CN113625064B - 基于模态局域化的扭矩式微型电场传感器 - Google Patents
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Abstract
一种电场传感器，包括：衬底(1)；谐振器(2)，通过支撑结构(3)设于衬底(1)表面之外平行于表面的平面上，谐振器(2)从平面的一端排列至与该端相对的另一端，各谐振器(2)之间侧壁正对，相互耦合，谐振器(2)可沿平行于平面方向振动；感应电极(4)，设于平面两端位置上的两个谐振器(2)的外侧侧壁；驱动结构(5)，设于平面两端位置上的两个谐振器(2)中的其中至少一个谐振器(2)的外侧，驱动结构(4)与谐振器(2)断开；极化介质层(6)，设于平面两端位置上的两个谐振器(2)中的其中一个谐振器(2)上。该电场传感器灵敏度高，并且，电场传感器体积小，有益于实现批量化制造和系统集成，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)领域，尤其涉及一种基于模态局域化的扭矩式微型电场传感器。
背景技术
基于MEMS电场传感器是一种用来测量电场强度的器件，在气象探测、航空航天、工业生产、智能电网、国防军事和科学研究方面具有十分重要的作用。而在目标探测、高灵敏的静电测量等方向对灵敏度要求较高。
根据工作原理的不同，电场传感器可分为电荷感应式和光学式两大类，早期的基于电荷感应原理的传统电场传感器，比如双球式，旋片式等，最突出的问题在于体积较大，成本较高；随着MEMS技术的发展，基于MEMS技术的电场传感器纷纷被提出，以其中性能出色的扭转式电场传感器为例，相对于传统电场传感器体积减小、更易制造和集成，但受限于工作原理的限制，也带来灵敏度不够高的缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有技术问题，本发明提出一种基于模态局域化的扭矩式微型电场传感器，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种电场传感器，包括：衬底1；至少两个谐振器2，通过支撑结构3设于所述衬底1表面之外平行于所述表面的平面上，所述谐振器2从所述平面的一端排列至与该端相对的另一端，各谐振器2之间侧壁正对，相互耦合，所述谐振器2可沿平行于所述平面方向振动；感应电极4，设于所述平面两端位置上的两个所述谐振器2的外侧侧壁；驱动结构5，设于所述平面两端位置上的两个所述谐振器2中的其中至少一个所述谐振器2的外侧，所述驱动结构4与所述谐振器2断开；极化介质层6，设于所述平面两端位置上的两个所述谐振器2中的其中一个所述谐振器2上。
可选地，所述谐振器2包括质量块21及支梁22；所述极化介质层6设置于所述质量块21上，所述支梁22一端与所述质量块21固定，另一端通过所述支撑结构3固定在所述衬底1上。
可选地，所述感应电极4包括可动部分41及不可动部分42，所述可动部分41设于所述谐振器2的外侧侧壁，所述不可动部分42通过所述支撑结构4固定在所述衬底1上。
可选地，所述谐振器2之间通过静电耦合连接或机械梁直接耦合连接。
可选地，所述平面两端位置上的两个所述谐振器2中的每个所述谐振器2外侧侧壁设有至少一对所述感应电极4。
可选地，所述驱动结构5包括静电驱动结构、压电驱动结构、热驱动结构或磁力驱动结构。
可选地，所述极化介质层6的材料包括氮化硅，或电介质常数高于预设值的绝缘材料，或驻极体，或压电材料。
可选地，所述谐振器2包括至少2N根所述支梁22及N个所述质量块21，其中N为正整数。。
可选地，所述感应电极4为条状结构，所述驱动结构5为平板结构。
可选地，所述极化电介质层6采用探针隔空极化或外加电极极化。
(三)有益效果
本发明提供一种基于模态局域化的扭矩式微型电场传感器，该电场传感器通过对谐振器、感应电极、极化介质层等结构的布局，利用模态局域化的原理使得传感器工作过程中能量局限在局部，将电场强度转化为刚度扰动，进而将刚度扰动转化为幅值比以测量电场强度的大小，从而提高传感器的灵敏度。并且，该种结构的电场传感器可采用MEMS技术进行制造，有益于实现批量化制造和系统集成，同时降低成本。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的扭矩式微型电场传感器的结构图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的扭矩式微型电场传感器的俯视图；
图3示意性示出了本发明实施例提供的电场传感器的机械耦合谐振器的一种具体结构图；
图4示意性示出了本发明实施例提供的基于模态局域化的扭矩式微型电场传感器的制造流程图；
图5A示意性示出了本发明实施例提供的探针隔空极化方法所用探针的结构图；
图5B示意性示出了本发明实施例提供的外加电极极化方法流程图；
图6示意性示出了本发明实施例提供的外加电极极化方法流程图。
【附图标记】
1-衬底，2-谐振器，21-质量块，22-支梁，3-支撑结构，4-感应电极，41-可动部分，42-不可动部分，5-驱动结构，6-极化介质层，7-机械梁，8-探针。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提出一种扭矩式微型电场传感器，该电场传感器包括衬底，衬底通过支撑结构(固定锚点)固定有驱动结构、感应电极、极化介质层及多个谐振器。该电场传感器可利用模态局域化的原理使得传感器工作过程中能量局限在局部，将电场强度转化为刚度扰动，进而将刚度扰动转化为幅值比，从而提高传感器的灵敏度。下面通过具体实施例进行。
图1示意性示出了本实施例提供的扭矩式微型电场传感器的结构图，如图1所示，该电场传感器例如可以包括：
衬底1，其上设有至少两个谐振器2，谐振器2通过支撑结构3设于衬底1表面之外平行于表面的平面上，谐振器2从平面的一端排列至与该端相对的另一端(如图1中所示方向)，各谐振器2之间侧壁正对，相互耦合，谐振器2可沿平行于平面方向振动。在本实施例一可行的方式中，谐振器2的个数设置为三个，左右两端各设置一个谐振器2，中间设置一个谐振器2，三个谐振器2之间侧壁正对，可使谐振器能进行往复的振动，下面以三个谐振器为例进行详细说明，但仅是一个具体实施例，并不限制本发明。
在本实施例一可行的方式中，每个谐振器2包括质量块21及支梁22。支梁22一端与质量块21固定，另一端通过支撑结构3固定在衬底1，由此实现谐振器2的固定，从而可使得谐振器2可沿图1所示方向中的水平方向振动。谐振器2可以包括至少2N根支梁22及N个质量块21，其中N为正整数，本实施例中，质量块21设置为正方形质量块或矩形质量块，质量块21设置为一个，支梁22的根数设置4根，4根支梁22关于质量块的中心对称，这样设置可以使得质量块21振动过程中受力均匀。具体谐振器2中质量块及支梁的数量及位置本发明不做限制，只需满足谐振器2水平振动即可。
感应电极4，设于平面两端位置上的两个谐振器2的外侧侧壁。如图1所示，左右谐振器2的外侧侧壁设置感应电极4。感应电极4可以包括可动部分41及不可动部分42，可动部分41设于谐振器2的外侧侧壁，不可动部分42通过支撑结构3固定在衬底1上。在本实施例一可行的方式中，左右两端两个谐振器2中的每个谐振器2外侧侧壁设有至少一对感应电极4。如图1所示，本实施例中谐振器2外侧侧壁设有一对感应电极4，具体对数可以根据实际数量设定，本发明不做限制。感应电极4可以为条状结构，具体结构本发明不做限制，可根据实际需求设定。
驱动结构5，设于平面两端位置上的两个谐振器2中的其中至少一个谐振器2的外侧，驱动结构4与谐振器2断开，驱动结构5用于谐振器2的水平振动。如图1所示，驱动结构5设置在最右端的谐振器2的一侧，驱动结构5也可设置在最左端的谐振器2的一侧(图中未示出)。驱动结构5包括静电驱动结构、压电驱动结构、热驱动结构或磁力驱动结构。本实施例中选择静电驱动结构对谐振器2进行驱动。驱动结构5可以为条状结构。
极化介质层6，设于平面两端位置上的两个谐振器2中的其中一个谐振器2上。如图1所示，极化介质层6附着在最右端的谐振器2的质量块21上，极化介质层6附着在最左端的谐振器2的质量块21上(图中未示出)。极化介质层6的材料包括氮化硅，或其它任何电介质常数高于预设值的绝缘材料，或驻极体或压电材料。极化介质层6的形状可以为长方体、圆柱体、条状、环形状或其它各种形状，具体形状可根据实际需求设定，具体结构本发明不做限制。
在本实施例一可行的方式中，谐振器2之间通过静电耦合连接或机械梁直接耦合连接。如图2所示，静电耦合连接是指在中间位置的谐振器2上施加直流电压(图2中所示V)，将两端位置上的两个谐振器2接地(图2中所示Gnd)，通过直流耦合电压产生弱耦合效应实现连接。如图3所示，机械梁直接耦合连接是指将谐振器2利用一根细长的机械梁7连接，该设置使三个谐振器采用机械耦合的方式耦合到一起。静电耦合是三个谐振器互不相连，机械梁直接耦合连接是三个谐振器直接相连，但不管是以何种方式连接，电场传感器都能产生模态局域化现象，进而利用此现象测量电场强度。
在本实施例一可行的方式中，衬底1上可以包括两组或多组上述所述的电场传感器结构。
请继续参阅图2，设极化介质层6设置在图2所示方向最下端的谐振器2的质量块21上，驱动结构5设置在最下端的谐振器2的下侧，各谐振器2之间静电耦合。该扭矩式电场传感器的工作原理为：
在驱动结构5上施加交变电压，会对最下端的谐振器2产生交变的静电力，从而使谐振器5产生往返的周期性振幅。由于在中间位置的谐振器2上施加直流耦合电压产生静电耦合，使最上端谐振器2与最下端谐振器2也产生等幅、反向的振动。当存在外部电场(待测电场)时，极化介质层6对最下端的谐振器2产生扭矩，使得最下端的谐振器2产生刚度扰动，从产生模态局域化现象，从而使得最下端的谐振器2振动幅度变大，最上端的谐振器2振动幅度变小，振幅改变使得两组感应电极4的感应电流不同，由此，可利用两组感应电极4的感应电流不同的比值，确定待测电场的电场强度大小。
此外，上述电场传感器的感应电场的方向为水平电场，通过组装三个传感即可以组成一个三位电场传感器。
本实施例提供的电场传感器可以采用微纳米加工技术、微机电系统(MEMS)技术、SOI MEMS、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术制造。下面提供一种基于MEMS技术的制造工艺流程。
如图4所示，该方法包括以下流程：
S1，在衬底(SOI硅片)上采用PECVD镀一层氮化硅薄膜，光刻氮化硅层，并去除氮化硅和光刻胶。
S2，利用CVD镀一层金属铝层，光刻并去除铝和光刻胶。
S3，光刻SOI硅片的器件层，采用DRIE刻蚀器件层，并利用DRIE的过刻蚀阶段，采用notching效应，为了后续的器件层更容易释放。
S4，去掉光刻胶，并采用HF湿法刻蚀氧化层，最终释放器件层。
S5，对电介质层进行极化，得到极化介质层。
在S5中，对介质层的极化方式可以采用探针隔空极化或外加电极极化。
图5A中的圆柱形为探针，通过外部对探针8施加高电压V1，并且对谐振器施加地，则可以对电介质层实现极化的效果。图5B为探针极化方式的一种结构组成示意图。保持电极层接地，通过在探针上施加高压，采用非接触式方式，使电介质层极化。
图6为外加电极极化方案的工艺图。具体的，在谐振器上溅射或沉积电介质层(包括谐振器梁上)，然后分别在器件层上和电介质层上引出电极层，最终通过在两个电极层施加高压，即可以将电介质层极化，得到极化介质层。
本实施例提供的基于模态局域化的扭矩式微型电场传感器，通过对谐振器、感应电极、极化介质层等结构的布局，利用模态局域化的原理使得传感器工作过程中能量局限在局部，将电场强度转化为刚度扰动，进而将刚度扰动转化为幅值比以测量电场强度的大小，从而提高传感器的灵敏度。并且，该种结构的电场传感器体积小，可采用MEMS技术进行制造，有益于实现批量化制造和系统封装集成，同时降低成本，有利于电场传感器在气象探测、航空航天、工业生产、智能电网、国防军事和科学研究等方面的广泛应用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电场传感器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
至少两个谐振器(2)，通过支撑结构(3)设于所述衬底(1)表面之外平行于所述表面的平面上，所述谐振器(2)从所述平面的一端排列至与该端相对的另一端，各谐振器(2)之间侧壁正对，相互耦合，所述谐振器(2)可沿平行于所述平面方向振动；
感应电极(4)，设于所述平面两端位置上的两个所述谐振器(2)的外侧侧壁；
驱动结构(5)，设于所述平面两端位置上的两个所述谐振器(2)中的其中至少一个所述谐振器(2)的外侧，所述驱动结构(4)与所述谐振器(2)断开；
极化介质层(6)，设于所述平面两端位置上的两个所述谐振器(2)中的其中一个所述谐振器(2)上，所述极化介质层(6)采用探针隔空极化或外加电极进行极化。
2.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述谐振器(2)包括质量块(21)及支梁(22)；
所述极化介质层(6)设置于所述质量块(21)上，所述支梁(22)一端与所述质量块(21)固定，另一端通过所述支撑结构(3)固定在所述衬底(1)上。
3.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述感应电极(4)包括可动部分(41)及不可动部分(42)，所述可动部分(41)设于所述谐振器(2)的外侧侧壁，所述不可动部分(42)通过所述支撑结构(4)固定在所述衬底(1)上。
4.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述谐振器(2)之间通过静电耦合连接或机械梁直接耦合连接。
5.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述平面两端位置上的两个所述谐振器(2)中的每个所述谐振器(2)外侧侧壁设有至少一对所述感应电极(4)。
6.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述驱动结构(5)包括静电驱动结构、压电驱动结构、热驱动结构或磁力驱动结构。
7.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述极化介质层(6)的材料包括氮化硅，或电介质常数高于预设值的绝缘材料，或驻极体，或压电材料。
8.根据权利要求2所述的电场传感器，其特征在于，所述谐振器(2)包括至少2N根所述支梁(22)和N个所述质量块(21)，其中N为正整数。
9.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述感应电极(4)为条状结构，所述驱动结构(5)为平板结构。
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