摘要：该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0~50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。

摘要：圆片级真空封装是提高微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)电场传感器品质因数及批量化制造效率的重要途径.本文提出了一种基于绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)-玻璃体上硅(Silicon On Glass,SOG)键合的圆片级真空封装MEMS电场传感器,设计并实现了从传感器敏感结构制备到真空封装的整套圆片级加工工艺.本文建立了传感器的结构电容模型,进行了有限元仿真,分析了传感器的特性,突破了传感器微结构制备与释放、SOI与SOG键合等工艺技术难点.该传感器具有工作电压低、品质因数高的突出优点.实验结果表明,工作电压仅为5 V直流与0.05 V交流电压.在60天测试过程中,传感器品质因数始终保持在5000以上.在0~50 kV/m范围内,传感器灵敏度为0.15 mV/(kV/m),线性度为2.21%,不确定度为4.74%.

摘要：轴间耦合干扰是影响3维电场传感器测量准确性的重要因素。该文提出了一种低耦合干扰的MEMS 1维电场敏感芯片,并将3个上述的芯片正交组合研制出一款低轴间耦合的MEMS 3维电场传感器。不同于已见报道的测量垂直方向电场分量的MEMS 1维电场敏感芯片,该文提出的芯片采用轴对称设计,在差分电路的配合下能够测量垂直于对称轴方向的面内电场分量,并能够消除正交于测量轴方向的电场分量的耦合干扰。该MEMS 3维电场传感器具尺寸小和集成度高等优点。实验结果表明在0~120 k V/m电场强度范围内,该MEMS 3维电场传感器的轴间耦合灵敏度小于3.48%,3维电场测量误差小于7.13%。

摘要：为了提高传感器的敏感性能并降低功耗,提出一种压电驱动互屏蔽电极微机电(micro electro mechanical systems,MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,敏感单元主要由固定电极和压电驱动的可动电极组成,固定电极和可动电极都作为感应电极,同时它们又互为屏蔽电极。通过可动电极的振动来周期性地调制可动电极和固定电极上的电场分布及感应电荷量,从而产生感应电流。仿真结果表明,压电驱动层在低驱动电压下可获得较大位移;与常见的接地屏蔽电极MEMS电场敏感单元相比,所提出的电场敏感结构设计有效地增加了电极感应面积,增大了感应电荷变化量,增强了传感器的电流输出信号。研究了MEMS工艺流程,采用溶胶凝胶法制备出PZT压电薄膜材料。