專利名稱：振動(dòng)式微型電場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，特別涉及振動(dòng)式微型電場傳感器。
背景技術(shù)：
大氣電場是一個(gè)跨越多種學(xué)科的特性參量。許多自然現(xiàn)象，如雷電、地震、太陽活動(dòng)等都可以引起大氣電場的相應(yīng)變化。一些人類活動(dòng)，如環(huán)境污染、高壓輸電等也會(huì)使近地范圍內(nèi)的大氣電場發(fā)生改變。同時(shí)大氣電場對(duì)于人類的生產(chǎn)、生活也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。航天器的發(fā)射、人工降雨都要充分考慮到大氣電場條件。過強(qiáng)的電場還有可能使精密電子設(shè)備失靈，甚至損壞電子設(shè)備。因此，借助于電場傳感器，對(duì)大氣電場進(jìn)行有效的監(jiān)測十分必要，從中可以了解太陽活動(dòng)對(duì)近地大氣電場的影響，監(jiān)測城市環(huán)境污染情況，預(yù)報(bào)雷暴和地震，保障航天器順利發(fā)射。
目前已有若干種電場傳感器。根據(jù)不同的應(yīng)用背景、應(yīng)用環(huán)境和檢測范圍，電場傳感器分為大氣電場檢測、電力系統(tǒng)或電器設(shè)備周圍電場檢測等；根據(jù)其工作原理，亦可分為電荷感應(yīng)式、光學(xué)式等種類。電荷感應(yīng)式電場傳感器制作技術(shù)較成熟，量程大，但是由于其體積較大，應(yīng)用受到了一定的限制。光學(xué)式電場傳感器響應(yīng)速度較快、噪聲較低，但一般測量范圍較窄，且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于微加工技術(shù)的體積小、易于批量加工的微型電場傳感器。
振動(dòng)式微型電場傳感器包括振動(dòng)部分和感應(yīng)部分，振動(dòng)部分有振動(dòng)膜1，在振動(dòng)膜1上制備第一激振電極2和屏蔽電極3，在感應(yīng)部分有第二激振電極5和感應(yīng)電極6。


圖1是本發(fā)明微型電場傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是激振電極對(duì)受力原理圖；圖3是感應(yīng)電極對(duì)在電場中感應(yīng)電荷原理圖，其中，(a)表示激振電壓為零的情況，(b)表示激振電壓大于零的情況。
具體實(shí)施例方式
振動(dòng)式微型電場傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由振動(dòng)和感應(yīng)兩部分組成，分別以單晶硅為基底制備，最終鍵合為一體。
振動(dòng)部分在硅片的一面生長氮化硅薄膜，另一面對(duì)硅進(jìn)行深刻蝕，形成氮化硅薄膜，也就是所述的振動(dòng)膜1。在振動(dòng)膜1上制備電極，包括激振電極陰極2和屏蔽電極3，兩者相互絕緣，屏蔽電極3接地。屏蔽電極3上有柵孔4，孔4的形狀為方孔、圓孔或其它形狀。柵孔的數(shù)量根據(jù)需要制作，但至少為一個(gè)。柵孔4在工藝條件下盡量小，例如，柵孔的面積小于10000um2。為實(shí)現(xiàn)柵孔的屏蔽效果，電極對(duì)的間距d大于0.1倍柵孔直徑為宜。本例中電極對(duì)的間距為8um。振動(dòng)膜1的厚度受工藝水平限制，盡可能薄，振動(dòng)膜1的膜厚小于20um。振動(dòng)膜1上也可以有相應(yīng)于柵孔4的小孔。
感應(yīng)部分與振動(dòng)部分的振動(dòng)膜1相對(duì)應(yīng)的位置制備激振電極陽極5和感應(yīng)電極6兩個(gè)電極。激振電極陽極5與激振電極陰極2正對(duì)，形成激振電極對(duì)；感應(yīng)電極6與屏蔽電極3正對(duì)，形成感應(yīng)電極對(duì)。傳感器的主體結(jié)構(gòu)可以采用體硅加工工藝制備，電極采用濺射或蒸發(fā)金屬的方法制備，如圖1所示。也可以用其他方法制備傳感器主體結(jié)構(gòu)和電極。
圖2為激振電極對(duì)受力原理圖。激振電極陰極2接地，陽極5接零至Vj伏的矩形波電壓。電壓Vj的大小根據(jù)振動(dòng)膜1的彈性系數(shù)以及所期望的振動(dòng)幅度等參數(shù)確定。當(dāng)陽極板電壓為零伏時(shí)，由于電極對(duì)的兩極板電壓相同，無感應(yīng)電荷產(chǎn)生，因此無庫侖力作用。當(dāng)陽極板電壓大于零伏時(shí)，由電容器的帶電原理可知陽極板將感應(yīng)正電荷，陰極板感應(yīng)出同等電量的負(fù)電荷，陰陽兩極板由于正負(fù)電荷間的庫侖力作用產(chǎn)生吸引力。在力的作用下，振動(dòng)膜1向感應(yīng)部分運(yùn)動(dòng)，當(dāng)激振電壓為Vj伏時(shí)，兩極板的間距達(dá)到最??；當(dāng)陽極電壓為零伏時(shí)，振動(dòng)膜1在自身彈性回復(fù)力的作用下返回初始位置。即振動(dòng)膜1作周期性振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與激振電極陽極5所加載的矩形波電壓幅度變化的頻率相同。
圖3為感應(yīng)電極對(duì)在電場中感應(yīng)電荷原理圖，圖中上部是振動(dòng)膜1，其上的屏蔽電極3接地；下部是感應(yīng)部分，其上的感應(yīng)電極6輸出信號(hào)。
圖3(a)表示激振電壓為零的情況，由于電極對(duì)不受力，振動(dòng)膜1處于初始位置，屏蔽電極3距離感應(yīng)電極6遠(yuǎn)，屏蔽電極3上柵孔附近的屏蔽作用較強(qiáng)，外電場穿過柵孔到達(dá)感應(yīng)電極板的滲透電場較弱，感應(yīng)電極3上感應(yīng)的電荷較少。
圖3(b)表示激振電壓大于零的情況，由于電極對(duì)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，庫侖力使得振動(dòng)膜1發(fā)生形變，兩電極間距變小，即屏蔽電極3靠近感應(yīng)電極，屏蔽電極3上柵孔附近的屏蔽作用較弱，外電場穿過柵孔到達(dá)感應(yīng)電極板的滲透電場較強(qiáng)，感應(yīng)電極6上感應(yīng)的電荷較多。
振動(dòng)膜作周期性振動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電極6上的感應(yīng)電荷也作周期性的改變，這種周期改變的感應(yīng)電荷對(duì)外輸出就形成交流電流信號(hào)。待測電場的場強(qiáng)大時(shí)感應(yīng)電極6上的感應(yīng)電荷多，在振動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷變化量大，在振動(dòng)頻率不變的情況下輸出的交流電流將變大，輸出的交流電流信號(hào)可以反映外界電場強(qiáng)度的大小。在外電場的場強(qiáng)固定情況下，改變振動(dòng)膜1的振動(dòng)頻率也可以使輸出的交流電流變化，因此可以通過調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率控制量程。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)式微型電場傳感器，包括振動(dòng)部分和感應(yīng)部分，其特征在于在振動(dòng)部分有振動(dòng)膜(1)，在振動(dòng)膜(1)上制備第一激振電極(2)和屏蔽電極(3)，感應(yīng)部分有第二激振電極(5)和感應(yīng)電極(6)。
2.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的屏蔽電極上有柵孔(4)。
3.按權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于所述的柵孔(4)為方形、圓形或其它形狀。
4.按權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于所述柵孔(4)的面積小于10000um2。
5.按權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于所述柵孔(4)數(shù)量至少為1個(gè)。
6.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的激振電極對(duì)之間的距離d大于0.1倍柵孔直徑。
7.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述振動(dòng)膜(1)的厚度小于20um。
8.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的第一激振電極(2)、第二激振電極(5)兩個(gè)電極中一個(gè)是陰極，另一個(gè)是陽極。兩個(gè)電極的位置正對(duì)，形成激振電極對(duì)。
9.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的感應(yīng)電極(6)與屏蔽電極(3)的位置正對(duì)，形成感應(yīng)電極對(duì)。
全文摘要
一種振動(dòng)式微型電場傳感器，包括振動(dòng)部分和感應(yīng)部分，在振動(dòng)部分形成振動(dòng)膜(1)，在振動(dòng)膜(1)上制備第一激振電極(2)和屏蔽電極(3)，在感應(yīng)部分制備第二激振電極(5)和感應(yīng)電極(6)。本發(fā)明的微型電場傳感器基于微加工技術(shù)，體積小，成本低，易于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01R29/00GK1492235SQ0214737
公開日2004年4月28日 申請日期2002年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月23日
發(fā)明者夏善紅, 裴強(qiáng), 白強(qiáng), 龔超 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所