磁驅動或熱磁混合驅動微型電場傳感器的製作方法
2023-05-17 19:52:41
專利名稱：磁驅動或熱磁混合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，特別涉及磁驅動或熱磁混合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電子設備失靈，甚至損壞這些精密電子設備，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磁驅動或熱磁混合驅動方案來實現屏蔽電極在平面內相對於感應電極做來回周期運動，磁驅動的特點是在很小的驅動電壓下，就可以獲得很大的雙向驅動力和驅動位移，同時可以實現很快的響應速度；熱磁混合驅動的特點是在較小的驅動電壓和驅動電流下就可以實現很大的雙向驅動力與驅動位移，同時可以實現較快的響應速度，而且驅動電極的激勵信號源可以採用標準的CMOS電路，便於器件與電路的進一步集成；另外採用這兩種驅動方式的微型電場傳感器的感應電極都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，提高電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
發明內容
本發明的目的是提供一種磁驅動或熱磁混合驅動的微型電場傳感器，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磁驅動或熱磁混合驅動的微型電場傳感器，其採用洛侖茲力驅動或採用熱應力與洛侖茲力共同驅動屏蔽電極，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。
所述的一種熱磁混合驅動的微型電場傳感器，包括基底、屏蔽電極、感應電極和支撐結構等幾部分；其還包括驅動電極、永磁鐵和差分放大電路；其中，驅動電極有兩極，兩極固接於基底上表面，並串接於交流電路，兩極間由一直梁相連，直梁懸空，其中點一側通過一連杆與屏蔽電極的一端相連；直梁為驅動結構；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；基底的下表面與永磁鐵固接，使永磁鐵的磁場垂直通過基底的平面；對驅動電極通交流電，以熱應力與洛侖茲力共同驅動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。
所述的一種磁驅動的微型電場傳感器，包括基底、屏蔽電極、感應電極和支撐結構等幾部分；其還包括驅動電極、永磁鐵和差分放大電路；其中，驅動電極有兩極，兩極固接於基底上表面，並串接於交流電路，兩極間由一直梁相連，直梁懸空，其中點一側通過一連杆與屏蔽電極的一端相連；在驅動電極的兩極和直梁的外表面有一層金屬薄膜；直梁為驅動結構；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；基底的下表面與永磁鐵固接，使永磁鐵的磁場垂直通過基底的平面；對驅動電極通交流電，以洛侖茲力驅動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。
所述的傳感器，其加在驅動電極上的驅動電壓大小相等，方向相反，對於正弦驅動電壓來說，就是幅值相等，相位相差180度，保證屏蔽電極上的電位等於零，達到屏蔽電極接地的目的。
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，其所述驅動結構，為多晶矽或摻雜單晶矽材料。
所述的傳感器，其所述金屬薄膜為鋁薄膜或金薄膜。
所述的傳感器，其所述永磁鐵，為與器件體積相適配的小型永磁鐵，採用能提供強磁碭的釹鐵硼磁鐵。
本發明的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，但其實現接地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旋轉周期運動。本發明的基於MEMS工藝製備的磁驅動微型電場傳感器採用洛侖茲力驅動，熱磁混合驅動微型電場傳感器採用熱應力與洛侖茲力共同驅動，採用這兩種驅動方式的微型電場傳感器具有體積小、重量輕、響應速度快、易於集成、可以批量生產、成本低等優點。
圖1是本發明磁驅動或熱磁混合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磁驅動結構和熱磁混合驅動結構工作原理圖；圖3是磁驅動和熱磁混合驅動微型電場傳感器工作時的結構配置圖；圖4是磁驅動和熱磁混合驅動微型電場傳感器的屏蔽電極與磁驅動結構或熱磁混合驅動結構圖；圖5是磁驅動和熱磁混合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2、圖3、圖4，本發明的磁驅動或熱磁混合驅動微型電場傳感器的基本結構主要包括感應電極、屏蔽電極和驅動電極三部分。
本發明的一種熱磁混合驅動的微型電場傳感器，包括基底9、屏蔽電極1、感應電極和支撐結構等幾部分；其還包括驅動電極4、永磁鐵6和差分放大電路；其中，驅動電極4有兩極，兩極固接於基底9上表面，並串接於交流電路，兩極間由一直梁5相連，直梁5懸空，其中點一側通過一連杆10與屏蔽電極1的一端相連；直梁5為驅動結構；屏蔽電極1水平固接於支撐結構上，支撐結構由固定錨7和微彈性梁8組成，微彈性梁8呈框狀，固接於屏蔽電極1四周緣，微彈性梁8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7固接，固定錨7固接於基底9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9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；基底9的下表面與永磁鐵6固接，使永磁鐵6的磁場垂直通過基底的平面；對驅動電極4通交流電，以熱應力與洛侖茲力共同驅動驅動結構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。
本發明的一種磁驅動的微型電場傳感器，與熱磁混合驅動的微型電場傳感器基本相同，也包括基底9、屏蔽電極1、感應電極和支撐結構等幾部分；其連接關係一樣，只是在驅動電極4的兩極和直梁5的外表面有一層金屬薄膜11。
對磁驅動的微型電場傳感器的驅動電極4通交流電，以洛侖茲力驅動驅動結構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。
磁驅動和熱磁混合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中的磁驅動結構或熱磁混合驅動結構5驅動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，當圖1中屏蔽電極1向左運動時，正感應電極2在外電場E下的暴露面積減小，它上面因外電場E的作用而感應的電荷也隨著減少，此時，負感應電極3在外電場E下的暴露面積增大，它上面因外電場E的作用而感應的電荷也隨著增加；相反，當圖1中的接地屏蔽電極1向右運動時，正感應電極2在電場下的暴露面積增大，它上面因外電場E的作用而感應的電荷也隨著增多，此時，負感應電極3在電場下的暴露面積減少，它上面因外電場E的作用而感應的電荷也隨著減少，當接地屏蔽電極1在平面內做來回周期運動時，其下方正感應電極2和負感應電極3上由於外電場E的作用在它們表面上的感應電荷的數量將做周期變化，感應電極上隨時間周期變化的感應電荷將形成與外部電場強度E成正比的交變電流信號，該電流信號經差分放大和後續電路處理即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。感應電極分為正負兩組，採用差分方式輸出，有利於降低共模幹擾，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在平面內做來回周期運動的磁驅動結構或熱磁混合驅動結構的工作原理圖，使用時需將製備好的微型電場傳感器如圖3所示固定在一塊永磁鐵6上，永磁鐵6將會產生垂直於微型電場傳感器平面方向的磁場。下面分別敘述磁驅動結構和熱磁混合驅動結構的工作原理。
對於磁驅動結構，當在固定在矽基底9上的驅動電極4上加上交流電壓時，多晶矽直梁5或摻雜單晶矽直梁5在垂直於平面方向的磁場和通過直梁5的交流電流的共同作用下，將會受到如圖2所示的平行於矽基底9平面的洛侖茲力作用，在洛侖茲力的作用下，直梁5將會發生平面內的變形。為了使在直梁5上產生的洛侖茲力足夠大，從而實現較大的驅動力與驅動位移，需要在直梁5上加較大的電流，一般在數百毫安左右，為了防止多晶矽直梁5或摻雜單晶矽直梁5在工作時溫度過高而損壞，可以在直梁5上製備低電阻率的金屬薄膜11，一般可以採用金薄膜或鋁薄膜等，由於金屬的電阻率非常低，即使通以較大的交流電流，由於焦耳熱效應而產生的熱量也很少，器件工作時的溫度升高很小，產生的熱應力也很小，可以忽略不計，所以對於磁驅動結構來說，只需要考慮洛侖茲力的作用。
對於熱磁混合驅動結構，在沒有磁場的情況下，在固定在矽基底9上的驅動電極4上加上交流電壓時，用多晶矽或摻雜單晶矽製作的與矽片基底9之間有一定間隙的直梁5將會由於焦耳熱效應受熱膨脹產生熱應力，由於多晶矽梁5在兩端是固定支撐的，在熱應力的作用下，直梁5將會發生平面內或垂直於平面的屈曲運動，究竟是發生平面內的屈曲，還是垂直於平面的屈曲，取決於直梁5的結構尺寸，如果直梁5的厚度大於其寬度，將會發生平面內的屈曲運動，如果直梁5的寬度大於其厚度，將會發生垂直於平面的屈曲運動，如果其寬度與厚度相等，則發生平面內和垂直於平面的屈曲運動都有可能，但如果將製備好的微型電場傳感器如圖3所示固定在一塊永磁鐵6上，永磁鐵6為與器件體積相適配的小型永磁鐵，採用能提供強磁碭的釹鐵硼磁鐵等。永磁鐵6將會產生垂直於微型電場傳感器平面的磁場，多晶矽或摻雜單晶矽直梁5在垂直於平面方向的磁場和通過直梁5的交流電流的作用下，除了熱應力以外，還會受到平行於平面的洛侖茲力作用，在熱應力與洛侖茲力的共同作用下，即使直梁5的寬度大於其厚度，也容易發生平面內的屈曲運動。多晶矽直梁5或摻雜單晶矽直梁5在水平面內的屈曲運動可以用來驅動其它微結構使其在平面內做來回周期運動。
由上所述可知，磁驅動結構與熱磁混合驅動結構基本相同，它們所需要的驅動電壓都很低，它們之間的不同點在於磁驅動的驅動電壓更低，但為了產生較大的洛侖茲力需要較大的驅動電流，為了防止多晶矽或摻雜單晶矽直梁5驅動結構在工作過程中發熱損壞，需要在多晶矽或摻雜單晶矽直梁5驅動結構上鍍一層低電阻率的金屬薄膜11。熱磁混合驅動結構不需要在多晶矽或重摻雜單晶矽直梁5上製備金屬薄膜，它所需要的驅動電壓與驅動電流都很小，驅動電流一般在數毫安左右，從而可以採用標準的CMOS電路作為激勵信號源，熱磁混合驅動主要靠直梁5熱應力產生的屈曲運動來產生驅動力與驅動位移，直梁5所受到的洛侖茲力的作用在於引導直梁5驅動結構發生平面內的屈曲運動。
如圖4所示，將這種磁驅動結構或熱磁混合驅動結構5與接地屏蔽電極1連接起來，接地屏蔽電極1通過微彈性梁8和固定錨7固定在矽基底9上(如圖4所示的屏蔽電極1位於正負感應電極2、3的上方，且與下方的正負感應電極2、3之間有一定的間隙)，這樣就可以使用磁驅動結構或熱磁混合驅動結構驅動屏蔽電極1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。磁驅動結構的優點是在較小的電壓下可以獲得較大的雙向驅動力和驅動位移，而且可以實現很快的響應速度，另外磁驅動還具有結構緊湊的優點，它佔用的晶片面積很少，從而可以提高正負感應電極2、3的面積，由於基於電荷感應式的電場傳感器的檢測電流信號與屏蔽電極1的工作頻率和感應電極面積的乘積成正比，因此採用磁驅動方案來驅動屏蔽電極1運動對提高微型電場傳感器的檢測靈敏度極為有利。熱磁混合驅動結構的特點與磁驅動結構基本相同，但它不需要在直梁5結構上製備金屬薄膜11，製備工藝更簡單，可以採用目前國際上若干代工廠的工藝條件進行加工，另外所需要的驅動電流要比磁驅動結構小得多，可以採用標準的CMOS驅動電路來做激勵信號源，從而便於器件與電路的進一步集成。
權利要求
1.一種磁驅動或熱磁混合驅動的微型電場傳感器，其特徵在於，採用洛侖茲力驅動或採用熱應力與洛侖茲力共同驅動屏蔽電極，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所述的一種熱磁混合驅動的微型電場傳感器，包括基底、屏蔽電極、感應電極和支撐結構等幾部分；其特徵在於，還包括驅動電極、永磁鐵和差分放大電路；其中，驅動電極有兩極，兩極固接於基底上表面，並串接於交流電路，兩級間由一直梁相連，直梁懸空，其中點一側通過一連杆與屏蔽電極的一端相連；直梁為驅動結構；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；基底的下表面與永磁鐵固接，使永磁鐵的磁場垂直通過基底的平面；對驅動電極通交流電，以熱應力與洛侖茲力共同驅動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1所述的一種磁驅動的微型電場傳感器，包括基底、屏蔽電極、感應電極和支撐結構等幾部分；其特徵在於，還包括驅動電極、永磁鐵和差分放大電路；其中，驅動電極有兩極，兩極固接於基底上表面，並串接於交流電路，兩極間由一直梁相連，直梁懸空，其中點一側通過一連杆與屏蔽電極的一端相連；在驅動電極的兩極和直梁的外表面有一層金屬薄膜；直梁為驅動結構；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；基底的下表面與永磁鐵固接，使永磁鐵的磁場垂直通過基底的平面；對驅動電極通交流電，以洛侖茲力驅動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。
4.如權利要求2或3所述的傳感器，其特徵在於，加在驅動電極上的驅動電壓大小相等，方向相反，對於正弦驅動電壓來說，就是幅值相等，相位相差180度，保證屏蔽電極上的電位等於零，達到屏蔽電極接地的目的。
5.如權利要求2或3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。
6.如權利要求2或3所述的傳感器，其特徵在於，所述驅動結構，為多晶矽或摻雜單晶矽材料。
7.如權利要求3所述的傳感器，其特徵在於，所述金屬薄膜為鋁薄膜或金薄膜。
8.如權利要求2或3所述的傳感器，其特徵在於，所述永磁鐵，為與器件體積相適配的小型永磁鐵，採用能提供強磁碭的釹鐵硼磁鐵。
全文摘要
一種磁驅動或熱磁混合驅動的微型電場傳感器，採用洛侖茲力驅動或採用熱應力與洛侖茲力共同驅動屏蔽電極，在水平方向上振動，使傳感器重量輕、響應速度快、易於集成；其測量的電流信號採用差分方式輸出。本發明的驅動結構緊湊，佔用晶片面積很少，可提高正負感應電極的面積，由於基於電荷感應式的電場傳感器檢測電流信號與屏蔽電極的工作頻率和感應電極面積的乘積成正比，磁驅動微型電場傳感器驅動頻率很高，感應電極面積大，對提高微型電場傳感器的檢測靈敏度極為有利；熱磁混合驅動微型電場傳感器在工藝上更簡單，可用目前國際上若干代工廠的工藝條件進行加工，其驅動電壓很小，驅動電流在毫安量級，能夠採用標準的CMOS電路作為激勵信號源。
文檔編號G01R29/00GK1828318SQ20051005126
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