| 鋯鈦酸鉛 / 低電壓驅動(dòng) /
微機電系統 / 中國科學(xué)院大學(xué) |
PZT/ Low driving voltage / MEMS / UCAS
電場(chǎng)測量技術(shù)廣泛應用于航空航天、氣象、電網(wǎng)、石油石化和工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域，電場(chǎng)傳感器作為電場(chǎng)測量的核心器件在其中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。
針對靜電場(chǎng)檢測的應用場(chǎng)合，大部分采用基于電荷感應原理的電場(chǎng)傳感器。隨著(zhù)微機電系統（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，基于電荷感應原理的 MEMS 電場(chǎng)傳感器因其體積小、功耗低、可批量制造等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，多家單位開(kāi)展了相關(guān)研究工作。
目前已報道的 MEMS 電場(chǎng)傳感器中，靜電驅動(dòng)式由于與 MEMS 工藝兼容性高而率先實(shí)現批量化制造并已有實(shí)際應用的報道。靜電驅動(dòng)式 MEMS 電場(chǎng)傳感器存在著(zhù)驅動(dòng)力較小和驅動(dòng)電壓較高的不足。驅動(dòng)電壓越高，由驅動(dòng)信號產(chǎn)生的電場(chǎng)越大，對外界電場(chǎng)測量的干擾也越大，且較低的驅動(dòng)電壓可以簡(jiǎn)化電路，降低系統功耗。
為了降低敏感結構的驅動(dòng)電壓、提高驅動(dòng)力，文章提出一種基于鋯鈦酸鉛（PZT）的低電壓驅動(dòng) MEMS 電場(chǎng)傳感器。本傳感器采用壓電驅動(dòng)，與靜電驅動(dòng)方式相比，顯著(zhù)降低了驅動(dòng)電壓；本電場(chǎng)傳感器采用互屏蔽電極結構，固定電極與可動(dòng)電極均為感應電極，同時(shí)兩者又是屏蔽電極，可提高電荷感應效率。
傳感器結構設計與原理分析
文章提出的 MEMS 電場(chǎng)傳感器結構與工作原理如圖 1 所示。其結構主要由固定電極、可動(dòng)電極、絕緣層和驅動(dòng)層構成；其中，單個(gè)固定電極和單個(gè)可動(dòng)電極構成一組互屏蔽電極；驅動(dòng)層主要由 PZT 壓電薄膜構成。傳感器基于電荷感應原理進(jìn)行測量，固定電極與可動(dòng)電極均為感應電極，同時(shí)兩者又是屏蔽電極。在壓電材料 PZT 的驅動(dòng)下，可動(dòng)電極產(chǎn)生垂直振動(dòng)，可動(dòng)電極與固定電極形成交互屏蔽，當存在待測電場(chǎng)時(shí)，分別在可動(dòng)電極和固定電極上產(chǎn)生相位差為 180 ° 的感應電流信號，兩者通過(guò)差分提升信噪比。
圖 1 傳感器結構與原理示意圖
結構仿真
仿真主要包括靜電學(xué)仿真和可動(dòng)結構的運動(dòng)仿真。根據優(yōu)化后的結構參數，對 3 組互屏蔽電極上的電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真，如圖 2 和圖 3 所示。
( a ) 3 組互屏蔽電極上的電場(chǎng)分布 ( b ) 電極 3 和電極 4 上的電場(chǎng)分布
圖 2 互屏蔽電極在可動(dòng)電極靜止狀態(tài)下的電場(chǎng)分布圖
圖 3 互屏蔽電極在可動(dòng)電極運動(dòng)狀態(tài)下的電場(chǎng)分布圖
對設計的可動(dòng)結構進(jìn)行了 3 維仿真，仿真模型和仿真結果如圖 4 所示。諧振頻率為3649.8 Hz，諧振時(shí)可動(dòng)結構上的最大位移可達8 μ m左右。
( a ) 可動(dòng)結構仿真模型 ( b ) 梁 1 上最大位移與頻率的關(guān)系 ( c ) 可動(dòng)結構諧振時(shí)其上各部位的位移
圖 4 可動(dòng)結構位移的仿真模型和仿真結果
傳感器敏感芯片制備
設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(dòng)電極 MEMS 工藝兼容制備技術(shù)。對制備好的壓電薄膜進(jìn)行 X 射線(xiàn)衍射（XRD），結果如圖 5 所示，XRD 圖譜表明壓電薄膜 PZT 已經(jīng)完成了鈣鈦礦的結晶。
圖 5 壓電薄膜的 XRD 圖
通過(guò) MEMS 加工工藝制造出電場(chǎng)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(chǎng)敏感芯片 ( b ) 可動(dòng)結構與壓電驅動(dòng)梁 ( c ) 互屏蔽電極對
圖 6 電場(chǎng)敏感芯片的 SEM 照片
傳感器性能測試
在室溫和室內大氣壓條件下，1 V 的交流驅動(dòng)電壓作用下，設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(chǎng)，傳感器的電場(chǎng)響應曲線(xiàn)如圖 7 所示。通過(guò)線(xiàn)性擬合得到了電場(chǎng)傳感器系統的靈敏度為0.292 mV/ ( kV/m )，線(xiàn)性度為2.89%，敏感結構的靈敏度為19.47 pA/ ( kV/m )。該傳感器具有驅動(dòng)電壓低的突出優(yōu)點(diǎn)。作者計劃后續將在現有基礎上進(jìn)一步對傳感器敏感結構和測試電路進(jìn)行設計優(yōu)化，有望獲得更好的性能。
圖 7 電場(chǎng)傳感器的響應曲線(xiàn)
結語(yǔ)
文章提出一種基于 PZT 的低電壓驅動(dòng) MEMS 電場(chǎng)傳感器，進(jìn)行了原理分析、結構設計、有限元仿真、制備工藝研究和實(shí)驗測試?；?PZT 的低電壓驅動(dòng) MEMS 電場(chǎng)傳感器中固定電極和可動(dòng)電極均為感應電極，同時(shí)又為互屏蔽電極。文章設計并研究了敏感芯片制備工藝流程，制備了壓電驅動(dòng)薄膜，突破了基于 PZT 壓電材料的可動(dòng)電極 MEMS 工藝兼容制備技術(shù)。XRD 結果表明壓電薄膜 PZT 已經(jīng)完成了鈣鈦礦的結晶。該傳感器具有工作電壓低的突出優(yōu)點(diǎn)。
