一種微型電場傳感器結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種微型電場傳感器結構，包括：可動感應電極陣列和固定感應電極陣列，可動感應電極陣列可周期性往復運動，包括至少一個可動感應電極單元，可動感應電極單元包括正極性可動感應電極和負極性可動感應電極，二者通過絕緣結構連接；固定感應電極陣列包括至少一個固定感應電極單元，固定感應電極單元包括正極性固定感應電極和負極性固定感應電極。可動感應電極單元與固定感應電極單元分別外接電路實現電位鉗制，當可動感應電極周期性往復運動時，產生與電場強度相關的電信號，實現電場強度測量。這種傳感器結構能夠避免直接接地結構的電場浪費問題，獲得更大的電場感應面積，在相同檢測周期內能夠產生更多的感應電荷，提高測量的分辨率。
【專利說明】一種微型電場傳感器結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器【技術領域】，特別涉及一種微型電場傳感器結構。
【背景技術】
[0002]電場傳感器是測量電場強度的裝置，它廣泛應用于電力、國防、航空航天、工業生產等重要領域，利用傳感器對設備運行過程中產生的電場進行實時監測。隨著微電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical Systems,簡稱為MEMS)技術的發展使得越來越多的傳感器微型化成為可能，例如微加速度計在汽車電子的剎車及其附屬系統中已經應用得非常成熟，也廣泛應用于便攜式消費電子領域。微型傳感器具有傳統傳感器所無法比擬的性能特點。微型傳感器體積小，其特征尺寸在微米甚至更小，在一些空間有限的應用背景下，微型傳感器的特點尤為明顯；同時微型傳感器價格低廉，易于批量生產，此外還具有易于集成等優點。
[0003]目前基于MEMS技術的電場傳感器基本都是依靠可動電極陣列的運動產生感應電荷進行電場測量的。電場傳感器的感應電極與屏蔽電極之間通過運動產生交變電場，但是無論是選擇水平振動電場傳感器，還是選擇垂直振動電場傳感器，都存在一個共同的問題，即落到屏蔽電極上的電場沒有被利用。
[0004]由于基于電荷感應的電場傳感器的靈敏度與電荷的感應面積相關，所以上述電場傳感器都未能充分利用電荷的感應面積，電場傳感器的性能很低。
【發明內容】
[0005](一)要解決的技術問題
[0006]本發明要解決的技術問題是如何避免落在屏蔽電極上的電場被浪費，提高電場的利用效率和電場測量的分辨率。
[0007](二)技術方案
[0008]為解決上述技術問題，本發明提供了一種微型電場傳感器結構，具體包括:周期性地往復運動的可動感應電極陣列和固定不動的固定感應電極陣列；
[0009]可動感應電極陣列包括至少一個可動感應電極單元，通過彈性結構支撐在襯底表面，所述可動感應電極單元包括一個正極性電極和一個負極性電極組成的電極對，分別為正極性可動感應電極和負極性可動感應電極；
[0010]固定感應電極陣列包括至少一個固定感應電極單元，通過支撐點固定在襯底表面，所述固定感應電極單元包括一個正極性電極和一個負極性電極組成的電極對，分別為正極性固定感應電極和負極性固定感應電極。
[0011 ] 進一步地，所述固定感應電極單元和可動感應電極單元以梳齒狀交叉排布。
[0012]進一步地，所述固定感應電極單元中電極的極性與相鄰的所述可動感應電極單元中電極的極性相同。
[0013]進一步地，所述可動感應電極單元中構成電極對的正極性可動感應電極和負極性可動感應電極通過絕緣結構進行機械連接，使正極性可動感應電極和負極性可動感應電極在驅動結構的驅動下能夠同步運動，且保持電絕緣。
[0014]進一步地,所述固定感應電極單元中的正極性固定感應電極和負極性固定感應電極的位置固定，并保持電絕緣。
[0015]進一步地，所述絕緣結構位于所述可動感應電極單元中正極性可動感應電極與負極性可動感應電極的上表面，或者位于正極性可動感應電極與負極性可動感應電極之間的側面。
[0016]進一步地，通過信號處理電路對所述可動感應電極單元中正極性可動感應電極和負極性可動感應電極進行電位鉗制，使二者的電位分別保持在固定值；通過信號處理電路對所述固定感應電極單元中正極性固定感應電極和負極性感應電極進行電位鉗制，使二者的電位分別保持在固定值。
[0017]進一步地，所述絕緣結構為無機材料，以下任意一種:二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；
[0018]或者是有機材料，以下任意一種:聚酰亞胺或苯并環丁烯。
[0019]進一步地，所述可動感應電極單元中的正極性可動感應電極和負極性可動感應電極之間或者固定感應電極單元中的正極性固定感應電極和負極性固定感應電極之間的縫隙全部或部分填充絕緣材料。
[0020](三)有益效果
[0021]本發明實施例提供了一種微型電場傳感器結構，包括:可動感應電極陣列和固定感應電極陣列，可動感應電極陣列可周期性地往復運動，包括至少一個可動感應電極單元，可動感應電極單元包括正極性可動感應電極和負極性可動感應電極，二者通過絕緣結構連接；固定感應電極陣列包括至少一個固定感應電極單元，固定感應電極陣列定感應電極單元包括正極性固定感應電極和負極性固定感應電極。本發明提供的微型電場傳感器結構利用絕緣結構和電位鉗制技術，將可動感應電極單元與固定感應電極單元分別外接電路實現電位鉗制，當可動感應電極周期性往復運動時，產生與電場強度相關的電信號，實現電場強度測量。這種傳感器結構能夠避免直接接地結構的電場浪費問題，獲得更大的電場感應面積，在相同檢測周期內能夠產生更多的感應電荷，提高測量的分辨率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明實施例中提供的一種微型電場傳感器結構的立體結構示意圖；
[0023]圖2為本發明實施例中提供的電場傳感器中可動感應電極單元運動到左邊時的剖面示意圖；
[0024]圖3為本發明實施例中提供的電場傳感器中可動感應電極單元運動到右邊時的剖面示意圖；
[0025]圖4為本發明實施例中提供的信號處理電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。[0027]對于可動感應電極按照可動電極的運動方向可以分為兩大類，即水平振動電場傳感器和垂直振動電場傳感器，而水平振動電場傳感器又包括水平振動的水平電場傳感器和水平振動的垂直電場傳感器，垂直振動電場傳感器又包括垂直振動板狀電場傳感器和垂直振動梳齒狀電場傳感器。其中水平振動的水平電場傳感器的感應電極與屏蔽電極在同一個平面，兩者以梳齒狀交叉排布，感應電極通過側壁來進行電場感應，直接接地的屏蔽電極在感應電極間來回運動，調制感應電極與屏蔽電極間的電場，從而在感應電極上得到與被測電場強度相關的信號。水平振動的垂直電場傳感器的感應電極和屏蔽電極不在一個平面，屏蔽電極在感應電極的上方，呈梳齒狀，主要通過感應電極上表面來感應電場。直接接地的屏蔽電極通過在水平方向來回運動，調制落到感應電極上的電場，通過后續電路的處理，得到與被測電場強度相關的信號；垂直振動的板狀電場傳感器的感應電極和屏蔽電極不在一個平面，屏蔽電極為帶孔的平板，在感應電極上方。直接接地的屏蔽電極通過在垂直方向周期性來回運動，調制落到感應電極上的電場，通過電路處理，得到與被測電場強度相關的信號。
[0028]而垂直振動的梳齒狀電場傳感器的感應電極和屏蔽電極不在一個平面，屏蔽電極和感應電極為錯開的梳齒結構。直接接地的屏蔽電極通過在感應電極平面上下振動，調制落到感應電極上的電場，通過后續電路的處理，得到與被測電場強度相關的信號。以上四種電場傳感器都存在一個共同的問題，即落到屏蔽電極上的電場沒有被利用。由于基于電荷感應的電場傳感器的靈敏度與電荷的感應面積相關，所以以上四種電場傳感器都未能充分利用電荷的感應面積。
[0029]因此，本發明實施例中提供了一種微型電場傳感器結構，將傳統接地用屏蔽電極替換成非直接接地、而是通過信號處理電路實現電位鉗制的結構，并利用其上所感應的電荷，具體包括:
[0030]周期性地往復運動的可動感應電極陣列和固定不動的固定感應電極陣列,可動感應電極陣列包括至少一個可動感應電極單元，通過彈性結構支撐在襯底表面，可動感應電極單元包括一個正極性電極和一個負極性電極組成的電極對，分別為正極性可動感應電極和負極性可動感應電極；
[0031]固定感應電極陣列包括至少一個固定感應電極單元，通過支撐點固定在襯底表面，固定感應電極單兀包括一個正極性電極和一個負極性電極組成的電極對，分別為正極性固定感應電極和負極性固定感應電極。
[0032]上述傳感器結構基于電荷感應的電場傳感器的基本原理為直接接地的屏蔽電極通過驅動結構的作用，周期性調制落到感應電極上的電場。其中被調制的電場會在感應電極上感應出周期變化的電荷量。通過信號處理電路測量周期變化的電荷量，可以得到與被測電場強度相關的信息，從而獲得被測電場的強度。其中的可動感應電極對的作用相當于屏蔽電極，但可動感應電極通過信號處理電路實現電位鉗制，而不是直接接地，電位鉗制是通過同相端接地、帶有反饋回路的運算放大器實現的，將可動感應電極單元中的正負極性感應電極分別接到具有上述功能的運算放大器的反向端，可以實現對電極的電位鉗制。同時，采用這種方法可以利用可動感應電極單元上的電場，提高電場利用效率，并獲得更大的電場分辨率。
[0033]對于本實施例中的微型電場傳感器結構的立體結構示意圖如圖1所示,主要包括襯底和感應電極陣列，其中100是襯底，101是絕緣層，102是固定感應電極陣列的金屬引線，103是正極性固定感應電極陣列的金屬引線與信號處理電路連接的壓焊塊，104是負極性固定感應電極陣列的金屬引線，105是負極性固定感應電極陣列的金屬引線與信號處理電路連接的壓焊快，201是正極性可動感應電極，202是負極性固定感應電極，203是正極性固定感應電極，204是負極性可動感應電極，205是用于連接正極性可動感應電極和負極性可動感應電極的絕緣結構，206和209是正極性可動感應電極的固定錨，207是連接負極性可動感應電極的微彈性結構，208是負極性可動感應電極的固定錨，210是連接正極性可動感應電極的驅動結構。
[0034]其中上述結構中作為襯底100的材料可以是單晶硅圓片、玻璃圓片、金屬圓片或其它復合材料。絕緣層101可以使用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化鋁或有機聚合物中的一種或多種。金屬引線102可以采用銅、鋁、鎳、金、銀、錫、鉬等中的一種或多種。
[0035]優選地，本實施例中的固定感應電極單元和可動感應電極單元以梳齒狀交叉排布。其中可動感應電極單元包括一個正極性和一個負極性的電極，分別為正極性可動感應電極201和負極性可動感應電極204 ;固定感應電極單元包括一個正極性和一個負極性的電極，分別為正極性固定感應電極203和負極性固定感應電極202。可動感應電極單元中構成電極對的正極性可動感應電極201和負極性可動感應電極204通過絕緣結構205進行機械連接，使正極性可動感應電極201和負極性可動感應電極204在驅動結構210的驅動下能夠同步運動，且保持電絕緣；驅動結構210可以采用電熱、壓電、電磁等方式驅動往復振動；固定感應電極單元中的正極性固定感應電極203和負極性固定感應電極202的位置固定，并保持電絕緣。
[0036]具體的，感應電極陣列中，負極性固定感應電極202和正極性固定感應電極203、正極性固定感應電極的金屬引線102以及負極性固定感應電極陣列的金屬引線104位于襯底100上表面的絕緣層101的上方，固定感應電極單元中的兩個電極所感應到的電荷能夠從絕緣層101表面的金屬引線102和104引出。正極性可動感應電極201和負極性可動感應電極204是本發明的關鍵，相鄰的正極性可動感應電極201、負極性可動感應電極204通過絕緣結構205實現機械連接,組成可動感應電極對，但是二者之間電絕緣。通過結構上的連接，使得正極性可動感應電極201和負極性可動感應電極204能夠在驅動結構210的驅動下同步運動。其中的感應電極可以做成多種形狀，例如圖1中的直梁結構，也可以做成梳齒結構，或者它們的變形或組合。同時，本例中感應電極的尺寸是一致的，但是在本發明的其他實施例中感應電極的尺寸可以不一致。
[0037]其中的絕緣結構205為無機材料，以下任意一種:二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；或者是有機材料，以下任意一種:聚酰亞胺或苯并環丁烯。絕緣結構205位于可動感應電極單元中正極性可動感應電極與負極性可動感應電極的上表面，或者位于正極性可動感應電極與負極性可動感應電極之間的側面
[0038]需要說明的是，固定感應電極單元中電極的極性與相鄰的可動感應電極單元中電極的極性相同。所述可動感應電極單元中的正極性可動感應電極201和負極性可動感應電極204之間或者固定感應電極單元中的正極性固定感應電極202和負極性固定感應電極203之間的縫隙全部或部分填充絕緣材料。
[0039]優選地，本實施例中，固定錨206及209設置在正極性可動感應電極201上，微彈性結構207連接負極性可動感應電極陣列單元204，固定錨208設置在負極性可動感應電極204上，可動感應電極陣列通過微彈性結構207和固定錨208構成懸空結構。
[0040]其中正極性可動感應電極201上設置的固定錨206及209的作用有兩個，一是支撐整個正極性可動感應電極201懸空，二是作為正極性可動感應電極201感應電荷的引出端。正極性可動感應電極201可以直接采用固定錨206及209懸空，也可以使用彈性結構加固定錨的組合來實現懸空。而負極性可動感應電極204的懸空結構為負極性可動感應電極204的微彈性結構207和負極性可動感應電極204的固定錨208。該結構相對于固定梁結構，微彈性結構207可以保障負極性可動感應電極204能夠在水平面內朝固定方向運動。
[0041]需要說明的是，負極性固定感應電極203和正極性固定感應電極202被外圍的連接可動感應電極的驅動結構210所包圍，所以必須將負極性固定感應電極204和正極性固定感應電極201的感應電荷，從襯底100上表面絕緣層101上的金屬引線102和104電學引出。
[0042]還需要說明的是，本實施例中的絕緣結構為無機材料，以下任意一種:二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；
[0043]或者是有機材料，以下任意一種:聚酰亞胺或苯并環丁烯。
[0044]優選地，當上述傳感器結構工作時，本實施例中通過信號處理電路對可動感應電極單元中正極性可動感應電極201和負極性可動感應電極204進行電位鉗制，使二者的電位分別保持在固定值；通過信號處理電路對固定感應電極單元中正極性固定感應電極202和負極性感應電極203進行電位鉗制，使二者的電位分別保持在固定值。如圖2所示，當中間的可動感應電極對運動到左邊時，較多的電場會落到正極性可動感應電極201和正極性固定感應電極203的側壁。此時正極性感應電極會感應出較多的電荷，負極性感應電極會感應出較少電荷。如圖3所示，當中間的可動感應電極對運動到右邊時，較多的電場會落到負極性可動感應電極204和負極性固定感應電極202的側壁，這時負極性感應電極會感應出較多電荷，正極性感應電極會感應出較少電荷。在驅動結構的作用下，使可動感應電極對周期性地左右運動，正負極性感應電極會感應出周期變化的電荷，而此周期變化的電荷是一個與被測電場強度相關的量，所以通過測量周期變化的電荷，可以測量電場強度。
[0045]另外，圖4示出了本發明實施例采用的信號處理電路示意圖，以及連接方法，其中301是正極性固定感應電極203的信號處理電路引出端，302是負極性固定感應電極202的信號處理電路引出端，303是負極性可動感應電極204的信號處理電路引出端，304是正極性可動感應電極201的信號處理電路引出端。信號處理電路的作用為感應電極的電位鉗制和感應電流的跨阻放大。
[0046]綜上所述,本實施例中提供的微型傳感器結構，相比于已有的電場傳感器，充分利用了原來被屏蔽電極浪費掉的電場，可動感應電極陣列可周期性地往復運動。該運動調制可動感應電極對與固定感應電極對之間的電場，產生感應電荷。本發明提供的微型電場傳感器結構利用絕緣結構和電位鉗制技術，將可動感應電極單元和固定感應電極單元同時實現電場感應，當可動感應電極單元與固定感應電極單元分別外接電路實現電位鉗制時，可產生與電場強度相關的電信號，實現電場強度的測量，能夠避免直接接地的屏蔽結構，不會產生電場浪費的問題，獲得更大的電場感應面積，在相同檢測周期內能夠產生更多的感應電荷，因此提高了電場的利用效率，增大了器件分辨率，從而提高電場傳感器的性能。[0047] 以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
【權利要求】
1.一種微型電場傳感器結構，包括周期性地往復運動的可動感應電極陣列和固定不動的固定感應電極陣列，其特征在于: 可動感應電極陣列包括至少一個可動感應電極單元，通過彈性結構支撐在襯底表面，所述可動感應電極單元包括一個正極性電極和一個負極性電極組成的電極對，分別為正極性可動感應電極和負極性可動感應電極； 固定感應電極陣列包括至少一個固定感應電極單元，通過支撐點固定在襯底表面，所述固定感應電極單元包括一個正極性電極和一個負極性電極組成的電極對，分別為正極性固定感應電極和負極性固定感應電極。
2.如權利要求1所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，所述固定感應電極單元和可動感應電極單元以梳齒狀交叉排布。
3.如權利要求1所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，所述固定感應電極單元中電極的極性與相鄰的所述可動感應電極單元中電極的極性相同。
4.如權利要求1所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，所述可動感應電極單元中構成電極對的正極性可動感應電極和負極性可動感應電極通過絕緣結構進行機械連接，使正極性可動感應電極和負極性可動感應電極在驅動結構的驅動下能夠同步運動，且保持電絕緣。
5.如權利要求1所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，所述固定感應電極單元中的正極性固定感應電極和負極性固定感應電極的位置固定，并保持電絕緣。
6.如權利要求4所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，所述絕緣結構位于所述可動感應電極單元中正極性可動感應電極與負極性可動感應電極的上表面，或者位于正極性可動感應電極與負極性可動感應電極之間的側面。
7.如權利要求1所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，通過信號處理電路對所述可動感應電極單元中正極性可動感應電極和負極性可動感應電極進行電位鉗制，使二者的電位分別保持在固定值；通過信號處理電路對所述固定感應電極單元中正極性固定感應電極和負極性感應電極進行電位鉗制，使二者的電位分別保持在固定值。
8.如權利要求4或6所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，所述絕緣結構為無機材料，以下任意一種:二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅； 或者是有機材料，以下任意一種:_聚酰亞胺或苯并環丁烯。
9.如權利要求1所述的微型電場傳感器結構，其特征在于，所述可動感應電極單元中的正極性可動感應電極和負極性可動感應電極之間或者固定感應電極單元中的正極性固定感應電極和負極性固定感應電極之間的縫隙全部或部分填充絕緣材料。
【文檔編號】G01R29/12GK103713203SQ201310706890
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】葉天翔, 王喆垚 申請人:清華大學