熱驅動微型電場傳感器的製作方法
2023-05-17 19:59:01
專利名稱：熱驅動微型電場傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器，特別涉及熱驅動微型電場傳感器。
背景技術：
電場強度是一個十分重要的跨學科特性參量。電場強度的測量在航空航天、地學與環境檢測和工業生產等領域都具有十分重要的應用，例如在航空航天領域，大氣電場的強度值被列為太空飛行器能否發射的重要條件之一，為保障飛行器的安全升空，航天部門十分重視飛行器發射前雷電的實時探測與監測；在地學與環境監測領域，電場檢測被廣泛應用於大氣環流研究、地質災害預報、氣象及沙塵的預報、石油及礦產勘探、大氣汙染檢測等方面；在工業生產領域，過強的電場會使精密的電子設備失靈，甚至損壞這些精密的電子設備，因而在一些精密電子設備的生產和使用過程中，需要知道其生產環境或工作環境中的電場強度，以免設備失靈或損壞。
目前已有若干種電場傳感器，根據不同的應用背景、應用環境和檢測範圍，電場傳感器可分為大氣電場檢測、海底電場檢測、電力系統或電器設備周圍電場檢測、精密電子設備生產與使用環境電場檢測等；根據其工作原理，可分為電荷感應式和光學式兩類。電荷感應式電場傳感器製作技術比較成熟，量程大，精度較高，但是由於其體積大，結構複雜，造價昂貴，在應用中受到了一定的限制。光學式電場傳感器響應速度快，噪聲較低，但是一般測量範圍較窄，成本較高，且不適合於測量靜電場。
本發明人曾提出了基於微細加工技術的垂直振動式微型電場傳感器方案(發明專利申請號02147377.3)和平行振動式微型電場傳感器方案(發明專利申請號03106433.7)。本發明在前兩者的基礎上提出了採用熱驅動結構實現屏蔽電極在平面內相對於其下方的感應電極做來回周期運動，採用熱驅動結構的優點是在較小的驅動電壓和驅動電流下就可以實現較大的驅動力和驅動位移，而且可以實現較快的響應速度，較小的驅動電壓有利於減少驅動電極對感應電極信號的耦合幹擾，從而提高電場檢測信號的信噪比和靈敏度，較小的驅動電壓和驅動電流的另一個好處是可以採用標準的CMOS集成電路作為微型電場傳感器的激振信號源，這樣有利於傳感器和信號激勵與檢測電路的進一步集成；另外這種熱驅動微型電場傳感器的感應電極分為正感應電極和負感應電極兩組，感應電極上的電流信號採用差分的方式輸出，這樣能夠顯著降低共模幹擾，從而提高電場檢測信號的信噪比和靈敏度。
發明內容
本發明的目的是提供一種熱驅動微型電場傳感器，使傳感器具有體積小、重量輕、響應速度快、易於集成的特點，且提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種熱驅動微型電場傳感器，其採用熱應力驅動屏蔽電極，在水平方向上振動，使傳感器具有體積小、重量輕、響應速度快、易於集成的特點；其測量的電流信號採用差分方式輸出，提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
所述的熱驅動微型電場傳感器，包括基底、感應電極、屏蔽電極和支撐結構等幾部分；其還包括驅動電極和熱驅動結構，其中，驅動電極有兩極，兩極固接於基底上表面，並串接於開關電路，兩極間由一熱驅動結構相連，熱驅動結構懸空，其中點一側通過一連杆與屏蔽電極的一端相連；屏蔽電極水平固接於支撐結構上，支撐結構由固定錨和微彈性梁組成，微彈性梁呈框狀，固接於屏蔽電極四周緣，微彈性梁的框狀上設有複數個支腳，支腳伸向下方的端部與片狀固定錨固接，固定錨固接於基底上表面；感應電極處於屏蔽電極正下方，由正感應電極和負感應電極組成，兩組電極固接於基底上表面，相互不連接，且與屏蔽電極之間有一間隙；屏蔽電極接地，正感應電極與差分放大電路的正極相連，負感應電極與差分放大電路的負極相連；對驅動電極加一方波電壓，以熱應力驅動熱驅動結構做雙向水平位移，帶動屏蔽電極在水平方向上振動，以得到正、負感應電極上感應電荷形成的與外部電場強度成正比的交變電流信號，實現外電場的探測。
所述的熱驅動微型電場傳感器，其所述熱驅動結構，為V型梁熱驅動器或冷熱梁熱驅動器，用多晶矽或摻雜單晶矽材料製作。
所述的熱驅動微型電場傳感器，其所述V型梁熱驅動器，為單個V型梁結構，V型梁兩端分別與驅動電極兩極連接，尖端與連杆一端連接；或為級聯結構，以三個V型梁組成，其中兩個V型梁的兩端分別與驅動電極兩極連接，兩個尖端分別與第三個V型梁的兩端連接，第三個V型梁的尖端與連杆一端連接。
所述的熱驅動微型電場傳感器，其所述冷熱梁熱驅動器，由窄梁和寬梁兩部分組成，窄梁與寬梁串接後折彎，支腳分別與驅動電極兩極連接，其折點與連杆一端連接；或已折彎的兩個串接的窄梁與寬梁，兩支腳分別與驅動電極兩極連接，兩折點相接，且與連杆一端連接。
所述的熱驅動微型電場傳感器，其所述V型梁熱驅動器或冷熱梁熱驅動器，可以由單個熱驅動器組成，也可以是複數個單體熱驅動器的並聯組合。
所述的傳感器，其所述屏蔽電極、正感應電極和負感應電極的數量相同。
所述的傳感器，其加在驅動電極兩級上的驅動電壓大小相等，方向相反，保證屏蔽電極上的電位等於零，達到屏蔽電極接地的目的。
本發明工作原理屬於電荷感應式，是傳統電荷感應式電場傳感器的微型化，但其實現屏蔽電極周期運動的驅動方法不同，傳統的電荷感應式電場傳感器一般是採用微電機來實現屏蔽電極的周期旋轉運動，本發明的基於MEMS工藝製備的熱驅動微型電場傳感器是採用熱驅動結構來驅動屏蔽電極，這種熱驅動的微型電場傳感器具有體積小、重量輕、易於集成、可以批量生產、成本低等優點。
圖1是本發明熱驅動微型電場傳感器的工作原理圖；圖2是用於微型電場傳感器的熱驅動結構工作原理圖；圖3是熱驅動微型電場傳感器的屏蔽電極與熱驅動結構圖；圖4是熱驅動微型電場傳感器的基底與感應電極結構圖。
具體實施例方式
見圖1、圖3、圖4，本發明的熱驅動微型電場傳感器的基本結構主要包括基底8、感應電極、屏蔽電極1、驅動電極4、熱驅動結構5和支撐結構等幾部分。其中，驅動電極4有兩極，兩極固接於基底8上表面，並串接於開關電路，兩極間由一熱驅動結構5相連，熱驅動結構5懸空，其中點一側通過一連杆9與屏蔽電極1的一端相連。
屏蔽電極1水平固接於支撐結構上，支撐結構由固定錨6和微彈性梁7組成，微彈性梁7呈框狀，固接於屏蔽電極1四周緣，微彈性梁7的框狀上設有複數個支腳，支腳伸向下方的端部與片狀固定錨6固接，固定錨6固接於基底8上表面。
感應電極處於屏蔽電極1正下方，由正感應電極2和負感應電極3組成，兩組電極固接於基底8上表面，相互不連接，且與屏蔽電極1之間有一定的間隙。
屏蔽電極1接地，正感應電極2與差分放大電路的正極相連，負感應電極3與差分放大電路的負極相連。
對驅動電極4加一方波電壓，以熱應力驅動熱驅動結構5做雙向水平位移，帶動屏蔽電極1在水平方向上振動，以得到正、負感應電極2、3上感應電荷形成的與外部電場強度E成正比的交變電流信號，實現外電場的探測。
熱驅動微型電場傳感器的工作原理如圖1所示，接地的屏蔽電極1由圖2中的熱驅動結構5驅動在平面內做來回周期運動，當屏蔽電極1位於圖1(a)的初始位置時，正感應電極2被屏蔽電極1所屏蔽，在其表面只能感應出很少量的感應電荷，負感應電極3完全暴露，在外部電場E的作用下，在其表面上感應出與外電場E成正比的電荷，當屏蔽電極1位於圖1(b)所示的終止位置時，正感應電極2被暴露，在其表面上感應出與外電場E成正比的電荷，此時負感應電極3被接地屏蔽電極1屏蔽，在其表面上只能感應出很少量的感應電荷，當屏蔽電極1在圖1(a)和圖1(b)的初始位置與終止位置之間做來回周期運動時，其下方的正感應電極2和負感應電極3由於外電場E的作用在它們表面上的感應電荷數量將做周期變化，隨時間周期變化的感應電荷將形成與外部電場強度E成正比的交變電流，該電流信號經差分放大電路和後續電路處理後得到一可測量的與外部電場強度E成正比的電信號，從而實現測量外部空間電場強度的目的，將感應電極分為正負兩組，採用差分的方式來檢測感應電極上的電流信號可以大大降低共模噪聲，提高電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
圖2是用於驅動屏蔽電極1在平面內做來回周期運動的熱驅動結構5，如圖2(a)所示，當在固定在矽基底8上的驅動電極4上加上+V和-V的驅動電壓時，用多晶矽或摻雜單晶矽製作的與其下方矽片基底8有一定間隙的V型梁熱驅動器5將會由於焦耳熱效應受熱膨脹而產生熱應力，使其中間的尖端向右運動，如果在驅動電極4上加一個如圖2(c)所示的方波電壓，多晶矽或摻雜單晶矽V型梁熱驅動器5將會周期性地受熱與冷卻，從而可以實現在平面內的來回周期運動。如果如圖2(b)所示，將這種V型梁熱驅動器5級聯起來，可以將V型梁熱驅動器5所能實現的驅動位移放大，即可以在同樣的驅動電壓下實現更大的驅動位移。除了可以採用圖2(a)和圖2(b)所示的V型梁熱驅動器5外，還可以採用圖2(d)和圖2(e)所示的冷熱梁熱驅動器5，它們的特點是多晶矽或摻雜單晶矽梁分為窄梁與寬梁兩部分，如圖2(d)所示的窄梁與寬梁為串聯結構，當在驅動電極上加一定的驅動電壓時，窄梁由於電阻比寬梁大，由於焦耳熱效應生成的熱量比寬梁多，導致窄梁的溫度比寬梁高，其熱變形的程度也比寬梁大，從而導致其右端發生如圖所示的逆時針變形運動，產生一定的驅動力與驅動位移，這種熱驅動結構的缺點是其驅動的軌跡是弧線，在使用時有所不便，而且由於其結構的不對稱性，難以控制其驅動部位的電位，但如果採用圖2(e)所示的冷熱梁熱驅動器5，就可以克服這些不足，圖2(e)是把兩個並聯的冷熱梁熱驅動器5串聯起來，這樣可以在其中間的驅動部分實現直線驅動位移，由於結構的對稱性，也容易控制中間驅動部位的電位。之所以要控制驅動部位的電位是因為在微型電場傳感器中，需要將熱驅動結構5與接地的屏蔽電極1相連，這樣必須保證驅動部位的電位等於零，才能達到屏蔽電極1接地的目的。如果工作時的驅動力不夠大，還可以象圖2(f)和圖2(g)所示的那樣，將多個V型梁熱驅動器5或冷熱梁熱驅動器5並聯起來，這樣可以獲得更大的驅動力。
如圖3所示，將級聯結構的V型梁熱驅動器5與接地屏蔽電極1連接起來，屏蔽電極1通過微彈性梁7和固定錨6固定在矽基底8上(如圖4所示的感應電極正感應電極2和負感應電極3，位於圖3所示的屏蔽電極1的下方，且與上方的屏蔽電極1之間有一定的間隙)，這樣就可以使用V型梁熱驅動器5來驅動屏蔽電極1使其在平面內相對於其下方的正感應電極2和負感應電極3做來回周期運動，從而實現對正感應電極2和負感應電極3的周期性暴露與屏蔽。當然除了可以採用V型梁熱驅動器5以外，也可以採用圖2(e)所示的冷熱梁熱驅動器5來驅動接地屏蔽電極1。相對於傳統的靜電梳齒驅動結構來說，採用熱驅動結構5的優點是在較小的驅動電壓與驅動電流下就可以獲得較大的驅動力和驅動位移，同時能夠實現較快的響應速度，較小的驅動電壓和驅動電流不僅可以減小激勵信號源對感應電極信號的耦合幹擾，而且可以採用標準的CMOS電路作為激勵信號源，這樣便於器件與電路的進一步集成；熱驅動的另一優點是驅動結構緊湊，只需要佔用很少的晶片面積，這樣可以提高感應電極的面積，從而有利於提高電場信號檢測的靈敏度。
權利要求
1.一種熱驅動微型電場傳感器，其特徵在於，採用熱應力驅動屏蔽電極，在水平方向上振動，使傳感器具有體積小、重量輕、響應速度快、易於集成的特點；其測量的電流信號採用差分方式輸出，提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
2.如權利要求1所述的熱驅動微型電場傳感器，包括基底、感應電極、屏蔽電極和支撐結構等幾部分；其特徵在於，還包括驅動電極和熱驅動結構，其中，驅動電極有兩極，兩極固接於基底上表面，並串接於開關電路，兩極間由一熱驅動結構相連，熱驅動結構懸空，其中點一側通過一連杆與屏蔽電極的一端相連；屏蔽電極水平固接於支撐結構上，支撐結構由固定錨和微彈性梁組成，微彈性梁呈框狀，固接於屏蔽電極四周緣，微彈性梁的框狀上設有複數個支腳，支腳伸向下方的端部與片狀固定錨固接，固定錨固接於基底上表面；感應電極處於屏蔽電極正下方，由正感應電極和負感應電極組成，兩組電極固接於基底上表面，相互不連接，且與屏蔽電極之間有一定的間隙；屏蔽電極接地，正感應電極與差分放大電路的正極相連，負感應電極與差分放大電路的負極相連；對驅動電極加一方波電壓，以熱應力驅動熱驅動結構做雙向水平位移，帶動屏蔽電極在水平方向上振動，以得到正、負感應電極上感應電荷形成的與外部電場強度成正比的交變電流信號，實現外電場的探測。
3.如權利要求2所述的熱驅動微型電場傳感器，其特徵在於，所述熱驅動結構，為V型梁熱驅動器或冷熱梁熱驅動器，用多晶矽或摻雜單晶矽材料製作。
4.如權利要求3所述的熱驅動微型電場傳感器，其特徵在於，所述V型梁熱驅動器，為單個V型梁結構，V型梁兩端分別與驅動電極兩極連接，尖端與連杆一端連接；或為級聯結構，以三個V型梁組成，其中兩個V型梁的兩端分別與驅動電極兩極連接，兩個尖端分別與第三個V型梁的兩端連接，第三個V型梁的尖端與連杆一端連接。
5.如權利要求3所述的熱驅動微型電場傳感器，其特徵在於，所述冷熱梁熱驅動器，由窄梁和寬梁兩部分組成，窄梁與寬梁串接後折彎，支腳分別與驅動電極兩極連接，其折點與連杆一端連接；或已折彎的兩個串接的窄梁與寬梁，兩支腳分別與驅動電極兩極連接，兩折點相接，且與連杆一端連接。
6.如權利要求3、4或5所述的熱驅動微型電場傳感器，其特徵在於，所述V型梁熱驅動器或冷熱梁熱驅動器，由單個熱驅動器組成，或是複數個單體熱驅動器的並聯組合。
7.如權利要求2所述的傳感器，其特徵在於，所述屏蔽電極、正感應電極和負感應電極的數量相同。
8.如權利要求2所述的傳感器，其特徵在於，加在驅動電極兩極上的驅動電壓大小相等，方向相反，保證屏蔽電極上的電位等於零，達到屏蔽電極接地的目的。
全文摘要
一種熱驅動微型電場傳感器，其採用熱應力驅動屏蔽電極，在水平方向上振動，使傳感器具有體積小、重量輕、響應速度快、易於集成的特點；其測量的電流信號採用差分方式輸出，提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。本發明以較小的驅動電壓和驅動電流不僅可以減小激勵信號源對感應電極信號的耦合幹擾，而且可以採用標準的CMOS電路作為激勵信號源；熱驅動微型電場傳感器的感應電極分為正感應電極和負感應電極兩組，採用差分的方法檢測，這樣可以大大降低共模幹擾，從而提高電場信號檢測的信噪比與靈敏度。
文檔編號G01R29/00GK1828317SQ200510051260
公開日2006年9月6日 申請日期2005年3月3日 優先權日2005年3月3日
發明者夏善紅, 陳賢祥, 白強, 陳紹鳳 申請人:中國科學院電子學研究所