求解等式(4)得到振动位移的幅度X
^ = — I1——
1(1 — (Ω )2)2+( 1"2 )2 (5) i " 0,
式(5)中t为屏蔽层活动结构的固有振动模态频率，％ =为品质因数，
F
0 K^,。当交'流激励电压的頻I率与相同时·，振云力幅度达到最大^ = T--QQ = ^kl- m !cq 12 Ar1
O此条件下式⑶可以化简为
V0=KmXE=K^=M=E(6)
根据式(6)可知，在谐振状态下，当静电驱动力确定时，振动式微机械电场传感器的灵敏度与品质因数δ有关。β越大，越利于信号的检测，相应灵敏度越大，这要求在传感器封装中尽量减少阻尼系数c。本发明在分析等式(4)后，发现阻尼项与振动速度V t关。本发明利用速度检测
信号反馈到驱动端，这样在等式左边就多了一项负的阻尼力项。屏蔽层中的活动结构振动信号通过c/ν电荷放大器、仪表放大器、带通滤波器后得到反映振动位移的电压信号，该电压信号经过比例放大后大小与位移成比例。随后该信号通过微分和移相后叠加到调谐品质
因数的固定梳齿上。加在对称的两个调谐品质因数的固定梳齿上的电压为Fxi和及为Vdci和-，其中&为振动速度变成反馈电压的增益系数。这样式(4)表示为
, I SC^2
mx + cx + Ir1X = Fd cosΩ +--+ Γ — (Fdci -kzx) ](7)
2 dx'
式(7)可以进一步化简为
权利要求
1.一种振动式微机械电场传感器，包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层，其特征在于所述屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁；所述固定梳齿结构包括一对驱动梳齿、一对用于驱动信号检测的第一、第二固定梳齿、一对用于调谐品质因数的第三、第四固定梳齿、以及一对调谐活动结构谐振频率的第五、第六固定梳齿；其中，所述第五、第六固定梳齿分别对称设置在质量块的上下两端，所述第一、第二固定梳齿、驱动梳齿，以及第三、第四固定梳齿依次分别对称设置在质量块的左右两端，所述活动结构上的梳齿与所述第五、第六固定梳齿共同形成平板电容器，通过改变第五、第六固定梳齿与活动结构上的梳齿之间的间距改变平板电容器电容的大小。
2.根据权利要求I所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于所述支撑梁为直梁或折叠梁形式。
3.根据权利要求I或2所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于所述第五、第六固定梳齿上加载可调节的直流电压，通过直流电压来调节屏蔽层中的活动结构的谐振频率。
4.根据权利要求I所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于所述驱动梳齿、第一、第二固定梳齿、以及第三、第四固定梳齿分别与活动结构上的梳齿构成差分结构，并形成差分电容，其中活动结构的振动速度反馈信号加载在第三、第四固定梳齿上，通过差分结构调整屏蔽层中活动结构的等效阻尼。
5.根据权利要求4所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于所述传感器在常压下封装，利用自激驱动来实现屏蔽层中活动结构在其等效谐振频率点处谐振。
全文摘要
本发明涉及一种振动式微机械电场传感器，一种振动式微机械电场传感器，包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层，所述屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁。本发明能利用平行板电容器加载静电来对屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，通过振动速度信号的差分式反馈来对针对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐，实现振动式微机械电场传感器的常压封装，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性，解决了现存微机械电场传感器中的制造误差补偿和封装及输出信号稳定性等关键问题。
文档编号G01R29/12GK102879655SQ20121042673
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者刘恒, 孟瑞丽, 刘清惓, 张加宏, 李敏 申请人:南京信息工程大学