一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，包括SOI衬底，所述SOI衬底上设有L型弹性梁、屏蔽电极和压电驱动结构，所述屏蔽电极通过所述L型弹性梁与所述压电驱动结构连接，将压电驱动结构的垂直位移转为屏蔽电极扭转或垂直位移；所述压电驱动结构控制电传感器的调制模态：当两侧压电驱动结构施加电压相位差180

A field grinding MEMS electric field sensor based on piezoelectric drive

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器


[0001]本专利技术涉及微型电场传感器领域，具体涉及一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器。

技术介绍

[0002]电场不仅是设备上重要的监测对象，也是网络节点和线路上重要的状态量。电场测量电电网多个场景有重要应用，例如输电线路走廊电磁环境监测和线路非接触式电压测量。目前传统电场传感器存在功耗高、体积大和测量精度低等缺点，难以批量生产。MEMS电场传感器具有体积小、功耗低、精度高、可批量生产等优点，适合电网大规模部署和全面信息感知需求。
[0003]目前场磨式MEMS电场传感器大多采用静电驱动和热驱动方式，存在对待测电场畸变影响大，驱动电压大，精度和灵敏度低等缺点。压电驱动方式虽然理论上具有驱动电压小，干扰小等优点，但是应用于场磨式MEMS电场传感器尚不成熟，还需研究新型适配压电驱动结构和MEMS敏感结构。

技术实现思路

[0004]传统场磨式电场传感器的关键之一为如何进行调制，结合压电式MEMS微镜振动结构和原理，本专利技术提出一种新型基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器结构。
[0005]首先在压电驱动结构上施加驱动电压信号，由于逆压电效应压电驱动结构弯曲振动。L型弹性梁连接压电驱动结构和屏蔽电极，将压电驱动结构的垂直位移转化为屏蔽电极的扭转或者垂直位移。在压电驱动结构控制下，接地屏蔽电极末端梳齿结构在固定感应电极梳齿附近以平行于电场方向周期振动。根据电场边缘效应，随着屏蔽电极和感应电极的相对位置发生变化感应电极上的电场强度发生周期性变化。根据电荷感应原理，感应电极表面会产生周期性变化的电荷，通过检测该电流信号可实现对待测电场的测量。
[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，改进现有场磨式MEMS电场传感器精度低和灵敏度低的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，包括SOI衬底，所述SOI衬底上设有L型弹性梁、屏蔽电极和压电驱动结构，所述屏蔽电极通过所述L型弹性梁与所述压电驱动结构连接，将压电驱动结构的垂直位移转为屏蔽电极扭转或垂直位移；所述压电驱动结构控制电传感器的调制模态：当两侧压电驱动结构施加电压相位差180
°
时，电场处于扭转振动调制模态，当两侧电压驱动结构施加电压相位相等时，电场处于活塞振动调制模态。
[0008]所述器件加工基于SOI衬底上，SOI衬底顶硅层的厚度为提前设计的压电驱动结构的硅基底厚度，埋氧层埋氧层厚度在100nm
‑
500nm，SOI衬底底硅层的厚度为400
‑
500μm。
[0009]所述感应电极为一对或者多对梳齿形状，屏蔽电极呈板状结构且部分带有梳齿形状，感应电极和梳齿电极的梳齿互相耦合分布并处与同一平面。可将屏蔽电极中间部分改
进为多孔或栅格结构以减小振动阻尼。
[0010]所述压电驱动结构为三明治结构，由顶电极、压电材料和底电极层构成，通过电极焊点上施加驱动电压控制。压电驱动结构的形状不仅限于压电悬臂梁，包括折叠梁、S型梁、双S型梁。
[0011]所述L型弹性梁连接压电驱动结构和屏蔽电极，将压电驱动结构的垂直位移转为屏蔽电极的多形式振动位移。为了防止扭转振动时连接处机械损伤，L型弹性梁连接处采用倒圆结构增强连接稳固性。
[0012]所述压电驱动结构中间所使用的压电材料包括以下其中一种或者组合：锆钛酸铅、掺杂改性锆钛酸铅、铌镁酸铅、氮化铝、氧化锌。压电材料层的制备可采用溶胶凝胶法或者磁控溅射法制备。
[0013]所述感应电极和屏蔽电极选用的金属导电材料包括以下其中一种或者组合：铝、铂、钛、金、银。
[0014]有益效果：
[0015](1)本专利技术将场磨式MEMS电场传感器与压电MEMS微镜巧妙结合，有效提高敏感结构的谐振频率，使场磨式MEMS电场传感器可进行更高频率调制，有效提高传感器的精度。
[0016](2)本专利技术MEMS电场传感器结构具有多种模态调制模式：当传感器处于扭转振动模式时，传感器测量灵敏度高；当传感器处于活塞振动模式时，传感器谐振频率高。
[0017](3)本专利技术与现有静电驱动的扭转式MEMS电场传感器相比，传感器驱动结构与敏感结构处于同一平面，因此加工时只需要在一片SOI上加工，有效降低了MEMS加工难度。本专利技术的传感器制备工艺简单、成本低，有利于批量生产。
[0018](4)本专利技术的传感器适用范围广泛，可用于电网交直流电场测量、非接触式电压测量、以及大气电场检测等领域。
附图说明
[0019]图1为本专利技术中所述的基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术中所述的基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器处于扭转振动调制模态下的示意图；
[0021]图3为本专利技术中所述的基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器处于活塞振动调制模态下的示意图。
[0022]图中，1
‑
SOI衬底底硅层，2
‑
SOI衬底埋氧层，3
‑
SOI衬底顶硅层，4
‑
阻尼平衡梁，5
‑
L型弹性梁，6
‑
感应电极，7
‑
感应电极焊点，8
‑
底电极焊点，9
‑
顶电极焊点，10
‑
屏蔽电极，11
‑
压电驱动结构。
具体实施方式
[0023]下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
[0024]实施例1
[0025]参照图1所示，本专利技术公开的一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，包括流
片加工MEMS传感器所需的SOI衬底和表面MEMS微结构构成。加工衬底选取定制SOI衬底，由SOI衬底底硅层1，SOI衬底埋氧层2和SOI衬底顶硅层3构成，其中SOI衬底顶硅层厚度需根据所需MEMS微结构中硅层厚度决定以便于悬空和悬臂梁结构的加工。MEMS微结构由压电驱动结构11、屏蔽电极10和感应电极6结构构成。其中压电驱动结构采用压电悬臂梁结构，可为单一悬臂梁、折叠梁或者其他变形结构组成。压电悬臂梁采用三层三明治结构，上下电极夹住压电材料层，通过在上下电极施加电压在压电薄膜上形成电场从而控制压电驱动结构振动。屏蔽电极中间采用矩形板状结构，边缘部分采用梳齿结构，并且为了减小振动阻尼可在中间板状结构上改为多孔或者栅格结构。感应电极采用至少两对梳齿结构，并通过细梁固定在SOI衬底上。感应电极的梳齿部分和屏蔽电极相关耦合并处以同一平面内，且两者梳齿个数应该匹配。为了保证电极上分布对称均匀，每个感应电极梳齿个数应该大于或者小于屏蔽电极单侧梳齿个数。屏蔽电极通过L型弹性梁5与压电驱动结构连接，将压电驱动结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，包括SOI衬底，所述SOI衬底上设有L型弹性梁(5)、屏蔽电极(10)和压电驱动结构(11)，其特征在于：所述屏蔽电极通过所述L型弹性梁与所述压电驱动结构连接，将压电驱动结构的垂直位移转为屏蔽电极扭转或垂直位移；所述压电驱动结构控制电传感器的调制模态：当两侧压电驱动结构施加电压相位差180
°
时，电场处于扭转振动调制模态，当两侧电压驱动结构施加电压相位相等时，电场处于活塞振动调制模态。2.根据权利要求1所述的基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，其特征在于：所述扭转振动调制模态下屏蔽电极以中心线为轴在平面内外来回扭转振动；所述活塞振动调制模态下整个屏蔽电极在垂直于平面上下运动。3.根据权利要求2所述的基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，其特征在于：所述压电驱动结构、感应电极(6)和屏蔽电极均处于同一平面上。4.根据权利要求3所述的基于压电驱动的场磨式MEMS电场传感器，其特征在于：所述感应电极为梳齿结构且固定于所述SOI衬底上；所述屏蔽电极两侧为梳齿结...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨庆，廖伟，罗曼丹，董富宁，陈柠，马乐为，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：