单片集成旋转谐振式微型三维电场传感器研究

This project gives investigation on the structure design, theoretical analysis, fabrication process and measuring technique of the monolithically integrated rotary resonant micro 3-D electric field sensor (EFS). The X and Y direction electric field measuring unit adopt rotator shield structure, while Y direction electric field measuring unit adopts sectorial comb structure. The sensor fully combines the array of structures of differential excitation and differential sense, to form a novel unique device structure. We will synthetically carry out simulation and parameters optimization, fabricate micro 3-D EFS on Si substrate, and realize the micromation and batch fabrication of 3-D EFS. Meanwhile, we will design and develop the technology of detecting the feeble signal of the sensor, to suppress the crosstalk coupling and common-mode noise, solve the key problems of measuring 3-D electric field. This project will supply fine base research technique to the research and development of the integrated universal 3-D electric field measurement equipment orienting to the application fields of atmospheric electric filed detecting, thunderstorm prewarning, smart grid, to satisfy high level application requirement of the vector electric field measurement equipment, such as miniaturization, low power consumption, low cost, batch production, and so on.

本项目对单片集成旋转谐振式微型三维电场传感器进行结构设计、理论分析、实验工艺和测试技术等进行研究。传感器X和Y方向电场测量单元采用旋片式屏蔽感应结构，Z方向电场测量单元采用扇形梳齿结构，充分结合差分激励、差分敏感的结构布置方式，设计出独特的器件结构，综合运用仿真和参数优化技术，理论分析传感器的静态和动态特性，利用IC工艺兼容的三维微机械加工技术，在硅衬底上制作出微型三维电场传感器，实现三维电场测量的微型化和批量化制造，设计并开发传感器的弱信号检测技术，抑制传感器的串扰耦合和共模噪声，解决三维电场测量的关键难题，为实现面向大气电场探测、雷电预警、智能电网等应用的集成通用三维电场测量装置研制提供良好技术基础，满足矢量电场探测装置的微型化、低功耗、低成本、批量化等更高应用需求。

电场传感器在航天、国防、气象、电力等诸多领域有着广泛的应用。在实际应用中，对于传感器的微型化以及三维电场探测具有迫切的需求，成为近年来电场传感器研究工作关注的重要方向。本项目基于电荷感应原理和微机电系统（MEMS）技术，以研制微型三维电场传感器为目标，提出并研究了一种新型三维电场传感器敏感结构。 本文提出将各电场测量单元单芯片集成在同一敏感结构上的设计思路，研制了旋转谐振式微型三维电场传感器，这种新型敏感结构采用差分驱动、差分检测的设计方案，提高了传感器输出信号的信噪比，采用蛇形悬臂梁的结构设计，提升了传感器工作模态的稳定性。 为了提高传感器的性能，对敏感结构中共性的关键部件如扇形驱动电极、旋转叉指感应电极、条状感应电极、蛇形悬臂梁等进行了详尽的解析分析，研究各几何参数对传感器性能的影响，并使用有限元数值分析工具进一步优化了关键的结构参数。 参考SOIMUMPs和MetalMUMPs的工艺规则，完成了敏感结构的版图设计，成功制备出微型三维电场传感器样机。 分析了传感器敏感结构的噪声模型，设计了微弱信号放大电路，搭建了传感器软硬件测试平台，室温常压下的测试结果表明，在0-50kV/m的电场范围内，旋转谐振式微型三维电场传感器能够实现电场的三维测量，单点的测量误差优于17.88%。