一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器.pdf

一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器储昭志杨鹏飞*闻小龙彭春荣刘宇涛吴双(中国科学院微电子研究所北京100029)(北京信息科技大学北京100192)(北京科技大学北京100083)(中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室北京100094)(北京中科飞龙传感技术有限责任公司北京100089)摘要：针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题，该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中，感应电极用于测量外部电场，参考电极用于监测可动结构振动信息；基于振动相位和锁相环技术实现传感器谐振频率自动跟踪，利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时补偿，提高传感器灵敏度的稳定性。该文开展了敏感结构设计和理论分析，研制出传感器样机，并进行了样机标定测试。测试结果表明，在18kV/m电场范围内，传感器线性度达到0.21%，3个往返行程总不确定度达到1.34%；在40C70C温度范围内，灵敏度相对漂移量小于3.0%，具有良好的灵敏度漂移自补偿效果。关键词：微机电系统；电场传感器；灵敏度漂移；温度补偿中图分类号：TP212.1文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)08-3040-07DOI:10.11999/JEIT220882A MEMS-based Electric Field Sensor with Self-compensationfor Sensitivity DriftCHUZhaozhiYANGPengfeiWENXiaolongPENGChunrongLIUYutaoWUShuang(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)(Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China)(University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)(State Key Laboratory of Transducer Technology,Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China)(Beijing Tflying Transducer Technology Co.,Ltd.,Beijing 100089,China)Abstract:Toreducethesensitivitydriftcausedbyworkingtemperatureandstructuralparameterschange,anelectricfieldsensorwithself-compensationbasedonMicro-Electro-MechanicalSystem(MEMS)isproposed.Thesensorstructureincludesthesensingelectrodesformeasuringtheexternalelectricfieldandthereferenceelectrodesformonitoringthemovablestructurevibration.Withthereferenceelectrodesoutput,thissensorcantracktheresonantfrequencyautomatically,andcorrectthesensingoutputinrealtime.Experimentalresultsshowthatthissensorcanachievealinearityof0.21%andanaccuracyof1.34%intheelectricfieldrangeof18+18kV/m,andalesssensitivitydriftwithin3.0%inthetemperaturerangeof4070C,realizingagoodself-compensationperformance.Key words:Micro-Electro-MechanicalSystem(MEMS);Electricfieldsensor;Sensitivitydrift;Temperaturecompensation收稿日期：2022-07-01；改回日期：2022-11-14；网络出版：2022-11-16*通信作者：杨鹏飞基金项目：国家重点研发计划(2021YFB2011700)，国家自然科学基金(62001472，62101054)，北京市教育委员会科学研究计划项目(KM202211232005)FoundationItems:TheNationalKeyR&DProgramofChina(2021YFB2011700),TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(62001472,62101054),TheR&DProgramofBeijingMunicipalEducationCommission(KM202211232005)第45卷第8期电子与信息学报Vol.45No.82023年8月JournalofElectronics&InformationTechnologyAug.20231 引言电场探测技术在诸多领域发挥着重要作用。例如，航天领域，闪电雷击危害航天器发射安全，强电场是诱发闪电雷击的重要因素1，因而航天器发射规程中将大气电场强度作为航天器能否发射的重要依据；电网领域，雷击极易造成电网跳闸和设备故障，威胁供电安全，基于电场探测的雷电预警和电网故障诊断对保障电网稳定运行作用巨大2；工业领域，对于具有易燃易爆特性的危化品，静电放电严重威胁其生产、储存、运输、销售过程中的安全，基于电场监测的静电安全预警技术是生命财产安全的重要保障3,4。电场传感器是电场探测的核心部件。随着微加工技术的发展，具有体积小、功耗低、成本低、结构简单、无磨损部件等突出优势的MEMS电场传感器成为电场传感器的重要研究方向，基于电荷感应原理的谐振式MEMS电场传感器是其中的研究热点。2003年，Riehl等人5报道了一种包括上下屏蔽和侧壁屏蔽感应结构的MEMS电场传感器，分辨力达到630V/m；2006年，Peng等人6报道了一种静电驱动梳齿差分电场传感器，分辨力达到100V/m；2008年，Bahreyni等人7研制了一种热驱动MEMS电场传感器，分辨力达到42V/m；2013年，Yang等人8研制出一种基于绝缘体上硅(Silicon-On-Insu-lator,SOI)的MEMS电场传感器，静电场分辨力优于40V/m；2015年，Wang等人9报道了一种基于旋转谐振结构单芯片二维电场传感器；2018年，Chu等人10报道了一种基于扭转谐振的MEMS电场传感器，灵敏度达到4.82mV/(kV/m)。已有研究主要集中在提高电场探测灵敏度和相关应用研究方面520，但对电场传感器环境适应性的研究则鲜见报道。然而，电场传感器通常应用在户外环境中，温度、应力等环境和结构因素变化会严重改变传感器谐振频率和振动幅值等工作特性；由于已报道的MEMS谐振式电场传感器大都采用开环的工作方式，无法实现激励频率的自适应调整和灵敏度的自动补偿，所以温度、应力变化都会导致传感器灵敏度的漂移和测量误差增大。因此，提高传感器自适应调整能力，抑制灵敏度漂移，提高严苛环境中电场测量稳定性和准确性，对MEMS谐振式电场传感器具有重要意义。针对温度和应力变化引起的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题，本文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的MEMS谐振式电场传感器。有别于以往的同类型传感器，该传感器不仅包含用于感应外部电场的感应电极，还设置了用于监测可动结构振动幅值和相位的参考电极；基于锁相环技术实现谐振频率自动跟踪，并利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时修正，实现对灵敏度漂移的自补偿，从而提高传感器在严苛环境中的测量准确性。本文进行了传感器结构设计和理论分析，研制出了样机，开展了样机性能测试，测试结果与理论分析完全吻合，验证了该传感器在大温差环境中进行高精度电场测量的能力。2 传感器结构该传感器主要由感应电极、参考电极、接地可动结构、驱动电极、弹簧梁、固定锚点等部分组成，其平面结构如图1所示。其中，4组差分的条形感应电极，接地可动电极上与其正对的部分充当屏蔽电极，使得感应电极产生外部电场的感应信号；4组梳齿状的参考电极，与接地可动电极上对应部分形成梳齿电容，通过电容检测的原理，获得与接地可动电极的振动信息同步的参考信号，用于实现谐振频率锁定和感应信号补偿；4组对称的梳齿状驱动电极，与接地可动结构之间形成驱动电容，基于静电驱动实现接地可动结构的整体谐振运动；接地可动结构两端分别通过弹簧梁与固定锚点相连，实现双端固定。3 工作原理和理论分析3.1 工作原理传感器工作原理如图2所示，与以往的MEMS谐振式电场传感器不同，该传感器结构不仅包含用于外部电场测量的感应电极，还设置了用于监测可动结构振动相位和幅值信息的参考电极。En当传感器接地可动电极进行周期性水平振动时，在外加电场的作用下，根据电荷感应原图1传感器敏感结构平面示意图第8期储昭志等：一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器3041En理，感应电极上会产生与成正比的感应电流，通过电流-电压转换得到感应电压Vs，其大小与外部电场强度和谐振频率、振动幅值呈正比。因此，当温度、应力变化引起谐振频率和振动幅值变化时，传感器感应电压也会发生改变，从而导致测量结果不准。针对上述问题，该传感器利用参考电极的输出对感应电极的输出进行实时补偿，提高传感器输出的稳定性。3.2 理论分析En若接地可动结构谐振频率为，振动幅值为x，在外部电场强度为的条件下，当单位电场条件下单位振幅的感应电荷变化量为kq时，根据电荷感应原理，感应电极上的电流is大小为8is=kqxEn(1)设置感应电流-电压转换增益为R1，则感应电压大小为Vs=kqR1xEn(2)En则感应电压Vs相对电场的灵敏度Se为Se=kqR1x(3)En可知，Vs作为传感器的感应电极输出，其与外部电场强度成正比，但同时受到谐振频率和振动幅值的影响。因此，当谐振频率及振动幅值变化时，会直接导致传感器灵敏度Se发生漂移，电场测量不准。为了解决上述问题，传感器结构中设计了参考电极，利用参考电极输出的参考信号对灵敏度漂移进行实时补偿。参考电极结构如图3所示，其中梳齿结构厚度为h，梳齿间隙为d，平衡位置时梳齿正对部分长度为x0。则在接地可动电极进行谐振运动过程中，梳齿正对部分的长度x为x=x0+xcost(4)若参考电极包含N根梳齿，空气介电常数为，则参考电极与接地可动电极之间的电容C约为C=2Nhxd(5)当在参考电极上施加的钳制电位为Vd，则参考电极上电荷量为Qr=VdC(6)则参考电流大小为ir=dQrdt=2NhdVdx(7)设置参考电流-电压转换增益为R2，则参考电压大小为Vr=2NhdVdR2x(8)进一步，利用参考电压对感应电压进行修正，取G为常数倍数因子，将其与感应电压和参考电压之商相乘，记为Veff，则Veff=GVsVr=GkqdR12NhVdR2En(9)En则传感器输出结果Veff相对电场的灵敏度Seff为Seff=GkqdR12NhVdR2(10)因此，本文提出的电场传感器结构和测量方法，利用参考电压对感应电压进行实时补偿，使得传感器输出Veff和电场灵敏度Seff不受谐振频率和振动幅值等谐振特性变化的影响，从而提高户外严苛环境中电场测量的稳定性和准确性。4 实验结果4.1 敏感芯片制备传感器敏感芯片基于SOI工艺制备，工艺流程如图4所示，制备出的敏感芯片扫描电镜照片如图5所示。4.2 传感器电路传感器电路框图如图6所示，主要由锁相环电路、参考电压及感应电压解调电路、驱动电路等部分组成。其中，锁相环电路由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成，利用参考电压和驱动电压之间的相图2传感器工作原理图图3参考电极结构示意图3042电子与信息学报第45卷位差，实时调整驱动信号的频率，使得传感器可动结构始终保持谐振运动，以获得最大振幅和最佳工作状态。参考电压和感应电压的解调通过相干解调实现，将驱动信号分别与参考电压和感应电压进行乘法运算，经低通滤波后得到对应的直流分量，即可计算出参考电压和感应电压的幅值。最后，基于感应电压和参考电压幅值之商，计算传感器的最终输出量Veff。4.3 样机和测试系统搭建如图7所示的测试系统，对传感器样机进行性能测试，其中，高低温控制箱用于控制和模拟传感器所处工作环境温度变化，进而改变传感器的谐振频率及振动幅值；标定装置由两组相对的平行金属板组成，上部金属板接地，下部金属板施加直流电压，从而产生标准电场；将封装后的敏感芯片固定在处理电路板上，置入上部金属板正中区域，进行标定测试。4.4 测试结果G取值为10 000，在20C的环境温度下，18+18kV/m电场范围内，1号传感器的电场响应情况如图8所示，计算得到其单行程最佳线性度图4敏感芯片制备工艺流程图5敏感芯片的扫描电镜照片图6传感器电路框图图7传感器测试系统实物图第8期储昭志等：一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器3043达到0.21%，3个往返行程的总不确定度为1.34%，线性度和重复性优，具有良好的电场响应特性。在4070C的环境温度范围内，每间隔10C取1个测试温度点，进行传感器性能测试。以1号传感器为例，如图9所示，随着温度升高，传感器谐振频率逐渐减小，从2 609.0Hz变化到2 596.7Hz；此外，其振幅随温度升高呈减小趋势，如图10所示，以20时振幅作为参考，传感器1的相对振幅从111.2%变化到91.5%。结果表明，传感器的谐振频率和振动幅值会受到温度变化影响，进而影响传感器电场测量效果。EnEn进一步计算，分别获得感应电压Vs相对电场的灵敏度Se和补偿后的传感器输出Veff相对电场的灵敏度Seff。以20时的灵敏度Se0和Seff0为基准，分别计算各个测试温度点灵敏度Se和Seff的相对漂移量。图11所示为1号传感器灵敏度相对漂移量随温度变化情况，由图可知，未补偿时的灵敏度Se对温度变化十分敏感，灵敏度相对漂移量在10.3%与10.9%之间变化，最大灵敏度相对漂移范围达21.2%；补偿后的灵敏度Seff受温度变化影响小，灵敏度相对漂移量处于1.0%和1.5%之间，最大灵敏度相对漂移范围仅为2.5%。表1为6只传感器的灵敏度相对漂移量的测试结果，表2为对应的灵敏度相对漂移量的平均值及标准差，从测试结果可知，未补偿时传感器的灵敏度相对漂移范围为11.4%,18.1%，且与温度之间具有明显相关性，温度越低则灵敏度越高，传感器最小标准差达5.74%；补偿后传感器的灵敏度相对漂移均在3.0%以内，最小标准差仅为0.67%，具有良好的灵敏度漂移自补偿的效果。5 结论本文提出并研制了一种具有灵敏度漂移自补偿功能的MEMS谐振式电场传感器，该传感器核心结构包括感应电极和参考电极，其中感应电极对外部电场进行测量，参考电极对可动结构振动信息进行实时监测，并利用振动相位信息和锁相环技术实现传感器谐振频率自动跟踪，利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时补偿，提高传感器灵敏度的稳定性。本文首先介绍了传感器结构设计，然后对其工作原理进行了理论分析，证明了其灵敏度不受谐振频率、振动幅值等工作特性变化的影响；进一步开发出传感器处理电路，研制出原理样机；最后，搭建了高低温环境模拟和电场标定系统，对传感器样机开展了性能测试。测试结果表明，在18kV/m电场范围内，传感器线性度达到0.21%，3个往返行程总不确定度达到1.34%；在4070C温度范围内，灵敏度相对漂移量小于3.0%，与理论分析一致。所以，该传感器不仅具有良好的电场测量线性度和重复性，而且对灵敏度漂移具有良好的自补偿效果，解决了温度和应力变化引起的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题，在户外环境的电场探测中具有广阔的应用前景。图81号传感器电场响应特性图91号传感器谐振频率随温度变化特性图101号传感器相对振幅随温度变化特性图111号传感器灵敏度相对漂移量随温度变化特性3044电子与信息学报第45卷参 考 文 献MONTANYAJ,BERGASJ,andHERMOSOB.ElectricfieldmeasurementsatgroundlevelasabasisforlightninghazardwarningJ.Journal of Electrostatics,2004,60(2/4):241246.doi:10.1016/j.elstat.2004.01.009.1王德才.电线电压与电流非接触检测技术研究D.博士论文,重庆大学,2018.WANGDecai.Studyonnon-contactdetectingtechnologyforelectricpowerline-voltageandcurrentD.Ph.D.dissertation,ChongqingUniversity,2018.2PAILLATT,MOREAUE,andTOUCHARDG.SpacechargedensityatthewallinthecaseofheptaneflowingthroughaninsulatingpipeJ.Journal of Electrostatics,2001,53(2):171182.doi:10.1016/S0304-3886(01)00139-5.3李亮亮,赵清山,李义鹏,等.电导率对成品油静电特性影响试验研究J.工业安全与环保,2018,44(7):912.doi:10.3969/j.issn.1001-425X.2018.07.003.LI Liangliang,ZHAO Qingshan,LI Yipeng,et al.ExperimentalstudyontheeffectofconductivityontheelectrostaticcharacteristicsofpetroleumproductsJ.Industrial Safety and Environmental Protection,2018,44(7):912.doi:10.3969/j.issn.1001-425X.2018.07.003.4RIEHL P S,SCOTT K L,MULLER R S,et al.Electrostatic charge and field sensors based onmicromechanical resonatorsJ.Journal of5Microelectromechanical Systems,2003,12(5):577589.doi:10.1109/JMEMS.2003.818066.PENGChunrong,CHENXianxiang,YECao,et al.DesignandtestingofamicromechanicalresonantelectrostaticfieldsensorJ.Journal of Micromechanics and Microengineering,2006,16(5):914919.doi:10.1088/0960-1317/16/5/006.6BAHREYNI B,WIJEWEERA G,SHAFAI C,et al.Analysisanddesignofamicromachinedelectric-fieldsensorJ.Journal of Microelectromechanical Systems,2008,17(1):3136.doi:10.1109/JMEMS.2007.911870.7YANGPengfei,PENGChunrong,FANGDongming,et al.Design,fabrication and application of an SOI-basedresonantelectricfieldmicrosensorwithcoplanarcomb-shapedelectrodesJ.Journal of Micromechanics andMicroengineering,2013,23(5):055002.doi:10.1088/0960-1317/23/5/055002.8WANGYu,FANGDongming,FENGKe,et al.AnovelmicroelectricfieldsensorwithXYdualaxissensitivedifferentialstructureJ.Sensors and Actuators A:Physical,2015,229:17.doi:10.1016/j.sna.2015.03.013.9CHUZhaozhi,PENGChunrong,RENRen,et 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传感器灵敏度相对漂移量的平均值及标准差(%)1号2号3号4号5号6号未补偿平均值1.40.81.50.80.32.2标准差6.26.66.27.75.78.9补偿后平均值0.40.30.30.50.60.1标准差0.71.00.91.10.80.8第8期储昭志等：一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器3045fabricationandcharacterizationofaMEMS-basedthree-dimensionalelectricfieldsensorwithlowcross-axiscouplinginterferenceJ.Sensors,2018,18(3):870.doi:10.3390/s18030870.YANGPengfei,WENXiaolong,CHUZhaozhi,et al.Non-intrusiveDCvoltagemeasurementbasedonresonantelectricfieldmicrosensorsJ.Journal of Micromechanicsand Microengineering,2021,31(6):064001.doi:10.1088/1361-6439/abf631.12WENXiaolong,YANGPengfei,CHUZhaozhi,et al.Towardatmosphericelectricityresearch:Alow-cost,highlysensitiveandrobustballoon-borneelectricfieldsoundingsensorJ.IEEE Sensors Journal,2021,21(12):1340513416.doi:10.1109/JSEN.2021.3070130.13WENXiaolong,YANGPengfei,ZHANGZhouwei,et al.Resolution-enhancing structure for the electric fieldmicrosensorchipJ.Micromachines,2021,12(8):936.doi:10.3390/mi12080936.14YANGPengfei,WENXiaolong,LVYao,et 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