電場(chǎng)傳感器在使用過(guò)程中，需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此其靈敏度較高。
一般的電場(chǎng)傳感器包括壓阻式電場(chǎng)傳感器、壓電式電場(chǎng)傳感器和電磁感應(yīng)式電場(chǎng)傳感器等。
壓阻式電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但靈敏度不高，一般需要外加磁場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)其靈敏度。電容式電磁場(chǎng)傳感器具有響應(yīng)速度快、精度高和動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)磁場(chǎng)不敏感。壓電式和電磁感應(yīng)式電場(chǎng)傳感器均為壓阻式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度較高且具有很寬的工作溫度范圍。
本文對(duì)四種主要的 MEMS電場(chǎng)計(jì)進(jìn)行了介紹和比較，重點(diǎn)對(duì)壓阻式電場(chǎng)傳感器、電容式電場(chǎng)傳感器和電磁感應(yīng)式電場(chǎng)傳感進(jìn)行了比較分析。并指出了其發(fā)展趨勢(shì)。
研究背景
MEMS技術(shù)是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一，其在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中電場(chǎng)傳感技術(shù)作為 MEMS的重要應(yīng)用之一。
傳感器原理
壓電式電場(chǎng)傳感器由壓電材料構(gòu)成，主要有金屬箔片、金屬板和金屬絲等，金屬箔可制成圓形或方形，具有較好的抗彎曲能力。壓電材料的等效電阻與電壓成正比，在施加電壓后可將其變形為一個(gè)電阻值。
當(dāng)施加在金屬箔上的電壓足夠高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械信號(hào)。該信號(hào)可用于檢測(cè)施加在金屬箔上的電壓大小，從而確定兩個(gè)方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。壓電傳感器中還設(shè)有一個(gè)與之等效的電容元件，該電容元件會(huì)隨時(shí)間變化并產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)。在電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)電流傳感器，來(lái)檢測(cè)電路中的電流大小，并將該電流與傳感器的輸出電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而確定電場(chǎng)強(qiáng)度大小。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
壓阻式電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)測(cè)量的電場(chǎng)大小進(jìn)行選擇。壓阻式電場(chǎng)傳感器主要有三種類(lèi)型：等面積型、等壓型和差壓型，一般采用差壓型結(jié)構(gòu)。壓阻式電場(chǎng)傳感器的核心部件為膜片，上有兩個(gè)電極，如圖4所示。在電極之間設(shè)有一個(gè)縫隙，的大小直接影響到電極的尺寸，這也是影響其靈敏度的一個(gè)主要因素。此外，為了滿(mǎn)足不同的電場(chǎng)測(cè)量需要，可以在薄膜上引入不同形狀、不同大小和不同數(shù)量的電極，以滿(mǎn)足不同情況下的測(cè)量需求。
芯片工藝
MEMS芯片的工藝對(duì)傳感器的性能有很大影響，目前在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域，已經(jīng)提出了多種 MEMS制造工藝，包括硅基薄膜技術(shù)、硅基半導(dǎo)體技術(shù)和 CMOS技術(shù)。MEMS制造工藝一般包括：光刻（Laser）、刻蝕（Etching）、化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）、擴(kuò)散（Diffusion）、薄膜沉積（Thinfilm Layer Deposition）和微機(jī)械加工（micro-manufacturing）等。MEMS制造工藝具有制造精度高、成品率高以及環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，但其制造成本相對(duì)較高。
傳感器測(cè)試與驗(yàn)證
傳感器的測(cè)試通常采用電容式電場(chǎng)計(jì)，通過(guò)測(cè)量電荷在傳感器中的分布來(lái)計(jì)算電場(chǎng)值?？捎糜跈z測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度或通過(guò)比較測(cè)量結(jié)果來(lái)確定測(cè)量結(jié)果的可靠性。
MEMS壓電式電場(chǎng)傳感器主要采用的是電容式電場(chǎng)傳感器，其原理是將電荷作用在電容上，通過(guò)改變電容器的電容，可使輸出電壓變化，從而達(dá)到測(cè)量的目的。但壓電式電場(chǎng)傳感器有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是制作工藝復(fù)雜，二是制作成本高。電磁感應(yīng)式電場(chǎng)計(jì)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
