專利名稱：一種振動式微機械電場傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電場傳感器，尤其涉及一種振動式微機械電場傳感器，能通過靜電對電場傳感器的諧振頻率和品質因數(shù)進行調諧。
背景技術：
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、科學研究以及工業(yè)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(jiān)測，可以獲取準確的氣象信息，從而為導彈、衛(wèi)星等飛行器發(fā)射升空提供安全保障；在工業(yè)生產領域，利用靜電場傳感器監(jiān)測工業(yè)環(huán)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(fā)生；還有通過測量電力系統(tǒng)和電器設備周圍電場，可用于故障監(jiān)測和診斷等等。此外，電場檢測在靜電防護、電磁環(huán)境監(jiān)測、以及科學研究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，相對于米用傳統(tǒng)機械加工技術加工的電場傳感器，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(yōu)點，很好地滿足了電場傳感器的發(fā)展趨勢和需求，進一步拓寬了其應用領域。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時刻要求屏蔽層中的活動結構處在諧振狀態(tài)，同時在諧振狀態(tài)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。目前多采用真空封裝的方法來改善封裝的品質因數(shù)，真空度越高，相同的傳感器芯片封裝后的品質因數(shù)就越大，同樣能量驅動下可獲得的靈敏度也就越大。真空封裝中，金屬的封帽具有較好的氣密性和穩(wěn)定性，但金屬的封帽會導致電場感應的電荷在封帽上累積，累積的電荷會導致電場重新分布，影響測量電場強度的可靠性。彭春榮、夏善紅的《微型電場傳感器抗靜電積累封裝結構》(專利號200810222768.8)，文獻提到真空封裝在金屬封帽上的電荷積累，提出了一種改進的導體封蓋來減小靜電荷的累積，通過氣密圈來實現(xiàn)真空和非真空的封裝。密封是通過ο型圈和真空密封膠來完成的，但由于封裝工藝的復雜性及塑膠材料的氣密性與穩(wěn)定性問題，目前該技術沒有得到推廣。采用玻璃和陶瓷等材料作為封帽，雖然能克服電荷累積問題，但長時間存放后真空度得不到保證。Haiyan Zhang, Dongming Fang, Pengfei Yang等在文獻報道上(Humidity-Induced Charge Leakage and Field Attenuation in Electric FieldMicrosensors[J] . Sensors, 2012, 12:5105-5115.)提到用一種含聚四氟乙烯高分子化學材料(縮略PTFE)為封帽材料，由于長期真空封裝的氣密性不好，同時空氣中的水分會進入傳感器封裝腔體內，封裝腔體內的水分存在會嚴重影響傳感器測量輸出結果的穩(wěn)定性。另外，由于微機械制造工藝存在的關鍵線寬損失，使得加工的微結構表芯與設計的不一致。針對電場傳感器的制造誤差補償目前很少關注，而結構的制造誤差將導致機械諧振頻率的變化，給后續(xù)的電路設計帶來困難。目前文獻資料還沒有介紹針對微機械振動電場傳感器的制造誤差的補償。根據(jù)上述說明，現(xiàn)存的振動式微機械電場傳感器暫沒有針對封裝電荷的累積和輸出的穩(wěn)定性提出有效的解決方法，也沒有針對制造過程的誤差提出補償辦法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題針對現(xiàn)存振動式微機械電場傳感器研制中存在的制造誤差和封裝問題，提出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屏蔽層中的活動結構的振動阻尼進行調諧。上述創(chuàng)新性措施能實現(xiàn)振動式微機械電場傳感器的常壓封裝應用，能實現(xiàn)大的靈敏度和提高輸出信號的穩(wěn)定性，解決了現(xiàn)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(wěn)定性等關鍵問題。靜電驅動方式具有實現(xiàn)簡單，容易與后續(xù)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(fā)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(tài)頻率不產生影響，微機械加工也比較容易。根據(jù)原理，感生電流與其他參量關系如下
is = = ε — S(I)
^ dt di
式(I)中(力感生電流α力介電常數(shù)4為電場感應的有效面積，β為敏感電極差
分后感應的電荷量，瓦為待測量電場強度。設屏蔽層中的活動結構做正弦振動，且垂直運動方向的長度為L，振動幅度為I，則式(I)可以表示為
. dX η ω ^φ) τ r , .,、
Ii = ε---—iaE = emLX cos{ai + ψ)Β(2)
di
式(2)中，￡y和爐分別為屏蔽層中活動結構振動的角頻率和相位。電流信號經(jīng)過I-V轉換、放大、濾波等之后，用激勵信號作為電場解調的參考信號，經(jīng)過相關解調和低通濾波后，解調出的電場強度值為
= ΚφΧΒ(3)
式(3)中的尤為電路參數(shù)決定的常量，不能任意增大，太大電路就達到輸出電壓飽和。根據(jù)式(3)可知，振動頻率￡ 和振動幅值X以及敏感電極敏感到的電場強度直接影響了輸出信號的大小和測量的準確性。 和I越大，傳感器靈敏度越高。對于諧振梁結構的幅頻特性而言，在諧振頻率處振動幅度最大，從而能獲得最大的電場感應靈敏度。因此，激勵電壓應該實時跟蹤結構諧振頻率的變化。對于屏蔽層的活動結構要求其處在諧振狀態(tài)，在開環(huán)狀態(tài)下不考慮驅動信號檢測反饋靜電力、速度反饋電壓產生的靜電力及調諧活動結構的靜電力，活動結構的受力方程可以表示為
I dc\I,
Μ + Ci + klX = -^-{(VDc + CT — (Fdc + Vac) ]= ^cosQt(4)
式(4)中，m為屏蔽層活動結構的質量，c為屏蔽層活動結構的封裝后的阻尼系數(shù)，K為屏蔽層活動結構的振動模態(tài)對應的剛度，Cd為驅動梳齒對電容，Vdc和Vae分別為
對應的直流和交流驅動電壓，&和0為對應的靜電驅動力大小和角頻車I為屏蔽層活動結構的位移。求解等式(4)得到振動位移的幅度X
^ = — I1——
1(1 — (Ω )2)2+( 1"2 )2 (5) i " 0,
式(5)中t為屏蔽層活動結構的固有振動模態(tài)頻率，％ =為品質因數(shù)，
F
0 K^,。當交'流激勵電壓的頻I率與相同時·，振云力幅度達到最大^ = T--QQ = ^kl- m !cq 12 Ar1
O此條件下式⑶可以化簡為
V0=KmXE=K^=M=E(6)
根據(jù)式(6)可知，在諧振狀態(tài)下，當靜電驅動力確定時，振動式微機械電場傳感器的靈敏度與品質因數(shù)δ有關。β越大，越利于信號的檢測，相應靈敏度越大，這要求在傳感器封裝中盡量減少阻尼系數(shù)c。本發(fā)明在分析等式(4)后，發(fā)現(xiàn)阻尼項與振動速度V t關。本發(fā)明利用速度檢測
信號反饋到驅動端，這樣在等式左邊就多了一項負的阻尼力項。屏蔽層中的活動結構振動信號通過c/ν電荷放大器、儀表放大器、帶通濾波器后得到反映振動位移的電壓信號，該電壓信號經(jīng)過比例放大后大小與位移成比例。隨后該信號通過微分和移相后疊加到調諧品質
因數(shù)的固定梳齒上。加在對稱的兩個調諧品質因數(shù)的固定梳齒上的電壓為Fxi和及為Vdci和-，其中&為振動速度變成反饋電壓的增益系數(shù)。這樣式(4)表示為
, I SC^2
mx + cx + Ir1X = Fd cosΩ +--+ Γ — (Fdci -kzx) ](7)
2 dx'
式(7)可以進一步化簡為
權利要求
1.一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，其特征在于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；所述固定梳齒結構包括一對驅動梳齒、一對用于驅動信號檢測的第一、第二固定梳齒、一對用于調諧品質因數(shù)的第三、第四固定梳齒、以及一對調諧活動結構諧振頻率的第五、第六固定梳齒；其中，所述第五、第六固定梳齒分別對稱設置在質量塊的上下兩端，所述第一、第二固定梳齒、驅動梳齒，以及第三、第四固定梳齒依次分別對稱設置在質量塊的左右兩端，所述活動結構上的梳齒與所述第五、第六固定梳齒共同形成平板電容器，通過改變第五、第六固定梳齒與活動結構上的梳齒之間的間距改變平板電容器電容的大小。
2.根據(jù)權利要求I所述一種振動式微機械電場傳感器，其特征在于所述支撐梁為直梁或折疊梁形式。
3.根據(jù)權利要求I或2所述一種振動式微機械電場傳感器，其特征在于所述第五、第六固定梳齒上加載可調節(jié)的直流電壓，通過直流電壓來調節(jié)屏蔽層中的活動結構的諧振頻率。
4.根據(jù)權利要求I所述一種振動式微機械電場傳感器，其特征在于所述驅動梳齒、第一、第二固定梳齒、以及第三、第四固定梳齒分別與活動結構上的梳齒構成差分結構，并形成差分電容，其中活動結構的振動速度反饋信號加載在第三、第四固定梳齒上，通過差分結構調整屏蔽層中活動結構的等效阻尼。
5.根據(jù)權利要求4所述一種振動式微機械電場傳感器，其特征在于所述傳感器在常壓下封裝，利用自激驅動來實現(xiàn)屏蔽層中活動結構在其等效諧振頻率點處諧振。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振動式微機械電場傳感器，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。本發(fā)明能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(xiàn)振動式微機械電場傳感器的常壓封裝，能實現(xiàn)大的靈敏度和提高輸出信號的穩(wěn)定性，解決了現(xiàn)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(wěn)定性等關鍵問題。
文檔編號G01R29/12GK102879655SQ20121042673
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權日2012年10月31日
發(fā)明者劉恒, 孟瑞麗, 劉清惓, 張加宏, 李敏 申請人:南京信息工程大學