[发明专利]一种振动式微机械电场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电场传感器，尤其涉及一种振动式微机械电场传感器，能通过静电对电场传感器的谐振频率和品质因数进行调谐。

背景技术

电场传感器是测量电场强度的装置,它广泛应用于国防、航空航天、气象探测、电力、地震预报、科学研究以及工业生产等多个领域,具有非常重要的作用。比如,借助电场传感器对地面和空中大气电场变化的监测,可以获取准确的气象信息,从而为导弹、卫星等飞行器发射升空提供安全保障；在工业生产领域,利用静电场传感器监测工业环境中的电势分布和电场分布，有助于我们及时采取有效的措施预防事故的发生；还有通过测量电力系统和电器设备周围电场,可用于故障监测和诊断等等。此外，电场检测在静电防护、电磁环境监测、以及科学研究等方面也具有十分重要的应用。微型电场传感器是基于MEMS技术制备的一类电场传感器，相对于采用传统机械加工技术加工的电场传感器，是加工方式的改变。微型电场传感器具有体积小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生产等突出优点，很好地满足了电场传感器的发展趋势和需求，进一步拓宽了其应用领域。

谐振式微型电场传感器是基于谐振工作原理的微型电场传感器,该类传感器是基于获得最大电场感应灵敏度而设计的。由于振动式电场传感器时刻要求屏蔽层中的活动结构处在谐振状态，同时在谐振状态时同样的能量能够获得更大的振动幅度，从而达到大的灵敏度。目前多采用真空封装的方法来改善封装的品质因数，真空度越高，相同的传感器芯片封装后的品质因数就越大，同样能量驱动下可获得的灵敏度也就越大。真空封装中，金属的封帽具有较好的气密性和稳定性，但金属的封帽会导致电场感应的电荷在封帽上累积，累积的电荷会导致电场重新分布，影响测量电场强度的可靠性。

彭春荣、夏善红的《微型电场传感器抗静电积累封装结构》（专利号：200810222768.8）,文献提到真空封装在金属封帽上的电荷积累,提出了一种改进的导体封盖来减小静电荷的累积,通过气密圈来实现真空和非真空的封装。密封是通过o型圈和真空密封胶来完成的,但由于封装工艺的复杂性及塑胶材料的气密性与稳定性问题,目前该技术没有得到推广。

采用玻璃和陶瓷等材料作为封帽，虽然能克服电荷累积问题，但长时间存放后真空度得不到保证。Haiyan Zhang，Dongming Fang，Pengfei Yang等 在文献报道上 (Humidity-Induced Charge Leakage and Field Attenuation in Electric Field Microsensors[J] . Sensors,2012,12:5105-5115.) 提到用一种含聚四氟乙烯高分子化学材料（缩略PTFE）为封帽材料，由于长期真空封装的气密性不好，同时空气中的水分会进入传感器封装腔体内，封装腔体内的水分存在会严重影响传感器测量输出结果的稳定性。

另外，由于微机械制造工艺存在的关键线宽损失，使得加工的微结构表芯与设计的不一致。针对电场传感器的制造误差补偿目前很少关注，而结构的制造误差将导致机械谐振频率的变化，给后续的电路设计带来困难。目前文献资料还没有介绍针对微机械振动电场传感器的制造误差的补偿。

根据上述说明，现存的振动式微机械电场传感器暂没有针对封装电荷的累积和输出的稳定性提出有效的解决方法，也没有针对制造过程的误差提出补偿办法。

发明内容

本发明的技术解决问题:针对现存振动式微机械电场传感器研制中存在的制造误差和封装问题，提出利用平行板电容器加载静电来对屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，通过振动速度信号的差分式反馈来对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐。上述创新性措施能实现振动式微机械电场传感器的常压封装应用，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性，解决了现存微机械电场传感器中的制造误差补偿和封装及输出信号稳定性等关键问题。

静电驱动方式具有实现简单，容易与后续信号处理模块集成等特点，广泛应用于微机械电子传感器中。面内振动的微机械电场传感器主要包括屏蔽层结构和感应层电极，屏蔽层结构水平方向运动周期的遮盖下面的敏感电极，使得感应电极表面上的感生电荷量发生周期性变化。因而接口电路中产生与外界电场成比例的交变电流。这种方式下结构对称性比较好，结构层的厚度对面内振动模态频率不产生影响，微机械加工也比较容易。 

根据原理，感生电流与其他参量关系如下：