CN101368988A - 免封装压电驱动式微小型电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种免封装压电驱动式微小型电场传感器，该传感器主要由压电驱动元件和感应导体构成，与传统机加工的电场传感器相比，它具有结构简单、成本低、功耗低的优点。与基于微机电技术(MEMS)的微型电场传感器相比，它具有敏感结构免封装，可靠性高的优点。

Description

免封装压电驱动式微小型电场传感器

技术领域

本发明涉及传感器，特别涉及免封装压电驱动式微小型电场传感器。

背景技术

电场传感器广泛应用在气象研究、航空航天、电力系统、静电防护以及地震预测等领域。

现有的电场传感器根据其工作原理大体上可分为光纤式和机械式两种，其中机械式电场传感器的种类更丰富一些，应用更广泛一些。已有的机械式电场传感器根据其体积大小，可分为采用传统机加工工艺制作的电场传感器和采用微机电技术(MEMS)制备的微型电场传感器。前者的优点是加工制作技术成熟，稳定性好，不足之处在于传感器的功耗大、体积大、成本高。后者的优点是体积小，功耗小，但不足之处在于这种传感器需要封装，而电场传感器的封装问题一直是国内外公认的难点问题，至今尚未解决。

发明内容

本发明的目的是提出一种免封装压电驱动式微小型电场传感器，该传感器主要由压电驱动元件和感应导体构成，具有结构简单、免封装、成本低的优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种免封装压电驱动式微小型电场传感器，其包括压电驱动元件、感应电极和支撑结构；压电驱动元件、感应电极分别固定在支撑结构上，压电驱动元件接地。

所述的传感器，其所述支撑结构为桌状，桌面中心部有孔，圆形压电驱动元件与支撑结构的桌面中心孔相适配，其四周圆固定在孔内沿上；片状感应电极位于压电驱动元件上方，与压电驱动元件平面平行设置，其大小与支撑结构的桌面相适配，中心部有孔，该孔与支撑结构的桌面中心孔相适配，感应电极四角固定在支撑结构桌面的四角上；

圆形压电驱动元件，直径≤10厘米，包括金属片和压电材料，金属片与压电材料一侧表面结合在一起，而压电材料的另一侧是导体电极，金属片接地。

所述的传感器，其所述压电驱动元件为一条形压电双晶片，感应电极为上、下感应电极；支撑结构为片状体，竖直设置，其中心有一通孔，上、下感应电极为U形片，两U形片的开口端分别固接于支撑结构的上、下端，互相平行设置，条形压电双晶片的一端穿过支撑结构的通孔，固定在支撑结构中间，而另一端为自由端；

条形压电双晶片包括上、下两层压电材料和中间金属层，中间金属层的两侧面分别固接上、下两层压电材料，上、下两层压电材料的外侧均固接有导体电极，上、下导体电极接地。

所述的传感器，其所述支撑结构的桌面、感应电极的形状是圆形、方形、三角形或多边形。

所述的传感器，其还包括档板，在感应电极和支撑结构的外周缘之间，设有档板，起到封闭圆形压电片的作用；档板与支撑结构及感应电极之间是绝缘连接。

所述的传感器，其所述金属片或金属层，为黄铜制成，感应电极由导电材料构成，导体电极由银制成，压电材料为压电陶瓷。

所述的传感器，其所述支撑结构与上、下感应电极侧面设有挡板，挡板与上、下感应电极之间为绝缘连接。

本发明传感器实现免封装，与传统的机械式电场传感器相比，体积变小，成本降低，同时由于采用了压电驱动方式，使得传感器功耗大大降低，具有很好的实用化前景。

附图说明

图1是本发明采用圆形压电驱动元件的电场传感器立体示意图；

图2是本发明采用圆形压电驱动元件的电场传感器结构示意图；

图3是圆形压电驱动元件结构示意图；

图4是采用条形压电双晶片结构的电场传感器立体示意图；

图5是采用条形压电双晶片结构的电场传感器示意图；

图6是条形压电双晶片结构示意图；

图7是采用条形压电双晶片驱动的盒式电场传感器结构示意图。

具体实施方式

本发明免封装压电驱动式微小型电场传感器是一种机械式电场传感器。为了回避电场传感器的封装问题并尽可能地保证传感器体积小、功耗小，本发明免封装压电驱动式微小型电场传感器，最大的特点在于它的感应电极部分可以直接暴露于空气中，且不易损坏，从而实现免封装。本发明传感器与传统的机械式电场传感器相比，体积变小，成本降低，同时由于采用了压电驱动方式，使得传感器功耗大大降低，具有很好的实用化前景。

本发明给出了两种免封装压电驱动式微小型电场传感器的实施方式，一种采用圆形压电驱动元件，另一种采用条形压电双晶片。其中前一种设计具有结构简单的特点，而后一种设计采用了差分结构，传感器的稳定性更好，只是制作稍复杂一些。

实施例1：

图1、图2和图3为采用圆形压电驱动元件设计的免封装压电驱动式微小型电场传感器示意图，传感器的结构包括圆形压电驱动元件1、感应电极2以及支撑结构3。支撑结构3为桌状，桌面中心部有孔，压电驱动元件1与支撑结构3的桌面中心孔相适配，其四周固定在孔内沿上，片状感应电极2位于压电驱动元件1上方，与压电驱动元件1平面平行设置，其大小与支撑结构3的桌面相适配，中心部有孔，该孔与支撑结构3的桌面中心孔相适配，感应电极2四角固定在支撑结构3桌面的四角上。

其中圆形压电驱动元件1由金属片4和压电材料5构成，如图3所示。金属片4与压电材料5可以通过粘结的办法结合在一起，而压电材料5的另一侧是导体电极6，通常可以采用银作为导体电极6的材料。金属片4通常采用较薄的黄铜制成，可以增加驱动结构的强度，并保持较小的刚度。这种压电驱动元件1最常见的结构是蜂鸣片，常见的蜂鸣片直径仅为厘米量级，可以在1厘米左右甚至更小，可以有效地减小传感器的体积并降低成本。当在导体电极6上施加电压，而金属片4接地时，压电驱动元件1会在逆压电效应的作用下发生形变，如果施加的电压是周期性的交流电压，那么压电驱动元件也会发生周期性的振动，我们正是利用压电驱动元件的周期性振动实现外电场调制和测量，图2所示的传感器的具体工作原理如下：

传感器工作时，外部驱动电路会给压电驱动元件1施加一定大小，一定频率的交流信号，接地的金属片4在逆压电效应的影响下发生周期性的振动，从而导致感应电极2上感应电荷发生周期性的变化，当金属片4靠近感应电极2时，金属片4的屏蔽作用较强，感应电极2上产生的感应电荷较少，当金属片4远离感应电极2时，金属片4的屏蔽作用较弱，感应电极2上产生的感应电荷较多，这样随着感应电荷周期性的变化，感应电极2会输出一个正比于外电场E的交变电流，通过外部测量电路检测出该电流的大小，便可以实现外电场测量。

其中感应电极2与外部电路的连接属于公知技术，通常是采用金属导线连接。

另外，在感应电极2和支撑结构3的外周缘之间，可以设置档板(图中没示出)，档板固定在支撑结构四周，可以起到封闭圆形压电材料5的作用。从而更好的保护圆形压电材料5，而制作档板的材料可以选择绝缘材料或金属材料，如果选择金属材料，应该注意保持档板与支撑结构3及感应电极2的绝缘。

从上述的原理描述可以看出，传感器正常工作关键的因素是感应电极2和金属片4之间发生了相对运动，也就是说只要能满足二者相对运动这个条件，传感器的结构形状完全可以根据实际需要来改变。在图1中，感应电极2的形状是方形，并开有圆孔，但实际上感应电极2如果是其它几何形状，比如圆形，多边形，以及其它任意几何图形，也是可以的。而孔的大小、形状，更是没有什么限制，方形，三角形，多边形以及其它任意几何形状都可以。不同的几何形状影响的仅仅是传感器的灵敏度，但从原理上来说，传感器仍然可以正常工作。

实施例2：

本发明还采用条形压电晶片设计了一种差分式电场传感器。传感器的结构如图4、图5和图6所示。传感器包括了一种条形压电双晶片7、上感应电极8、下感应电极9以及支撑结构10。其中，支撑结构10为片状体，竖直设置，其中心有一通孔，上、下感应电极8、9为U形片，两U形片的开口端分别固接于支撑结构10的上、下端，互相平行设置，条形压电双晶片7的一端穿过支撑结构10的通孔，固定在支撑结构10中间，而另一端为自由端。

条形压电双晶片7由上、下两层压电材料12和中间金属层11构成，如图6所示。中间金属层11的两侧面固接上、下两层压电材料12，上、下两层压电材料12的外侧均固接有导体电极13，导体电极13通常由银制成。当条形压电双晶片7的一端固定，而另一端为自由端时，如果对金属层11施加电压，同时上、下导体电极13接地时，由于逆压电效应的存在，会使得上下层压电陶瓷发生形变。而其形变的趋势主要由压电材料12的极化方向决定，当极化方向与驱动电压在压电材料12内部形成的电场方向一致时，压电双晶片7伸长，而当它们方向相反时，压电双晶片7缩短，这样在条形压电双晶片7中，两个晶片的变化趋势不一致，就可以使得条形压电双晶片7发生弯曲，如果所加的驱动电压为交变电压，条形压电双晶片7就可以周期性弯曲振动。由此，便可以利用接地的导体电极13调制外电场，传感器的工作原理如下：

当压电双晶片7靠近上感应电极8时，上感应电极8上的感应电荷会减小，而下感应电极9上的感应电荷会增加，当压电双晶片7远离上感应电极8时，上感应电极8上的感应电荷会增加，而下感应电极9上的感应电荷会减小，那么如果利用上感应电极8和下感应电极9上的感应电荷变化形成差分信号，便可以输出一个正比于外电场E的电流信号，通过检测电流的大小实现外电场检测。

为了减小或屏蔽其他方向电场的影响，也可以设计采用条形压电双晶片7驱动的盒式电场传感器，其结构如图7所示。该结构与图4的差别仅仅在于增加了侧面的挡板14，其他结构均相同，挡板14可以采用绝缘材料上增加金属层的办法制作，其金属层接地以后，可以屏蔽其他方向电场的影响。也可以采用导体材料制作挡板14，但制作传感器时需要保证其与上、下感应电极8、9的绝缘。

Claims (7)

1.一种免封装压电驱动式微小型电场传感器，其特征在于，包括压电驱动元件、感应电极和支撑结构；压电驱动元件、感应电极分别固定在支撑结构上，压电驱动元件接地。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑结构为桌状，桌面中心部有孔，圆形压电驱动元件与支撑结构的桌面中心孔相适配，其四周圆固定在孔内沿上；片状感应电极位于压电驱动元件上方，与压电驱动元件平面平行设置，其大小与支撑结构的桌面相适配，中心部有孔，该孔与支撑结构的桌面中心孔相适配，感应电极四角固定在支撑结构桌面的四角上；

圆形压电驱动元件，直径≤10厘米，包括金属片和压电材料，金属片与压电材料一侧表面结合在一起，而压电材料的另一侧是导体电极，金属片接地。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压电驱动元件为一条形压电双晶片，感应电极为上、下感应电极；支撑结构为片状体，竖直设置，其中心有一通孔，上、下感应电极为U形片，两U形片的开口端分别固接于支撑结构的上、下端，互相平行设置，条形压电双晶片的一端穿过支撑结构的通孔，固定在支撑结构中间，而另一端为自由端；条形压电双晶片包括上、下两层压电材料和中间金属层，中间金属层的两侧面分别固接上、下两层压电材料，上、下两层压电材料的外侧均固接有导体电极，上、下导体电极接地。

4.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述支撑结构的桌面、感应电极的形状是圆形、方形、三角形或多边形。

5.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，还包括档板，在感应电极和支撑结构的外周缘之间，设有档板，起到封闭圆形压电片的作用；档板与支撑结构及感应电极之间是绝缘连接。

6.如权利要求1、2或3所述的传感器，其特征在于，所述金属片或金属层，为黄铜制成，感应电极由导电材料构成，导体电极由银制成，压电材料为压电陶瓷。

7.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述支撑结构与上、下感应电极侧面设有挡板，挡板与上、下感应电极之间为绝缘连接。

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