一種金屬微結構電場傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種金屬微結構電場傳感器，包括：屏蔽電極、襯底以及位于襯底上的第一驅動結構、第二驅動結構和感應電極；第一驅動結構和第二驅動結構對稱設置于感應電極的兩側，其將屏蔽電極夾持于二者之間，并驅動屏蔽電極相對于感應電極作周期性運動，屏蔽電極、第一驅動結構、第二驅動結構和感應電極采用金屬材料。本發明采用金屬材料制備，電極彈性大，提高了電場測量的分辨力和靈敏度，增大了有效電荷感應面積；電極傳感器采用垂直振動方式，提高了電場測量的分辨力和靈敏度；通過在動電極表面開設阻尼孔，降低驅動電壓，減小驅動電壓引起的噪聲，提高信噪比。
【專利說明】
一種金屬微結構電場傳感器
技術領域
[0001]本發明涉及電場傳感器技術領域，尤其涉及一種金屬微結構電場傳感器。
【背景技術】
[0002]雷暴、沙塵暴等極端天氣的形成過程中，大氣電場發生劇烈變化，采用電場傳感器對大氣電場進行探測，對極端天氣預報具有重要作用，還可用于地質領域大氣環流研究、大氣污染檢測，以及工業生產中靜電監測與防護、電力系統中放電現象分析、高壓設備及高壓線電場分布測量、絕緣子絕緣性能檢測等。
[0003]電場傳感器的研究已經進行多年，其中基于電荷感應原理的傳統機械式電場傳感器一般采用金屬作為電極實現對外部電場的測量，其特點是穩定性好、電場分辨力高，適用于低溫、潮濕、振蕩等惡劣環境中的電場檢測，但功耗高、體積大。
[0004]基于MEMS技術的微型電場傳感器由于具有功耗低、體積小、易批量化制造等優勢。二十世紀九十年代初，國外已經采用MEMS技術加工出基于電荷感應原理的微型靜電場計。目前文獻報道的MEMS微型電場傳感器敏感結構大多采用硅表面加工工藝制作，其優勢在于可采用標準MEMS工藝批量化制備，工藝比較成熟。但由于硅表面加工工藝不易加工復雜的多層三維微結構，振動方式一般為水平方向振動，振動幅度較小，不利于進一步提高傳感器的靈敏度和電場分辨力。
【發明內容】
[0005](一)要解決的技術問題
[0006]為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種金屬微結構電場傳感器。
[0007](二)技術方案
[0008]本發明提供了一種金屬微結構電場傳感器，包括:屏蔽電極21、襯底11以及位于襯底上的第一驅動結構、第二驅動結構和感應電極20;其中，所述第一驅動結構和第二驅動結構對稱設置于感應電極的兩側，其將所述屏蔽電極21夾持于二者之間，并驅動所述屏蔽電極21相對于感應電極20作周期性運動，所述屏蔽電極21、第一驅動結構、第二驅動結構和感應電極20采用金屬材料。
[0009](三)有益效果
[0010]從上述技術方案可以看出，本發明的金屬微結構電場傳感器具有以下有益效果:[0011 ] (I)驅動結構、感應電極和屏蔽電極采用金屬材料制備，相比娃微結構，金屬材料的電極彈性大，使得動電極和屏蔽電極可以達到較大的振動幅度，提高了電場測量的分辨力和靈敏度；
[0012](2)金屬材料易成型，易將感應電極和屏蔽電極加工成多層復雜三維微結構，增大了有效電荷感應面積；
[0013](3)電極傳感器采用垂直振動方式，增大了振動幅度，提高了電場測量的分辨力和靈敏度；
[0014](4)通過在動電極表面開設阻尼孔，可以減小動電極在垂直于襯底的方向上下振動時的空氣阻力，降低驅動電壓，提高信噪比；
[0015](5)感應電極和屏蔽電極可采用矩形平板結構，結構簡單，易于加工。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明第一實施例的金屬微結構電場傳感器整體結構圖；
[0017]圖2為本發明第一實施例的驅動結構定電極和感應電極結構圖；
[0018]圖3為本發明第一實施例的蛇形彈性梁結構圖；
[0019]圖4為本發明第一實施例的交錯布置的梳齒電極結構圖；
[0020]圖5為本發明第一實施例的動電極、蛇形彈性梁和屏蔽電極一體結構圖。
[0021 ]圖6為本發明第二實施例的動電極、蛇形彈性梁和屏蔽電極一體結構圖；
[0022]圖7為本發明第二實施例的驅動結構定電極和感應電極結構圖。
[0023]【符號說明】
[0024]11-襯底；
[0025]20-感應電極;21-屏蔽電極;22-第一感應電極;23-第二感應電極；
[0026]31-第一定電極;32-第一動電極;33-第一蛇形彈性梁;34-第二蛇形彈性梁;35-第一銷點；36-第二銷點；
[0027]41-第二定電極;42-第二動電極;43-第三蛇形彈性梁;44-第四蛇形彈性梁;45-第三錨點;46-第四錨點；
[0028]51-動電極阻尼孔;52-屏蔽電極阻尼孔。
【具體實施方式】
[0029]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0030]隨著MEMS工藝技術的發展，金屬微結構逐步引起了人們的研究興趣，采用金屬微器件來代替部分或全部硅結構，可進一步提高微結構的性能。目前國內外已經研究出基于金屬材料的微彈簧、微齒輪、微保險絲、金屬微流傳感器等，并已經在相關領域進行了初步應用，因此基于金屬材料的微結構電場傳感器的研究具有重要的意義，本發明正是提出了一種金屬微結構電場傳感器。
[0031 ]本發明第一實施例的一種金屬微結構電場傳感器，包括襯底11、第一驅動結構、第二驅動結構、屏蔽電極21和感應電極20。其中，
[0032]感應電極20包括第一感應電極22和第二感應電極23，第一感應電極22和第二感應電極23為具有N個梳齒的單側梳齒結構，二者的梳齒相對設置，對稱排列并固定于襯底表面；
[0033]第一驅動結構和第二驅動結構對稱設置于感應電極的兩側，其中，
[0034]第一驅動結構包括第一定電極31、第一動電極32、第一蛇形彈性梁33、第二蛇形彈性梁34、第一錨點35和第二錨點36，第一定電極31固定于襯底表面，第一錨點35和第二錨點36分別固定于第一定電極上、下兩側的襯底表面，第一動電極上、下兩側端分別連接第一蛇形彈性梁33和第二蛇形彈性梁34，第一蛇形彈性梁33和第二蛇形彈性梁34分別連接第一錨點35和第二錨點36，將第一動電極32支撐固定于襯底表面，使得第一動電極32位于第一定電極的正上方，并與第一定電極31在垂直于襯底方向上間隔一定距離。
[0035]第二驅動結構包括第二定電極41、第二動電極42、第三蛇形彈性梁43、第四蛇形彈性梁44、第三錨點45和第四錨點46，第二定電極41固定于襯底表面，第三錨點45和第四錨點46分別固定于第二定電極上、下兩側的襯底表面，第二動電極上、下兩側端分別連接第三蛇形彈性梁43和第四蛇形彈性梁44，第三蛇形彈性梁43和第四蛇形彈性梁44分別連接第三錨點45和第四錨點46，將第二動電極42支撐固定于襯底表面，使得第二動電極42位于第二定電極的正上方，并與第二定電極41在垂直于襯底方向上間隔一定距離。
[0036]屏蔽電極21為雙側梳齒結構，其每側具有N+1個梳齒，其朝向第一驅動結構的側端與第一驅動結構的第一動電極32相連接，其朝向第二驅動結構的側端與第二驅動結構的第二動電極42相連接，使得屏蔽電極兩側的梳齒結構與第一感應電極和第二感應電極的梳齒結構均呈互相交叉排列，其中，10<N<100。
[0037]其中，驅動結構、屏蔽電極21和感應電極20均采用金屬材料，優選地，該金屬材料為金、銀、銅、鎳的至少一種，采用UV-LIGA電鍍、濺射或電化學刻蝕工藝制備。
[0038]本發明實施例的驅動結構、感應電極和屏蔽電極采用金屬材料制備，相比硅微結構，金屬材料的電極彈性大，使得動電極和屏蔽電極可以達到較大的振動幅度，提高了電場測量的分辨力和靈敏度;金屬材料易成型，易將感應電極和屏蔽電極加工成多層復雜三維微結構，可以增大有效電荷感應面積。
[0039]其中，蛇形彈性梁用于動電極的支撐與固定，優選地，蛇形彈性梁由M個L型的折梁連接一起構成，折梁的數量M影響電場傳感器的彈性系數。其中，3<M<20，蛇形彈性梁的細節如圖3所示。
[0040]錨點為動電極在襯底上的支撐點，既保證了動電極的連接，又保證了動電極和定電極之間的間距。
[0041 ]優選地，襯底11可以為玻璃、硅片等絕緣材料。
[0042]本發明實施例的金屬微結構電場傳感器，該電場傳感器米用靜電驅動的激勵方式，驅動結構定電極上加載激勵電壓，一般采用交變電壓信號，使得定電極與動電極之間產生靜電力，靜電力大小與驅動電極面積、定電極和動電極間距、加載激勵電壓值、電場傳感器的彈性系數有關，當電場傳感器的結構形態固定后，驅動電極面積、定電極和動電極間距和電場傳感器的彈性系數確定，靜電力主要由加載的激勵電壓信號大小決定。
[0043]隨著激勵電壓的變化，定電極與動電極之間的靜電力變化，動電極隨著靜電力的變化而在垂直于襯底的方向上下振動，從而帶動與動電極連接一體的屏蔽電極21在垂直于感應電極的方向來回運動，屏蔽電極21與感應電極20之間的相對位置發生周期性變化，從而弓I起感應電極表面上感應電荷量的周期變化，感應電荷變化量與外部電場強度成比例關系，通過對該感應電荷變化量進行測量，實現對外部電場的測量。
[0044]優選地，第一動電極32和第二動電極42表面具有P X Q個動電極阻尼孔51構成的P行Q列阻尼孔陣列，動電極阻尼孔51可以為矩形、圓形或橢圓形。通過在第一動電極和第二動電極表面開設動電極阻尼孔51，可以減小動電極在垂直于襯底的方向上下振動時的空氣阻力，提高電極傳感器的靈敏度。
[0045]本發明的第二實施例的金屬微結構電場傳感器，為了達到簡要說明的目的，上述第一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。
[0046]感應電極20為一矩形平板結構并固定于襯底表面，屏蔽電極21為矩形平板結構，其朝向第一驅動結構的側端與第一驅動結構的第一動電極32相連接，其朝向第二驅動結構的側端與第二驅動結構的第二動電極42相連接，屏蔽電極位于感應電極的正上方。
[0047]優選地，屏蔽電極21表面具有KX L個屏蔽電極阻尼孔52構成的K行L列阻尼孔陣列，屏蔽電極阻尼孔52可以為矩形、圓形或橢圓形。通過在屏蔽電極21開設屏蔽電極阻尼孔52，可以減小屏蔽電極在垂直于襯底的方向上下振動時的空氣阻力，提高電極傳感器的靈敏度。
[0048]本發明的第二實施例的金屬微結構電場傳感器，與第一實施例類似，隨著激勵電壓的變化，定電極與動電極之間的靜電力變化，動電極隨著靜電力的變化而在垂直于襯底的方向上下振動，從而帶動與動電極連接一體的屏蔽電極21在垂直于感應電極的方向來回運動，屏蔽電極21與感應電極20之間的相對位置發生周期性變化，從而引起感應電極表面上感應電荷量的周期變化，感應電荷變化量與外部電場強度成比例關系，通過對該感應電荷變化量進行測量，實現對外部電場的測量。相對于第一實施例，感應電極和屏蔽電極的結構更為簡單，易于加工。
[0049]至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明的一種金屬微結構電場傳感器有了清楚的認識。
[0050]需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如:
[0051](I)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發明的保護范圍；
[0052](2)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。
[0053]綜上所述，本發明提供一種金屬微結構電場傳感器，與已有的硅基結構微型電場傳感器相比，金屬材料易成型，可加工多層復雜三維微結構，在振動方式的選擇上更加靈活;電極結構采用垂直振動方式，可以達到較大的振動幅度，有助于提高分辨力和靈敏度。
[0054]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種金屬微結構電場傳感器，其特征在于，包括:屏蔽電極(21)、襯底(11)以及位于襯底上的第一驅動結構、第二驅動結構和感應電極(20);其中， 所述第一驅動結構和第二驅動結構對稱設置于感應電極的兩側，其將所述屏蔽電極(21)夾持于二者之間，并驅動所述屏蔽電極(21)相對于感應電極(20)作周期性運動，所述屏蔽電極(21)、第一驅動結構、第二驅動結構和感應電極(20)采用金屬材料。2.如權利要求1所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述第一驅動結構和第二驅動結構驅動屏蔽電極(21)在垂直于感應電極的方向來回運動，所述屏蔽電極(21)與感應電極(20)之間的相對位置發生周期性變化。3.如權利要求2所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述第一驅動結構包括第一定電極(31)、第一動電極(32)、第一蛇形彈性梁(33)、第二蛇形彈性梁(34)、第一錨點(35)和第二錨點(36)，所述第一定電極(31)固定于襯底表面，第一動電極分別通過第一蛇形彈性梁(33)和第二蛇形彈性梁(34)連接第一錨點(35)和第二錨點(36)，并固定于襯底表面，第一動電極(32)位于第一定電極的正上方，并與第一定電極(31)在垂直于襯底方向上間隔一定距離； 所述第二驅動結構包括第二定電極(41)、第二動電極(42)、第三蛇形彈性梁(43)、第四蛇形彈性梁(44)、第三錨點(45)和第四錨點(46)，所述第二定電極(41)固定于襯底表面，第二動電極分別通過第三蛇形彈性梁(43)和第四蛇形彈性梁(44)連接第三錨點(45)和第四錨點(46)，并固定于襯底表面，第二動電極(42)位于第二定電極的正上方，并與第二定電極(41)在垂直于襯底方向上間隔一定距離。4.如權利要求3所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述第一動電極(32)和第二動電極(42)具有PXQ個動電極阻尼孔(51)構成的P行Q列阻尼孔陣列。5.如權利要求2所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述感應電極(20)包括第一感應電極(22)和第二感應電極(23)，所述第一感應電極(22)和第二感應電極(23)為具有N個梳齒的單側梳齒結構，二者的梳齒相對設置，對稱排列并固定于襯底表面； 所述屏蔽電極(21)為雙側梳齒結構，其每側具有N+1個梳齒，其朝向第一驅動結構的側端與第一驅動結構相連接，其朝向第二驅動結構的側端與第二驅動結構相連接，使得屏蔽電極兩側的梳齒結構與第一感應電極和第二感應電極的梳齒結構均呈互相交叉排列，其中，10<N<100o6.如權利要求2所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述感應電極(20)和屏蔽電極(21)均為一矩形平板結構，所述屏蔽電極(21)朝向第一驅動結構的側端與第一驅動結構相連接，其朝向第二驅動結構的側端與第二驅動結構相連接，所述屏蔽電極位于感應電極的正上方。7.如權利要求6所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述屏蔽電極表面具有KXL個屏蔽電極阻尼孔(52)構成的K行L列阻尼孔陣列。8.如權利要求1至7中任一項權利要求所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述金屬材料為金、銀、銅、鎳的至少一種。9.如權利要求1至7中任一項權利要求所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，采用UV-LIGA電鍍、濺射或電化學刻蝕工藝制備屏蔽電極(21)、第一驅動結構、第二驅動結構和感應電極(20)。10.如權利要求3所述的金屬微結構電場傳感器，其特征在于，所述蛇形彈性梁由M個L型的折梁連接一起構成，3<M<20。
【文檔編號】G01R29/12GK105911370SQ201610273929
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】鄭鳳杰, 夏善紅, 彭春榮
【申請人】中國科學院電子學研究所