本發(fā)明涉及mems傳感器，特別是指一種弱耦合雙端音叉微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical?systems,?mems）電場(chǎng)傳感器。

背景技術(shù)：

1、微機(jī)械電場(chǎng)傳感器作為一種可以檢測(cè)電場(chǎng)的核心儀器，已經(jīng)在氣象、石油化工、航空航天、電力電網(wǎng)以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。微米尺度的mems電場(chǎng)傳感器與傳統(tǒng)的非mems場(chǎng)磨式電場(chǎng)傳感器相比有著體積小、功耗低等諸多優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了微機(jī)械傳感器的發(fā)展。目前比較成熟的mems電場(chǎng)傳感器主要有微場(chǎng)磨式和基于電光效應(yīng)的電場(chǎng)傳感器，具有成本低、原理簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì)。微場(chǎng)磨式電場(chǎng)傳感器普遍采用傳感電極來感應(yīng)外部電場(chǎng)，引起和屏蔽電極之間電容間隙的變化來檢測(cè)外部電場(chǎng)。憑借其性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)投入氣象領(lǐng)域使用，其分辨力為40v/m，可滿足雷雨天氣的檢測(cè)需求。然而晴天的電場(chǎng)探測(cè)變化一般可達(dá)幾v/m，電力電網(wǎng)和生物醫(yī)療領(lǐng)域?qū)﹄妶?chǎng)傳感器的性能要求更高，目前的mems電場(chǎng)傳感器仍不能滿足這些領(lǐng)域的需求。

2、近年來，面向高性能傳感器的需求，一種基于弱耦合諧振系統(tǒng)的模態(tài)局域化現(xiàn)象已成功應(yīng)用于各類傳感器，包括靜電計(jì)、電流傳感器和加速度計(jì)。申請(qǐng)?zhí)枮閏n202310806821.3的中國發(fā)明專利申請(qǐng)，提出了一種基于模態(tài)耦合頻率自調(diào)整的模態(tài)局域化靜電計(jì)，利用靜電力實(shí)現(xiàn)諧振梁之間的耦合，實(shí)現(xiàn)靈活的耦合強(qiáng)度控制，配合大幅度拓展的線性工作帶寬，使得基于模態(tài)局域化原理的靜電計(jì)的測(cè)量精度、量程等指標(biāo)得到顯著提升。在一定程度上解決了傳感器測(cè)量范圍不足的問題。但由于傳感器敏感結(jié)構(gòu)熱損耗較高，導(dǎo)致靈敏度和品質(zhì)因子的提升受到限制，尚未滿足高性能的要求。西北工業(yè)大學(xué)常洪龍團(tuán)隊(duì)于2022年在論文“a?mode-localized?dc?electric?field?sensor”提出了一種基于弱耦合諧振系統(tǒng)的模態(tài)局域化直流電場(chǎng)傳感器，利用設(shè)計(jì)的電容器陣列感應(yīng)電場(chǎng)并對(duì)諧振器產(chǎn)生剛度擾動(dòng)，觸發(fā)模態(tài)局域化現(xiàn)象，導(dǎo)致諧振器振幅比發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的精準(zhǔn)測(cè)量，一定程度上解決了mems傳感器的靈敏度和分辨力問題。但受限于諧振器本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電場(chǎng)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的限制，仍無法實(shí)現(xiàn)較寬的量程和低真空下的高品質(zhì)因子，限制了在氣象領(lǐng)域?qū)纂姍z測(cè)的應(yīng)用，同時(shí)也為真空封裝提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種弱耦合雙端音叉mems電場(chǎng)傳感器，以解決現(xiàn)有的mems電場(chǎng)傳感器的靈敏度、分辨力以及量程等性能不足的技術(shù)問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、一種弱耦合雙端音叉mems電場(chǎng)傳感器，包括通過金線鍵合實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的陶瓷封裝管殼和絕緣體上硅諧振器芯片；所述諧振器芯片中設(shè)置有第一諧振器、第二諧振器、弱耦合機(jī)械梁、第一質(zhì)量塊、第二質(zhì)量塊、驅(qū)動(dòng)電極、直流偏置電極、擾動(dòng)電極、調(diào)節(jié)電極、第一感應(yīng)電極和第二感應(yīng)電極；其中，

4、所述第一諧振器與所述第二諧振器在同一水平面上沿水平方向錯(cuò)位平行設(shè)置，且二者在水平方向上有一定交疊，并在交疊部分通過所述弱耦合機(jī)械梁連接；

5、沿豎直方向，所述驅(qū)動(dòng)電極和所述第一感應(yīng)電極分別設(shè)置在第一諧振器的兩側(cè)，且所述驅(qū)動(dòng)電極和所述第一感應(yīng)電極平行排列，所述擾動(dòng)電極和所述第二感應(yīng)電極分別設(shè)置在第二諧振器的兩側(cè)，且所述擾動(dòng)電極和所述第二感應(yīng)電極平行排列；沿水平方向，所述直流偏置電極和所述調(diào)節(jié)電極分別設(shè)置在第二諧振器的兩側(cè)；

6、沿豎直方向，所述第一諧振器的兩側(cè)分別設(shè)置有所述第一質(zhì)量塊，且所述第二諧振器的兩側(cè)分別設(shè)置有所述第二質(zhì)量塊。

7、進(jìn)一步地，驅(qū)動(dòng)電極與第一諧振器之間形成平行板電容，通過在驅(qū)動(dòng)電極上施加交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電極周期性地對(duì)所述第一諧振器進(jìn)行激勵(lì)，并通過所述弱耦合機(jī)械梁傳遞能量驅(qū)動(dòng)所述第二諧振器，達(dá)到驅(qū)動(dòng)整個(gè)傳感器的目的；

8、所述直流偏置電極與所述第二諧振器直接機(jī)械連接，通過在所述直流偏置電極上施加一個(gè)直流電壓，使其與所述擾動(dòng)電極之間存在穩(wěn)定電勢(shì)差；

9、所述擾動(dòng)電極通過導(dǎo)線與待測(cè)電場(chǎng)中的輸入電極相連，與所述第二諧振器之間形成平行板電容，利用靜電感應(yīng)原理，將待測(cè)電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為所述擾動(dòng)電極上電荷的重新分配，對(duì)所述第二諧振器產(chǎn)生一個(gè)負(fù)靜電剛度擾動(dòng)，觸發(fā)模態(tài)局域化效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致模態(tài)間能量的重新分配，影響所述第二諧振器的振幅比，通過測(cè)量第一諧振器和第二諧振器的幅值和相位的變化并計(jì)算幅值比，達(dá)到檢測(cè)電場(chǎng)的目的；

10、所述調(diào)節(jié)電極與所述第二諧振器之間形成平行板電容，通過直流電源在所述調(diào)節(jié)電極上施加一個(gè)固定電壓，用來調(diào)節(jié)所述第二諧振器的剛度，使其位于轉(zhuǎn)向區(qū)外的振幅比靈敏度線性區(qū)內(nèi)；

11、所述第一感應(yīng)電極與第一諧振器形成平行板電容，用來檢測(cè)所述第一諧振器的振幅；所述第二感應(yīng)電極與所述第二諧振器形成平行板電容，用來檢測(cè)第二諧振器的振幅；通過測(cè)量電容的變化得到第一諧振器和第二諧振器的幅值和相位信息；

12、其中，所有電極的長度均為200~300μm，寬度均為200~300μm，厚度均為20~40μm；且所有平行板電容的間隙均為2~4μm。

13、進(jìn)一步地，第一諧振器和第二諧振器的形狀尺寸相同，均為雙端固支音叉結(jié)構(gòu)；雙端固支音叉結(jié)構(gòu)由一個(gè)矩形諧振梁和固定在矩形諧振梁兩端的矩形框組成；所述矩形諧振梁的長度為300~400μm，寬度為2~4μm，厚度為20~40μm。

14、進(jìn)一步地，雙端固支音叉結(jié)構(gòu)采用中間間隔的連接設(shè)計(jì)；并采用鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

15、進(jìn)一步地，所述雙端固支音叉結(jié)構(gòu)采用環(huán)形或者部分環(huán)形設(shè)計(jì)。

16、進(jìn)一步地，第一諧振器和第二諧振器在幾何結(jié)構(gòu)和/或質(zhì)量分布上存在差異。

17、進(jìn)一步地，所述弱耦合機(jī)械梁為矩形耦合梁，其長度為100~500μm，寬度為1~5μm，厚度為20~40μm；且弱耦合機(jī)械梁的中心點(diǎn)到第一諧振器和第二諧振器的距離相等。

18、進(jìn)一步地，所述弱耦合機(jī)械梁為環(huán)形耦合梁。

19、進(jìn)一步地，第一質(zhì)量塊包括垂直于第一諧振器軸向的矩形連接塊和平行于所述第一諧振器軸向的矩形連接塊；且所述第一諧振器兩側(cè)的第一質(zhì)量塊對(duì)稱設(shè)置；

20、所述第二質(zhì)量塊包括垂直于所述第二諧振器軸向的矩形連接塊和平行于所述第二諧振器軸向的矩形連接塊；且所述第二諧振器兩側(cè)的第二質(zhì)量塊對(duì)稱設(shè)置。

21、進(jìn)一步地，第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊均采用圓形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且第一諧振器兩側(cè)的第一質(zhì)量塊非對(duì)稱設(shè)置，且第二諧振器兩側(cè)的第二質(zhì)量塊非對(duì)稱設(shè)置。

22、本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果至少包括：

23、（1）本發(fā)明是一種基于模態(tài)局域化的高分辨力、寬量程弱耦合雙端音叉mems電場(chǎng)傳感器，采用雙端音叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩個(gè)雙端音叉諧振器在同一水平面左右錯(cuò)位平行放置，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，梁的中間部分可以自由振動(dòng)，使得雙端音叉諧振器在特定頻率下表現(xiàn)出高品質(zhì)因子的諧振特性，以減少熱損耗并補(bǔ)償由寄生饋通電容引起的品質(zhì)因子的降低；

24、（2）本發(fā)明還可以采用中間間隔的連接設(shè)計(jì)，并引入微結(jié)構(gòu)，如微槽、微孔、微溝或者將梁設(shè)計(jì)成蜂窩形狀，在保證可以獲得高品質(zhì)因子的同時(shí)使得諧振器之間的耦合剛度遠(yuǎn)小于音叉內(nèi)部的耦合剛度，避免模態(tài)混疊現(xiàn)象，確保了模態(tài)局域化現(xiàn)象主要發(fā)生在兩個(gè)雙端音叉諧振器之間，并可以獲得更優(yōu)異的靈敏度、測(cè)量范圍和品質(zhì)因子；

25、（3）本發(fā)明的兩個(gè)諧振器之間采用一根矩形細(xì)長梁進(jìn)行耦合，該細(xì)長梁的長寬比通常設(shè)計(jì)的較大，確保了兩個(gè)雙端音叉之間的弱耦合特性，相比于電氣耦合機(jī)械耦合的諧振器更加穩(wěn)定，可靠性更高；

26、（4）本發(fā)明采用平行板電容結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行有效傳輸，平行板電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造工藝成熟，有助于降低生產(chǎn)成本并提高產(chǎn)品的一致性；由于平行板電容的電容值與電極間距離的平方成反比，具備較高的穩(wěn)定性和低環(huán)境敏感度，從而在不同環(huán)境條件下能夠保持優(yōu)良的性能；

27、（5）本發(fā)明采用單端驅(qū)動(dòng)的方式，通過驅(qū)動(dòng)電極周期性的對(duì)第一諧振器進(jìn)行激勵(lì)，減少所需電極數(shù)量，降低芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且相比于雙端驅(qū)動(dòng)還可以實(shí)現(xiàn)更高的振幅比靈敏度；

28、（6）本發(fā)明采用電容感應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，通過在諧振器上施加固定的偏置電壓，使得信號(hào)檢測(cè)更加容易，從而獲得較高的信噪比和較低的噪聲性能；

29、（7）本發(fā)明的輸入電極位于待測(cè)電場(chǎng)中，通過靜電感應(yīng)改變相連擾動(dòng)電極上的電勢(shì)，將電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為對(duì)第二諧振器的剛度擾動(dòng)，通過調(diào)節(jié)電極施加電壓對(duì)諧振器進(jìn)行調(diào)控，使工作模態(tài)處于高靈敏度的線性區(qū)域，同時(shí)還擴(kuò)大了測(cè)量范圍；

30、（8）本發(fā)明的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低真空環(huán)境下的高品質(zhì)因子，降低了對(duì)于高真空封裝的要求；

31、（9）本發(fā)明采用soi晶圓作為制作材料，與mems工藝兼容性高，制作簡(jiǎn)單，成本低。