專利名稱：一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電場(chǎng)傳感器，尤其涉及一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，能通過靜電對(duì)電場(chǎng)傳感器的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行調(diào)諧。
背景技術(shù)：
電場(chǎng)傳感器是測(cè)量 電場(chǎng)強(qiáng)度的裝置，它廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、氣象探測(cè)、電力、地震預(yù)報(bào)、科學(xué)研究以及工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域，具有非常重要的作用。比如，借助電場(chǎng)傳感器對(duì)地面和空中大氣電場(chǎng)變化的監(jiān)測(cè)，可以獲取準(zhǔn)確的氣象信息，從而為導(dǎo)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(chǎn)領(lǐng)域，利用靜電場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)工業(yè)環(huán)境中的電勢(shì)分布和電場(chǎng)分布，有助于我們及時(shí)采取有效的措施預(yù)防事故的發(fā)生；還有通過測(cè)量電力系統(tǒng)和電器設(shè)備周圍電場(chǎng)，可用于故障監(jiān)測(cè)和診斷等等。此外，電場(chǎng)檢測(cè)在靜電防護(hù)、電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、以及科學(xué)研究等方面也具有十分重要的應(yīng)用。微型電場(chǎng)傳感器是基于MEMS技術(shù)制備的一類電場(chǎng)傳感器，相對(duì)于米用傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)加工的電場(chǎng)傳感器，是加工方式的改變。微型電場(chǎng)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(chǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了電場(chǎng)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)和需求，進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。諧振式微型電場(chǎng)傳感器是基于諧振工作原理的微型電場(chǎng)傳感器，該類傳感器是基于獲得最大電場(chǎng)感應(yīng)靈敏度而設(shè)計(jì)的。由于振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器時(shí)刻要求屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)處在諧振狀態(tài)，同時(shí)在諧振狀態(tài)時(shí)同樣的能量能夠獲得更大的振動(dòng)幅度，從而達(dá)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(zhì)因數(shù)，真空度越高，相同的傳感器芯片封裝后的品質(zhì)因數(shù)就越大，同樣能量驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)感應(yīng)的電荷在封帽上累積，累積的電荷會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)重新分布，影響測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的可靠性。彭春榮、夏善紅的《微型電場(chǎng)傳感器抗靜電積累封裝結(jié)構(gòu)》(專利號(hào)200810222768.8)，文獻(xiàn)提到真空封裝在金屬封帽上的電荷積累，提出了一種改進(jìn)的導(dǎo)體封蓋來減小靜電荷的累積，通過氣密圈來實(shí)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(fù)雜性及塑膠材料的氣密性與穩(wěn)定性問題，目前該技術(shù)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(zhǎng)時(shí)間存放后真空度得不到保證。Haiyan Zhang, Dongming Fang, Pengfei Yang等在文獻(xiàn)報(bào)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(xué)材料(縮略PTFE)為封帽材料，由于長(zhǎng)期真空封裝的氣密性不好，同時(shí)空氣中的水分會(huì)進(jìn)入傳感器封裝腔體內(nèi)，封裝腔體內(nèi)的水分存在會(huì)嚴(yán)重影響傳感器測(cè)量輸出結(jié)果的穩(wěn)定性。另外，由于微機(jī)械制造工藝存在的關(guān)鍵線寬損失，使得加工的微結(jié)構(gòu)表芯與設(shè)計(jì)的不一致。針對(duì)電場(chǎng)傳感器的制造誤差補(bǔ)償目前很少關(guān)注，而結(jié)構(gòu)的制造誤差將導(dǎo)致機(jī)械諧振頻率的變化，給后續(xù)的電路設(shè)計(jì)帶來困難。目前文獻(xiàn)資料還沒有介紹針對(duì)微機(jī)械振動(dòng)電場(chǎng)傳感器的制造誤差的補(bǔ)償。根據(jù)上述說明，現(xiàn)存的振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器暫沒有針對(duì)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(duì)制造過程的誤差提出補(bǔ)償辦法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題針對(duì)現(xiàn)存振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)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(duì)屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)的諧振頻率進(jìn)行調(diào)諧，通過振動(dòng)速度信號(hào)的差分式反饋來對(duì)屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)阻尼進(jìn)行調(diào)諧。上述創(chuàng)新性措施能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的常壓封裝應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)大的靈敏度和提高輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，解決了現(xiàn)存微機(jī)械電場(chǎng)傳感器中的制造誤差補(bǔ)償和封裝及輸出信號(hào)穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題。靜電驅(qū)動(dòng)方式具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，容易與后續(xù)信號(hào)處理模塊集成等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微機(jī)械電子傳感器中。面內(nèi)振動(dòng)的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器主要包括屏蔽層結(jié)構(gòu)和感應(yīng)層電極，屏蔽層結(jié)構(gòu)水平方向運(yùn)動(dòng)周期的遮蓋下面的敏感電極，使得感應(yīng)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(chǎn)生與外界電場(chǎng)成比例的交變電流。這種方式下結(jié)構(gòu)對(duì)稱性比較好，結(jié)構(gòu)層的厚度對(duì)面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)頻率不產(chǎn)生影響，微機(jī)械加工也比較容易。根據(jù)原理，感生電流與其他參量關(guān)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(chǎng)感應(yīng)的有效面積，β為敏感電極差
分后感應(yīng)的電荷量，瓦為待測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。設(shè)屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)做正弦振動(dòng)，且垂直運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，振動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的角頻率和相位。電流信號(hào)經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換、放大、濾波等之后，用激勵(lì)信號(hào)作為電場(chǎng)解調(diào)的參考信號(hào)，經(jīng)過相關(guān)解調(diào)和低通濾波后，解調(diào)出的電場(chǎng)強(qiáng)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(dá)到輸出電壓飽和。根據(jù)式(3)可知，振動(dòng)頻率￡ 和振動(dòng)幅值X以及敏感電極敏感到的電場(chǎng)強(qiáng)度直接影響了輸出信號(hào)的大小和測(cè)量的準(zhǔn)確性。 和I越大，傳感器靈敏度越高。對(duì)于諧振梁結(jié)構(gòu)的幅頻特性而言，在諧振頻率處振動(dòng)幅度最大，從而能獲得最大的電場(chǎng)感應(yīng)靈敏度。因此，激勵(lì)電壓應(yīng)該實(shí)時(shí)跟蹤結(jié)構(gòu)諧振頻率的變化。對(duì)于屏蔽層的活動(dòng)結(jié)構(gòu)要求其處在諧振狀態(tài)，在開環(huán)狀態(tài)下不考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)反饋靜電力、速度反饋電壓產(chǎn)生的靜電力及調(diào)諧活動(dòng)結(jié)構(gòu)的靜電力，活動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，c為屏蔽層活動(dòng)結(jié)構(gòu)的封裝后的阻尼系數(shù)，K為屏蔽層活動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的剛度，Cd為驅(qū)動(dòng)梳齒對(duì)電容，Vdc和Vae分別為
對(duì)應(yīng)的直流和交流驅(qū)動(dòng)電壓，&和0為對(duì)應(yīng)的靜電驅(qū)動(dòng)力大小和角頻車I為屏蔽層活動(dòng)結(jié)構(gòu)的位移。求解等式(4)得到振動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)模態(tài)頻率，％ =為品質(zhì)因數(shù)，
F
0 K^,。當(dāng)交'流激勵(lì)電壓的頻I率與相同時(shí)·，振云力幅度達(dá)到最大^ = T--QQ = ^kl- m !cq 12 Ar1
O此條件下式⑶可以化簡(jiǎn)為
V0=KmXE=K^=M=E(6)
根據(jù)式(6)可知，在諧振狀態(tài)下，當(dāng)靜電驅(qū)動(dòng)力確定時(shí)，振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的靈敏度與品質(zhì)因數(shù)δ有關(guān)。β越大，越利于信號(hào)的檢測(cè)，相應(yīng)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(xiàng)與振動(dòng)速度V t關(guān)。本發(fā)明利用速度檢測(cè)
信號(hào)反饋到驅(qū)動(dòng)端，這樣在等式左邊就多了一項(xiàng)負(fù)的阻尼力項(xiàng)。屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)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(dòng)位移的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過比例放大后大小與位移成比例。隨后該信號(hào)通過微分和移相后疊加到調(diào)諧品質(zhì)
因數(shù)的固定梳齒上。加在對(duì)稱的兩個(gè)調(diào)諧品質(zhì)因數(shù)的固定梳齒上的電壓為Fxi和及為Vdci和-，其中&為振動(dòng)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(jìn)一步化簡(jiǎn)為
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，包括基座、設(shè)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(dòng)結(jié)構(gòu)、固定梳齒結(jié)構(gòu)，其中活動(dòng)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)中心設(shè)置有間隙的矩形質(zhì)量塊、設(shè)置在質(zhì)量塊四周的梳齒，與質(zhì)量塊四個(gè)端角相連接的支撐梁；所述固定梳齒結(jié)構(gòu)包括一對(duì)驅(qū)動(dòng)梳齒、一對(duì)用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的第一、第二固定梳齒、一對(duì)用于調(diào)諧品質(zhì)因數(shù)的第三、第四固定梳齒、以及一對(duì)調(diào)諧活動(dòng)結(jié)構(gòu)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(duì)稱設(shè)置在質(zhì)量塊的上下兩端，所述第一、第二固定梳齒、驅(qū)動(dòng)梳齒，以及第三、第四固定梳齒依次分別對(duì)稱設(shè)置在質(zhì)量塊的左右兩端，所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)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(quán)利要求I所述一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)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(quán)利要求I或2所述一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，其特征在于所述第五、第六固定梳齒上加載可調(diào)節(jié)的直流電壓，通過直流電壓來調(diào)節(jié)屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)的諧振頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)上的梳齒構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，并形成差分電容，其中活動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度反饋信號(hào)加載在第三、第四固定梳齒上，通過差分結(jié)構(gòu)調(diào)整屏蔽層中活動(dòng)結(jié)構(gòu)的等效阻尼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，其特征在于所述傳感器在常壓下封裝，利用自激驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)屏蔽層中活動(dòng)結(jié)構(gòu)在其等效諧振頻率點(diǎn)處諧振。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，一種振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，包括基座、設(shè)置在基座上的敏感層和屏蔽層，所述屏蔽層包括活動(dòng)結(jié)構(gòu)、固定梳齒結(jié)構(gòu)，其中活動(dòng)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)中心設(shè)置有間隙的矩形質(zhì)量塊、設(shè)置在質(zhì)量塊四周的梳齒，與質(zhì)量塊四個(gè)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(duì)屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)的諧振頻率進(jìn)行調(diào)諧，通過振動(dòng)速度信號(hào)的差分式反饋來對(duì)針對(duì)屏蔽層中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)阻尼進(jìn)行調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的常壓封裝，能實(shí)現(xiàn)大的靈敏度和提高輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，解決了現(xiàn)存微機(jī)械電場(chǎng)傳感器中的制造誤差補(bǔ)償和封裝及輸出信號(hào)穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題。
文檔編號(hào)G01R29/12GK102879655SQ20121042673
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)