基于MEMS技术的微型电场传感器设计及实验研究

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1、摘要基于MEMS技术的微型电场传感器设计及实验研究摘要电场与人类的生产生活活动息息相关。为了测量各种电场参数，人们进行了深入的研究，发明了多种电场传感器。但是用于静电场测量的微型电场传感器至今未见报道。本文提出了一种新颖的电场传感器设计方案，其优点是体积小、易批量加工，可以应用于空间、大气、地面等多种环境下的静电场或低频电场的测量。本传感器基于微机电系统(MEMS)技术和传感技术，利用半导体加工工艺在硅基底上制作。作者通过运用电动力学的相关理论进行分析计算，并运用ANSYS6．0软件进行计算机模拟仿真

2、，结果表明此方案是可行的。作者完成了传感器结构设计和工艺设计，进行了工艺试验，研制出雏形样品。关键词：微型，电场传感器，微机电系统AbstracCAnovelminiatureelectricfieldsensorbasedonMEMStechniqueAbstractElectricfieldhasacloserelationshipwithpeople’sdailylifeandproductionprocesses．Peoplehavedoneagreatdealofworkonit，andha

3、veinventedmanykindsofelectricfieldsensors(EFS)．But,theminiatureEFSformeasuringstaticelectricfieldaccuratelyhasnotbeenreporteduptothisday．InthispapertheauthorproposesflnovelminiatureEFS．whichistinyandcanbeproducedinbatch。Itcarlbeappliedtomeasuretheintens

4、ityofelectricfieldinouterspace，inatmosphereandonground．Thesensorbasesonmicroelectromechanicalsystems(MEMS)tecIlnologyandmodemtransducertechnology．Itisfabricatedonsiliconbymeansofsemiconductorprocessingtechnology．Theoreticalanalysis，computersimulationand

5、someprocessingexperimentshaveproventhedesignfeasible．Keywords：miniature,electricfieldsensor,MEMS第一章引言弟一早弓l西1．1微机电系统(MEMS)概述早在1959年，美国的R．Feynmam就提出了微型机械的设想。随着徽电子技术的巨大成功，在许多领域引发了一场微型化革命，以加工微米／纳米的结构和系统为目的的微米／纳米技术(Micro／NanoTechnology)在此背景下应运而生。一方面人们利用物理化学方

6、法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微米／纳米结构；另一方面人们利用精细加工手段加工出微米／纳米级结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生，后者则在小型机械制造领域丌始了一场新的革命，导致了微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)的诞生。微电子机械系统是徼电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS技术的发展为人类开辟了一个全新领域和产业。由于其自身结构可以达到微米，甚至微米以

7、下的量级，这使得基于MEMS技术制作的器件具有宏观条件下无法达到的性质，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。近年来，随着MEMS技术的日益发展成熟，其应用领域也在不断拓展。MEMS可应用于机械的高级维护系统、微型工厂、人体管腔诊断和检查系统等需要微型、微细机械的场合。利用MEMS技术可制成突破通信瓶颈的全光交换机、准确检测病变的基因芯片、比手掌还小的飞行器、重量仅有几十克的微小卫星等。事实上，MEMS是一一项极具前途的军民两用技术。在

8、过去十多年中，MEMS技术已经应用于安全气囊传感器(加速计)、压力传感器、显示器、自适应光器件、数字微镜器件、扫描仪、血压测量传感器、图像传感器、硬盘驱动器中的加速度传感器、蜂窝电话中应用的微继电器、电视中应用的微型透镜、喷墨打印头以及数掘存储器等。在通信方面，光通信『F在向有光交换功能的全光通信网络方向发展，无线第～荦引占通信则要求增强功能(如联网等)和减小功耗．MEMS技术在这些方面有很大的优势。包括美国朗讯(Lucent)公司在内的一些公司和大学『