热驱动微型电场传感器的设计.pdf

热驱动微型电场传感器的设计枣 陈贤祥1．2’彭春荣1’2 白强1 陈绍风1 夏善红1 I．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北京 100080 2．中国科学院研究生院北京 100039 摘要：本文提出了一种新型的热驱动微型电场传感器，它具有驱动电压低、体积小、结构紧凑，易 于集成。能够采用标准的CMOS集成电路作为激励信号源等优点。该微型电场传感器采用PolyMUMPs(J； 晶硅多用户MEMS工艺)表面微细加工技术加工，其结构主要包括屏蔽电极、感应电极和热驱动结构三 部分，其工作原理属于电荷感应式，用接地的屏蔽电极在平面内的来回周期运动来调制其下方感应电极 上在外部电场作用下感应的电荷，形成与外电场成正比的电流信号，文章给出了传感器的基本结构和信 号检测系统的原理框图，并对热驱动结构进行了有限元模拟分析与设计，得出了热驱动结构的最大驱动 位移和热驱动结构的最高工作温度与外加激励电压之问的关系。有限元模拟计算结果表明，当传感器的 位移，在10000Vim的外部电场作用下，产生的最大感应电流的大小为5．56nA左右。 关键词：微型电场传感器热驱动有限元模拟微细加工 1．引言 电场强度是一个十分重要的跨学科特性参量。电场强度的测量在航空航天、地学与环境检测和工业生产 等领域都具有十分重要的应用，传统的电场传感器分为电荷感应式和光学式两类，电荷感应式电场传感器制 作技术较成熟，量程大，灵敏度高，但是由于其体积较大，造价昂贵，应用受到了一定的限制。光学式电场 传感器响应速度较快、噪声较低，但一般测量范围较窄，无法用来测量静电场，且成本较高。本文介绍了一 种采用多晶硅表面微细加工技术基于电荷感应原理的热驱动微型电场传感器，相对于传统的大型电场传感 器，这种热驱动微型电场传感器具有体积小、重量轻，集成度高，易于批量生产，成本低等优点，目前国际 上有波士顿大学【1】和加州大学伯克利分校【2】研制出了基于静电梳齿驱动的微型电场传感器，我们设计的热驱 动微型电场传感器，相对于静电梳齿驱动微型电场传感器来说，具有结构紧凑、驱动电压低、驱动力大、能 够实现倍频检测、激励源和感应电极之间的串扰噪声小、与CMOS电路兼容和易于集成等优点。 2．工作原理与传感器的整体设计 基于电荷感应的热驱动微型电场传感器的工作原理如图1所示。接地的屏蔽电极由热驱动结构驱动在平 面内相对于其下方的正负感应电极做来回周期运动，当屏蔽电极位于图1(a)的初始位置时，正感应电极被 屏蔽电极所屏蔽，在其表面只能感应出很少量的感应电荷，负感应电极完全暴露，在外部电场的作用下，在 其表面上感应出与外电场成正比的感应电荷，当屏蔽电极位于图l(b)所示的终止位置时，正感应电极被 暴露，在其表面上感应出与外电场E成正比的感应电荷，此时负感应电极被接地屏蔽电极屏蔽，在其表面上 只能感应出很少量的感应电荷，当屏蔽电极在图1(a)和(b)的初始位置与终止位置之间做来回周期运动时，其 下方的正感应电极和负感应电极上的感应电荷数量将做周期变化，随时间周期变化的感应电荷将形成与外部 电场强度E成正比的交变电流，该电流信号经I．V转换、电压差分放大、相关检测和低通滤波等电路处理后 得到一可测量的与外部电场强度E成正比的电压输出信号，传感器的信号检测系统的原理框图如图2所示。 将感应电极分为正负两组，采用差分的方式来检测感应电极上的电流信号可以大大降低共模噪声，提高电场 检测信号的信噪比与灵敏度。 ·863项目：微机I乜系统(MEMS)重大专项资助(2004从404030)。 145 善 l l l l l 一屏蔽电极 感应电极 蓐应电极 接后续电路 接后续电路