基于旋转谐振结构的单芯片二维电场传感器*

王　宇, 方东明, 陈　博, 彭春荣, 夏善红

(1.中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室，北京 100190;2.中国科学院大学,北京 100049))



基于旋转谐振结构的单芯片二维电场传感器*

王宇1,2, 方东明1, 陈博1, 彭春荣1, 夏善红1

(1.中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室，北京 100190;2.中国科学院大学,北京 100049))

摘要:提出并研制了一种二维电场检测传感芯片，将四个电场测量微型单元和旋转式驱动微结构集成在3.5 mm×3.5 mm的敏感结构上，实现了单芯片的电场二维测量。介绍了传感器的工作原理、敏感结构的设计，以及基于绝缘体上硅(SOI)工艺的单芯片微型二维电场传感器制备工艺技术。成功研制出传感器原理样机，研究了微型二维电场传感器的标定方法，开发了用于电场二维标定的测试装置，并在室温常压下对传感器进行了二维标定。实验结果表明：该传感器能够有效减小电场的轴间耦合干扰，测量误差优于7.04 %，线性度可达到1.25 %。

关键词：电场传感器； 微机电系统； 绝缘体上硅(SOI)； 旋转谐振式微执行器； 二维测量； 电场标定

0引言

电场传感器在许多领域具有重要的应用，比如：雷暴来临前会引起大气电场强度的剧烈变化，通过对大气电场的监测可实现雷电预警；此外，还可用于电力系统中的电力设备绝缘状况监测、工业静电测量，以及气象学中雷云的电荷结构反演[1～3]等。在高空，空间大气电场除了垂直分量，还包括水平分量，因此，为准确测量高空大气电场需采用三维电场传感器。已有的三维电场传感器有双球式、旋叶式等，它们都由传统机械加工方式制备，体积大、功耗高，并且组装复杂、成本较高。微机电系统(MEMS)技术制备的传感器兼具体积小、功耗低、易集成化、易批量生产等突出优点，成为近年来研究的热点。

目前有多个单位报道了微型电场传感器的研究成果[4～10]，然而目前所报道的微型电场传感器都只能测量电场的一维分量。采用电场传感器阵列设计方案也可以进行电场三维测量，目前报道的相关研究需要至少3只传感器[11]。在准确测量高空大气电场的前提下，为简化测量系统的复杂程度，应减少传感器的使用数量。采用二维电场传感器和一维电场传感器结合的设计，可以分别测量电场水平分量和垂直分量，该方案仅需2只传感器。目前，微型二维电场传感器的相关研究未见报道。

本文提出一种新型的微型二维电场传感器，实验结果表明：该传感器能够有效减小电场的轴间耦合干扰，可实现二维电场的测量。

1传感器工作原理与结构设计

如图1所示，基于旋转梳状结构的二维电场传感器位于X-Y平面，轴向与Z轴重合，由X+，X-，Y+，Y-四个电场测量单元和旋转谐振式微执行器构成。四个电场测量单元的结构相同，位置相隔90°交错排列，X+，X-电场测量单元组成差分结构检测电场强度的X分量，Y+，Y-电场测量单元组成差分结构检测电场强度的Y分量。每个电场测量单元由感应电极和屏蔽电极构成，感应电极与屏蔽电极均为旋转型梳齿，感应电极成对设置在屏蔽电极两侧，构成差分型结构，在增加信号输出的同时，降低串扰等共模噪声，从而提高传感器输出信号的信噪比。旋转谐振式微执行器由推挽式梳状驱动电极、屏蔽电极和蛇形悬臂梁构成。推挽式静电驱动结构可使电场传感器在理想的工作模态获得较大振幅[12]，此外,该结构对串扰等共模噪声也形成抑制作用。四根蛇形悬臂梁作为传感器机械结构的弹性元件，呈十字形排列，位于相邻电场测量单元之间，一方面对悬空的屏蔽电极起连接支撑作用，另一方面,保证了电场传感器工作模态的稳定性。本文提出的电场传感器其理想工作模态为平面内旋转振动，在设计上采用了蛇形悬臂梁的方案，大大降低相邻模态的耦合干扰。

图1　微型二维电场传感器结构图Fig 1　Structure of the proposed two-dimensionalelectric field micro sensor

微型二维电场传感器工作时，推挽式驱动结构两端的驱动电极上分别施加差分的交直流混合信号，根据虚功原理，传感器在静电力矩作用下会沿圆周方向做旋转振动，该振动引起四个不同位置的电场测量单元同步感应，各电场测量单元中屏蔽电极与感应电极的相对位置发生改变，感应电极的有效感应面积随之发生周期性变化。根据高斯定理，感应电极表面的感应电荷总量变化形成电流，该电流信号的幅值与待测电场强度大小呈正比，将输出信号接入电路进行转换、放大得到更加便于测量的电压信号。

2有限元仿真

本文使用有限元数值计算软件对其进行模拟仿真。一对平行板分别施加高低电位，产生匀强电场，将电场传感器仿真模型放置在平行板的中间位置。由图1可知，传感器以四个电场测量单元的位置确定了一个局部坐标系，传感器所在平面为X-Y平面，匀强电场与传感器共面，所以，该匀强电场为X-Y平面内的二维电场。固定平行板位置不变，以传感器中心为轴旋转传感器，此时外界施加的电场与局部坐标系的X轴存在一个夹角，该夹角即为待测电场的入射角。图2表示电场入射角为0°，15°，30°，45°时，电场传感器的电势分布云图，电场传感器的存在使得匀强电场在该处发生畸变，产生边缘效应，电场在电场传感器的边角处聚集。

图2　不同入射角时传感器在匀强电场中的等势图Fig 2　Potentiometric contour of sensorwith different incident angles in uniform electric field

电场传感器通过感应电荷量的变化检测电场，使外界待测电场保持1V/m的幅度旋转360°，差分后的感应电荷变化曲线如图3所示，在360°的周期内，X方向差分后的结果与Y方向差分后的结果幅值相同，相位相差90°，根据矢量正交分解理论，X-Y平面二维电场强度可以分解为X分量和Y分量，其中，X分量为电场矢量在X轴的投影，Y分量为电场矢量在Y轴的投影，图3所示结果与该理论相符合，因此，从理论上验证了本文提出的微型电场传感器测量二维电场的可行性。

图3　差分电场测量单元感应电荷随电场入射方向变化曲线Fig 3　Curve of induced charges of differential electric fieldmeasurement unit varying with incident direction of electric field

3实验

本文提出的微型二维电场传感器采用共面电极结构，传感器制备工艺的设计采用了基于SOI微加工技术的工艺流程。首先在衬底下表面通过热氧化工艺制作氧化层，在结构层硅的上表面沉积一层牺牲层后退火，接着使用溅射和lift-off工艺在结构层硅的上表面制备金属电极，使用深度反应离子刻蚀图形化结构层硅，然后沉积正面保护层，翻转硅片，背面衬底套刻，最后释放可动结构。制备出的微型电场传感器SEM照片如图4所示。该芯片样机的尺寸为3.5mm×3.5mm。

图4　微型二维电场传感器SEM照Fig 4　SEM photograph of micro two-dimensionalelectric field sensor

在室温常压下，将微型电场传感器置于自动标定系统中进行测试实验。首先对微型电场传感器进行单轴标定。当外加电场平行于X轴方向时，如图5(a)所示，X轴分量有较好的线性响应，线性度为2.24 %，灵敏度kxx为0.683 mV/(kV/m)，由于轴间耦合，Y轴分量也存在线性响应，线性度为6.22 %，灵敏度kyx为0.215 mV/(kV/m)。耦合是由电场畸变、电路元器件精度有限和加工所得各电场测量单元不完全一致等原因引起的。同样的原因，当外加电场平行于Y轴方向时，如图5(b)所示，Y轴分量有较好的线性响应，线性度为4.13 %，灵敏度kyy为0.689 mV/(kV/m)，X轴分量响应较小，线性度为1.25 %，灵敏度kxy为0.180 mV/(kV/m)。因此，考虑轴间耦合的影响，并引入轴间灵敏度系数，可得到计算方程

Vx=kxxEx+kxyEy,

(1)

Vy=kyyEy+kyxEx.

(2)

通过以上计算方法可以求解出待测电场的X分量与Y分量，再将两分量矢量合成即可得出待测电场的值。

图5　电场单轴标定Fig 5　Uniaxial calibration of electric field

在0～25 kV/m的范围内，将电场传感器任意旋转了6个角度，每个角度相隔5 kV/m计算电场值，并拟合直线。如图6所示，理论曲线是一条斜率为1的直线，拟合所得直线与理论曲线一致性较好，最大偏差为7.04 %。误差的主要来源是系统误差，包含包括直流源表的输出误差、标定极板尺寸误差、夹具形状尺寸误差、夹具材料对源电场的影响等，传感器表面温度、湿度、静电荷积累等因素也会造成测量存在误差。由图6可见，本文提出的微型二维电场传感器可以较为准确地测量X-Y二维电场。

图6　六个任意角度下微型二维电场传感器的响应Fig 6　Responses of micro two-dimensional electricfield sensor with six random incident angles

4结论

本文研制出一种新型的单芯片微型二维电场传感器，电场测量单元的差分型布置方案有效地减小了电场耦合干扰，研究了单芯片微型二维电场传感器的加工方法，并成功制备出传感器原理样机，传感器芯片尺寸为3.5 mm×3.5 mm，有效减小了电场测量系统的体积；设计了用于电场二维标定的测试装置，并在室温常压下对传感器进行二维标定。实验结果表明:该传感器在0～25 kV/m的电场强度范围内，测量误差优于7.04 %，线性度最佳可达到1.25 %。

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Monolithic two-dimensional electric field sensor based on rotary resonant structure*

WANG Yu1,2, FANG Dong-ming1, CHEN Bo1, PENG Chun-rong1, XIA Shan-hong1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:A two-dimensional electric field detecting sensing chip is presented，researched and fabricated, which integrates four electric field measurement micro unit and rotary driving micro structure on 3.5 mm×3.5 mm sensitive structure to realize monolithic two-dimensional electric field measurement.Working principle of the sensor,design of sensing structure and fabrication technology of monolithic two-dimensional electric field micro sensor based on SOI process are introduced.The prototype of the proposed sensor is successfully fabricated,and the calibration method and the calibration equipment are developed to conduct two-dimensional calibration experiments at room temperature and ordinary pressure.The test results show that the proposed sensor effectively eliminates the cross-axis coupling interference of electric field,and measurement error is prior to 7.04 %,and the linearity can achieve 1.25 %.

Key words:electric field sensor; MEMS; SOI; rotary resonant micro actuator; two-dimensional measurement; electric field calibration

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0103—03

收稿日期：2015—05—06

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61201078，61327810)

中图分类号：TP 212.1

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0103—03

作者简介:

王宇(1988-)，男，山东青岛人，博士研究生，研究方向为微型电场传感器。

夏善红，通讯作者，E—mail:shxia@mail.ie.ac.cn。