（物理电子学专业论文）基于mems技术的微型电场传感器设计及实验研究.pdf

摘要 基于m e m s 技术的微型电场传感器设计及实验研究 摘要 电场与人类的生产生活活动息息相关。为了测量各种电场参数，人们进行了 深入的研究，发明了多种电场传感器。但是用于静电场测量的微型电场传感器至 今未见报道。本文提出了一种新颖的电场传感器设计方案，其优点是体积小、易 批量加工，可以应用于空间、大气、地面等多种环境下的静电场或低频电场的测 量。 本传感器基于微机电系统( m e m s ) 技术和传感技术，利用半导体加工工艺在 硅基底上制作。作者通过运用电动力学的相关理论进行分析计算，并运用 a n s y s 6 0 软件进行计算机模拟仿真，结果表明此方案是可行的。作者完成了传 感器结构设计和工艺设计，进行了工艺试验，研制出雏形样品。 关键词：微型，电场传感器，微机电系统 a b s t r a c c an o v e lm i n i a t u r ee l e c t r i cf i e l ds e n s o rb a s e do n m e m s t e c h n i q u e a b s t r a c t e l e c t r i cf i e l dh a sac l o s er e l a t i o n s h i pw i t hp e o p l e sd a i l yl i f ea n dp r o d u c t i o n p r o c e s s e s p e o p l eh a v ed o n e ag r e a td e a lo fw o r ko ni t ，a n dh a v ei n v e n t e dm a n yk i n d s o fe l e c t r i cf i e l ds e n s o r s ( e f s ) b u t , t h em i n i a t u r ee f sf o rm e a s u r i n gs t a t i ce l e c t r i c f i e l da c c u r a t e l yh a sn o tb e e n r e p o r t e du p t ot h i sd a y i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rp r o p o s e s f ln o v e lm i n i a t u r ee f s w h i c hi st i n ya n dc a nb ep r o d u c e di nb a t c h 。i tc a r lb ea p p l i e d t om e a s u r et h ei n t e n s i t yo f e l e c t r i cf i e l di no u t e rs p a c e ，i na t m o s p h e r ea n do ng r o u n d t h es e n s o rb a s e so nm i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c i l n o l o g ya n d m o d e mt r a n s d u c e rt e c h n o l o g y i ti sf a b r i c a t e do ns i l i c o nb ym e a n so fs e m i c o n d u c t o rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n ds o m ep r o c e s s i n ge x p e r i m e n t s h a v e p r o v e n t h ed e s i g nf e a s i b l e k e y w o r d s ：m i n i a t u r e , e l e c t r i c f i e l ds e n s o r , m e m s 第一章引言 第一章引言弟一早弓l 西 1 1 微机电系统( m e m s ) 概述 早在1 9 5 9 年，美国的r f e y n m a m 就提出了微型机械的设想。随着徽电子技 术的巨大成功，在许多领域引发了一场微型化革命，以加工微米纳米的结构和 系统为目的的微米纳米技术( m i c r o n a n ot e c h n o l o g y ) 在此背景下应运而生。 一方面人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微米 纳米结构；另一方面人们利用精细加工手段加工出微米纳米级结构。前者导 致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生，后者则在小型机械制造领域丌始 了一场新的革命，导致了微电子机械系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ， m e m s ) 的诞生。微电子机械系统是徼电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和 精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。 m e m s 技术的发展为人类开辟了一个全新领域和产业。由于其自身结构可以 达到微米，甚至微米以下的量级，这使得基于m e m s 技术制作的器件具有宏观条 件下无法达到的性质，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以 及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 近年来，随着m e m s 技术的日益发展成熟，其应用领域也在不断拓展。m e m s 可应用于机械的高级维护系统、微型工厂、人体管腔诊断和检查系统等需要微型、 微细机械的场合。利用m e m s 技术可制成突破通信瓶颈的全光交换机、准确检测 病变的基因芯片、比手掌还小的飞行器、重量仅有几十克的微小卫星等。事实上， m e m s 是一一项极具前途的军民两用技术。在过去十多年中，m e m s 技术已经应用于 安全气囊传感器( 加速计) 、压力传感器、显示器、自适应光器件、数字微镜器 件、扫描仪、血压测量传感器、图像传感器、硬盘驱动器中的加速度传感器、蜂 窝电话中应用的微继电器、电视中应用的微型透镜、喷墨打印头以及数掘存储器 等。在通信方面，光通信f 在向有光交换功能的全光通信网络方向发展， 无线 第荦引占 通信则要求增强功能( 如联网等) 和减小功耗m e m s 技术在这些方面有很大的 优势。包括美国朗讯( l u c e n t ) 公司在内的一些公司和大学f 在研究全光通信网 用的m e m s 及无线通信用射频m e m s 并取得了很大进展。在空阳j 应用方面，山于 胍m s 技术有突出的优点，美国航天局( n a s a ) 和欧洲航天局等部门已给予大量 投资进行研究。用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，f 在 进行飞行搭载实验，周对积极开展微陀螺、微推进器和微喷管等m e m s 基础研究。 在生物医学方面，一些公司和大学正在研究将光、机、电、液、生化等部件集成 在一起构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简 单、廉价、准确和快捷的检测手段。在军事工业方面，已经有一些国家的一些 机构和公司正在从事有害化学战剂微型报警传感器、微型敌我识别装置、灵巧蒙 皮、分布式战场微型传感器网络等研究。 在中国国内，近年来对于m e m s 技术豹研究应用也蓬勃展开。一些公司和研 究机构多年前便已开始对m e m s 技术进行研究并十分重视其巨大的市场潜力。国 内的科学工作者在m e m s 技术的研究和推广上也取得了相当大的成就。 ”九五” 期间，丌展了对于微齿轮、微泵、微电机、微马达、微型飞机和微型陀螺等多项 课题的研究。m e m s 技术已开始在中国的社会生活中发挥作用， 如微操作机器 人已开始用于生物工程中的细胞分割、显微手术和生物芯片的制造工艺中；微传 感器已经用于飞行器的加速度、压力等参数的实时测量；纳米薄膜润滑技术已用 于”长征三号”火箭和计算机硬盘的制造工艺上。传感技术国家重点实验室多年来 也一直从事m e m s 技术的研究工作，并在场致发射阴极、m e m s 压力传感器等方面 取得了突出的成绩。 m e m s 技术闩益发展，其涉及的科学领域也在不断扩大，现在已经与微电子、 材料、物理( 力学及流体力学等) 、化学、生物、机械等诸多学科紧密联系。它的 学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、原子、表面等物理学的各分支， 乃至化学、生物、医学和仪器等各领域。 传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础- 是现代科技的丌蹄先锋 2 笫一苹引击 传感技术是一项令人瞩目的高新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志。 它近年来迅猛发展，已与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。传感 器产业一直受到各国政府的高度重视，从上个世纪八十年代起，在全球范围内逐 渐掀起了一股“传感器热”，尤其是对于基于m e m s 技术的传感系统给予极高重视， 美国宇航局( n a s a ) 很早就给予支持，美国国防部高级研究计划局( a r p a ) 等机 构每年投资2 0 0 0 万美元，德国每年投资7 0 0 0 万美元，日本通商产业省( m i t t ) 则拟订了一个十年内投资2 亿美元的计划，美国的硅谷已成为当今世界上m e m s 研究中心。据报导。微型惯性、微型流量控制传感器和微型生态芯片、微型挡板、 微型阀门和微型泵等微型制动器等将于本世纪初进入市场。随着传感器技术、 m e m s 技术、固态技术、微电子技术、计算技术等学科的飞速发展和相互结合， 一种高精度、低驱动、高可靠性、低功耗、占用空间小、重量轻和快速响应的基 于微型电子机械系统的传感器将发挥越来越重要的作用。 1 2 电场探测及常用的电场传感器 人类发现电场并对其进行监测已经有很长的历史，早在2 0 0 年前就有学者对 此进行了研究1 1 。随着科技的发展，人类对于电场的认识越来越深入。借助于 电场传感器对电场进行有效检测，从中取得电场分布信息已经成为很多科学研究 和生产过程的必要信息依据。在地学领域，电场检测广泛应用于大气环流研究1 2 1 、 地质灾害预报【3 1 、气象及沙尘的预报、石油及矿产勘探1 4 射、大气污染检测【6 】等方 面；很多工业生产领域，如电机端部和高压架空线下电场分布的测量f ，电气密 封装置内放电现象的分析【8 】超高压输电线路附近离子流场1 9 和长间隙辉光放电 特性 1 0 】的研究等，均需要实现电场的精密、高感度及安全性检测1 ：航空航天 领域。大气电场强度值被列为航天器能否发射的重要条件之一，为保障飞行器的 安全升空航天部门十分重视飞行器发射前雷电的实时探测和监测”2 “1 。此外电 场检测在静电防护、生物生理、试验及生活环境监测方面也有重要应用。 电场传感器的种类很多大体上可以根据工作方式划分为机械式和光学式两 第一币0 i 占 种。机械式电场传感器的原理是通过导体在电场中感应出一定量的电流或者电 压，经过电路将信号放大，计算得到电场强度值。对于高频电场( 即电磁场) 和 瞬念电场，通常采用导体环或导体球【i “”j 等大面积导体感应出一定量的电流进 行测量。对于低频电场或静电场，由于电场本身并不能提供足够的能量，所以如 果想要得到电流信号就需要传感器来供给能量。通常比较常见的静电场传感器是 旋转式电场传感器，其原理就是利用电场在导体上感应出电荷，再通过旋转的屏 蔽叶片来周期性改变感应电荷的数量，从而获得电流【l 。 光学式电场传感器的原理则是利用逆压电或电致伸缩等光学效应来改变光 敏元件的外形或应力，依靠测量外形和应力等参数，从而推算出电场。比较常见 的是基于p o c k e l s 效应的电场传感器【1 7 2 “，基于k e r r 效应的电场传感器1 2 2 】。和 基于光波导原理的传感器【2 3 l 。 1 2 1 机械式电场传感器 机械式电场传感器的历史非常悠久，从上世纪5 0 年代末期就有相关产品问 世，经过几十年的发展创新，形成了一系列的电场测量产品。根据所测电场频率 的不同，可以将机械式电场传感器大体上分为测量交变电场的传感器和测量静电 场的传感器两类。 图1 一l 所示为一个交变电场传感器。其工 作原理为：在一维电场e 中，上下两个导体半 球感应出不同的电势，通过电容输出电压信号。 幽1 1 机械式电场传感器探头 对于静电场传感器，由于电极之问的绝缘材料和测试电路均可以视作。定大 4 第一章0 l 寄 小的电阻，因此电极通过此电阻会缓慢放电。在有限时间后电极达到静电平衡状 态，对外无信号输出，电场传感器失效。解决此问题的方法即使用外加动力使电 极间的距离不断发生改变，产生周期性的感应电荷，感应电荷经输出即为感应电 流，可以由此电流计算出外电场。 机械式的静电场传感器一般都需要通过电极的旋转来对静电场进行信号调 制，从而产生交流输出，所以一般也称为场磨( f i e l d m i l l ) 。其主要的结构有两种： 一种叫做旋转电极式场磨，结构为两个或更多组相互绝缘的导体围绕着某一个轴 旋转，轴与待测的电场方向垂直。在旋转过程中，由于各个导体不断的改变自身 在电场中的位置，其自身的电势情况也相应变化，因此在各个导体之闷就产生了 电势差。在传感器的转速恒定，电场的方向也不发生改变的情况下，导体白j 的电 势差与电场强度成正比，因此可以测量静电场。其典型的结构如图1 2 所示。 电路 图卜一2 旋柱式电场传感器 两个绝缘的半圆柱绕轴旋转，产生交流电压信号输出。该电场传感器为二维 电场传感器，可以用来测量图示中e ，【，e y 两个方向的电场。此外还有旋转双球 式，和微火箭电场传感器都属于此种类型。 另外一种机械式静电场传感器称为遮盖式场磨( c o v e r i n g f i e l d m i l l ) ，其主要 结构是有一组可以旋转的导体叶片。工作时在电场中叶片高速旋转，不断改变被 其屏蔽的导体表面的电场分布状况，从而产生感应电流。通过计算此电流信号得 5 一塑= 翌! ! 妻 一 到外电场。典型的传感器结构如图1 3 所示。 定子 e 图i 一3旋片式电场传感器结构 旋片式电场传感器利用接地金属板对电场的屏蔽作用，使另一金属板上的电 荷发生周期性变化形成电流，通过电流的大小来检测电场强度。传感器有两组大 小一致、均匀分布的扇形金属片，分别称之为定子( 感应片) 和转子( 接地屏蔽 片) 。转子通过轴与电机相连，可自由转动。当转子旋转时，定子交替地暴露在 外电场中或被接地屏蔽片遮挡。这样周而复始，便产生交变输出信号。通过测量 交变输出信号就可以测奄出外电场。 1 2 2 光学式电场传感器 光学式电场传感技术起源于二十世纪七十年代中期。随着光纤材料、集成光 学技术、半导体激光器、半导体光检测器等的技术进步，光学式电场传感器也不 断发展、完善。可以根据工作原理的不同将其分为光纤式电场传感器和其他类型 的光学电场传感器。 对于光纤式电场传感器也可以根据其作用分为两类：一类是利用逆压电效应 或电致伸缩效应改变光纤长度或应力，从而测量电场的功能型电场传感器，第二 类是，光纤仅仅作为传输光波的载体，光纤中问有中断中断部分加上其它敏感 6 第一章q 【苦 元件构成传感器。此类传感器中光调制由光纤端部或中间的晶体或光波导器件来 进行，称之为非功能型电场传感器。 功能型光纤电场传感器 功能型光纤电场传感器的主要原理为，利用一些对于电场有特殊反应的材料 制作成光纤，通过光纤在电场中所表现出的特异的光学、力学等特征来测量电场。 其主要利用的材料特性为逆压电效应和电致伸缩效应。 当压电晶体受n # l - 力n 电场作用时，晶体的形状产生微小变化，这种现象称为 逆压电效应。逆压电效应只有在压电晶体中才具有。逆压电效应所产生的形变与 外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化( 如原来伸长可变为 缩短，或者原来缩短可变为伸长) 。 任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，存在着一种机电耦合效应，称为 电致伸缩效应。电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是 压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应强弱不一样。由于诱导极 化作用而产生的形变与外电场的平方成正比，它所产生的形变与外电场的方向无 关。 光纤的形状产生变化就改变了其自身的一些光学性质，如折射率、偏转角度、 光程等。通过光学测量，如相位、光强、偏转角度的测量，就可以得到光纤的形 变状况，据此计算出电场强度。 非功能型光纤电场传感器 非功能型光纤电场传感器的主要特点为，在光路中有一段用特殊的光学晶体 制成的结构，其对于外界电场具有比较敏感的特性。在光通过晶体时其一些光学 性质发生了变化，在随后的光路中对这种变化进行检测，从而测得电场。一一般来 7 第一带0 f 高 泷，出于敏感晶体对电场的灵敏度比较高，所以可以达到较好的精度。非功能型 光纤电场传感器主要是基于敏感晶体的p o c k e l s 效应和k e r r 效应。 p o c k e l s 效应是指某些晶体在外加电场作用下致使其入射光折射率改变的 种线性电光效应，其表达式为：a n = k e 。式中 为入射光的折射率，为外加 电场强度，k 为常数。基于p o c k e l s 效应的电场传感器，其材料主要有铌酸锂( l n ) 、 硅酸铋( b s o ) 、锗酸铋( b g o ) 。另外，偏硼酸钡( b b o ) 晶体也有一定的应用。 一种典型的利用b g o 晶体p o c k e l s 效应的传感器如图1 4 所示。 幽l 一4b g 0 光纤电场传感器结构示意例 k e r r 效应是存在于某些光学各向同性介质中的一种二次电光效应，其表达 式为a n ；k 。，式中4 门为介质折射率的变化量；占为外加电场强度：为常数。 其不仅存在于某些晶体中，而且存在于某些液体介质中。因而可以用于液体电场 的传感。最重要的特征是，采用此种效应的电场传感器，其感应双折射几乎与外 加电场同步，有极快豹晌应速度，频率可达 o o g h z 。因此可以用此传感器来测 量超高频电磁场，但k e r r 效应一般较弱， 所以器件灵敏度不高。 其他类型的光学电场传感器 其他类型的光学电场传感器种类也很 多，其中最主要的是基于光波导原理的传 感器。光波导电场传感器典型结构如图l j 所示。传感器两端电极加以电场或电 n 三，波导平行两臂上的电场不同，输入光 g 幽1 5 集成光波导电场传感器构倒 第一章0 l 者 在波导入口被y 型波导口分为两路，当光通过波导时，两臂或一臂上发生p o c k e l s 效应，产生大小相同方向相反的相移。再在y 型输出波导口会台，相位调制被转 换为光强度调制。利用波导传感器使得整个检测系统很小，并具有稳定、可靠、 带宽大、抗噪声及弱微扰等特点，从而实现检测系统的高性能和多功能化。 也有报道1 2 4 1 1 2 辄2 6 l 用反射技术来进行电场测量的。基于这种技术的电压传感器 采用了反射光纤探头，此探头相对反射镜放置并对位移相当敏感，而反射镜面与 压电元件连接在一起。当被测电压或电场加入时，压电元件产生移动，带动反射 镜位置发生了变化，因而使反射光信号与所加电压成正比。还有一种光纤验电器， 光纤带有薄薄的导电保护层，在电场作用下。由于光纤所受侧向力不平衡，光纤 彼此分开并发生弯曲，侧向力与电场平方成正比，电场增加时，光纤向外偏移也 耍增加，因此反射光随着电场强度增加而减小。 在王学伟等阱1 的文章中提到了另一种方法。此方法将压力敏感膜置于电极 上，当存在电场时，电场力旌加于敏感膜上，使膜发生了偏移，出光纤监视膜偏 移可得到与电场强度平方成比例的输出。m a z z o l a 等“”曾利用f r a n z k e l d y s h 效 应制作了一种电场传感器，用于测量高压设备的电场。测量范围在5 k v c m 以上。 f r a n z k e l d y s h 效应简单的说，是指当半导体材料中存在强电场时，材料的吸收 截止波长将向长波方向移动的现象。 1 3 现有电场传感器的局限性 电场传感器的发展历史很长，种类繁多，到现在已经形成了比较完善的体系。 现有的传感器可以帮助人们完成部分的电场测量工作。然而各种电场传感器也不 可避免的具有各种各样的缺点。 1 、传感器的造价较高。 对于光学式的电场传感器，无论是采用敏感晶体还是采用光波导技术都4 i 可 9 第一幸圳矗 避免的要用到些光学敏感材料( 主要是一些光学晶体) 。这些光学晶体往往价 格昂贵，致使生产一个传感器的费用达到数千元。如果要使器件的性能更好，对 于晶体就要提出更高的要求，价格也会大幅度增长。对于机械式的电场传感器出 于其需要精密的机械加工。完整的动力系统等，其价格也较高。如双球式电场传 感器的价格在2 0 0 0 元以上，微火箭电场传感器的售价更达到6 0 0 0 元。 2 、传感器的体积较大。 机械式电场传感器的尺寸一般在分米以上，有些为了增加灵敏度更达到近l 米的长度。光学式电场传感器的体积较小，但由于需要有发光、感光、光路检测 等完整的光学部分，因此其长度也在数个厘米以上。正是由于现有电场传感器的 尺寸较大，对于在狭小空间或空间电场易受到干扰的区域进行的电场测量，现在 的方法是制作专用的小传感头而把信号处理、测量等结构放在外部。 3 、对于低频或静电场灵敏度不高。 光学式电场传感器虽然高频性能较好，但却无法测量低频和静电场。因为光 学式电场传感器为绝缘结构，而自身在电场中又无位置变化，所以会产生极化而 无法感知低频电场。一般的光学式电场传感器的测量频率都在千赫兹以上。面机 械式电场传感器虽然可以测量低频或静电场，但如果要达到一定的精度必须要有 比较大的体积。 4 、结构复杂，不易批量生产。 电场和人类的生活息息相关，越来越多的领域需要对电场进行测量。因此 需要电场传感器可以简单的、大批量的进行生产。然而无论是机械式的还是光学 式的电场传感器都无法完全达到要求。 1 4 基于m e m s 技术的微型电场传感器 设计一种微型的、适用于静电场测量的、容易批量生产的电场传感器十分必 要。由于基于m e m s 技术的传感器具有体积小、功耗低、容易批量生产等优点。 第一章0 f 高 本文作者经过对原有电场传感器的仔细调研，并吸取了机械式电场传感器的部分 设计思想，提出了基于m e m s 技术的微型电场传感器的设计构想，完成了传感 器的结构设计和工艺设计具体内容将在以下章节中详细论述。 第二章微型电场传感器设计理论基础 第二章微型电场传感器设计理论基础 2 1 感应电流生成原理 由高斯定理可以得出导体表面的面电荷密度和表面附近的场强关系。即： e ：旦 岛 这就是任意带电导体表面的电荷密度。和表面附近的场强e 之间的关系式。 它表明任意带电导体表面附近的场强等于导体表面的电荷面密度除以介电常数。 与周围绝缘的导体，在静电感应作用下，虽然发生了正负电荷重新分布的现 象，但整个导体总的来说仍然是电中性的( 正负电荷数量相等) 。如果把导体接 地，导体从电中性状态，到经过感应态而成带电状态。这个过程中实际是电荷在 作重新分布的过程，并有感应电荷通过接地导线从导体流入地中，这就形成了感 应电流。感应电流所输送的电荷总量即为最终导体所携带的电荷量。 如果导体表面附近的电场是变化的，此时导体上的感应电荷总量会不断发生 变化，接地导线上就有持续的电流产生。在导体和她之间加入电流测量电路，通 过测量流经电路的电流就可以计算出导体上感应电荷的变化状况。在导体表面， ：旦，因此可以推算出导体表面的电场变化状况。利用这种原理就可以测量 占0 交变电场即电磁场。事实上现在使用的很多交流电场测量装置就是采用的这种 i ：作原理。 但是在静电场中，电场无法给传感器提供持续的能量，在没有外加动力作用 时电荷是不可能持续维持宏观运动的，它们很快就要停止下来，电荷的重新分却 2 第一二章微型电场传感器设计理论基础 过程就随即结束。因此需要有外加的动力促使传感器电极问发生运动，例如发生 距离的改变或旋转，这样就可以对静电场进行测量了。 2 2 传感器传感部分设计模型 根据以上原理，结合m e m s 技术就可以设计微结构的电场传感器。在进行 设计时提出了两套方案，其原理相同，只是区别在振动方式上，一种振动膜在与 其表面垂直的方向上振动，另一种在与振动膜表面平行的方向上振动。为了叙述 方便，将两种方案命名为垂直振动方案和平行振动方案。 2 2 1 垂直振动方案 首先考虑如图2 一l 所示的结构。在电场e 中平行放置导体平板a 和孔 板b ，两板之间的距离为d 。导体平板a 接测量电路。孔板b 接地。其上均 匀分稚着半径为r 的圆孔。当两板的距离d 相对于r 比较大时，如图( a ) 所示情况，由于孔板b 为接地导体平板，其对外电场的有很强的屏蔽作用， 因此只有在圆孔范围内的电场刁有可能穿过圆孔达到导体板a 。此时，由于 导体板a 附近的电场强度很小，因此其产生的感应电荷很少。当两板的距离 d 相对于r 比较小时，如图( b ) 所示情况，在圆孔附近的电场可以穿过孔 板b 到达板a 表面，因此板a 上在此位置产生大量感应电荷。若孔板b 相 对于板a 作垂直方向上的周期振动，即板间距d 周期性改变，则板a 上的 感应电荷发生周期性增减，测量电路中会有交变电流信号产生。通过测量此 电流信号，结合孔板b 的振动频率就可以计算出外电场e 的强度。 第二章徽型电场传感器设计理论基础 龟辐e 孔扳8 舞重电路1 ( a ) 两板距离鞍远的情况( b ) 两板距离较近的情况 幽2 l 罨直振动方案感应电流产生原理幽 2 2 2 平行振动方案 囊量电路1 如图2 2 所示，两个平面电极，即感应电极和屏蔽电极面对面放置在电场 中。两个电极的形状相同，均由若干组长条状导体组成，每个长条状导体的宽度 均为d 。每两个长条状电极之间有宽度为d 的自j 隙存在。图中所示的小长方形即 是长条状导体的横截面。感应电极和屏蔽电极之间的距离远小于d 。 工作时屏蔽f 电极相对于感应宅极傲x 方向的振动，振幅等于d 或d 的整数倍。 当屏蔽电极振动到图( a ) 位置时，两电极正对。由于感应电极被屏蔽电极所遮 盖，因此其表面的电场强度很小，所以产生的感应电荷也很少。当屏蔽电极振动 到图( b ) 位鼍时，两电极交错。由于电极之间的距离很小，所以电场e 可以直 接到达感应电极的表面，因此感应电极上有大量感应电荷产生。在感应电极振动 时。上述两种情况周期性产生，感应电极就向外输出电流信号，电流的有效值正 比于外电场的场强。 第二章微型电场传感器设计理论基础 e 屏蔽电极 感应电极 。詈詈尽兰詈詈d 输出_ ? ( a ) 电极止对 e 感应电极 屏蔽电极 是? f 孑 输出1 ( b ) 电极交错 图2 2 平行振动方案感戍电流产生原理幽 2 3 传感器振动部分设计 为了使电场传感器正常工作，必须使一部分电极产生振动。如前文所述，设 计中的电场传感器的结构有两种，即垂直振动式电场传感器和平行振动式电场传 感器。因此振动部分的主要任务是使垂直振动式方案的振动膜产生垂直振动或使 平行振动式方案的振动膜产生平行振动。要求振动的振幅较大，振动频率应在千 赫兹以上。当前在m e m s 技术领域常用的激振方式有三种，即1 、静电激振，2 、 电磁激振，3 、热激振。选择合理的激振方式非常关键。 第二章微型l ；岂场传感器设计理论基础 2 3 1 静电激振方式 静电激振方式是m e m s 领域当前最常用的激振方式，其主要原理如下。当 电容器带电时，其两个电极板分别带有等量的异种电荷，由于电荷之间的库仑力 作用，异种电荷相互吸引，表现在宏观上就是两个电极之间具有引力作用。当电 容器不带电时，引力消失。用这种力来驱动振动器件振动的方法就是静电激振。 振动膜 激振电扳对 图2 3 静电激振方式 图2 3 所示为一个典型的静电激振方式示意图。在振动薄膜和基底上分别 制备一个电极，两电极正对形成一个平板电容器。其中一个电极接地，另一个电 极接图示的矩形电压。当电压为正值时，由于电极间有静电引力作用，振动薄膜 受力向下运动。当电压为零时，电极间没有力作用，振动薄膜在自身弹力的作用 下向上弹起。通过控制激振电压的大小和频率 就可以控制振动薄膜的振幅和振动频率。 2 3 2 电磁激振方式 流经磁场中的电流，要受到安培力的作 用。力的大小为f = b i l 方向用左手定则判 定。如果电流的方向不断改变，则安培力的方 6 删x x i 删 - 争 xx 舢xx 洲 冀x 峨n州 幽2 4 电磁澈振方式 第二二章微型电场传感器设计理论基础 向也不断改变，用这种方法进行振动器件的激振就n q 傲电磁激振，典型的工作方 式如图2 4 所示。个振动膜由六个微弹簧牵引，可以在y 方向振动，整个器 件处在磁场b 的环境中。当在振动膜上有方向如图的电流i 流过时，由左手定则 可以判断膜片受力的方向如图所示。当电流反向时出于其他条件不便，所以只 是安培力f 改变了方向。若振动膜上的电流是交流信号，则振动膜在周期变化的 安培力作用下振动。 2 3 3 热激振方式 热激振方式原理为，材料受热后内 部会产生内应力，在此力的作用下材料 发生微小的形交。在材料温度恢复后， 其自身的形变也得到了恢复。如图2 5 是典型的热激振实例。可以在垂直方向 上振动的梁两端被固定，在固定处各有 一个电阻丝。当电阻丝中有电流通过时， 电阻丝发热，振动粱受热膨胀会向上隆 起。当没有电流时。振动梁释放热量、 恢复原来的形状。这两种状态交替进行 就使得梁周期性振动。 2 3 4 激振方式的比较 振动粱 u 叭始 幽2 5 热激振实例 对于以上论述的三种激振方式，从理论上讲都是可行的方案，但考虑到具体 情况必须从中选择一种最优方案。首先对于热激振方式，其最大特点是此种激振 方式产生的力最大，工艺上实现起来也比较容易。但是由于热激振方式的响应速 】7 第二章微型电场传感器设计理论基础 度比较慢，振动频率受环境温度制约大，稳定性差，因此综合考虑不适合做本项 目的激振方式。对于电磁激振方式，也具有结构简单、控制方便等优点，但整个 器件必须处在一个较强的磁场环境中。振动膜在磁场中不断振动，由于其切割磁 力线的运动会在电极上产生附加的感生电动势，这会影响测量精度。最终本传感 器采用静电方式激振。 8 第二章微型电场传感器的理论计算与分析 第三章微型电场传感器的理论计算与分析 由2 3 1 节可知，垂直振动式微型电场传感器可以测量静电场的关键因素是， 带孔屏蔽电极与感应电极问的距离变化引起感应电极表面电通量的变化。从而导 致屏蔽电极与接地导线之间产生感应电流。如果可以计算出屏蔽电极在振动过程 中引起的感应电极表面电通量的变化，继而根据电通量的变化情况以及屏蔽电极 的振动频率推算出在一定电场强度下感应电极所产生的感应电流，则可以预先求 得传感器的灵敏度。现借助于电动力学的有关原理对此情况进行理论推算。此外 由于采用静电激振方式，本章也包括与此相关的一些理论计算。 3 1单圆孔电极模型的建立 屏蔽电极上的孔阵中，圆孔的半径均为r ，屏蔽电极和感应电极间的距离为 d ，并假定d 在0 2 r 之间变化。由于在进行屏蔽电极设计时，圆孔之间有r 的 间隔，而孔与感应电极的距离又比较近( 0 2 r ) ，因此可以将计算对象简化为 单独的圆孔形电极对感应电极屏蔽效果的作用加合。 如图3 1 所示，带有单圆孔的电极 位于感应电极和外电场之间，圆孔的半 径为r ，电极与感应电极的距离为d d 在一定范围内变化。由设计要求可知， 屏蔽电极接地，固其电势为零。 1 9 屏蔽电极 0 li 一0 d 煳3 一i单吲孔电极棋刑 第三章微型电场传感器的理论计算与分析 感应电极相当于交流电流信号源，电流信 号通过前! 甭! 放大转变成电压信号对外输出，其 电路连接方法由图3 2 所示。在理想状况下， 放大器的两个输入端的电势为零，因此感应电 极的电势也应当为零。 由高斯定理e = 旦8 0 可知，平面导体表面 1 掣13 - - 2 感庶电极连接电路 的电荷密度与外电场正比，平面导体的感应 电荷总数与导体表面的电通量i e l t , 。所以计算出导体表面的电通量变化就可以推 导出器件的输出电流，因此原问题的理论计算归结为求解此时感应电极表面电通 量变化的情况。 由于图4 1 中的单圆孔栅极模型对于z 轴旋转对称，因此可以以z 轴为对 称轴建立圆柱坐标。如图4 3 所示。 中= 0o = o l ( z ，r ，。) ：z e i o d l 图4 3 建立圆柱坐标系示意图 这时，电场的边界条件为： o c d ，r o ) = 0 ( r 0 任意) o ( 0 ，r ，0 ) = 0( r r ，0 任意) o ( z ，r 0 ) = z e ( z - - - - + 一o o ，r ，0 任意) 2 0 z ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 第三章微型电场传感器的理论计算与分析 圆柱坐标系下的拉普拉斯方程为： 劳+ 爿，韵+ 上r ，塑0 0 z = 。矿+ 7 万 7 石+ o ( 4 ) 单圆孔电极的电势分布数学模型解就是在式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 的边界条件 下的拉普拉斯方程( 4 ) 式的解。可以求得在屏蔽电极表面处的电场强度值。即 一婴l，继而求得在z ：d 平面上的电通量，其结果应当是d 的函数。 o l zl 趵“ 3 2 传感器感应电流的估算 可以对微型振动式电场传感器的感应电流和灵敏度进行佶算。设传感器的屏 蔽电极上共有n 个圆孔，每个圆孔的半径为r ，孔的总面积为s ，屏蔽电极和感 应电极之闽的距离为d ，d 在一定范围内傲周期性振动，频率为k ，传感器所要 测量的电场强度为e 。适当控制d 的振幅，使当d 达到最大值时感应电极表面的 电通量很小。 对于单个圆孔，在d 产生变化的一个周期内，由于其屏蔽效果的变化引起了 附近感应电极表面电通量的变化。在d = o 时，圆孔的屏蔽作用最小穿过孔到 达感应电极的电通量最多，可知这时的电通量为积2 e ，随着d 不断增大，圆孔 的屏蔽作用不断增强，穿过孔到达感应电极的电通量减小。在d 到达最大时电通 量达到最小值，假设是o 1 斌2 e ，此后电通量又随着d 的减小而增大，直到恢复 到刀霞2 e ，在此过程中，电通量总共变化了1 8 n = r 2 e 。 由高斯定理可知d = q 。，即g = d 。，撮到在。个周期内圆孔附近的感 应电极表面感应电荷的变化量为a q = 1 8 刀矗2 e 氏。 第三章微型电场传感器的理论计算与分析 那么由此产生的感应电流为： ，：等：a q 七：l 。8 被2 历。七m u 感应电极的信号输出为： 1 8 n t r r 2 e 占。七= 1 8 s o s k e 3 3 静电激振所需电压的估算 ( 5 ) ( 6 ) 前文已经做过论述，本方案将用静电激振方式工作，对于有关激振的理论计 算如下。计算对象如图3 4 所示。 振动膜 激振电撅对 图3 4 静电激振示意图 设出两个电极组成的平板电容器正对面积为s ，距离为d ，电极阊为真空。 因此此电容器的电容为： c = 掣d( 7 )( ) 当电压为u 时也可以计算出此电容中电场和极板上的电量。 e = 等 口= c u ( 9 ) 每一个平板电极受到另一个极板所产生的电场的作用。由于单个极板产生的 第三章微型电场传感器的理论计算与分析 电场为0 5 e ，因此两个板同的引力为： f - 主旷e 将( 8 ) ( 9 ) 两式代入( 1 0 ) 式，即得： 。c u 2 h = 一 2 d 最后将( 7 ) 式代入( 1 1 ) 式得到： 名= 半 ( 1 0 ) ( 1 2 ) ( 1 2 ) 式说明，静电激振的引力大小与电极面积成正比，与电压的平方成正 比，与电极间距离的二次方成反比。振动膜由四个弹性粱和一个钢体重物组成， 可以将其简单看作一维简谐振子，质量为r l l ，弹簧的倔强系数为k 。在没有激振 电场作用。平衡位置时激振电极间的距离为d o ，即图4 3 所示的两电极板闾的 距离。此时如忽略重力因素，振动膜不受外力作用。当电极问施加以大小为u 的电压时如果这时两个电极板问的距离变为d ，则振动膜将受到电场力和虎克 弹力的共同作用。电场力的大小为( 1 2 ) 式，虎克弹力的大小为： f 群= k ( do d ) ( 1 2 ) 电场力和虎克弹力的方向相反，可以将其有效值画在同一个直方图中。 f d o + d 图4 5 振动膜受力直方图 第三章微型电场传感器的理论计算与分析 因此要保证振动膜起振，并可以达到一定的振幅只需要使电压为u 时电场力始 半岳( d o - d ) 0 ( 1 3 ) k 一2 e o s u 2 d 3 ( 1 4 ) 当导数为0 时( 1 3 ) 式左面达到最小值，保证此值大于零即可。 d = ( 半 i ， 半( 南h 小( 半列 即昙( x o s u 2 k 2 ) j k d 。3 ( 1 6 ) u ( 1 7 ) 因此在进行传感器的具体结构设计时只需要通过d o 就可以控制振动膜的振 幅，条件是激振电压u 满足( 1 7 ) 式的要求。 在设计过程中如果： k = 2 0 n m ； d o = 7 u m ； 2 4 第三章微型电场传感器的理论计算与分析 s = 2 1 0 一2 ： 代入( 1 7 ) 中可以计算出电压为1 0 7 v 。 在真空封装的条件下，忽略空气阻力，则振动膜与弹性梁相当于简谐振子 其固有频率为： ，= 拦 所以激振电压的变化频率不超过此值就可以正常工作。 在设计过程中，如果： k - - - - - 2 0 n m ； m = 1x 1 0 8 k g ； 代入( 1 8 ) 中可以计算出频率为4 5 k h z 。 ( 1 8 ) 第四章传感器结构设计 第四章传感器结构设计 4 1 整体结构设计 通过前几章的理论准备和计算，可以得到传感器的一些初步参数，现在就根 据这些参数来进行传感器具体结构的设计。 右图所示为传感器结构设计模型。传感器的 核心部分由两个由硅加工而成的芯片构成。 上部的芯片称为屏蔽芯片，其中心部位为带 有屏蔽电极的振动膜，主要功能是在激励的 策动下使振动膜振动，周期性的屏蔽电场。 下部的芯片称为感应芯片，在与振动膜相对 应的位置有感应电极，主要作用是感应由屏 蔽电极周期性屏蔽后的电场，产生感应电流。 图4 一l 传感器结构模型 图4 2 传感器剖面结构图 屏蔽芯片和感应芯片分别加工成型，最后经过对准后粘接成图示的情况，两 侧芯片交错的地方有焊点，用来焊接引线。芯片粘接好后固定于导体基座上，最 2 6 第四章传感器结构设计 后再进行真空封装。由于该传感器是用于静电场的测量，为了不使封装结构屏蔽 电场，要采用电阻率高、极化率低的材料，例如石英。为了防止封装材料因感应 带电而影响传感器的性能，也可以不用封装，让器件直接在大气中工作。但此种 情况对于振动膜振动状态的影响还有待于进一步研究。最后还有部分的检测电路 和显示部分没有在本图中标出。传感其敏感部分的外形尺寸为3 e r a 3 e m 2 c m ， 大大小于现有的其他融类电场传感器。 4 2 屏蔽芯片结构 屏蔽芯片的设计是传感器的关键部分其结构如图4 3 所示。屏蔽芯片的中 间部分为振动膜，由厚度为l u m 的氮化硅层制备，大小为2 m m x 2 m m 。振动膜 悬空，通过四角的梁与硅片连接。在本图中梁的形状是弯曲的，另外一种设计方 案中梁是直的，其具 体情况根据设计方案 中对于梁的倔强系数 的要求决定。 在振动膜上有 两个电极，其中分布 在两边的电极叫做激 振电极，它与感应芯 片上的激振电极相对 图4 3 振动芯片平面示意图 应，形成激振电极对， 用于对振动膜振动提供激励。振动芯片的激振电极比感应芯片上的激振电极略 大，这是出于激励电场屏蔽的考虑，在本章的后半部分将详细论述。中间的电极 是屏蔽电极，将其放大后可以看到电极上有很多方形镂孔。孔的边长为l o u m ， 孔与孔之间的间距是5 u r n 。在前面的理论计算中，为了便于计算，所涉及的孔都 是圆形的孔。但是在实际的工艺试验中，出于降低光刻板制作成本的考虑，故所 第四章传感器结构设计 有的孔均为方形的。 激振电极和屏蔽电极分别通 过梁向外引出引线最后通向各 闰4 4 屏蔽芯片剖视图 自的焊点。图4 4 为屏蔽芯片的 剖视图。在芯片进行工艺加工时首先在硅片表面生长1 啪厚的氮化硅层( s i 3 m ) ， 在氮化硅的表面制作各种电极结构，之后刻蚀氮化硅，得到振动膜及梁的结构形 状。最后在硅片的背面开方孔，用各向异性腐蚀的方法完成振动膜的加工。 4 3 感应芯片设计 感应芯片的结构如图4 5 所示。在芯片的中间腐蚀出深度为7 u m 的坑。然 后对芯片进行氧化，使其表面形成 2 0 0 0 的氧化层。作为绝缘层使用。 在有氧化层的坑底制作感应电极和 激振电极，其形状结构如图4 5 所 示，电极的引线经过与坑底有相同深 度的槽线与焊点相连接。由第4 章关 于振动膜运动状态的讨论中指出，振 图4 - s 感应芯片平面示意图 动膜将向感应芯片作加速运动，最终两个芯片的激振电极相互帖紧。由于这时电 极是带电的，为了防止短路必须在两个电极之间增加绝缘层。所以在完成感应芯 片上电极的制作以后，在电极表面生长一层氮氧硅用以绝缘。 第四章传感器结构设计 回兰黼 腐蚀的坑 割面图 图4 6 感应芯片立体结构示意图 由于振动膜的振幅受其与感应电极闯的距离d o 豹控制。丽d 。就是图4 6 所 示的感应芯片中坑的深度，因此控制此深度就控制了振动膜的振幅。由于屏蔽电 极的栅孔尺寸为l o u m xl o u m ，间距为5 u m 。根据第四章的计算，如果要使得屏 蔽电极在振动时能够在感应电极表面产生足够的电通量变化效果就要使其振幅 大于孔径的0 7 倍。因此，坑的设计深度为? u r n 。可以通过控制各向异性腐蚀的 时间精确控制腐蚀的深