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５卷第８期２０１５年３月科学技术与工程Ｖ０１．１５Ｎｏ．８Ｍａｒ．２０】５

１６７１—１８１５（２０１５）０８—００９０—０５ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＠２０１５Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．

压电悬臂梁式微型电场传感器的设计与制备

冯可，佟建华王宇，方东明夏善红

（中国科学院电子学研究所传感器技术国家重点实验室，北京１００１９０；中国科学院大学，北京１０００３９）

摘要提出并研制一种新型压电悬臂梁式微型电场传感器，该传感器是基于压电（ＰＺＴ）薄膜驱动的悬臂梁式微型电场传感

器；同时介绍了传感器的工作原理、结构设计、制作工艺以及初步测试结果。该微型电场传感器由多根压电悬臂梁构成，每根

悬臂梁能同时具有屏蔽电场和感应电荷功能。对传感器感应电荷的能力进行了计算；并根据计算结果和工艺要求设计了传

感器的参数。该微型电场传感器采用微加工技术制作，每根悬臂梁为多层复合结构（Ａ１／ＳｉＮ／ＰＰｚＴ／Ｐ∥Ｔｉ／ｓｉ０，／Ｓｉ），其中

ＰＺＴ薄膜采用溶胶一凝胶法制备。测试结果证明，传感器具有良好的响应特性。

关键词电场传感器压电驱动ＰＺＴ

中图法分类号ＴＭ９３８．８６６ＴＰ２１２；文献标志码Ａ

电场测量在气象研究、航空航天、电力系统等领术制备，最后在０～４５０００Ｖ／ｍ的静电场中测试，输

域有着广泛的应用。利用电场传感器对电场进行测出线性度较好。该研制的压电悬臂梁式微型电场传

量，可以有效保障火箭、卫星等飞行器的升空安全，感器具有结构简单、体积小、功耗低等特点，且容易

也可以避免在气象、航空航天、电网、工业生产等领批量制造。

域造成人身伤害和财产损失。因此，电场传感器的１工作原理和电流估算

研究已经受到国内外很多研究人员的重视。由于微

小型电场传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗１．１工作原理

小、容易与其他设备集成等优点，电场传感器逐渐向压电悬臂梁式微型电场传感器由两组压电微悬

微小型方向发展，ＭＥＭＳ电场传感器逐渐成为发展臂梁构成，呈叉指式结构。每根压电悬臂梁由硅基

趋势。底、绝缘层、下驱动电极、压电薄膜、上驱动电极、感

目前微型ＭＥＭＳ电场传感器的驱动方式主要应电极构成，如图１所示。

有静电驱动Ｊ、热驱动Ｊ、电磁驱动以及压电驱

动Ｊ。静电驱动的微型电场传感器需要施加较高

的驱动电压（大于２０Ｖｐ—Ｐ）；热驱动微型电场传

感器所需功耗较大（大于几十毫瓦）；电磁驱动方式

需要比其他驱动方式施加更大的驱动电压，会带来卜

强电磁干扰，增大检测电路噪声，并且制备这种驱动

方式比较复杂。与其他驱动方式相比，压电驱动具

有结构简单、功耗低、响应速度快、耐高温、抗干扰能

力强等优点。陶虎等人提供了一种采用压电陶

瓷条作为驱动结构的ＭＥＭＳ电场传感器，该传感

器的梳齿电极采用胶粘剂与压电陶瓷条连接，制作图压电悬臂梁式微型电场传感器的结构１示意图

精度差，不适合批量生产。Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｅｒｏｓｅｎｓｏｒ

ＰＺＴ薄膜作为优良的压电驱动材料，被应用在当没有驱动电压时，所有压电悬臂梁都保持在

许多ＭＥＭＳ传感器的驱动结构上。本文介绍的压同一水平面上，如图１所示。当施加驱动电压时，一

电悬臂梁式微型电场传感器，是利用ＰＺＴ薄膜驱动组悬臂梁的自由端向上翘起，另外一组悬臂梁自由

悬臂梁，使其垂直振动，传感器采用