高灵敏度MEMS电场传感器的原理分析与压电扭转结构设计

传感器工作原理与结构设计

1.1 传感器工作原理分析

场磨式MEMS电场传感器来源于场磨式电场仪,其测量原理与场磨机类似。场式MEMS电场传感器的敏感结构一般包括感应电极、屏蔽电极和驱动结构。感应电极和屏蔽常为梳齿状或多孔状。驱动结构本质上是MEMS驱动器,可带动金属屏蔽电极结构在感应电极附近周期性振动。由于电荷感应原理感应电极上会产生一个与待测电场相关的感应电流信号,通过后端信号检测电路锁相放大处理后可提取待测电场信息。

场磨式MEMS电场传感器感元件测量电场的原理如图1所示,其敏感结构包括感应电极、屏蔽电极、驱动结构和后端放大电路。其中屏蔽电极一般需要接地,而感应电极与后端差分检测电路连接。

施加交流驱动电压时,驱动结构会带动屏蔽电极来回振动。当屏蔽电极靠近感应电极时,屏蔽电极上的电场强度较强。屏蔽电极靠近感应电极时,屏蔽电极上的电场强度较弱。根据高斯定理,金属电极上的电场强度与其表面的电场强度成正比。

图1 场磨式 MEMS 电场传感器测量原理

式(1)中:ε为敏感结构周围介电常数;En为感应电极上的电场强度。

由于屏蔽电极的周期性屏蔽,在电荷感应原理的作用下感应电极上会出现交变电荷。假设外部待测电场为En屏蔽电极上的感应电荷量Q为

式(2)中:kq为感应电极发生单位振幅时的电荷变量,其与介电常数和屏蔽电极振动方式等因素有关;Xr为屏蔽电极的振动幅度;ωs为驱动电压角频率;t为时间;θ为驱动电压的相位角;Qo为感应电极初始感应电荷量。

则 MEMS电场传感器的输出电流为

根据式(3)可得,输出信号的幅值与待测电场幅值En呈线性关系。并且传感器的输出与屏蔽电极的振幅Xr和驱动频率ωs直接相关。MEMS电场传感器猬的输出越大,意味着MEMS电场传感器的灵敏度和分辨率等参数越大。由于场磨式MEMS电场传感器一般需工作在谐振模态,因此MEMS电场传感器的灵敏度与 MEMS 结构的工作模态下的谐振频率和振幅相关。并且这两个因素是通过 MEMS电场传感器结构设计可以控制优化的因素。下面在设计MEMS电场传感器时,将从这两个因素出发设计高灵敏 MEMS 电场传感器结构。

1.2MEMS 电场传感器结构

MEMS 振镜是通过 MEMS工艺制作的微小可驱动反射镜,其在条形码扫描和激光投影等领域得到应用。实际上MEMS电场传感器的敏感电极振动控制与 MEMS 振镜的镜面振动控制方式在本质上是类似的,而压电驱动方式在压电 MEMS 微镜中有广泛应用。结合现有 MEMS 振镜结构,提出图2所示的基于压电驱动的扭转式 MEMS 电场传感器结构。

基于压电驱动的扭转式MEMS电场传感器工作原理类似场磨式工作原理,但是屏蔽电极的振动方式与现有结构存在显著区别。在外部预留的上下驱莙冒蛔Ả吃电滷宪錨纊辇紥焊点上施加直流偏置和交流正弦驱动电压信号,可控制压电驱动结构带动接地屏蔽电极周期性的振动。当施加在两侧压电驱动结构上的驱动电压大小相同相位相差180°时,电场传感器为扭转调制模式如图3所示。

图2基于压电驱动的扭转式 MEMS 电场传感器结构简化图

图3 MEMS电场传感器的扭转式工作模态示意图

当板状结构的梳齿边缘振动至感应电极上方时,感应电极被屏蔽,其表面的电场强度较弱。当板状结构的梳齿边缘振动至感应电极下方时,感应电极暴露在电场下,其表面的电场强度此时较强，在屏蔽电极的周期性振动调制下,两对梳齿电极上会产生相位相差 180°的交流信号,再通过后端差分放大和解调电路即可实现外部电场的测量。并且由于该器件结合压电驱动方式和扭转式振动结构，通过较低的驱动电压即可获得屏蔽电极的大幅振动。即传感器可在功耗较低的情况下,MEMS电场传感器的输出信号和灵敏度得到有效提高,并且避免了热驱动的温度稳定性差的问题。

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