基于鋯鈦酸鉛的低電壓驅(qū)動MEMS電場傳感器研究

雷虎成 夏善紅 彭春榮 毋正偉 張洲威 劉 俊彭思敏 劉向明 高雅浩

①(中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院 北京 100049)

1 引言

電場測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、氣象、電網(wǎng)、石油石化和工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域[1-5]，電場傳感器作為電場測量的核心器件在其中發(fā)揮著重要的作用。針對靜電場檢測的應(yīng)用場合，大部分采用基于電荷感應(yīng)原理的電場傳感器。隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)技術(shù)的發(fā)展，基于電荷感應(yīng)原理的MEMS電場傳感器因其體積小、功耗低、可批量制造等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注，多家單位開展了相關(guān)研究工作[6-19]。

目前已報道的MEMS電場傳感器中，靜電驅(qū)動式由于與MEMS工藝兼容性高而率先實現(xiàn)批量化制造并已有實際應(yīng)用的報道。2011年，楊鵬飛等人[7]提出了一種絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)微型電場傳感器，采用靜電驅(qū)動實現(xiàn)了屏蔽電極的水平振動，靜電驅(qū)動電壓為20 V直流電壓及1 V交流電壓。2018年，儲昭志等人[14]提出一種扭轉(zhuǎn)諧振式電場傳感器，采用靜電驅(qū)動實現(xiàn)了屏蔽電極的垂直扭轉(zhuǎn)振動，靜電驅(qū)動電壓為30 V直流電壓及15 V交流電壓。靜電驅(qū)動式MEMS電場傳感器存在著驅(qū)動力較小和驅(qū)動電壓較高的不足。驅(qū)動電壓越高，由驅(qū)動信號產(chǎn)生的電場越大，對外界電場測量的干擾也越大，且較低的驅(qū)動電壓可以簡化電路，降低系統(tǒng)功耗。

為了降低敏感結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電壓、提高驅(qū)動力，本文提出一種基于鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate,PZT)的低電壓驅(qū)動MEMS電場傳感器。本傳感器采用壓電驅(qū)動，與靜電驅(qū)動方式相比，顯著降低了驅(qū)動電壓；本電場傳感器采用互屏蔽電極結(jié)構(gòu)，固定電極與可動電極均為感應(yīng)電極，同時兩者又是屏蔽電極，可提高電荷感應(yīng)效率。

本文對低電壓驅(qū)動MEMS電場傳感器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元仿真計算，突破了基于PZT壓電材料的可動電極MEMS工藝兼容制備技術(shù)，完成了敏感芯片制備，對傳感器進行了性能測試。本傳感器具有工作電壓低的突出優(yōu)點。實驗測試表明，在室溫和室內(nèi)大氣壓條件下，在1 V交流驅(qū)動電壓下，基于PZT的壓電驅(qū)動MEMS電場傳感器的靈敏度為0.292 mV/(kV/m)，線性度為2.89%。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

本文設(shè)計的MEMS電場傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。其結(jié)構(gòu)主要由固定電極、可動電極、絕緣層和驅(qū)動層構(gòu)成；其中，單個固定電極和單個可動電極構(gòu)成一組互屏蔽電極；驅(qū)動層主要由PZT壓電薄膜構(gòu)成。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理示意圖

傳感器基于電荷感應(yīng)原理進行測量[15]，傳感器簡單的等效電路模型如圖2所示，其中，Cm和Cf分別為可動電極和固定電極的等效電容。根據(jù)高斯定理，當(dāng)存在外電場EZ時，作為感應(yīng)電極的可動電極和固定電極上會有感應(yīng)電荷Qm,Qf產(chǎn)生，即

圖2 傳感器的等效電路模型

其中，ε0為真空介電常數(shù)，Qm為可動電極上的感應(yīng)電荷量，Qf為固定電極上的感應(yīng)電荷量，Am為可動電極的有效感應(yīng)面積，Af為固定電極的有效感應(yīng)面積。通過在驅(qū)動層施加交流信號，壓電薄膜會產(chǎn)生收縮和伸長的應(yīng)力，該應(yīng)力帶動可動電極在垂直于敏感芯片基底的方向產(chǎn)生周期性的垂直振動。在可動電極周期性的垂直振動過程中，可動電極和固定電極交替屏蔽，可動電極和固定電極上的電場分布發(fā)生改變，其上感應(yīng)電荷量產(chǎn)生周期性變化。具體而言，當(dāng)可動電極上表面高于固定電極上表面時，可動電極上分布的電場值大于固定電極上分布的電場值，則可動電極上感應(yīng)電荷量多于固定電極上感應(yīng)電荷量，可動電極對固定電極產(chǎn)生電場屏蔽；反之，當(dāng)可動電極上表面低于固定電極上表面時，固定電極上分布的電場值大于可動電極上分布的電場值，固定電極上感應(yīng)電荷量多于可動電極上感應(yīng)電荷量，固定電極對可動電極產(chǎn)生電場屏蔽。即在可動電極運動過程中固定電極與可動電極互為屏蔽電極，其上感應(yīng)電荷隨可動電極的運動而發(fā)生變化。因此，當(dāng)可動電極周期性的垂直振動時，會在可動電極和固定電極上產(chǎn)生感應(yīng)電流is(m)和is(f)，即

可動電極和固定電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號的相位差為180°，感應(yīng)電流的大小與待測電場的強度成正比，通過檢測感應(yīng)電流可以推出外電場的強度。

在基于PZT的低電壓驅(qū)動MEMS電場傳感器中，固定電極與可動電極均為感應(yīng)電極，同時兩者又是屏蔽電極。在壓電材料PZT的驅(qū)動下，可動電極產(chǎn)生垂直振動，可動電極與固定電極形成交互屏蔽，當(dāng)存在待測電場時，分別在可動電極和固定電極上產(chǎn)生相位差為180°的感應(yīng)電流信號，兩者通過差分提升信噪比。

3 模擬仿真設(shè)計

3.1 靜電仿真

在對固定電極和可動電極進行參數(shù)優(yōu)化后，設(shè)定電極寬度為5 μm，電極間隙和電極厚度均為5 μm。本仿真采用2維仿真，將3組互屏蔽電極置于1 kV/m的電場環(huán)境中，得到電場在3組互屏蔽電極上的分布圖，如圖3和圖4所示。其中，電極1、電極3和電極5是固定電極；電極2、電極4和電極6是可動電極。

圖3 互屏蔽電極在可動電極靜止?fàn)顟B(tài)下的電場分布圖

圖4 互屏蔽電極在可動電極運動狀態(tài)下的電場分布圖

以圖3和圖4中電極3和電極4為例，可以看出，當(dāng)可動電極上表面高于固定電極上表面時，可動電極上分布的電場值大于固定電極上分布的電場值，則可動電極上的感應(yīng)電荷量多于固定電極上的電荷感應(yīng)量，仿真結(jié)果與理論分析一致。

3.2 可動結(jié)構(gòu)的運動仿真

本仿真采用3維仿真，對設(shè)計的可動結(jié)構(gòu)進行了位移的仿真，仿真模型和仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a)是可動結(jié)構(gòu)的3維仿真模型，圖5(b)是可動結(jié)構(gòu)中梁1上最大位移與頻率的關(guān)系，圖5(c)是可動結(jié)構(gòu)諧振時其上各部位的位移。仿真中，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，壓電材料PZT位于4根梁2上，梁2的外側(cè)面在各個方向的位移自由度設(shè)置為0，對PZT壓電薄膜施加電壓為1 V的交流信號，阻尼比設(shè)置為1/20。

圖5 可動結(jié)構(gòu)位移的仿真模型和仿真結(jié)果

表1 仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)

從仿真結(jié)果可以看出，設(shè)計的可動結(jié)構(gòu)其對應(yīng)的梁1在頻率3649.8 Hz 獲得最大的位移量，則可動結(jié)構(gòu)的諧振頻率為3649.8 Hz；在可動結(jié)構(gòu)諧振時，可動結(jié)構(gòu)上的最大位移可達8 μm左右。

4 敏感芯片制備

4.1 PZT溶膠制備

在制備PZT薄膜前，需要先制備PZT溶膠，采用溶膠凝膠法來實現(xiàn)前驅(qū)液的制備。配置的PZT溶膠中鋯和鈦摩爾比為52:48，鉛過量15% 以彌補在高溫?zé)崽幚磉^程中揮發(fā)損失。制備步驟如圖6所示，包括：

圖6 PZT溶膠的制備流程

(1)在圓底燒瓶中加入乙二醇甲醚和乙酸，通過乙酸來調(diào)節(jié)溶液的pH，乙酸在后續(xù)的反應(yīng)中也作為催化劑；

(2)將五水硝酸鋯和三水乙酸鉛加入圓底燒瓶；

(3)注入乙酰丙酮，乙酰丙酮作為反應(yīng)的穩(wěn)定劑；

(4)分多次注入鈦酸四丁酯；

(5)注入甲酰胺，甲酰胺作為螯合劑；

(6)采用0.22 μm的有機過濾頭進行過濾。

PZT溶膠制備過程中應(yīng)該嚴(yán)格控制鈦酸四丁酯、硝酸鋯和乙酸鉛的加入順序，若先加入鈦酸四丁酯，之后再加入硝酸鋯和乙酸鉛，配置的PZT溶膠會有白色固體析出。制備好的PZT溶膠呈通明淡黃色，在有光線照射下會產(chǎn)生丁達爾效應(yīng)。

4.2 工藝流程

制備工藝是基于SOI的微加工工藝。SOI的結(jié)構(gòu)體硅厚度為5 μm，埋氧層厚度為1 μm，襯底硅厚度為400 μm。

工藝流程如圖7所示：圖7(a)對清洗干凈的SOI進行熱氧化，SOI器件硅和襯底硅面上都形成二氧化硅絕緣層，熱氧厚度為500 nm；圖7(b)使用濺射工藝在SOI器件硅面的二氧化硅上制備驅(qū)動層下電極，驅(qū)動下電極使用50 nm的Ti和200 nm的Pt；圖7(c)在驅(qū)動下電極上旋涂PZT溶膠，并進行高溫退火形成結(jié)晶的PZT薄膜；圖7(d)使用磁控濺射和lift-off工藝在PZT薄膜上形成驅(qū)動上電極，上電極為厚300 nm的Pt；圖7(e)使用反應(yīng)離子刻蝕(Reaction Ion Etching,RIE)設(shè)備并通入CHF3氣體，圖形化PZT薄膜；圖7(f)使用離子束刻蝕(Ion Beam Etching, IBE)設(shè)備刻蝕圖形化驅(qū)動下電極；圖7(g)使用RIE設(shè)備并通入CHF3氣體，圖形化二氧化硅絕緣層；圖7(h)使用磁控濺射和lift-off工藝在器件硅上形成感應(yīng)電極焊盤，焊盤使用50 nm的Cr和300 nm的Au；圖7(i)使用深度反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)設(shè)備刻蝕圖形化器件硅；圖7(j)在結(jié)構(gòu)體硅上旋涂保護材料，保護材料使用聚酰亞胺和光刻膠雙層保護；圖7(k)采用RIE設(shè)備通入CHF3去除襯底硅表面熱氧的二氧化硅，使用DRIE設(shè)備刻蝕圖形化襯底硅，采用RIE設(shè)備通入CHF3去除埋氧層；圖7(l)采用RIE設(shè)備通入O2去除正面保護材料從而釋放可動結(jié)構(gòu)。

圖7 敏感芯片的加工工藝流程

對于敏感芯片的制備工藝流程，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是PZT壓電薄膜的制備。PZT壓電薄膜的制備是將PZT溶膠旋涂在驅(qū)動下電極上，經(jīng)低溫固型和高溫?zé)嵬嘶鸷笮纬蓧弘婒?qū)動薄膜。制備過程中，驅(qū)動下電極的圖形化需要在完成PZT薄膜壓電制備后進行。若在PZT薄膜制備前對驅(qū)動下電極完成圖形化，由于驅(qū)動下電極Pt和二氧化硅層的熱膨脹系數(shù)不同，會導(dǎo)致PZT材料在高溫退火后形成的壓電薄膜破裂。制備好的壓電薄膜需要確定其是否結(jié)晶以及結(jié)晶后晶體的擇優(yōu)取向，對其進行X 射線衍射(X-Ray Diffraction, XRD)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 壓電薄膜的XRD圖

從XRD圖譜可以看出，XRD衍射在PZT(100),PZT(110), PZT(111), PZT(200), PZT(211)對應(yīng)的特征角度上出現(xiàn)了特征峰，其他角度上沒有出現(xiàn)明顯的峰值，以及在PZT(111)方向衍射強度最大。所以，可以得出以下結(jié)論：(1)制備的壓電薄膜完成了鈣鈦礦的結(jié)晶；(2)壓電薄膜晶向沿PZT(111)方向取向性良好。

完成上述工藝后進行劃片得到電場敏感芯片。該電場敏感芯片的尺寸為5 mm×5 mm，其掃描電鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)照片如圖9所示。其中，可動電極和固定電極寬度為5 μm，固定電極和可動電極之間的間隙為5 μm。

圖9 電場敏感芯片的SEM照片

5 電場傳感器標(biāo)定系統(tǒng)

使用平行極板的方法對電傳傳感器進行標(biāo)定，如圖10所示，將金屬極板平行放置，中間通過絕緣性能良好的聚四氟乙烯支撐柱來連接，在金屬極板2上留一個尺寸與傳感器敏感探頭大小相近的孔來放置敏感芯片，放置芯片時使其表面與金屬極板2下表面平齊。金屬極板1接負直流電壓信號，金屬極板2接地，金屬極板3接正直流電壓信號。

圖10 電場傳感器測試標(biāo)定裝置

該MEMS電場傳感器通過測試電路進行信號處理后，實現(xiàn)電流信號的提取與放大。測試電路一方面給電場敏感芯片提供驅(qū)動激勵信號，另一方面實現(xiàn)敏感芯片上對應(yīng)電流信號的鎖相放大。

6 實驗測試

本文設(shè)計的MEMS電場傳感器需要工作在諧振態(tài)，對其進行掃頻測試。在室溫和室內(nèi)大氣壓條件下，1 V的交流驅(qū)動電壓作用下，設(shè)計的電傳傳感器的諧振頻率為3666 Hz。與仿真所得的諧振頻率3649.8 Hz相比，實驗測試所得的諧振頻率比仿真所得的結(jié)果大16.2 Hz，諧振頻率偏移量占仿真結(jié)果的0.4%。根據(jù)掃頻結(jié)果，得出實驗所測諧振頻率與仿真結(jié)果基本一致。

使電傳傳感器工作在諧振狀態(tài)，施加0～50 kV/m的電場，記錄電場敏感芯片的輸出，互屏蔽電極MEMS電場傳感器的電場響應(yīng)曲線如圖11所示。通過線性擬合得到了電場傳感器系統(tǒng)的靈敏度為0.292 mV/(kV/m)，線性度為2.89%，傳感器的前置放大總增益為15 MΩ，則傳感器敏感結(jié)構(gòu)的靈敏度為19.47 pA/(kV/m)。該傳感器具有驅(qū)動電壓低的突出優(yōu)點。作者計劃后續(xù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步對傳感器敏感結(jié)構(gòu)和測試電路進行設(shè)計優(yōu)化，有望獲得更好的性能。

圖11 電場傳感器的響應(yīng)曲線

7 結(jié)論

本文提出一種基于PZT的低電壓驅(qū)動MEMS電場傳感器，進行了原理分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元仿真、制備工藝研究和實驗測試?；赑ZT的低電壓驅(qū)動MEMS電場傳感器中固定電極和可動電極均為感應(yīng)電極，同時又為互屏蔽電極。本文設(shè)計并研究了敏感芯片制備工藝流程，制備了壓電驅(qū)動薄膜，突破了基于PZT壓電材料的可動電極MEMS工藝兼容制備技術(shù)。XRD結(jié)果表明壓電薄膜PZT已經(jīng)完成了鈣鈦礦的結(jié)晶。該傳感器具有工作電壓低的突出優(yōu)點。實驗結(jié)果表明，在0～50 kV/m電場強度范圍內(nèi)，采用1 V的交流驅(qū)動電壓，該電場傳感器系統(tǒng)的靈敏度為0.292 mV/(kV/m)，線性度為2.89%，傳感器敏感結(jié)構(gòu)的靈敏度為19.47 pA/(kV/m)。