| 鋯鈦酸鉛 / 低電壓驅(qū)動 /
微機電系統(tǒng) / 中國科學(xué)院大學(xué) |
PZT/ Low driving voltage / MEMS / UCAS
電場測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、氣象、電網(wǎng)、石油石化和工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域，電場傳感器作為電場測量的核心器件在其中發(fā)揮著重要的作用。
針對靜電場檢測的應(yīng)用場合，大部分采用基于電荷感應(yīng)原理的電場傳感器。隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，基于電荷感應(yīng)原理的 MEMS 電場傳感器因其體積小、功耗低、可批量制造等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注，多家單位開展了相關(guān)研究工作。
目前已報道的 MEMS 電場傳感器中，靜電驅(qū)動式由于與 MEMS 工藝兼容性高而率先實現(xiàn)批量化制造并已有實際應(yīng)用的報道。靜電驅(qū)動式 MEMS 電場傳感器存在著驅(qū)動力較小和驅(qū)動電壓較高的不足。驅(qū)動電壓越高，由驅(qū)動信號產(chǎn)生的電場越大，對外界電場測量的干擾也越大，且較低的驅(qū)動電壓可以簡化電路，降低系統(tǒng)功耗。
為了降低敏感結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電壓、提高驅(qū)動力，文章提出一種基于鋯鈦酸鉛（PZT）的低電壓驅(qū)動 MEMS 電場傳感器。本傳感器采用壓電驅(qū)動，與靜電驅(qū)動方式相比，顯著降低了驅(qū)動電壓；本電場傳感器采用互屏蔽電極結(jié)構(gòu)，固定電極與可動電極均為感應(yīng)電極，同時兩者又是屏蔽電極，可提高電荷感應(yīng)效率。
傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理分析
文章提出的 MEMS 電場傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理如圖 1 所示。其結(jié)構(gòu)主要由固定電極、可動電極、絕緣層和驅(qū)動層構(gòu)成；其中，單個固定電極和單個可動電極構(gòu)成一組互屏蔽電極；驅(qū)動層主要由 PZT 壓電薄膜構(gòu)成。傳感器基于電荷感應(yīng)原理進行測量，固定電極與可動電極均為感應(yīng)電極，同時兩者又是屏蔽電極。在壓電材料 PZT 的驅(qū)動下，可動電極產(chǎn)生垂直振動，可動電極與固定電極形成交互屏蔽，當(dāng)存在待測電場時，分別在可動電極和固定電極上產(chǎn)生相位差為 180 ° 的感應(yīng)電流信號，兩者通過差分提升信噪比。
圖 1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理示意圖
結(jié)構(gòu)仿真
仿真主要包括靜電學(xué)仿真和可動結(jié)構(gòu)的運動仿真。根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對 3 組互屏蔽電極上的電場分布進行了仿真，如圖 2 和圖 3 所示。
( a ) 3 組互屏蔽電極上的電場分布 ( b ) 電極 3 和電極 4 上的電場分布
圖 2 互屏蔽電極在可動電極靜止?fàn)顟B(tài)下的電場分布圖
圖 3 互屏蔽電極在可動電極運動狀態(tài)下的電場分布圖
對設(shè)計的可動結(jié)構(gòu)進行了 3 維仿真，仿真模型和仿真結(jié)果如圖 4 所示。諧振頻率為3649.8 Hz，諧振時可動結(jié)構(gòu)上的最大位移可達8 μ m左右。
( a ) 可動結(jié)構(gòu)仿真模型 ( b ) 梁 1 上最大位移與頻率的關(guān)系 ( c ) 可動結(jié)構(gòu)諧振時其上各部位的位移
圖 4 可動結(jié)構(gòu)位移的仿真模型和仿真結(jié)果
傳感器敏感芯片制備
設(shè)計并研究敏感芯片制備工藝，采用溶膠凝膠法制備了壓電薄膜，突破了基于 PZT 壓電材料的可動電極 MEMS 工藝兼容制備技術(shù)。對制備好的壓電薄膜進行 X 射線衍射（XRD），結(jié)果如圖 5 所示，XRD 圖譜表明壓電薄膜 PZT 已經(jīng)完成了鈣鈦礦的結(jié)晶。
圖 5 壓電薄膜的 XRD 圖
通過 MEMS 加工工藝制造出電場敏感芯片，尺寸為 5 mm × 5 mm，其掃描電鏡（SEM）照片如圖 6 所示。
( a ) 電場敏感芯片 ( b ) 可動結(jié)構(gòu)與壓電驅(qū)動梁 ( c ) 互屏蔽電極對
圖 6 電場敏感芯片的 SEM 照片
傳感器性能測試
在室溫和室內(nèi)大氣壓條件下，1 V 的交流驅(qū)動電壓作用下，設(shè)計的電傳傳感器的諧振頻率為 3666 Hz。使電傳傳感器工作在諧振狀態(tài)，施加 0～50 kV/m 的電場，傳感器的電場響應(yīng)曲線如圖 7 所示。通過線性擬合得到了電場傳感器系統(tǒng)的靈敏度為0.292 mV/ ( kV/m )，線性度為2.89%，敏感結(jié)構(gòu)的靈敏度為19.47 pA/ ( kV/m )。該傳感器具有驅(qū)動電壓低的突出優(yōu)點。作者計劃后續(xù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步對傳感器敏感結(jié)構(gòu)和測試電路進行設(shè)計優(yōu)化，有望獲得更好的性能。
圖 7 電場傳感器的響應(yīng)曲線
結(jié)語
文章提出一種基于 PZT 的低電壓驅(qū)動 MEMS 電場傳感器，進行了原理分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元仿真、制備工藝研究和實驗測試。基于 PZT 的低電壓驅(qū)動 MEMS 電場傳感器中固定電極和可動電極均為感應(yīng)電極，同時又為互屏蔽電極。文章設(shè)計并研究了敏感芯片制備工藝流程，制備了壓電驅(qū)動薄膜，突破了基于 PZT 壓電材料的可動電極 MEMS 工藝兼容制備技術(shù)。XRD 結(jié)果表明壓電薄膜 PZT 已經(jīng)完成了鈣鈦礦的結(jié)晶。該傳感器具有工作電壓低的突出優(yōu)點。
