王　宇, 方東明, 陳　博, 彭春榮, 夏善紅

(1.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049))

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基于旋轉(zhuǎn)諧振結(jié)構(gòu)的單芯片二維電場(chǎng)傳感器*

王宇1,2, 方東明1, 陳博1, 彭春榮1, 夏善紅1

(1.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049))

摘要:提出并研制了一種二維電場(chǎng)檢測(cè)傳感芯片，將四個(gè)電場(chǎng)測(cè)量微型單元和旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)集成在3.5 mm×3.5 mm的敏感結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了單芯片的電場(chǎng)二維測(cè)量。介紹了傳感器的工作原理、敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及基于絕緣體上硅(SOI)工藝的單芯片微型二維電場(chǎng)傳感器制備工藝技術(shù)。成功研制出傳感器原理樣機(jī)，研究了微型二維電場(chǎng)傳感器的標(biāo)定方法，開發(fā)了用于電場(chǎng)二維標(biāo)定的測(cè)試裝置，并在室溫常壓下對(duì)傳感器進(jìn)行了二維標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器能夠有效減小電場(chǎng)的軸間耦合干擾，測(cè)量誤差優(yōu)于7.04 %，線性度可達(dá)到1.25 %。

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)傳感器； 微機(jī)電系統(tǒng)； 絕緣體上硅(SOI)； 旋轉(zhuǎn)諧振式微執(zhí)行器； 二維測(cè)量； 電場(chǎng)標(biāo)定

0引言

電場(chǎng)傳感器在許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，比如：雷暴來臨前會(huì)引起大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的劇烈變化，通過對(duì)大氣電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)雷電預(yù)警；此外，還可用于電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備絕緣狀況監(jiān)測(cè)、工業(yè)靜電測(cè)量，以及氣象學(xué)中雷云的電荷結(jié)構(gòu)反演[1～3]等。在高空，空間大氣電場(chǎng)除了垂直分量，還包括水平分量，因此，為準(zhǔn)確測(cè)量高空大氣電場(chǎng)需采用三維電場(chǎng)傳感器。已有的三維電場(chǎng)傳感器有雙球式、旋葉式等，它們都由傳統(tǒng)機(jī)械加工方式制備，體積大、功耗高，并且組裝復(fù)雜、成本較高。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制備的傳感器兼具體積小、功耗低、易集成化、易批量生產(chǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)，成為近年來研究的熱點(diǎn)。

目前有多個(gè)單位報(bào)道了微型電場(chǎng)傳感器的研究成果[4～10]，然而目前所報(bào)道的微型電場(chǎng)傳感器都只能測(cè)量電場(chǎng)的一維分量。采用電場(chǎng)傳感器陣列設(shè)計(jì)方案也可以進(jìn)行電場(chǎng)三維測(cè)量，目前報(bào)道的相關(guān)研究需要至少3只傳感器[11]。在準(zhǔn)確測(cè)量高空大氣電場(chǎng)的前提下，為簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜程度，應(yīng)減少傳感器的使用數(shù)量。采用二維電場(chǎng)傳感器和一維電場(chǎng)傳感器結(jié)合的設(shè)計(jì)，可以分別測(cè)量電場(chǎng)水平分量和垂直分量，該方案僅需2只傳感器。目前，微型二維電場(chǎng)傳感器的相關(guān)研究未見報(bào)道。

本文提出一種新型的微型二維電場(chǎng)傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器能夠有效減小電場(chǎng)的軸間耦合干擾，可實(shí)現(xiàn)二維電場(chǎng)的測(cè)量。

1傳感器工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，基于旋轉(zhuǎn)梳狀結(jié)構(gòu)的二維電場(chǎng)傳感器位于X-Y平面，軸向與Z軸重合，由X+，X-，Y+，Y-四個(gè)電場(chǎng)測(cè)量單元和旋轉(zhuǎn)諧振式微執(zhí)行器構(gòu)成。四個(gè)電場(chǎng)測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)相同，位置相隔90°交錯(cuò)排列，X+，X-電場(chǎng)測(cè)量單元組成差分結(jié)構(gòu)檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的X分量，Y+，Y-電場(chǎng)測(cè)量單元組成差分結(jié)構(gòu)檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的Y分量。每個(gè)電場(chǎng)測(cè)量單元由感應(yīng)電極和屏蔽電極構(gòu)成，感應(yīng)電極與屏蔽電極均為旋轉(zhuǎn)型梳齒，感應(yīng)電極成對(duì)設(shè)置在屏蔽電極兩側(cè)，構(gòu)成差分型結(jié)構(gòu)，在增加信號(hào)輸出的同時(shí)，降低串?dāng)_等共模噪聲，從而提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。旋轉(zhuǎn)諧振式微執(zhí)行器由推挽式梳狀驅(qū)動(dòng)電極、屏蔽電極和蛇形懸臂梁構(gòu)成。推挽式靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可使電場(chǎng)傳感器在理想的工作模態(tài)獲得較大振幅[12]，此外,該結(jié)構(gòu)對(duì)串?dāng)_等共模噪聲也形成抑制作用。四根蛇形懸臂梁作為傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的彈性元件，呈十字形排列，位于相鄰電場(chǎng)測(cè)量單元之間，一方面對(duì)懸空的屏蔽電極起連接支撐作用，另一方面,保證了電場(chǎng)傳感器工作模態(tài)的穩(wěn)定性。本文提出的電場(chǎng)傳感器其理想工作模態(tài)為平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，在設(shè)計(jì)上采用了蛇形懸臂梁的方案，大大降低相鄰模態(tài)的耦合干擾。

圖1　微型二維電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Structure of the proposed two-dimensionalelectric field micro sensor

微型二維電場(chǎng)傳感器工作時(shí)，推挽式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)兩端的驅(qū)動(dòng)電極上分別施加差分的交直流混合信號(hào)，根據(jù)虛功原理，傳感器在靜電力矩作用下會(huì)沿圓周方向做旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，該振動(dòng)引起四個(gè)不同位置的電場(chǎng)測(cè)量單元同步感應(yīng)，各電場(chǎng)測(cè)量單元中屏蔽電極與感應(yīng)電極的相對(duì)位置發(fā)生改變，感應(yīng)電極的有效感應(yīng)面積隨之發(fā)生周期性變化。根據(jù)高斯定理，感應(yīng)電極表面的感應(yīng)電荷總量變化形成電流，該電流信號(hào)的幅值與待測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度大小呈正比，將輸出信號(hào)接入電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大得到更加便于測(cè)量的電壓信號(hào)。

2有限元仿真

本文使用有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行模擬仿真。一對(duì)平行板分別施加高低電位，產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)，將電場(chǎng)傳感器仿真模型放置在平行板的中間位置。由圖1可知，傳感器以四個(gè)電場(chǎng)測(cè)量單元的位置確定了一個(gè)局部坐標(biāo)系，傳感器所在平面為X-Y平面，勻強(qiáng)電場(chǎng)與傳感器共面，所以，該勻強(qiáng)電場(chǎng)為X-Y平面內(nèi)的二維電場(chǎng)。固定平行板位置不變，以傳感器中心為軸旋轉(zhuǎn)傳感器，此時(shí)外界施加的電場(chǎng)與局部坐標(biāo)系的X軸存在一個(gè)夾角，該夾角即為待測(cè)電場(chǎng)的入射角。圖2表示電場(chǎng)入射角為0°，15°，30°，45°時(shí)，電場(chǎng)傳感器的電勢(shì)分布云圖，電場(chǎng)傳感器的存在使得勻強(qiáng)電場(chǎng)在該處發(fā)生畸變，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，電場(chǎng)在電場(chǎng)傳感器的邊角處聚集。

圖2　不同入射角時(shí)傳感器在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的等勢(shì)圖Fig 2　Potentiometric contour of sensorwith different incident angles in uniform electric field

電場(chǎng)傳感器通過感應(yīng)電荷量的變化檢測(cè)電場(chǎng)，使外界待測(cè)電場(chǎng)保持1V/m的幅度旋轉(zhuǎn)360°，差分后的感應(yīng)電荷變化曲線如圖3所示，在360°的周期內(nèi)，X方向差分后的結(jié)果與Y方向差分后的結(jié)果幅值相同，相位相差90°，根據(jù)矢量正交分解理論，X-Y平面二維電場(chǎng)強(qiáng)度可以分解為X分量和Y分量，其中，X分量為電場(chǎng)矢量在X軸的投影，Y分量為電場(chǎng)矢量在Y軸的投影，圖3所示結(jié)果與該理論相符合，因此，從理論上驗(yàn)證了本文提出的微型電場(chǎng)傳感器測(cè)量二維電場(chǎng)的可行性。

圖3　差分電場(chǎng)測(cè)量單元感應(yīng)電荷隨電場(chǎng)入射方向變化曲線Fig 3　Curve of induced charges of differential electric fieldmeasurement unit varying with incident direction of electric field

3實(shí)驗(yàn)

本文提出的微型二維電場(chǎng)傳感器采用共面電極結(jié)構(gòu)，傳感器制備工藝的設(shè)計(jì)采用了基于SOI微加工技術(shù)的工藝流程。首先在襯底下表面通過熱氧化工藝制作氧化層，在結(jié)構(gòu)層硅的上表面沉積一層犧牲層后退火，接著使用濺射和lift-off工藝在結(jié)構(gòu)層硅的上表面制備金屬電極，使用深度反應(yīng)離子刻蝕圖形化結(jié)構(gòu)層硅，然后沉積正面保護(hù)層，翻轉(zhuǎn)硅片，背面襯底套刻，最后釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)。制備出的微型電場(chǎng)傳感器SEM照片如圖4所示。該芯片樣機(jī)的尺寸為3.5mm×3.5mm。

圖4　微型二維電場(chǎng)傳感器SEM照Fig 4　SEM photograph of micro two-dimensionalelectric field sensor

在室溫常壓下，將微型電場(chǎng)傳感器置于自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)微型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行單軸標(biāo)定。當(dāng)外加電場(chǎng)平行于X軸方向時(shí)，如圖5(a)所示，X軸分量有較好的線性響應(yīng)，線性度為2.24 %，靈敏度kxx為0.683 mV/(kV/m)，由于軸間耦合，Y軸分量也存在線性響應(yīng)，線性度為6.22 %，靈敏度kyx為0.215 mV/(kV/m)。耦合是由電場(chǎng)畸變、電路元器件精度有限和加工所得各電場(chǎng)測(cè)量單元不完全一致等原因引起的。同樣的原因，當(dāng)外加電場(chǎng)平行于Y軸方向時(shí)，如圖5(b)所示，Y軸分量有較好的線性響應(yīng)，線性度為4.13 %，靈敏度kyy為0.689 mV/(kV/m)，X軸分量響應(yīng)較小，線性度為1.25 %，靈敏度kxy為0.180 mV/(kV/m)。因此，考慮軸間耦合的影響，并引入軸間靈敏度系數(shù)，可得到計(jì)算方程

Vx=kxxEx+kxyEy,

(1)

Vy=kyyEy+kyxEx.

(2)

通過以上計(jì)算方法可以求解出待測(cè)電場(chǎng)的X分量與Y分量，再將兩分量矢量合成即可得出待測(cè)電場(chǎng)的值。

圖5　電場(chǎng)單軸標(biāo)定Fig 5　Uniaxial calibration of electric field

在0～25 kV/m的范圍內(nèi)，將電場(chǎng)傳感器任意旋轉(zhuǎn)了6個(gè)角度，每個(gè)角度相隔5 kV/m計(jì)算電場(chǎng)值，并擬合直線。如圖6所示，理論曲線是一條斜率為1的直線，擬合所得直線與理論曲線一致性較好，最大偏差為7.04 %。誤差的主要來源是系統(tǒng)誤差，包含包括直流源表的輸出誤差、標(biāo)定極板尺寸誤差、夾具形狀尺寸誤差、夾具材料對(duì)源電場(chǎng)的影響等，傳感器表面溫度、濕度、靜電荷積累等因素也會(huì)造成測(cè)量存在誤差。由圖6可見，本文提出的微型二維電場(chǎng)傳感器可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量X-Y二維電場(chǎng)。

圖6　六個(gè)任意角度下微型二維電場(chǎng)傳感器的響應(yīng)Fig 6　Responses of micro two-dimensional electricfield sensor with six random incident angles

4結(jié)論

本文研制出一種新型的單芯片微型二維電場(chǎng)傳感器，電場(chǎng)測(cè)量單元的差分型布置方案有效地減小了電場(chǎng)耦合干擾，研究了單芯片微型二維電場(chǎng)傳感器的加工方法，并成功制備出傳感器原理樣機(jī)，傳感器芯片尺寸為3.5 mm×3.5 mm，有效減小了電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的體積；設(shè)計(jì)了用于電場(chǎng)二維標(biāo)定的測(cè)試裝置，并在室溫常壓下對(duì)傳感器進(jìn)行二維標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該傳感器在0～25 kV/m的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，測(cè)量誤差優(yōu)于7.04 %，線性度最佳可達(dá)到1.25 %。

參考文獻(xiàn):

[1]Nag A,Rakov V A,Tsalikis D,et al.Characteristics of the initial rising portion of near and far lightning return stroke electric field waveforms[J].Atmospheric Research,2012,117(12):71-77.

[2]Zeng Q,Wang Z,Guo F,et al.The application of lightning forecasting based on surface electrostatic field observations and radar data[J].Journal of Electrostatics,2013,71(1):6-13.

[3]Daniel A,Joan M,Gloria S,et al.On the lightning hazard warning using electrostatic field:Analysis of summer thunderstorms in Spain[J].Journal of Electrostatics,2009,67:507-512.

[4]Chen Xianxiang,Peng Chunrong,Tao Hu,et al.Thermally driven micro-electrostatic fieldmeter[J].Sensors and Actuators A,2006,132:677-682.

[5]Bahreyni B,Wijeweera G,Shafai C,et al.Analysis and design of a micro-machined electric-field sensor[J].Journal of Micro-electromechanical Systems,2008,17(1):31-36.

[6]Kobayashi T,Oyama S,Takahashi M,et al.MEMS-based electrostatic field sensor using Pb(Zr,Ti)O3thin films[J].Japanese Journal of Applied Physics,2008,47(9):7533-7536.

[7]Simon Ghionea,Gabriel Smith,Jeffrey Pulskamp,et al.MEMS electric-field sensor with lead zirconate titanate(PZT)-actuated electrodes[C]∥Proceedings of IEEE 2013 Sensors Conference,Baltimore,2013:1-4.

[8]Horenstein M N,Stone P R.A micro-aperture electrostatic field mill based on MEMS technology[J].Journal of Electrostatics,2001,51/52:515-521.

[9]Riehl P S,Scott K L,Muller R S,et al.Electrostatic charge and field sensors based on micromechanic resonators[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2003,12(5):577-589.

[10] Yang P F,Peng C R,Zhang H Y,et al.A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped microelectrodes[C]∥Proceedings of the 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference,Beijing,2011:1034-1037.

[11] 聞小龍，彭春榮，方東明，等.基于共面去耦結(jié)構(gòu)的空間三維電場(chǎng)測(cè)量方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2014,36(10):2504-2508.

[12] Yeh J A,Chen C N,Lui Y S.Large rotation actuated by in-plane rotary comb-drives with serpentine spring suspension[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2005,15:201-206.

Monolithic two-dimensional electric field sensor based on rotary resonant structure*

WANG Yu1,2, FANG Dong-ming1, CHEN Bo1, PENG Chun-rong1, XIA Shan-hong1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:A two-dimensional electric field detecting sensing chip is presented，researched and fabricated, which integrates four electric field measurement micro unit and rotary driving micro structure on 3.5 mm×3.5 mm sensitive structure to realize monolithic two-dimensional electric field measurement.Working principle of the sensor,design of sensing structure and fabrication technology of monolithic two-dimensional electric field micro sensor based on SOI process are introduced.The prototype of the proposed sensor is successfully fabricated,and the calibration method and the calibration equipment are developed to conduct two-dimensional calibration experiments at room temperature and ordinary pressure.The test results show that the proposed sensor effectively eliminates the cross-axis coupling interference of electric field,and measurement error is prior to 7.04 %,and the linearity can achieve 1.25 %.

Key words:electric field sensor; MEMS; SOI; rotary resonant micro actuator; two-dimensional measurement; electric field calibration

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0103—03

收稿日期：2015—05—06

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201078，61327810)

中圖分類號(hào)：TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0103—03

作者簡(jiǎn)介:

王宇(1988-)，男，山東青島人，博士研究生，研究方向?yàn)槲⑿碗妶?chǎng)傳感器。

夏善紅，通訊作者，E—mail:shxia@mail.ie.ac.cn。