一種微機械振動式電場傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種微機械振動式電場傳感器，包括玻璃基座、鍵合在玻璃基座上的結構層、濺射在玻璃基座上的金電極層；所述結構層包括第一至第十錨點區、第一至第四支撐梁、質量塊、第一至第四固定驅動電容極板、第一力放大杠桿、第二力放大杠桿，所述金電極層包括第一至第八電極。本實用新型對應的微機械電場傳感器結構簡單，通過一級微機械杠桿對靜電驅動力進行放大，通過兩級回型梁取代典型直梁，交叉耦合小，提高微機械振動式電場傳感器的靈敏度。
【專利說明】一種微機械振動式電場傳感器

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種電場傳感器，特別是一種微機械振動式電場傳感器。

【背景技術】
[0002] 電場傳感器是測量電場強度的裝置，它廣泛應用于國防、航空航天、氣象探測、電 力、地震預報、科學研宄以及工業生產等多個領域，具有非常重要的作用。比如，借助電場 傳感器對地面和空中大氣電場變化的監測，可以獲取準確的氣象信息，從而為導彈、衛星 等飛行器發射升空提供安全保障；在工業生產領域，利用靜電場傳感器監測工業環境中的 電勢分布和電場分布，有助于我們及時采取有效的措施預防事故的發生；還有通過測量電 力系統和電器設備周圍電場，可用于故障監測和診斷等等。此外，電場檢測在靜電防護、電 磁環境監測、以及科學研宄等方面也具有十分重要的應用。微型電場傳感器是基于MEMS技 術制備的一類電場傳感器，相對于采用傳統機械加工技術的加工的電場傳感器，是加工方 式的改變。微型電場傳感器具有體積小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生產等突出 優點，很好地滿足了電場傳感器的發展趨勢和需求，進一步拓寬了其應用領域。
[0003] 諧振式微型電場傳感器是基于諧振工作原理的微型電場傳感器，該類傳感器是 基于獲得最大電場感應靈敏度而設計的。由于振動式電場傳感器要求時刻屏蔽層中的活動 結構處在諧振狀態，同時在諧振狀態時同樣的能量能夠獲得更大的振動幅度，從而達到大 的靈敏度。
[0004] 專利號為ZL201210426733. 2的一種振動式微機械電場傳感器，包括基座、設置在 基座上的敏感層和屏蔽層，所述屏蔽層包括活動結構、固定梳齒結構，其中活動結構包括 一個中心設置有間隙的矩形質量塊、設置在質量塊四周的梳齒，與質量塊四個端角相連接 的支撐梁。利用平行板電容器加載靜電來對屏蔽層中的活動結構的諧振頻率進行調諧，通 過振動速度信號的差分式反饋來對針對屏蔽層中的活動結構的振動阻尼進行調諧，實現振 動式微機械電場傳感器的常壓封裝，能實現大的靈敏度和提高輸出信號的穩定性，解決了 現存微機械電場傳感器中的制造誤差補償和封裝及輸出信號穩定性等關鍵問題。但仍存在 以下缺陷：此振動式微機械電場傳感器，需要復雜的微機械結構和驅動電路來保證傳感器 工作。由于靜電驅動力較小，支撐梁剛度較大，傳感器的靈敏度難以設計成很大。
[0005] 現有的振動式微機械電場傳感器存在支撐梁剛度大，靜電驅動力小，靈敏度小的 問題。現有振動式微機械電場傳感器中微結構和接口電路復雜，同等驅動電壓下，靜電驅動 力較小，支撐梁的等效剛度較大，諧振結構的振動幅度小，限制了傳感器靈敏度的提高。


【發明內容】

[0006] 本實用新型所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供一種微機械振動 式電場傳感器，本實用新型通過一級微機械杠桿對靜電驅動力進行放大，通過兩級回型梁 取代典型直梁，交叉耦合小，傳感器的靈敏度能大大提高且結構簡單。
[0007] 本實用新型為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0008] 根據本實用新型提出的一種微機械振動式電場傳感器，包括玻璃基座、鍵合在玻 璃基座上的結構層、濺射在玻璃基座上的金電極層；其特征在于，所述結構層包括第一至第 十錨點區、第一至第四支撐梁、矩形框架結構的質量塊、第一至第四固定驅動電容極板、第 一力放大杠桿、第二力放大杠桿，所述金電極層包括第一至第八電極；其中，
[0009] 第一至第八電極均濺射在玻璃基座上，第三電極與第四電極構成差分結構，第一、 第五、第六電極位于第三電極的左側，第二、第七、第八電極位于第三電極的右側；質量塊設 置在第三電極與第四電極的正上方且與玻璃基座上表面存有間距，在質量塊的前后兩側對 稱各設置兩條支撐梁，各側的兩條支撐梁相對于質量塊的橫向中心線是對稱的，第一至第 四支撐梁的外側分別設有第一至第四錨點區，第五、第七、第八錨點區均位于第三電極的左 偵L第六、第九、第十錨點區均位于第三電極的右側，第一至四支撐梁的一端均與質量塊連 接，第一支撐梁的另一端與第一錨點區連接、第二支撐梁的另一端與第二錨點區連接，第三 支撐梁的另一端與第三錨點區連接、第四支撐梁的另一端與第四錨點區連接；
[0010] 第一力放大杠桿、第二力放大杠桿對稱設置在質量塊的左右兩側，第一力放大杠 桿的一端與質量塊的左側連接，第一力放大杠桿的另一端與第五錨點區連接，第二力放大 杠桿的一端與質量塊的右側連接，第二力放大杠桿的另一端與第六錨點區連接，第一力放 大杠桿上附著梳齒且分別與第一、第二固定驅動電容極板形成差分電容對，第一、第二固定 驅動電容極板依次通過第七、第八錨點區鍵合在基座上；第二力放大杠桿上附著梳齒且分 別與第三、第四固定驅動電容極板形成差分電容對，第三、第四固定驅動電容極板依次通過 第九、第十錨點區鍵合在基座上；
[0011] 第一電極與第五錨點區連接，第二電極與第六錨點區連接，第一、第二電極均為質 量塊提供電氣信號接口，第五電極與第七錨點區連接并為第一固定驅動電容極板提供電氣 信號接口，第六電極與第八錨點區連接并為第二固定驅動電容極板提供電氣信號接口，第 七電極與第九錨點區連接并為第三固定驅動電容極板提供電氣信號接口，第八電極與第十 錨點區連接并為第四固定驅動電容極板提供電氣信號接口。
[0012] 作為本實用新型的一種微機械振動式電場傳感器進一步優化的方案，所述質量塊 內均勻分布阻尼孔。
[0013] 作為本實用新型的一種微機械振動式電場傳感器進一步優化的方案，所述第一、 第二、第三、第四支撐梁均為兩級回型梁。
[0014] 作為本實用新型的一種微機械振動式電場傳感器進一步優化的方案，所述第三電 極與第四電極為梳齒結構。
[0015] 作為本實用新型的一種微機械振動式電場傳感器進一步優化的方案，所述質量塊 為長方形框架結構。
[0016] 本實用新型采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本實用新型 提出了 一種新型微機械振動式電場傳感器，傳感器主要包括屏蔽層結構和感應層電極，屏 蔽層結構水平方向運動周期的遮蓋下面的敏感電極，使得感應電極表面上的感生電荷量發 生周期性變化。因而接口電路中產生與外界電場成比例的交變電流；本實用新型對應的微 機械電場傳感器結構簡單，通過一級微機械杠桿對靜電驅動力進行放大，通過兩級回型梁 取代典型直梁，交叉耦合小，提高微機械振動式電場傳感器的靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本實用新型的微機械電場傳感器的正面剖面示意圖。
[0018] 圖2是本實用新型的微機械電場傳感器的工作原理。
[0019] 圖3是本實用新型的微機械電場傳感器的總體俯視圖。
[0020] 圖4是本實用新型的微機械電場傳感器的結構層。
[0021] 圖5是本實用新型的微機械電場傳感器的結構層中的支撐梁。
[0022] 圖6是本實用新型的微機械電場傳感器的結構層中的力放大杠桿。
[0023] 圖7是本實用新型的微機械電場傳感器的電極層。
[0024] 圖中的標記解釋為：
[0025] 1為結構層，2為錨點區，3為金電極層，4為玻璃基座，5為屏蔽層結構，6為驅動梳 齒；
[0026] A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10 依次為結構層中第一、二、三、四、五、六、七、 八、九、十錨點區，1(1、1(2、1(3、1(4依次為結構層中第一、二、三、四支撐梁^為質量塊，1^1、1^2 依次為第一、第二力放大杠桿，Cll、C12、C21、C22依次為第一、二、三、四固定驅動電容極 板；
[0027]K101、K102、K103、K104、K105、K106、K107、K108、K109、K110、Kill為結構層中第 一支撐梁Kl包含的第一至十一連接梁，LC11、LC12依次為附著在第一力放大杠桿Ll的第 一、二電容極板，31、52、53、54、55、56、57、58依次為電極層中第一、二、三、四、五、六、七、八 電極。

【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明：
[0029] 如圖1所示是本實用新型的微機械電場傳感器的正面剖面示意圖，本實用新型的 微機械振動式電場傳感器包括結構層1、金電極層3、玻璃基座4,錨點區2，其中結構層的材 料為摻雜濃硼的晶體硅，電極層為金，基座材料為專門鍵合的玻璃材料。摻雜的晶體硅材料 通過體硅深刻蝕成設計的結構，電極層構圖通過濺射形成。為了使活動結構具有可動空間， 結構層兩面刻蝕，與電極層有一定的空間，結構層結構與基座通過陽極鍵合結合在一起，結 構層和電極層高度根據設計和工藝能力來確定。
[0030] 如圖2所示是本實用新型的微機械電場傳感器的工作原理，靜電驅動方式具有實 現簡單，容易與后續信號處理模塊集成等特點，廣泛應用于微機械電子傳感器中。面內振動 的微機械電場傳感器主要包括屏蔽層結構5、感應層電極和驅動梳齒6,屏蔽層結構水平方 向運動周期的遮蓋下面的敏感電極，使得感應電極表面上的感生電荷量發生周期性變化。 因而接口電路中產生與外界電場成比例的交變電流。這種方式下結構對稱性比較好，結構 層的厚度對面內振動模態頻率不產生影響，微機械加工也比較容易。
[0031] 感生電流與其他參量關系如下：
[0032]

【權利要求】
1. 一種微機械振動式電場傳感器，包括玻璃基座、鍵合在玻璃基座上的結構層、濺射在 玻璃基座上的金電極層；其特征在于，所述結構層包括第一至第十錨點區、第一至第四支撐 梁、矩形框架結構的質量塊、第一至第四固定驅動電容極板、第一力放大杠桿、第二力放大 杠桿，所述金電極層包括第一至第八電極；其中， 第一至第八電極均濺射在玻璃基座上，第三電極與第四電極構成差分結構，第一、第 五、第六電極位于第三電極的左側，第二、第七、第八電極位于第三電極的右側；質量塊設 置在第三電極與第四電極的正上方且與玻璃基座上表面存有間距，在質量塊的前后兩側對 稱各設置兩條支撐梁，各側的兩條支撐梁相對于質量塊的橫向中心線是對稱的，第一至第 四支撐梁的外側分別設有第一至第四錨點區，第五、第七、第八錨點區均位于第三電極的左 偵L第六、第九、第十錨點區均位于第三電極的右側，第一至四支撐梁的一端均與質量塊連 接，第一支撐梁的另一端與第一錨點區連接、第二支撐梁的另一端與第二錨點區連接，第三 支撐梁的另一端與第三錨點區連接、第四支撐梁的另一端與第四錨點區連接； 第一力放大杠桿、第二力放大杠桿對稱設置在質量塊的左右兩側，第一力放大杠桿的 一端與質量塊的左側連接，第一力放大杠桿的另一端與第五錨點區連接，第二力放大杠桿 的一端與質量塊的右側連接，第二力放大杠桿的另一端與第六錨點區連接，第一力放大杠 桿上附著梳齒且分別與第一、第二固定驅動電容極板形成差分電容對，第一、第二固定驅動 電容極板依次通過第七、第八錨點區鍵合在基座上；第二力放大杠桿上附著梳齒且分別與 第三、第四固定驅動電容極板形成差分電容對，第三、第四固定驅動電容極板依次通過第 九、第十錨點區鍵合在基座上； 第一電極與第五錨點區連接，第二電極與第六錨點區連接，第一、第二電極均為質量塊 提供電氣信號接口，第五電極與第七錨點區連接并為第一固定驅動電容極板提供電氣信號 接口，第六電極與第八錨點區連接并為第二固定驅動電容極板提供電氣信號接口，第七電 極與第九錨點區連接并為第三固定驅動電容極板提供電氣信號接口，第八電極與第十錨點 區連接并為第四固定驅動電容極板提供電氣信號接口。
2. 根據權利要求1所述的一種微機械振動式電場傳感器，其特征在于，所述質量塊內 均勻分布阻尼孔。
3. 根據權利要求1所述的一種微機械振動式電場傳感器，其特征在于，所述第一、第 二、第三、第四支撐梁均為兩級回型梁。
4. 根據權利要求1所述的一種微機械振動式電場傳感器，其特征在于，所述第三電極 與第四電極為梳齒結構。
5. 根據權利要求1所述的一種微機械振動式電場傳感器，其特征在于，所述質量塊為 長方形框架結構。
【文檔編號】G01R29/12GK204256053SQ201420804567
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】孟瑞麗, 陸倩倩, 劉恒, 張宏群, 孫冬嬌 申請人:南京信息工程大學