一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，包括玻璃基座、鍵合在玻璃基座上的結(jié)構(gòu)層、濺射在玻璃基座上的金電極層；所述結(jié)構(gòu)層包括第一至第十錨點(diǎn)區(qū)、第一至第四支撐梁、質(zhì)量塊、第一至第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板、第一力放大杠桿、第二力放大杠桿，所述金電極層包括第一至第八電極。本實(shí)用新型對(duì)應(yīng)的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過一級(jí)微機(jī)械杠桿對(duì)靜電驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行放大，通過兩級(jí)回型梁取代典型直梁，交叉耦合小，提高微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器的靈敏度。
【專利說明】一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種電場(chǎng)傳感器，特別是一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 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)研宄以及工業(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)研宄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)于采用傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的加工的電場(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。
[0003] 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)傳感器要求時(shí)刻屏蔽層中的活動(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。
[0004] 專利號(hào)為ZL201210426733. 2的一種振動(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。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。但仍存在 以下缺陷：此振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器，需要復(fù)雜的微機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路來保證傳感器 工作。由于靜電驅(qū)動(dòng)力較小，支撐梁剛度較大，傳感器的靈敏度難以設(shè)計(jì)成很大。
[0005] 現(xiàn)有的振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器存在支撐梁剛度大，靜電驅(qū)動(dòng)力小，靈敏度小的 問題。現(xiàn)有振動(dòng)式微機(jī)械電場(chǎng)傳感器中微結(jié)構(gòu)和接口電路復(fù)雜，同等驅(qū)動(dòng)電壓下，靜電驅(qū)動(dòng) 力較小，支撐梁的等效剛度較大，諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度小，限制了傳感器靈敏度的提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種微機(jī)械振動(dòng) 式電場(chǎng)傳感器，本實(shí)用新型通過一級(jí)微機(jī)械杠桿對(duì)靜電驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行放大，通過兩級(jí)回型梁 取代典型直梁，交叉耦合小，傳感器的靈敏度能大大提高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
[0007] 本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0008] 根據(jù)本實(shí)用新型提出的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，包括玻璃基座、鍵合在玻 璃基座上的結(jié)構(gòu)層、濺射在玻璃基座上的金電極層；其特征在于，所述結(jié)構(gòu)層包括第一至第 十錨點(diǎn)區(qū)、第一至第四支撐梁、矩形框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊、第一至第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板、第 一力放大杠桿、第二力放大杠桿，所述金電極層包括第一至第八電極；其中，
[0009] 第一至第八電極均濺射在玻璃基座上，第三電極與第四電極構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，第一、 第五、第六電極位于第三電極的左側(cè)，第二、第七、第八電極位于第三電極的右側(cè)；質(zhì)量塊設(shè) 置在第三電極與第四電極的正上方且與玻璃基座上表面存有間距，在質(zhì)量塊的前后兩側(cè)對(duì) 稱各設(shè)置兩條支撐梁，各側(cè)的兩條支撐梁相對(duì)于質(zhì)量塊的橫向中心線是對(duì)稱的，第一至第 四支撐梁的外側(cè)分別設(shè)有第一至第四錨點(diǎn)區(qū)，第五、第七、第八錨點(diǎn)區(qū)均位于第三電極的左 偵L第六、第九、第十錨點(diǎn)區(qū)均位于第三電極的右側(cè)，第一至四支撐梁的一端均與質(zhì)量塊連 接，第一支撐梁的另一端與第一錨點(diǎn)區(qū)連接、第二支撐梁的另一端與第二錨點(diǎn)區(qū)連接，第三 支撐梁的另一端與第三錨點(diǎn)區(qū)連接、第四支撐梁的另一端與第四錨點(diǎn)區(qū)連接；
[0010] 第一力放大杠桿、第二力放大杠桿對(duì)稱設(shè)置在質(zhì)量塊的左右兩側(cè)，第一力放大杠 桿的一端與質(zhì)量塊的左側(cè)連接，第一力放大杠桿的另一端與第五錨點(diǎn)區(qū)連接，第二力放大 杠桿的一端與質(zhì)量塊的右側(cè)連接，第二力放大杠桿的另一端與第六錨點(diǎn)區(qū)連接，第一力放 大杠桿上附著梳齒且分別與第一、第二固定驅(qū)動(dòng)電容極板形成差分電容對(duì)，第一、第二固定 驅(qū)動(dòng)電容極板依次通過第七、第八錨點(diǎn)區(qū)鍵合在基座上；第二力放大杠桿上附著梳齒且分 別與第三、第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板形成差分電容對(duì)，第三、第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板依次通過 第九、第十錨點(diǎn)區(qū)鍵合在基座上；
[0011] 第一電極與第五錨點(diǎn)區(qū)連接，第二電極與第六錨點(diǎn)區(qū)連接，第一、第二電極均為質(zhì) 量塊提供電氣信號(hào)接口，第五電極與第七錨點(diǎn)區(qū)連接并為第一固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣 信號(hào)接口，第六電極與第八錨點(diǎn)區(qū)連接并為第二固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣信號(hào)接口，第 七電極與第九錨點(diǎn)區(qū)連接并為第三固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣信號(hào)接口，第八電極與第十 錨點(diǎn)區(qū)連接并為第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣信號(hào)接口。
[0012] 作為本實(shí)用新型的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述質(zhì)量塊 內(nèi)均勻分布阻尼孔。
[0013] 作為本實(shí)用新型的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述第一、 第二、第三、第四支撐梁均為兩級(jí)回型梁。
[0014] 作為本實(shí)用新型的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述第三電 極與第四電極為梳齒結(jié)構(gòu)。
[0015] 作為本實(shí)用新型的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述質(zhì)量塊 為長(zhǎng)方形框架結(jié)構(gòu)。
[0016] 本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本實(shí)用新型 提出了 一種新型微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，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；本實(shí)用新型對(duì)應(yīng)的微 機(jī)械電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過一級(jí)微機(jī)械杠桿對(duì)靜電驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行放大，通過兩級(jí)回型梁 取代典型直梁，交叉耦合小，提高微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器的靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的正面剖面示意圖。
[0018] 圖2是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的工作原理。
[0019] 圖3是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的總體俯視圖。
[0020] 圖4是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)層。
[0021] 圖5是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)層中的支撐梁。
[0022] 圖6是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)層中的力放大杠桿。
[0023] 圖7是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的電極層。
[0024] 圖中的標(biāo)記解釋為：
[0025] 1為結(jié)構(gòu)層，2為錨點(diǎn)區(qū)，3為金電極層，4為玻璃基座，5為屏蔽層結(jié)構(gòu)，6為驅(qū)動(dòng)梳 齒；
[0026] A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10 依次為結(jié)構(gòu)層中第一、二、三、四、五、六、七、 八、九、十錨點(diǎn)區(qū)，1(1、1(2、1(3、1(4依次為結(jié)構(gòu)層中第一、二、三、四支撐梁^為質(zhì)量塊，1^1、1^2 依次為第一、第二力放大杠桿，Cll、C12、C21、C22依次為第一、二、三、四固定驅(qū)動(dòng)電容極 板；
[0027]K101、K102、K103、K104、K105、K106、K107、K108、K109、K110、Kill為結(jié)構(gòu)層中第 一支撐梁Kl包含的第一至十一連接梁，LC11、LC12依次為附著在第一力放大杠桿Ll的第 一、二電容極板，31、52、53、54、55、56、57、58依次為電極層中第一、二、三、四、五、六、七、八 電極。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0029] 如圖1所示是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的正面剖面示意圖，本實(shí)用新型的 微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器包括結(jié)構(gòu)層1、金電極層3、玻璃基座4,錨點(diǎn)區(qū)2，其中結(jié)構(gòu)層的材 料為摻雜濃硼的晶體硅，電極層為金，基座材料為專門鍵合的玻璃材料。摻雜的晶體硅材料 通過體硅深刻蝕成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，電極層構(gòu)圖通過濺射形成。為了使活動(dòng)結(jié)構(gòu)具有可動(dòng)空間， 結(jié)構(gòu)層兩面刻蝕，與電極層有一定的空間，結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)與基座通過陽極鍵合結(jié)合在一起，結(jié) 構(gòu)層和電極層高度根據(jù)設(shè)計(jì)和工藝能力來確定。
[0030] 如圖2所示是本實(shí)用新型的微機(jī)械電場(chǎng)傳感器的工作原理，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)5、感應(yīng)層電極和驅(qū)動(dòng)梳齒6,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。
[0031] 感生電流與其他參量關(guān)系如下：
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，包括玻璃基座、鍵合在玻璃基座上的結(jié)構(gòu)層、濺射在 玻璃基座上的金電極層；其特征在于，所述結(jié)構(gòu)層包括第一至第十錨點(diǎn)區(qū)、第一至第四支撐 梁、矩形框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊、第一至第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板、第一力放大杠桿、第二力放大 杠桿，所述金電極層包括第一至第八電極；其中， 第一至第八電極均濺射在玻璃基座上，第三電極與第四電極構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，第一、第 五、第六電極位于第三電極的左側(cè)，第二、第七、第八電極位于第三電極的右側(cè)；質(zhì)量塊設(shè) 置在第三電極與第四電極的正上方且與玻璃基座上表面存有間距，在質(zhì)量塊的前后兩側(cè)對(duì) 稱各設(shè)置兩條支撐梁，各側(cè)的兩條支撐梁相對(duì)于質(zhì)量塊的橫向中心線是對(duì)稱的，第一至第 四支撐梁的外側(cè)分別設(shè)有第一至第四錨點(diǎn)區(qū)，第五、第七、第八錨點(diǎn)區(qū)均位于第三電極的左 偵L第六、第九、第十錨點(diǎn)區(qū)均位于第三電極的右側(cè)，第一至四支撐梁的一端均與質(zhì)量塊連 接，第一支撐梁的另一端與第一錨點(diǎn)區(qū)連接、第二支撐梁的另一端與第二錨點(diǎn)區(qū)連接，第三 支撐梁的另一端與第三錨點(diǎn)區(qū)連接、第四支撐梁的另一端與第四錨點(diǎn)區(qū)連接； 第一力放大杠桿、第二力放大杠桿對(duì)稱設(shè)置在質(zhì)量塊的左右兩側(cè)，第一力放大杠桿的 一端與質(zhì)量塊的左側(cè)連接，第一力放大杠桿的另一端與第五錨點(diǎn)區(qū)連接，第二力放大杠桿 的一端與質(zhì)量塊的右側(cè)連接，第二力放大杠桿的另一端與第六錨點(diǎn)區(qū)連接，第一力放大杠 桿上附著梳齒且分別與第一、第二固定驅(qū)動(dòng)電容極板形成差分電容對(duì)，第一、第二固定驅(qū)動(dòng) 電容極板依次通過第七、第八錨點(diǎn)區(qū)鍵合在基座上；第二力放大杠桿上附著梳齒且分別與 第三、第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板形成差分電容對(duì)，第三、第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板依次通過第 九、第十錨點(diǎn)區(qū)鍵合在基座上； 第一電極與第五錨點(diǎn)區(qū)連接，第二電極與第六錨點(diǎn)區(qū)連接，第一、第二電極均為質(zhì)量塊 提供電氣信號(hào)接口，第五電極與第七錨點(diǎn)區(qū)連接并為第一固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣信號(hào) 接口，第六電極與第八錨點(diǎn)區(qū)連接并為第二固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣信號(hào)接口，第七電 極與第九錨點(diǎn)區(qū)連接并為第三固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣信號(hào)接口，第八電極與第十錨點(diǎn) 區(qū)連接并為第四固定驅(qū)動(dòng)電容極板提供電氣信號(hào)接口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述質(zhì)量塊內(nèi) 均勻分布阻尼孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述第一、第 二、第三、第四支撐梁均為兩級(jí)回型梁。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述第三電極 與第四電極為梳齒結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械振動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述質(zhì)量塊為 長(zhǎng)方形框架結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01R29/12GK204256053SQ201420804567
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】孟瑞麗, 陸倩倩, 劉恒, 張宏群, 孫冬嬌 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)