一种基于模态局域化的高性能MEMS静电压传感器

王子龙，刘向明，高雅浩，彭思敏，修 日，杨鹏飞，毋正伟，彭春荣,2

(1.中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049；3.北京信息科技大学理学院，北京 100192)

0 引言

静电压传感器广泛应用于空间探测[1]、质谱分析[2]、静电监测等多个领域。目前常用静电压传感器主要包括接触式和非接触式，其中，接触式需要一个非常高的输入阻抗，对检测电路要求高。而非接触式一般包括3种工作原理，分别是：感应探针式、场磨式和反馈式。其中，感应探针式是基于电流积分式原理[3],通过改变目标与探针之间的距离进行读数，因此在每次读数之前都必须要进行校准，因此不适合连续读取表面电压。场磨式是通过机械马达带动屏蔽电极旋转，周期性地屏蔽感应电极，从而产生感应电流[4]。这种传感器精度较高，但由于需要马达驱动，易损坏，并且结构一般较大且复杂。反馈式由反馈回路和集成高压源构成，通过调节反馈回路实现被测面和传感器之间的电场等于零时，实现被测导体电压的探测。这种方式具有较高的精度，然而由于存在升压设备，存在高静电压触点等问题。因此研制一种高性能、低成本的静电压传感器具有重要的意义。对此，本文基于多自由度弱耦合谐振敏感结构的模态局域化效应，提出并研制了一种高性能微型静电压传感器。

1 MEMS静电压传感器设计与分析

1.1 工作原理

模态局域化的原理如图1所示，3个谐振器通过细长梁弱耦合连接，当无电压输入时，系统处于稳定状态，2个外侧的谐振器的振动幅度相同；……