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低轴间耦合的MEMS三维电场传感器

凌必赟 彭春荣 任仁 储昭志 张洲威 雷虎成 夏善红

凌必赟, 彭春荣, 任仁, 储昭志, 张洲威, 雷虎成, 夏善红. 低轴间耦合的MEMS三维电场传感器[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(8): 1934-1940. doi: 10.11999/JEIT171188
引用本文: 凌必赟, 彭春荣, 任仁, 储昭志, 张洲威, 雷虎成, 夏善红. 低轴间耦合的MEMS三维电场传感器[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(8): 1934-1940. doi: 10.11999/JEIT171188
Biyun LING, Chunrong PENG, Ren REN, Zhaozhi CHU, Zhouwei ZHANG, Hucheng LEI, Shanhong XIA. MEMS-based Three-dimensional Electric Field Sensor with Low Cross-axis Coupling Interference[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(8): 1934-1940. doi: 10.11999/JEIT171188
Citation: Biyun LING, Chunrong PENG, Ren REN, Zhaozhi CHU, Zhouwei ZHANG, Hucheng LEI, Shanhong XIA. MEMS-based Three-dimensional Electric Field Sensor with Low Cross-axis Coupling Interference[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(8): 1934-1940. doi: 10.11999/JEIT171188

低轴间耦合的MEMS三维电场传感器

doi: 10.11999/JEIT171188
基金项目: 国家自然科学基金(61327810),国家863计划项目(2015AA042602),中国科学院创新面上基金(CXJJ-17-M151)
详细信息
    作者简介:

    凌必赟:男,1990年生,博士生,研究方向为MEMS 3维电场传感器

    彭春荣:男,1979年生,博士,副研究员,研究方向为MEMS电场传感器及系统

    任仁:男,1982年生,博士,副研究员,研究方向为MEMS电场传感器标定和检测系统

    储昭志:男,1990年生,博士生,研究方向为MEMS电场传感器及制备技术

    张洲威:男,1993年生,博士生,研究方向为静电探测技术

    雷虎成:男,1993年生,博士生,研究方向为高灵敏MEMS电场传感器

    夏善红:女,1958年生,博士,研究员,研究方向为微纳传感器与微系统技术

    通讯作者:

    夏善红   shxia@mail.ie.ac.cn

  • 中图分类号: TP212

MEMS-based Three-dimensional Electric Field Sensor with Low Cross-axis Coupling Interference

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61327810), The National 863 Program of China (2015AA042602), Chinese Academy of Sciences Project (CXJJ-17-M151)
  • 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 kV/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%。
  • 图  1  1 维电场敏感芯片示意图

    图  2  1 维电场敏感芯片的仿真模型

    图  3  1 维电场敏感芯片对不同方向电场的仿真结果

    图  4  1 维电场敏感芯片的微加工工艺流程

    图  5  1 维电场敏感芯片扫描电镜照片

    图  6  MEMS 3 维电场传感器的实物图

    图  7  MEMS 3 维电场传感器测试标定装置

    图  8  MEMS 3维电场传感器的标定曲线

    表  1  1 维电场敏感芯片的关键参数

    结构参数 参数值
    感应电极宽度wsn 8 µm
    屏蔽电极宽度wsh 10 µm
    感应电极与屏蔽电极的间距(平衡位置)g 15 µm
    相邻的两个感应电极的间距W 95 µm
    感应电极长度Lsn 1030 µm
    屏蔽电极长度Lsh 1045 µm
    结构厚度 $\tau $ 25 µm
    衬底厚度h 300 µm
    感应电极数量Ne 14×2
    梳齿数量Nd 84×20
    谐振结构质量meff 4.4×10–5 g
    等效弹性系数kq 11.3 N/m
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    表  2  X轴,Y轴和Z轴1维电场敏感芯片的灵敏度

    电场方向 X轴1维电场敏感芯片的灵敏度
    (mV·m/kV)
    Y轴1维电场敏感芯片的灵敏度
    (mV·m/kV)
    Z轴1维电场敏感芯片的灵敏度
    (mV·m/kV)
    沿X 0.293 0.001 0.008
    沿Y 0.011 0.316 0.007
    沿Z 0.008 0 0.287
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    表  3  3 维电场传感器在空间作不同角旋转的输出与计算电场

    旋转角度 施加电场(kV/m) X轴1维电场敏感芯片
    的输出(mV)
    Y轴1维电场敏感芯片
    的输出(mV)
    Z轴1维电场敏感芯片
    的输出(mV)
    合成电场(kV/m) 误差(%)
    $\theta $1 50 0.01 8.67 12.08 49.77 0.46
    100 0.01 17.51 24.35 100.40 0.40
    $\theta $2 50 0.01 13.97 6.86 49.84 0.32
    100 0.04 27.74 13.99 99.56 0.44
    $\theta $3 50 0.03 –10.08 –11.63 51.08 2.16
    100 0.05 –20.50 –22.84 101.67 1.67
    $\theta $4 50 2.56 –13.02 8.57 52.21 4.42
    100 5.22 –26.73 15.99 104.02 4.02
    $\theta $5 50 –8.67 9.77 8.49 53.30 6.60
    100 –16.94 19.32 17.84 107.13 7.13
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-18
  • 修回日期:  2018-05-07
  • 网络出版日期:  2018-06-12
  • 刊出日期:  2018-08-01

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