專利名稱：諧振式微型電場傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電場傳感器，尤其涉及一種基于絕緣體上硅(SOI) 技術的諧振式微型電場傳感器。
背景技術：
電場傳感器是測量電場強度的裝置，它廣泛應用于國防、航空航天、 氣象探測、電力、地震預報、科學研究以及工業(yè)生產等多個領域，具有非 常重要的作用。比如，借助電場傳感器對地面和空中大氣電場變化的監(jiān)測， 可以獲取準確的氣象信息，從而為導彈、衛(wèi)星等飛行器發(fā)射升空提供安全 保障；在工業(yè)生產領域，利用靜電場傳感器監(jiān)測工業(yè)環(huán)境中的電勢分布和 電場分布，有助于我們及時采取有效的措施預防事故的發(fā)生；還有通過測 量電力系統(tǒng)和電器設備周圍電場，可用于故障監(jiān)測和診斷等等。此外電場 檢測在靜電防護、電磁環(huán)境監(jiān)測、以及科學研究等方面也具有十分重要的 應用。
微型電場傳感器是基于MEMS技術制備的一類電場傳感器，相對于
采用傳統(tǒng)機械加工技術的加工的電場傳感器，是加工方式的改變。微型電 場傳感器具有體積小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生產等突 出優(yōu)點，很好地滿足了電場傳感器的發(fā)展趨勢和需求，進一步拓寬了其應 用領域。
諧振式微型電場傳感器是基于諧振工作原理的微型電場傳感器，該類 傳感器是基于獲得最大電場感應靈敏度而設計的。目前，主要是本專利的
發(fā)明者在i侖文"Design and testing of a micromechanical resonant electrostatic field sensor, Mz'cromec/z. Mz'craewg. 16 (2006) 914—919"禾卩KentH. Lundberg等在論文"A Self-Resonant MEMS-Based Electrostatic Field Sensor, /Vocee<i/"g^ o/f/ze 200<5 Jmen'caw Co""o/ Co"7^rewce. Minneapolis, Minnesota, USA, June 14-16, 2006"中所描述的原理和器件。器件的敏感結
5構采用多晶硅工藝制備而成，主要包括梳齒激勵結構、梳齒電容拾振結構、 屏蔽電極、感應電極和支撐梁等部分組成，這種靜電梳齒激勵的諧振微型 電場傳感器結構盡管可獲得較高的靈敏度和精度，但離實際應用要求仍然 存在一定距離，此外激勵電壓較大，容易發(fā)生器件粘連，而且品質因數不 高、信噪比低。
一般地，閉環(huán)自諧振采用"恒定驅動模式"提供恒定的驅動力，工作時， 該傳感器的振動結構以恒定的振動幅度來回周期振動。由于電場傳感器的 靈敏度取決于振動幅度和工作頻率的乘積，因此，當頻率發(fā)生變化，振幅 恒定，傳感器的靈敏度也將發(fā)生變化。
發(fā)明內容
針對現有微型電場傳感器存在的問題，本發(fā)明的目的旨在提供一種基 于SOI微機械加工技術的諧振式微型電場傳感器。
為達成所述目的，本發(fā)明的第一方面，是提供一種諧振式微型電場傳 感器，其敏感結構單元包括
一襯底；具有梳齒結構的激勵電極由錨點固定在襯底的一側；具有梳 齒結構的振動敏感電極由錨點固定在襯底的另一側；屏蔽電極和電場感應 電極固定在激勵電極和振動敏感電極中間位置的襯底區(qū)域上，其中，屏蔽 電極和電場感應電極交錯排列；橫梁，位于屏蔽電極的中部；支撐梁，支 撐梁的一端由錨點固定在襯底上，另一端與激勵電極和振動敏感電極連 接；閉環(huán)反饋控制電路部分的輸入端與振動敏感電極相連的焊盤連接，而 其輸出端則接入與激勵電極相連的焊盤，閉環(huán)反饋控制電路實現傳感器屏 蔽電極自動工作在諧振狀態(tài)。
為達成所述目的，本發(fā)明的另一方面，是提供一種諧振式微型電場傳 感器，包括兩個傳感器敏感結構，在兩個傳感器敏感結構之間的襯底上 放置一個音叉結構，所述音叉結構與兩個傳感器的振動敏感電極平行，其 中，所述音叉結構與兩個傳感器敏感結構的橫梁連接。
本發(fā)明傳感器敏感結構的激勵電極、振動敏感電極與閉環(huán)反饋控制電 路部分構成一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，實現傳感器恒幅自激振動，從而保證 傳感器自動工作在諧振頻率處，補償環(huán)境引起的諧振頻率變化，獲取最大電場感應靈敏度。本發(fā)明傳感器敏感結構的敏感電極的輸出信號通過信號 檢測電路進行提取，并計算頻率偏差，補償諧振頻率變化引起的靈敏度變 化。本發(fā)明可以降低器件的靜電激勵電壓，提高傳感器的靈敏度和精度， 進一步增強其環(huán)境抗干擾能力。
圖la為本發(fā)明所述的一種基于SOI技術的諧振式微型電場傳感器、 圖lal為圖la中屏蔽電極、電場感應電極、支撐梁、橫梁及錨點部 分連接的局部放大示意圖la2為圖la中激勵電極和振動敏感電極梳齒部分的局部放大示意
圖lb為本發(fā)明所述的一種帶有音叉結構的基于SOI技術的諧振式微 型電場傳感器，圖lbl為圖lb的部分結構放大圖s
圖2a為電場感應電極與屏蔽電極的平行極板布置方案； 圖2b為電場感應電極與屏蔽電極梳齒結構布置方案> 圖3a、圖3b、圖3c為本發(fā)明所述的可用于制備諧振式微型電場傳感 器的一種SOI工藝流程所包括的主要步驟，其中圖3a是工藝流程的第一 步，圖3b是工藝流程的第二步，圖3c是工藝流程的第三步。
具體實施例方式
下面結合附圖來具體說明本發(fā)明。
圖la為本發(fā)明所述的基于SOI技術的諧振式微型電場傳感器結構示 意圖，所述傳感器主要包括傳感器敏感結構、閉環(huán)反饋控制電路部分2和 信號檢測電路部分3等，其中，所述傳感器敏感結構主要包括襯底l、激 勵電極4、振動敏感電極5、屏蔽電極6、電場感應電極7、支撐梁8和多 個錨點9等部分組成。具有梳齒結構的激勵電極4由錨點9固定在襯底1 的一側；具有梳齒結構的振動敏感電極5由錨點9固定在襯底1的另一側； 屏蔽電極6和電場感應電極7固定在激勵電極4和振動敏感電極5中間位 置的襯底l區(qū)域上，其中，屏蔽電極6和電場感應電極7交錯排列；橫梁 61，位于屏蔽電極6的中部；支撐梁8，支撐梁8的一端由錨點9固定在
7襯底1上，另一端與激勵電極4和振動敏感電極5連接；閉環(huán)反饋控制電
路部分2的輸入端與振動敏感電極5相連的焊盤59連接，而其輸出端則 接入與激勵電極4相連的焊盤49，閉環(huán)反饋控制電路2實現傳感器屏蔽電 極(6)自動工作在諧振狀態(tài)。
本發(fā)明所述的基于SOI技術的諧振式微型電場傳感器還包括如圖lb 所示的傳感器敏感結構，除了包括襯底l、激勵電極4、振動敏感電極5、 屏蔽電極6、電場感應電極7、支撐梁8和多個固定錨點9等部分外，還 包括音叉結構IO，可進一步提高器件的品質因數(Q值)，提高靈敏度， 并降低器件共模噪聲。
針對本發(fā)明所述的基于SOI技術的諧振式微型電場傳感器敏感結構， 其中所述的一種結構如圖la所示激勵電極4和振動敏感電極5布置在 傳感器敏感結構的兩側，激勵電極4布置在該結構一側的襯底1上，而振 動敏感電極5布置在傳感器敏感結構另一側的襯底1上。激勵電極4和振 動敏感電極5都采用梳齒結構。
梳齒結構是由如圖la2中所示激勵電極4由第一固定梳齒41和第一 可動梳齒42兩部分組成，第一固定梳齒41包括矩形塊411和多個梳齒 412，第一可動梳齒42包括矩形塊421和多個梳齒422;或振動敏感電 極5由第二固定梳齒51和第二可動梳齒52兩部分組成，第二固定梳齒51 包括矩形塊511和多個梳齒512，第二可動梳齒52包括矩形塊521 和多個梳齒522。
第一固定梳齒41和第一可動梳齒42兩者中的梳齒交錯平行排列。第 一固定梳齒41包括一個與錨點9相連的矩形塊411，以及在矩形塊411 側面伸出的多個梳齒412構成，每個梳齒412基本是薄板式矩形結構，當 然也可以是其他任何形狀，例如，三角形、圓形或半圓形。而第一可動梳 齒42基本與第一固定梳齒41相同，包括一個矩形塊421，以及在矩形塊 421側面伸出的多個梳齒422構成，每個梳齒422基本是薄板式矩形結構， 當然也可以是其他任何形狀，例如，三角形、圓形或半圓形。但可動梳齒 42的矩形塊不與錨點9相連，而與屏蔽電極6相連，因此，當屏蔽電極6 振動時帶動第一可動梳齒42 —起運動。梳齒結構中的第一可動梳齒42和 第一固定梳齒41兩部分中伸出的齒交錯布置。第一固定梳齒41也可以通過多個錨點9固定在襯底1上，在其中的一個錨點9上淀積金屬，形成圖 la中示出的金屬焊盤49，便于通過引線壓焊接入激勵電壓或者輸出信號， 其中作為激勵電極4的金屬焊盤49引入激勵電壓，而作為振動敏感電極5 的則輸出信號。橫梁61的一端與激勵電極4的第一可動梳齒42相連，而 橫梁61的另一端與振動敏感電極5的第二可動梳齒52相連。第二可動梳 齒52與屏蔽電極6的連接方式可以通過桿狀、不規(guī)則形狀等結構連接。 第二固定梳齒51和第二可動梳齒52也可采用與第一固定梳齒41和第一 可動梳齒42相同的結構在此不詳細贅述。
圖lal中示出了屏蔽電極6與電場感應電極7之間是一根長條矩形的 橫梁61，屏蔽電極6和電場感應電極7的長條矩形結構交錯排列，且布置 在激勵電極4和振動敏感電極5中間位置的襯底1區(qū)域上。圖lal中也示 出了支撐梁8的一端與錨點9相連，而支撐梁8的一端與與屏蔽電極6相 連的第一可動梳齒42的矩形塊421和第二可動梳齒52的矩形塊521相連， 或者支撐梁8也可直接與橫梁61兩端直接相連。支撐梁8主要作用在于 支撐布置在襯底1區(qū)域上的屏蔽電極6，實現敏感結構周期振動，支撐梁 8布置在屏蔽電極6的兩側，具體位置在此不一一列舉。
針對屏蔽電極6和電場感應電極7的結構方式本發(fā)明示例了兩種，如 圖2a和圖2b所示，其中一種采用平行極板方式。如圖2a所示，電場感 應電極7和屏蔽電極6采用長條矩形結構，長條矩形結構以一定的間距交 錯平行布置，且電場感應電極7的長條形結構71、 72與相鄰屏蔽電極6 的兩個長條形結構的間距不等；此外，還可以采用梳齒結構形式進行布置， 如圖2b所示，此時電場感應電極7和屏蔽電極6之間基本也由長條形結 構組成，但在兩者的長條形結構上都帶有一定數量的較短梳齒結構，相互 之間交錯間隔排列，工作時，能實現屏蔽電極6周期屏蔽電場感應電極7， 從而引起電場感應電極7上的電荷量周期變化即可，產生與電場成正比的 感應電流。
屏蔽電極6屏蔽電場感應電極7的結構布置方式采用差分敏感原理， 如圖2a所示，即以橫梁61位于具有長條形結構的屏蔽電極6的中間位置， 兩個屏蔽電場感應電極7位于橫梁61的兩側，當電場感應電極7上側的 長條形結構71靠近放置在長條形結構的屏蔽電極6的右側，則電場感應
9電極7下側的長條形結構72靠近放置在長條形結構的屏蔽電極6的左側， 從而當屏蔽電極6往右運動時，上面一側的電場感應電極7的長條形結構 71與靠近長條形結構的屏蔽電極6的之間的距離減小，而下面一側的電場 感應電極7的長條形結構72與靠近長條形結構的屏蔽電極6之間的距離 增加。這樣電場感應電極7的上面一側的電荷量減少，而電場感應電極7 的下面一側的電荷量增加，從而產生差分敏感信號，可以降低共模噪聲， 提高器件的信噪比。包含激勵電極4的第一可動梳齒42結構、振動敏感 電極5的第二可動梳齒52結構、橫梁61和屏蔽電極6的振動結構由四根 支撐梁8支撐，每根支撐梁8的一端由一個錨點9與襯底1固定，如圖la 所示。支撐梁8—般是長細梁，可以是直梁、二折梁或者不規(guī)則梁，也可 以是其中任意一種形狀的梁構成。支撐梁8的另一端可與激勵電極4和振 動敏感電極5的可動梳齒相連(或者也可與屏蔽電極6相連)，如圖lal 所示。錨點9與襯底1是通過二氧化硅層固定的，且激勵電極4 (包括第 一固定梳齒41和第一可動梳齒42)、振動敏感電極5 (包括第二固定梳 齒51和第二可動梳齒52)、屏蔽電極6、電場感應電極7、支撐梁8和固 定錨點9等所有結構層都采用絕緣體上硅SOI材料的同一層(即，頂層單 晶硅層)制備，與襯底l平面平行。
基于本發(fā)明圖la所述的傳感器敏感結構，本發(fā)明還包括圖lb和圖lbl 所述的傳感器敏感結構。該傳感器敏感結構與圖la所述的結構最大不同 在于增加了音叉結構10。音叉結構IO放置在兩個相同的傳感器敏感結構 之間，并由傳感器敏感結構的橫梁61與音叉結構10相連。其中每個傳感 器敏感結構基本與圖la所述的傳感器敏感結構相同，即包括用于構成傳 感器閉環(huán)諧振的傳感器敏感結構部分激勵電極4、振動敏感電極5;用 于屏蔽電場，實現產生與被測電場成正比的屏蔽電極6和電場感應電極7; 以及用于支撐帶有可動梳齒、屏蔽電極6的振動結構的支撐梁8;還包括 用于固定結構的固定錨點9;所有的激勵電極4、振動敏感電極5、屏蔽電 極6、電場感應電極7、支撐梁8和固定錨點9都采用SOI的頂層單晶硅 層制備，且與襯底1水平面平行。兩個相同敏感結構靠近音叉結構10的 一側不用支撐梁8支撐，也可以用支撐梁8支撐。音叉結構10基本是由 兩根長條形的矩形條狀結構組成，在兩端合成一處，由錨點9與襯底1固
10定，且也采用SOI材料的頂層單晶硅層制備，與襯底l平面平行。
工作時，屏蔽電極6固定在零電勢。通過閉環(huán)反饋控制電路部分2提 取振動敏感電極5的輸出信號，并經過幅度和相位調整后，作為激勵電極 4的輸入信號，從而驅動屏蔽電極6來回振動。焊盤59接入閉環(huán)反饋控制 電路部分2的輸入端，用于提取振動信號，從而獲取傳感器的振動幅度， 其中焊盤59是用于固定振動敏感電極5的錨點形成的；而閉環(huán)反饋控制 電路部分2的輸出接入焊盤49，用于提供激勵信號，從而驅動傳感器的屏 蔽電極6，其中焊盤49是用于固定激勵電極4的錨點形成的。
所述閉環(huán)控制電路2應該包括峰值提取電路、增益控制電路、相位調 節(jié)電路和激勵調整電路等部分組成，使得與激勵電極4和振動敏感電極5 構成的閉環(huán)系統(tǒng)滿足閉環(huán)自激的幅度和相位條件，并且滿足傳感器的激勵 要求。此外，所述激勵電極4和振動敏感電極5采用差分激勵、差分敏感 的結構布置方式，以盡可能減小耦合干擾和共模噪聲。
本發(fā)明所述的電場感應電極7中的輸出通過信號檢測電路3進行電場 信號的解算和提取。其中，信號檢測電路3的工作原理采用基于相關檢測 的弱信號提取電路，應當主要包括電流電壓轉換電路、緩沖放大、增益控 制、相敏解調電路以及高低通濾波器等部分組成，并根據諧振頻率的變化 量進行傳感器輸出靈敏度補償。信號檢測電路3的參考信號采用穩(wěn)定工作 后的振動敏感電極5輸出的交流激勵信號。電場感應電極7相連的焊盤79 分別接入信號檢測電路3的對應輸入端，用于提取電場信號。
針對本發(fā)明的所述基于SOI技術的諧振式微型電場傳感器敏感結構 制備，本發(fā)明示例了其制備工藝流程，如圖3a、圖3b、圖3c所示。該SOI 基底材料至少包括底層單晶硅襯底1、中間氧化層11和頂層單晶硅12組 成。本發(fā)明所述的SOI工藝流程至少應當包括
1) 首先淀積金屬電極13，用于傳感器敏感結構的激勵電極4、振動 敏感電極5、屏蔽電極6、電場感應電極7的金屬電極；
2) 然后，光刻、刻蝕頂層單晶硅12，制備出本發(fā)明所述傳感器的敏 感結構所包括的激勵電極4、振動敏感電極5、屏蔽電極6、電場感應電極 7和支撐梁8的形狀(見圖3b);
3) 最后，背面刻蝕SOI底層襯底l，腐蝕中間氧化層ll，釋放所述
ii傳感器敏感結構(見圖3C)。此外，在工藝中還可增加氧化、摻雜等步驟， 提供保護或增強導電特性等功能。本發(fā)明考慮標準的商業(yè)化SOI工藝流
程，比如MEMSCAP公司的標準SOI工藝等。
盡管已經參考其示例性實施例來特別顯示和介紹了本發(fā)明，然而本領 域的普通技術人員可以理解，在不偏離權利要求所定義的本發(fā)明的精神和 范圍的前提下，可以進行各種形式上和細節(jié)上修改。
權利要求
1.一種諧振式微型電場傳感器，其特征在于，其傳感器敏感結構包括一襯底(1)；具有梳齒結構的激勵電極(4)由錨點(9)固定在襯底(1)的一側；具有梳齒結構的振動敏感電極(5)由錨點(9)固定在襯底(1)的另一側；屏蔽電極(6)和電場感應電極(7)固定在激勵電極(4)和振動敏感電極(5)中間位置的襯底(1)區(qū)域上，其中，屏蔽電極(6)和電場感應電極(7)交錯排列；橫梁(61)，位于屏蔽電極(6)的中部；支撐梁(8)，支撐梁(8)的一端由錨點(9)固定在襯底(1)上，另一端與激勵電極(4)和振動敏感電極(5)連接；閉環(huán)反饋控制電路部分(2)的輸入端與振動敏感電極(5)相連的焊盤(59)連接，而其輸出端則接入與激勵電極(4)相連的焊盤(49)，閉環(huán)反饋控制電路(2)實現傳感器屏蔽電極(6)自動工作在諧振狀態(tài)。
2. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述支撐梁(8)是 直梁、二折梁或不規(guī)則梁。
3. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述支撐梁(8)為 四根。
4. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述激勵電極(4)、 振動敏感電極(5)、屏蔽電極(6)、電場感應電極(7)、支撐梁(8) 和固定錨點(9)采用相同的材料并位于同一平面，所述材料是絕緣體上 硅SOI的頂層單晶硅。
5. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述屏蔽電極(6) 和電場感應電極(7)采用長條矩形結構。
6. 根據權利要求5所述的傳感器，其特征在于，所述電場感應電極 (7)的長條矩形與相鄰的屏蔽電極(6)的兩個長條矩形的間距不相等。
7. 根據權利要求5所述的傳感器，其特征在于，在所述長條矩形側面伸出的多個梳齒。
8. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述支撐梁(8)的另一端與屏蔽電極(6)相連的矩形塊(421)和(521)相連，支撐梁(8) 或者與橫梁(61)的直接相連。
9. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述激勵電極(4) 的梳齒結構包括第一固定梳齒(41)和第一可動梳齒(42)，振動敏感電 極(5)的梳齒結構包括第二固定梳齒(51)和第二可動梳齒(52)，所 述激勵電極(4)的第一可動梳齒(42)與橫梁(61)的一端連接，振動 敏感電極(5)的第二可動梳齒(52)與橫梁(61)的另一端連接。
10. 根據權利要求9所述的傳感器，其特征在于，所述第一固定梳齒 (41)具有矩形塊(411)，在矩形塊(411)側面伸出的多個梳齒(412);所述第二固定梳齒(51)具有矩形塊(511)，在矩形塊(511)側面伸出 的多個梳齒(512)。
11. 根據權利要求9所述的傳感器，其特征在于，所述第一固定梳齒(41) 、第二固定梳齒(51)通過錨點(9)固定在襯底(1)上。
12. 根據權利要求9所述的傳感器，其特征在于，所述第一可動梳齒(42) 具有矩形塊(421)，在矩形塊(421)側面伸出的多個梳齒(422); 所述第二可動梳齒(52)具有矩形塊(521)，在矩形塊(521)側面伸出 的多個梳齒(522)。
13. 根據權利要求12所述的傳感器，其特征在于，所述多個梳齒(422) 和(522)的形狀是矩形薄板、三角形、圓形或半圓形。
14. 根據權利要求12所述的傳感器，其特征在于，所述的第一可動 梳齒(42)和第二可動梳齒(52)分別與支撐梁(8)的一端連接。
15. 根據權利要求12所述的傳感器，其特征在于，所述矩形塊(421)、 (521)通過橫梁(61)與屏蔽電極(6)相連。
16. 根據權利要求15所述的傳感器，其特征在于，所述橫梁(61) 是桿狀或不規(guī)則形狀。
17. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，采用兩個傳感器敏 感結構，在兩個傳感器敏感結構之間的襯底上(1 )放置一個音叉結構(10)， 所述音叉結構(10)與兩個傳感器敏感結構的振動敏感電極(5)平行，其中，所述音叉結構(10)與兩個傳感器敏感結構的橫梁(61)連接。
18. 根據權利要求17所述的傳感器，其特征在于，所述音叉結構(IO) 包括兩根長條形的矩形條狀構成，在兩根長條形的矩形條狀結構的兩端固定在同一錨點(9)，且該錨點(9)與襯底(1)固定。
19. 根據權利要求18所述的傳感器，其特征在于，所述音叉結構(10) 采用絕緣體上硅SOI材料的頂層單晶硅。
20. 根據權利要求17所述的傳感器，其特征在于，靠近音叉結構(10) 兩側的振動敏感電極(5)直接和傳感器敏感結構的橫梁(61)連接。
21. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器還包括 由多個傳感器敏感結構構成二維或者三維電場傳感器，用于測量二維或者 三維電場。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種諧振式微型電場傳感器，包括一襯底；具有梳齒結構的激勵電極由錨點固定在襯底的一側；具有梳齒結構的振動敏感電極由錨點固定在襯底的另一側；屏蔽電極和電場感應電極固定在激勵電極和振動敏感電極中間位置的襯底區(qū)域上，其中，屏蔽電極和電場感應電極交錯排列；橫梁，位于屏蔽電極的中部；支撐梁，支撐梁的一端由錨點固定在襯底上，另一端與激勵電極和振動敏感電極連接。本發(fā)明可以降低器件的靜電激勵電壓，提高傳感器的靈敏度和精度，進一步增強其環(huán)境抗干擾能力。
文檔編號G01R29/12GK101685119SQ200810222769
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權日2008年9月24日
發(fā)明者夏善紅, 彭春榮 申請人:中國科學院電子學研究所