| 锆钛酸铅 / 低电压驱动 /
微机电系统 / 中国科学院大学 |
PZT/ Low driving voltage / MEMS / UCAS
电场测量技术广泛应用于航空航天、气象、电网、石油石化和工业生产等诸多领域，电场传感器作为电场测量的核心器件在其中发挥着重要的作用。
针对静电场检测的应用场合，大部分采用基于电荷感应原理的电场传感器。随着微机电系统（MEMS）技术的发展，基于电荷感应原理的 MEMS 电场传感器因其体积小、功耗低、可批量制造等优点受到广泛关注，多家单位开展了相关研究工作。
目前已报道的 MEMS 电场传感器中，静电驱动式由于与 MEMS 工艺兼容性高而率先实现批量化制造并已有实际应用的报道。静电驱动式 MEMS 电场传感器存在着驱动力较小和驱动电压较高的不足。驱动电压越高，由驱动信号产生的电场越大，对外界电场测量的干扰也越大，且较低的驱动电压可以简化电路，降低系统功耗。
为了降低敏感结构的驱动电压、提高驱动力，文章提出一种基于锆钛酸铅（PZT）的低电压驱动 MEMS 电场传感器。本传感器采用压电驱动，与静电驱动方式相比，显著降低了驱动电压；本电场传感器采用互屏蔽电极结构，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，可提高电荷感应效率。
传感器结构设计与原理分析
文章提出的 MEMS 电场传感器结构与工作原理如图 1 所示。其结构主要由固定电极、可动电极、绝缘层和驱动层构成；其中，单个固定电极和单个可动电极构成一组互屏蔽电极；驱动层主要由 PZT 压电薄膜构成。传感器基于电荷感应原理进行测量，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。在压电材料 PZT 的驱动下，可动电极产生垂直振动，可动电极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，两者通过差分提升信噪比。
图 1 传感器结构与原理示意图
结构仿真
仿真主要包括静电学仿真和可动结构的运动仿真。根据优化后的结构参数，对 3 组互屏蔽电极上的电场分布进行了仿真，如图 2 和图 3 所示。
( a ) 3 组互屏蔽电极上的电场分布 ( b ) 电极 3 和电极 4 上的电场分布
图 2 互屏蔽电极在可动电极静止状态下的电场分布图
图 3 互屏蔽电极在可动电极运动状态下的电场分布图
对设计的可动结构进行了 3 维仿真，仿真模型和仿真结果如图 4 所示。谐振频率为3649.8 Hz，谐振时可动结构上的最大位移可达8 μ m左右。
( a ) 可动结构仿真模型 ( b ) 梁 1 上最大位移与频率的关系 ( c ) 可动结构谐振时其上各部位的位移
图 4 可动结构位移的仿真模型和仿真结果
传感器敏感芯片制备
设计并研究敏感芯片制备工艺，采用溶胶凝胶法制备了压电薄膜，突破了基于 PZT 压电材料的可动电极 MEMS 工艺兼容制备技术。对制备好的压电薄膜进行 X 射线衍射（XRD），结果如图 5 所示，XRD 图谱表明压电薄膜 PZT 已经完成了钙钛矿的结晶。
图 5 压电薄膜的 XRD 图
通过 MEMS 加工工艺制造出电场敏感芯片，尺寸为 5 mm × 5 mm，其扫描电镜（SEM）照片如图 6 所示。
( a ) 电场敏感芯片 ( b ) 可动结构与压电驱动梁 ( c ) 互屏蔽电极对
图 6 电场敏感芯片的 SEM 照片
传感器性能测试
在室温和室内大气压条件下，1 V 的交流驱动电压作用下，设计的电传传感器的谐振频率为 3666 Hz。使电传传感器工作在谐振状态，施加 0～50 kV/m 的电场，传感器的电场响应曲线如图 7 所示。通过线性拟合得到了电场传感器系统的灵敏度为0.292 mV/ ( kV/m )，线性度为2.89%，敏感结构的灵敏度为19.47 pA/ ( kV/m )。该传感器具有驱动电压低的突出优点。作者计划后续将在现有基础上进一步对传感器敏感结构和测试电路进行设计优化，有望获得更好的性能。
图 7 电场传感器的响应曲线
结语
文章提出一种基于 PZT 的低电压驱动 MEMS 电场传感器，进行了原理分析、结构设计、有限元仿真、制备工艺研究和实验测试。基于 PZT 的低电压驱动 MEMS 电场传感器中固定电极和可动电极均为感应电极，同时又为互屏蔽电极。文章设计并研究了敏感芯片制备工艺流程，制备了压电驱动薄膜，突破了基于 PZT 压电材料的可动电极 MEMS 工艺兼容制备技术。XRD 结果表明压电薄膜 PZT 已经完成了钙钛矿的结晶。该传感器具有工作电压低的突出优点。
