综述：静电驱动MEMS谐振器在磁场和电场传感中的应用
2026-01-18 10:38:10 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本文介绍了采用静电驱动的谐振式MEMS传感器的研究进展，其具有功耗低、机械响应快以及与CMOS工艺兼容等优点。根据传感机理的不同，谐振式MEMS传感器可分为两大类：基于电磁感应原理的磁场传感器和依赖静电感应原理的电场传感器。

近年来，微机电系统（MEMS）谐振器领域的最新进展推动了紧凑型、高精度磁场和电场传感器的发展。

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国延世大学（Yonsei University）的研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Electrostatically actuated MEMS resonators for magnetic and electric field sensing: a review”的综述论文，概述了采用静电驱动的谐振式MEMS传感器的研究进展，其具有功耗低、机械响应快以及与CMOS工艺兼容等优点。根据传感机理的不同，谐振式MEMS传感器可分为两大类：基于电磁感应原理的磁场传感器和依赖静电感应原理的电场传感器。

针对上述两大类传感器，研究人员从驱动方式、谐振器结构设计策略、灵敏度提升技术以及定向探测能力等方面对代表性器件进行了系统分析，并探讨了相关的关键设计考量与制造工艺限制。该综述重点总结了基于MEMS谐振器的磁场与电场传感器的现有技术路线及其特性，并着重阐述其结构原理与应用背景。通过上述分析，该综述旨在为下一代MEMS磁场与电场传感器的研发提供有价值的参考与启示，推动其在导航定位、生物医学诊断、车辆探测以及电气系统无损检测等领域的应用与发展。

静电驱动是MEMS谐振器中最普遍的驱动方式之一，具有结构简单、易于扩展以及与标准微纳加工工艺高度兼容等优点。由于所产生的静电力对施加电压和电极位移均呈非线性关系，这类系统在本质上表现出复杂的动力学行为，这些行为主导着谐振稳定性和传感性能。为了使传感器实现稳定可靠的工作，需要精确的驱动与控制方案，以在温度、湿度以及其他环境扰动变化的条件下，仍能保持一致的谐振幅值和相位。研究人员探讨了静电驱动MEMS谐振器的非线性动力学特性，并介绍了开环与闭环控制方案，包括自振荡和锁相环（PLL）等方法。这些方案能够确保谐振器在长期运行中的频率与幅值稳定性，并提升谐振式传感器的信噪比（SNR）。

静电谐振MEMS传感器的控制方案

图1 静电谐振MEMS传感器的控制方案

MEMS磁场传感器

磁场传感器用于测量外部磁场的强度和方向，根据其量程和分辨率的不同，被广泛应用于多个工业与科研领域，包括位置检测、考古、汽车工业、医疗行业、空间科学研究、脑功能成像、导航以及无损诊断等。MEMS磁场传感器具有体积小、响应速度快以及与批量制造工艺兼容等显著优点。其中，一类研究最为广泛的MEMS磁场传感器基于洛伦兹力传感原理：当电流通过微结构时，在外部磁场作用下产生洛伦兹力。该力会引起振动结构的位移及其谐振频率的变化，这些变化可通过多种换能方式进行检测，包括压电式、电容式、压阻式以及光学式。

尽管基于洛伦兹力的MEMS传感器具有重要应用价值，但其仍面临一些固有挑战。为了产生可测量的位移或频率变化，通常需要较高的激励电流，这不仅会增加功耗，还会引发焦耳热效应，从而导致谐振器产生热应力、性能漂移以及机械不稳定性。此外，承载电流的微结构往往需要复杂的电气布线和读出电路，这在一定程度上限制了系统的集成密度与可靠性。为克服上述局限，近年来的研究开始探索将驱动与传感机制解耦的替代MEMS磁场传感方案。其中，结合静电驱动与电磁感应传感的MEMS传感器因其低功耗和良好的热稳定性而受到越来越多的关注，成为一种有前景的替代方案。

采用电磁感应的静电驱动MEMS磁场传感器

近年来，多项研究提出了采用静电驱动与电磁感应传感的MEMS磁场传感器。与基于洛伦兹力的传感器方案相比，静电力驱动的MEMS传感器具有功耗低、无自发热等优点。同时，电磁感应传感可直接输出电压信号，从而简化了读出电路，并且对外加磁场表现出优异的线性响应特性。图2a和2b分别展示了利用静电驱动和电磁感应传感技术对平面外（out-of-plane）和平面内（in-plane）磁场进行检测的原理示意图。

基于静电驱动和电磁感应的磁场传感机制示意图

图2 基于静电驱动和电磁感应的磁场传感机制示意图

Wu等人提出了一种新型平面外MEMS磁场传感器，采用电容式驱动与电磁感应传感相结合的方案，如图3a所示。该MEMS传感器由一个方形板式谐振器构成，其四个边可实现对称的收缩与伸展运动，在谐振器上表面集成了平面感应线圈。在方形伸缩（SE）振动模态下，谐振板的四个边同相地发生收缩与伸展。位于谐振板上的感应线圈各部分所产生的感生电动势被累加，从而实现输出信号的检测。

静电力驱动的平面外MEMS磁场传感器

图3 静电力驱动的平面外MEMS磁场传感器

Zhang等人利用绝缘体上硅（SOI）多用户MEMS工艺，仅使用三张光刻掩膜制备了一种基于电磁感应的MEMS磁场传感器。如图3c所示，该传感器由一对双端固支梁及其上的U形金感应线圈构成，采用无需电绝缘层的简化制造工艺实现。U形感应线圈与连接在两根微梁上的梳齿驱动器共同发生谐振。由于该传感器采用了双端音叉结构的柔性微梁，其激励电压可降低至5 V，同时灵敏度提升至17.7 mV/T。

对磁场总强度及其方向的探测需要对磁场各分量进行精确测量，因此不仅需要测量平面内磁场，还需要测量平面外磁场。Liu等人提出了一种工作于扭转模态、基于电磁感应的MEMS磁场传感器，用于平面内磁场检测，如图4a所示。该传感器在空气中的工作性能表现为：灵敏度为100 mV/mT、线性误差小于0.3%、分辨率高达25 μT，且功耗低于1 μW。随着实验环境压力的降低，传感器灵敏度迅速提升；在500 Pa的低压条件下，与空气环境相比，其灵敏度提高了41倍，分辨率提高至0.6 μT。

静电力驱动的平面内MEMS磁场传感器

图4 静电力驱动的平面内MEMS磁场传感器

Liang等人提出了一种基于电磁感应的扭转式MEMS磁场传感器，采用垂直交错梳齿驱动结构实现平面内磁场检测，如图4b所示。这种垂直交错梳齿驱动器并非将固定梳齿与活动梳齿布置在同一平面内，而是交替分布于不同的垂直层级，在不增加器件占位面积的前提下显著提高了有效驱动面积。同时，该结构在大气压条件下能够促进梳齿之间的高效气流通道，从而大幅降低空气阻尼。该MEMS磁场传感器在大气压下工作时表现出优于0.4%的线性误差、6 μT的高分辨率，以及仅75 nW的超低功耗。

MEMS磁场传感器的潜在应用

采用静电驱动并结合电磁感应传感的MEMS谐振式磁场传感器具有器件尺寸小、与CMOS工艺兼容等优点。相较于基于洛伦兹力的MEMS磁场传感器，该类器件在替代应用中表现出功耗低和线性度优异的特点。此类MEMS磁场传感器的分辨率可达到数μT量级，并且可通过真空封装进一步拓展其检测范围。该类磁场传感器的应用领域包括旋转与位置检测、导航定位、车辆探测与引导以及便携式电子设备等。

MEMS磁场传感器的潜在应用

图5 MEMS磁场传感器的潜在应用

MEMS电场传感器

电场传感器是一类能够检测宽范围电场的器件，其探测对象既包括大气环境和人体周围的电场，也涵盖电子器件及高压系统所产生的电场。凭借其多样化的适用性，这类传感器已被广泛应用于电子器件无损诊断、生物医学领域以及运动感知等场景。MEMS电场传感器也已发展多年。不同于以往工作，研究人员将静电驱动的谐振式MEMS电场传感器按照其目标感测维度进行分类，并对其性能特点进行了结构化概述。

采用静电感应的静电驱动MEMS电场传感器

用于电场检测的静电驱动MEMS谐振器通常采用“场磨（field mill）”原理。场磨是一种在宏观尺度下用于电场测量的装置，其工作机理基于静电感应效应。如图6所示，场磨由一个接地的屏蔽体（或快门）构成，该屏蔽体连接至旋转电机，而感测电极布置在屏蔽体下方。当装置暴露于电场中时，感测电极表面会形成感应电荷；通过旋转接地屏蔽体，使感测电极暴露于电场的有效面积发生周期性变化，从而引起表面电荷的变化，并据此产生感应电流。

宏观尺度下场磨示意图

图6 宏观尺度下场磨示意图

然而，与宏观系统不同，在MEMS器件中实现完全的旋转运动对于场磨类应用而言具有较大挑战。为克服这一限制，研究人员将线性谐振驱动和扭转谐振驱动引入MEMS电场传感器中。

Horenstein等人设计并制备了首批基于静电谐振驱动与静电感应原理的MEMS电场传感器。如图7a所示，接地屏蔽体与位于下方的感测电极呈垂直平行布置。电场检测原理如图7b所示：随着感测电极暴露于电场的有效面积发生变化，通过静电感应效应在感测电极上产生感应电荷。尽管该器件需要60 V的较高驱动电压，但由于暴露面积变化量较小，其灵敏度仅为35 µV/(kV/m)，表现出较低的检测灵敏度。

Peng等人提出了如图7c所示的传感器结构设计，通过增大电场暴露面积并引入差分感测机制来提升传感器灵敏度。

具有垂直平行结构（接地屏蔽体面向底部感测电极）的MEMS电场传感器

图7 具有垂直平行结构（接地屏蔽体面向底部感测电极）的MEMS电场传感器

在前述的MEMS电场传感器中，电场通常仅在单一方向上进行测量。然而，在诸如自动驾驶等实际应用场景中，电场的方向往往是未知的，因此有必要对多维电场进行测量。为应对这一挑战，研究人员已开发出能够探测多方向电场的MEMS传感器。

用于多维电场测量的单芯片MEMS传感器

图8 用于多维电场测量的单芯片MEMS传感器

基于模态局域化的静电驱动MEMS电场传感器

基于模态局域化的MEMS传感器可测量弱耦合谐振器系统中谐振模态的频率变化。当施加诸如质量或加速度等输入时，耦合系统会产生微小扰动，从而引起谐振频率的偏移。利用这一现象，Hao等人展示了一种基于模态局域化效应的MEMS电场传感器，其结构示意图和SEM图像分别如图9a和9b所示。该模态局域化MEMS电场传感器在7 kV/m的测量范围内实现了0.76 /(kV/m)的灵敏度。

模态局域化的MEMS电场传感器