CN102879655B - 一种振动式微机械电场传感器 - Google Patents

一种振动式微机械电场传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN102879655B
CN102879655B CN2012104267332A CN201210426733A CN102879655B CN 102879655 B CN102879655 B CN 102879655B CN 2012104267332 A CN2012104267332 A CN 2012104267332A CN 201210426733 A CN201210426733 A CN 201210426733A CN 102879655 B CN102879655 B CN 102879655B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fixed fingers
bascule
field sensor
electric
screen layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2012104267332A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102879655A (zh
Inventor
刘恒
孟瑞丽
刘清惓
张加宏
李敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xinhua Hualunda Cast Steel Co., Ltd.
Original Assignee
Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Information Science and Technology filed Critical Nanjing University of Information Science and Technology
Priority to CN2012104267332A priority Critical patent/CN102879655B/zh
Publication of CN102879655A publication Critical patent/CN102879655A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102879655B publication Critical patent/CN102879655B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种振动式微机械电场传感器，一种振动式微机械电场传感器，包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层,所述屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁。本发明能利用平行板电容器加载静电来对屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，通过振动速度信号的差分式反馈来对针对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐，实现振动式微机械电场传感器的常压封装，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性，解决了现存微机械电场传感器中的制造误差补偿和封装及输出信号稳定性等关键问题。

Description

一种振动式微机械电场传感器
技术领域
本发明涉及一种电场传感器，尤其涉及一种振动式微机械电场传感器，能通过静电对电场传感器的谐振频率和品质因数进行调谐。
背景技术
电场传感器是测量电场强度的装置,它广泛应用于国防、航空航天、气象探测、电力、地震预报、科学研究以及工业生产等多个领域,具有非常重要的作用。比如,借助电场传感器对地面和空中大气电场变化的监测,可以获取准确的气象信息,从而为导弹、卫星等飞行器发射升空提供安全保障；在工业生产领域,利用静电场传感器监测工业环境中的电势分布和电场分布，有助于我们及时采取有效的措施预防事故的发生；还有通过测量电力系统和电器设备周围电场,可用于故障监测和诊断等等。此外，电场检测在静电防护、电磁环境监测、以及科学研究等方面也具有十分重要的应用。微型电场传感器是基于MEMS技术制备的一类电场传感器，相对于采用传统机械加工技术加工的电场传感器，是加工方式的改变。微型电场传感器具有体积小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生产等突出优点，很好地满足了电场传感器的发展趋势和需求，进一步拓宽了其应用领域。
谐振式微型电场传感器是基于谐振工作原理的微型电场传感器,该类传感器是基于获得最大电场感应灵敏度而设计的。由于振动式电场传感器时刻要求屏蔽层中的活动结构处在谐振状态，同时在谐振状态时同样的能量能够获得更大的振动幅度，从而达到大的灵敏度。目前多采用真空封装的方法来改善封装的品质因数，真空度越高，相同的传感器芯片封装后的品质因数就越大，同样能量驱动下可获得的灵敏度也就越大。真空封装中，金属的封帽具有较好的气密性和稳定性，但金属的封帽会导致电场感应的电荷在封帽上累积，累积的电荷会导致电场重新分布，影响测量电场强度的可靠性。
彭春荣、夏善红的《微型电场传感器抗静电积累封装结构》（专利号：200810222768.8）,文献提到真空封装在金属封帽上的电荷积累,提出了一种改进的导体封盖来减小静电荷的累积,通过气密圈来实现真空和非真空的封装。密封是通过o型圈和真空密封胶来完成的,但由于封装工艺的复杂性及塑胶材料的气密性与稳定性问题,目前该技术没有得到推广。
采用玻璃和陶瓷等材料作为封帽，虽然能克服电荷累积问题，但长时间存放后真空度得不到保证。Haiyan Zhang，Dongming Fang，Pengfei Yang等 在文献报道上 (Humidity-Induced Charge Leakage and Field Attenuation in Electric Field Microsensors[J] . Sensors,2012,12:5105-5115.) 提到用一种含聚四氟乙烯高分子化学材料（缩略PTFE）为封帽材料，由于长期真空封装的气密性不好，同时空气中的水分会进入传感器封装腔体内，封装腔体内的水分存在会严重影响传感器测量输出结果的稳定性。
另外，由于微机械制造工艺存在的关键线宽损失，使得加工的微结构表芯与设计的不一致。针对电场传感器的制造误差补偿目前很少关注，而结构的制造误差将导致机械谐振频率的变化，给后续的电路设计带来困难。目前文献资料还没有介绍针对微机械振动电场传感器的制造误差的补偿。
根据上述说明，现存的振动式微机械电场传感器暂没有针对封装电荷的累积和输出的稳定性提出有效的解决方法，也没有针对制造过程的误差提出补偿办法。
发明内容
本发明的技术解决问题:针对现存振动式微机械电场传感器研制中存在的制造误差和封装问题，提出利用平行板电容器加载静电来对屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，通过振动速度信号的差分式反馈来对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐。上述创新性措施能实现振动式微机械电场传感器的常压封装应用，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性，解决了现存微机械电场传感器中的制造误差补偿和封装及输出信号稳定性等关键问题。
静电驱动方式具有实现简单，容易与后续信号处理模块集成等特点，广泛应用于微机械电子传感器中。面内振动的微机械电场传感器主要包括屏蔽层结构和感应层电极，屏蔽层结构水平方向运动周期的遮盖下面的敏感电极，使得感应电极表面上的感生电荷量发生周期性变化。因而接口电路中产生与外界电场成比例的交变电流。这种方式下结构对称性比较好，结构层的厚度对面内振动模态频率不产生影响，微机械加工也比较容易。 
根据原理，感生电流与其他参量关系如下：
                                                                                                
Figure 923237DEST_PATH_IMAGE001
                                            （1）
式（1）中，
Figure 592116DEST_PATH_IMAGE002
为感生电流，
Figure 788742DEST_PATH_IMAGE003
为介电常数，
Figure 215175DEST_PATH_IMAGE004
为电场感应的有效面积，
Figure 155450DEST_PATH_IMAGE005
为敏感电极差分后感应的电荷量，
Figure 678835DEST_PATH_IMAGE006
为待测量电场强度。设屏蔽层中的活动结构做正弦振动，且垂直运动方向的长度为
Figure 780783DEST_PATH_IMAGE007
，振动幅度为
Figure 960092DEST_PATH_IMAGE008
，则式（1）可以表示为：
                               
Figure 438478DEST_PATH_IMAGE009
                         （2）
式（2）中，
Figure 816369DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 354798DEST_PATH_IMAGE011
分别为屏蔽层中活动结构振动的角频率和相位。电流信号经过I-V转换、放大、滤波等之后，用激励信号作为电场解调的参考信号，经过相关解调和低通滤波后，解调出的电场强度值为：
                                                     
Figure 818140DEST_PATH_IMAGE012
                                               （3）
式（3）中的
Figure 100217DEST_PATH_IMAGE013
为电路参数决定的常量，不能任意增大，太大电路就达到输出电压饱和。根据式（3）可知，振动频率
Figure 535878DEST_PATH_IMAGE010
和振动幅值以及敏感电极敏感到的电场强度
Figure 195846DEST_PATH_IMAGE006
直接影响了输出信号的大小和测量的准确性。
Figure 16035DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 368519DEST_PATH_IMAGE008
越大，传感器灵敏度越高。对于谐振梁结构的幅频特性而言，在谐振频率处振动幅度最大，从而能获得最大的电场感应灵敏度。因此，激励电压应该实时跟踪结构谐振频率的变化。
对于屏蔽层的活动结构要求其处在谐振状态，在开环状态下不考虑驱动信号检测反馈静电力、速度反馈电压产生的静电力及调谐活动结构的静电力，活动结构的受力方程可以表示为：
        
Figure 920854DEST_PATH_IMAGE014
                     （4）
式（4）中，
Figure 358788DEST_PATH_IMAGE015
为屏蔽层活动结构的质量，
Figure 982668DEST_PATH_IMAGE016
为屏蔽层活动结构的封装后的阻尼系数，
Figure 127341DEST_PATH_IMAGE017
为屏蔽层活动结构的振动模态对应的刚度，
Figure 240791DEST_PATH_IMAGE018
为驱动梳齿对电容，
Figure 103705DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 328012DEST_PATH_IMAGE020
分别为对应的直流和交流驱动电压，
Figure 592772DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 877123DEST_PATH_IMAGE022
为对应的静电驱动力大小和角频率，
Figure 961753DEST_PATH_IMAGE023
为屏蔽层活动结构的位移。求解等式（4）得到振动位移的幅度：
                                                                                         （5）
式（5）中，
Figure 564270DEST_PATH_IMAGE026
为屏蔽层活动结构的固有振动模态频率，
Figure 401776DEST_PATH_IMAGE027
，为品质因数，。当交流激励电压的频率
Figure 567812DEST_PATH_IMAGE022
与
Figure 689352DEST_PATH_IMAGE026
相同时，振动幅度达到最大: 
Figure 996836DEST_PATH_IMAGE030
。
此条件下式(3)可以化简为：
                                                      
Figure 153011DEST_PATH_IMAGE031
                                      （6）
根据式（6）可知，在谐振状态下，当静电驱动力确定时，振动式微机械电场传感器的灵敏度与品质因数
Figure 887749DEST_PATH_IMAGE028
有关。
Figure 496585DEST_PATH_IMAGE028
越大，越利于信号的检测，相应灵敏度越大，这要求在传感器封装中尽量减少阻尼系数
Figure 342181DEST_PATH_IMAGE016
。
本发明在分析等式（4）后，发现阻尼项与振动速度有关。本发明利用速度检测信号反馈到驱动端，这样在等式左边就多了一项负的阻尼力项。屏蔽层中的活动结构振动信号通过C/V电荷放大器、仪表放大器、带通滤波器后得到反映振动位移的电压信号，该电压信号经过比例放大后大小与位移成比例。随后该信号通过微分和移相后叠加到调谐品质因数的固定梳齿上。加在对称的两个调谐品质因数的固定梳齿上的电压为和
Figure 342915DEST_PATH_IMAGE034
及为和，其中
Figure 199510DEST_PATH_IMAGE036
为振动速度变成反馈电压的增益系数。这样式（4）表示为：
                     
Figure 517358DEST_PATH_IMAGE037
              （7）
式（7）可以进一步化简为：
                                         
Figure 970336DEST_PATH_IMAGE038
                                  （8）
式（7）和（8）中，为调节阻尼的梳齿对电容。由于梳齿电容对振动位移的偏微分与屏蔽层中活动结构的振动位移与振动速度无关，所以式（8）使得活动结构振动过程中的阻尼系数减小，减小多少与调节阻尼的梳齿对电容参数及直流电压、反馈电压的增益系数有关。
针对制造过程中的关键线条误差，会使得结构的质量减轻，将导致活动结构的谐振频率增大，影响后续的测控电路的搭配。通过分析式（8）可知，屏蔽层中活动结构的谐振频率与支撑梁刚度
Figure 999286DEST_PATH_IMAGE017
和活动结构的质量
Figure 839066DEST_PATH_IMAGE015
有关，通过引入静电负刚度就可以对谐振频率进行调谐。引入静电负刚度后式（8）可以表示为：
                             
Figure 257409DEST_PATH_IMAGE040
                      （9）
式（9）中，
Figure 815430DEST_PATH_IMAGE041
为调节活动结构谐振频率梳齿对电容代数和，对应的固定梳齿加载直流电压为
Figure 344631DEST_PATH_IMAGE042
。电容
Figure 242180DEST_PATH_IMAGE041
可以表示为：
Figure 893741DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 611162DEST_PATH_IMAGE044
为介电常数，
Figure 6371DEST_PATH_IMAGE045
为平板电容的正对面积，
Figure 758426DEST_PATH_IMAGE046
为平行板电容器中初始小间距。式（9）忽略振动位移高阶项后表示为：
                  
Figure 580889DEST_PATH_IMAGE047
         （10）
式（10）表明，在静电负刚度下，屏蔽层中活动结构的谐振频率
Figure 847922DEST_PATH_IMAGE048
将变化为
Figure 984505DEST_PATH_IMAGE049
，其表达形式为：
Figure 653384DEST_PATH_IMAGE050
，不同的加载直流电压为
Figure 584431DEST_PATH_IMAGE042
将对应不同的谐振频率。
本发明的原理就是通过静电来调节品质因数和补偿制造结构的关键尺寸误差，上述理论分析能够通过简单的电路来实现。
本发明针对现存振动式微机械电场传感器中的提高灵敏度与封装电荷积累矛盾、微机械制造误差与外围电路搭配适应性的矛盾问题，提出了一种新型的振动式微机械电场传感器，包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层,所述屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁；所述固定梳齿结构包括一对驱动梳齿、一对用于驱动信号检测的第一、第二固定梳齿、一对用于调谐品质因数的第三、第四固定梳齿、以及一对调谐活动结构谐振频率的第五、第六固定梳齿；其中，所述第五、第六固定梳齿分别对称设置在质量块的上下两端，所述第一、第二固定梳齿、驱动梳齿，以及第三、第四固定梳齿依次分别对称设置在质量块的左右两端，所述活动结构上的梳齿与所述第五、第六固定梳齿共同形成平板电容器，通过改变第五、第六固定梳齿与活动结构上的梳齿之间的间距改变平板电容器电容的大小。
敏感层在屏蔽层下面，敏感层由金属电极差分构成，提高了检测信号的抗干扰能力。外围电路采用了自激驱动来实现频率跟踪和恒定幅度振动，其中屏蔽层中活动结构的振动速度反馈信号动加载在调谐品质因数的固定梳齿上，就可以实现常压下的绝缘材料封装，封装后的高品质因数由于反馈将得到提高，相应的振动的幅度和灵敏度会增大，减少高真空度封装中金属封帽对输入电场衰减的影响；也克服了陶瓷和玻璃在长期高真空封装中的气密性不好引起的水分进入传感器封装腔体引起的稳态输出信号不稳定问题。另外，利用加载在调谐活动结构谐振频率的固定梳齿上的电压，可以调节活动结构的谐振频率，后续的搭配电路可以减少调试参数。
本发明提出了一种新型振动式微机械电场传感器的设计方案，包括芯片的拓扑结构和外围电路的原理框图，为实现振动式微机械电场传感器的生产应用提供了可选择途径。
附图说明
图1 为本发明的振动式微机械电场传感器的剖面示意图。
图2为本发明的振动式微机械电场传感器屏蔽层示意图。
图3 为本发明对应的振动式微机械电场传感器敏感层示意图。
图4 为本发明的传感器与对应外围电路。
图5 为本发明的调节屏蔽层活动结构谐振频率的平板电容器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的振动式微机械电场传感器包括屏蔽层1、敏感层2及基座3。其中敏感层2由单晶硅材料通过体硅深刻蚀成设计的结构，敏感电极由金属铂材料通过溅射构成，基座3为专门用于键合的玻璃材料。为了使活动结构具有可动空间，敏感电极层与屏蔽结构层有一定的空间，屏蔽层结构与基座通过阳极键合结合在一起。
如图2所示，屏蔽层1包括活动结构E5、固定梳齿结构，其中活动结构E5包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁；所述固定梳齿结构包括一对驱动梳齿A11和A12、一对用于驱动信号检测的第一、第二固定梳齿B21和B22、一对用于调谐品质因数的第三、第四固定梳齿C31和C32、以及一对调谐活动结构谐振频率的第五、第六固定梳齿D41和D42；其中，所述第五、第六固定梳齿D41和D42分别对称设置在质量块的上下两端，所述第一、第二固定梳齿B21和B22，驱动梳齿A11和A12，以及第三、第四固定梳齿C31和C32依次分别对称设置在质量块的左右两端。
如图2所示，屏蔽层1中的活动结构E5包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁,根据设计需要可以是直梁,也可以是折叠的U型梁，但梁在面内振动方向（沿x轴方向）的刚度小，在面内垂直振动方向（沿Y轴方向）的刚度大，交叉耦合误差小。由于本发明的振动式微机械电场传感器在纸面左右方向振动，也即沿x轴方向振动，垂直纸面方向的厚度不对结构振动工作模态频率产生影响。
如图2所示，屏蔽层1中的活动结构E5中的中心质量块上的梳齿与固定的一对驱动梳齿A11和A12构成差分驱动电容，根据实际设计需求，可以调整梳齿数目及梳齿的交叠长度，也可以适当调整固定梳齿与活动梳齿的间隔距离。活动结构接地，在驱动电压下周期的屏蔽下面的敏感层差分电极，这样就在差分电极上产生感生电荷，检测电荷变化就可以检测活动结构的振动位移情况。
如图2所示，屏蔽层1中的活动结构E5中的中心质量块上的另外一组梳齿与第一、第二固定梳齿B21和B22构成差分驱动信号的检测电容。根据实际设计需求，可以调整驱动信号的检测电容对应的梳齿数目及梳齿的交叠长度，也可以适当调整固定梳齿与活动梳齿的间隔距离。
如图4所示，第一、第二固定梳齿B21和B22通过电荷放大器C/V电路111和112、仪表放大器电路12、二阶带通滤波器电路13得到反映振动位移的正弦信号电压波形，后续一路产生直流驱动电压，一路产生交流驱动电压。带通滤波器13出来的信号一路通过全波整流电路14、低通滤波器15、反相加法器16后得到直流驱动电压信号。带通滤波器出来的信号另一路通过一阶全通移相器17后得到交流驱动电压信号。屏蔽层1上的活动结构E5为了克服非对称驱动力的影响，采用了双边差分驱动，所以一路交流信号反相后与直流驱动电压相加连接在固定梳齿A11上，另一路交流信号直接与直流驱动电压相加连接在固定梳齿A12上。在直流驱动电压-交流驱动电压控制上，采用自动增益控制，直流参考电压DC为外部提供的稳压电源。
如图2所示，屏蔽层1中的活动结构E5中的中心质量块上的另外一组梳齿与第三、第四固定梳齿C31和C32构成差分品质因数调谐电容。通过理论分析知，品质因数的调谐是在改变静电驱动力，所以本发明也是通过加载不同的静电力来实现品质因数的调谐，电压到力的转移是通过电容来完成的。根据实际设计需求，可以改变谐调品质因数的电容对应的梳齿数目及梳齿的交叠长度，也可以适当调整固定梳齿与活动梳齿的间隔距离。
如图4所示，带通滤波器13出来的正弦电压信号反映屏蔽层中活动结构的振动位移，该正弦电压信号经过比例放大k0倍21后，再经过微分电路22就得到反映振动速度的信号，为了使速度反馈的信号对应的静电驱动力不影响振动位移，经过微分电路后的信号经过一阶全通移相器23就得到交流电压信号。本发明为了减小速度反馈信号对应的静电力的不对称影响，采用了差分方式来调谐品质因数。直流参考电压DC1为外部提供的稳压电源，来自移相器的交流电压信号一路反相与直流参考电压DC1叠加在固定梳齿C31上，另一路不反相直接与直流参考电压DC1叠加在固定梳齿C32上。
如图2所示，屏蔽层中的活动结构E5纸面上下方向的梳齿与第五、第六固定梳齿D41和D42构成平板活动结构频率调谐电容。由理论分析知，谐振频率的调谐是在改变静电驱动力来产生等效负刚度，所以本发明也是通过加载不同的静电力来实现活动结构谐振频率的调谐。根据实际设计需求，可以改变调谐活动结构谐振频率电容对应的正对面积和间距。由于整个屏蔽层的厚度一致，本发明中采用了平板电容间距的大小搭配。上下两个调谐活动结构谐振频率的梳齿电容完全一致，如图5所示，D41与活动结构上面的梳齿构成调谐平板电容，
Figure 338760DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 279034DEST_PATH_IMAGE051
分别为梳齿电容的上下间隔距离，本发明中，
Figure 802420DEST_PATH_IMAGE052
，在平板电容计算中可以不考虑间距
Figure 904368DEST_PATH_IMAGE051
那部分对应的电容，简化设计计算过程。如图4所示，第五、第六固定梳齿D41和D42均接上直流电压源DC3，通过改变直流电压源DC3大小就可以改变调谐频率。
如图3所示，敏感层由金属铂电极组F61和F62构成。初始未上电时，屏蔽层中的活动结构静止，差分铂电极组F61和F62均被部分屏蔽，并且铂电极组F61和铂电极组F62被屏蔽的面积相等。在振动幅度达到最大时，不是铂电极组F61被完全屏蔽，铂电极组F62全部暴露在电场下；就是铂电极组F62被完全屏蔽，铂电极组F61全部暴露在电场下。这样的差分结构能够提供最大的感应电荷。
如图4所示，敏感电极组F61和组F62的信号通过电荷放大器311和312将电荷信号转换为电压信号，直流电压电压源DC2通过运算放大器的虚短与敏感电极组F61和组F62相连，两个电荷放大器出来的电压信号差分形式进入仪表放大器32，仪表放大器32出来的电压信号经过带通滤波器33得到反映电场强度和屏蔽层结构振动频率的正弦信号。正弦信号进一步放大k1倍34后通过模拟乘法器35进行解调，模拟乘法器另一路信号来自于反映振动速度的电压信号，该电压信号来自于微分电路22。模拟乘法器解调后得到的信号经过低通滤波器电路36后再放大k2倍37就得到反映电场强度的直流电压信号V0。
本发明采用了静电力来对振动式微机械电场传感器屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，可以对微机械加工中的制造误差进行适当补偿，达到同一批次同一尺寸传感器芯片尽量采用统一的后续处理电路，减少针对不同传感器芯片搭配外围电路的工作量。
本发明提出的振动式微机械电场传感器包括屏蔽层中的活动结构振动速度信号反馈连接的梳齿，能利用该梳齿和外围电路实现电场传感器的常压封装达到大的振动幅度和灵敏度，提高了传感器测量的精度和稳定性。
本发明中的振动式微机械电场传感器采用了静电梳齿驱动，相对平板电容结构具有更好的线性驱动力和便于理论计算分析。

Claims (5)

1.一种振动式微机械电场传感器，包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层, 其特征在于：所述屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的与固定梳齿结构对应的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁；所述固定梳齿结构包括一对驱动梳齿、一对用于驱动信号检测的第一、第二固定梳齿、一对用于调谐品质因数的第三、第四固定梳齿、以及一对调谐活动结构谐振频率的第五、第六固定梳齿；其中，所述第五、第六固定梳齿对称设置在质量块的上下两端；所述一对驱动梳齿包括第一、第二驱动梳齿，所述第一固定梳齿、第一驱动梳齿、第三固定梳齿依次设置在质量块的左端，所述第二固定梳齿、第二驱动梳齿、第四固定梳齿分别对应所述第一固定梳齿、第一驱动梳齿、第三固定梳齿依次设置在质量块的右端；所述第五、第六固定梳齿与所述活动结构上的对应梳齿共同形成平板电容器，通过改变第五、第六固定梳齿与活动结构上的梳齿之间的间距改变平板电容器电容的大小。
2.根据权利要求1所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于：所述支撑梁为直梁或折叠梁形式。
3.根据权利要求1或2所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于：所述第五、第六固定梳齿上加载可调节的直流电压，通过直流电压来调节屏蔽层中的活动结构的谐振频率。
4.根据权利要求1所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于：所述一对驱动梳齿、第一、第二固定梳齿、以及第三、第四固定梳齿分别与活动结构上的对应梳齿构成差分结构，并形成差分电容，其中活动结构的振动速度反馈信号加载在第三、第四固定梳齿上，通过差分结构调整屏蔽层中活动结构的等效阻尼。
5.根据权利要求4所述一种振动式微机械电场传感器，其特征在于：所述传感器在常压下封装，利用自激驱动来实现屏蔽层中活动结构在其等效谐振频率点处谐振。
CN2012104267332A 2012-10-31 2012-10-31 一种振动式微机械电场传感器 Expired - Fee Related CN102879655B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012104267332A CN102879655B (zh) 2012-10-31 2012-10-31 一种振动式微机械电场传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012104267332A CN102879655B (zh) 2012-10-31 2012-10-31 一种振动式微机械电场传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102879655A CN102879655A (zh) 2013-01-16
CN102879655B true CN102879655B (zh) 2013-06-05

Family

ID=47481051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012104267332A Expired - Fee Related CN102879655B (zh) 2012-10-31 2012-10-31 一种振动式微机械电场传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102879655B (zh)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103234669B (zh) * 2013-03-29 2015-04-01 厦门大学 一种利用静电负刚度的压力传感器及其制作方法
CN103292799B (zh) * 2013-05-30 2013-12-18 南京信息工程大学 一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法
CN103713203B (zh) * 2013-12-19 2016-04-20 清华大学 一种微型电场传感器结构
CN103906422B (zh) * 2014-04-15 2017-05-24 安方高科电磁安全技术(北京)有限公司 转轴的屏蔽过壁装置以及屏蔽电机
US10564200B2 (en) 2015-10-06 2020-02-18 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Electric field detector system
WO2017105594A2 (en) 2015-10-06 2017-06-22 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Magnetic field detector system
US10018686B1 (en) 2015-10-21 2018-07-10 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Ultra-low noise sensor for magnetic fields
WO2018064554A1 (en) * 2016-09-30 2018-04-05 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Biophysical sensing systems and methods using non-contact electric field detectors
CN108538807B (zh) * 2017-03-01 2020-09-08 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种存储器
US10859620B2 (en) 2017-04-04 2020-12-08 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Miniature electric field detector
US11525870B2 (en) 2017-10-05 2022-12-13 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Electromagnetic gradiometers
CN109855791B (zh) * 2018-11-21 2021-04-23 中国计量大学 基于多折叠支撑梁梳齿谐振器的真空检测器件
CN112415570B (zh) * 2019-08-21 2024-05-14 中国科学院国家空间科学中心 一种地震静电预警系统
CN111122991B (zh) * 2019-12-30 2022-05-13 上海安平静电科技有限公司 一种判断静电传感器工作是否正常的方法
CN111076806B (zh) * 2020-01-02 2022-07-19 东南大学 一种基于聚偏氟乙烯(pvdf)压电薄膜的结构健康监测装置及方法
CN112067032B (zh) * 2020-01-06 2023-01-31 西北工业大学 一种提升mems传感器环境适应性的智能自校准控制方法
CN111505398B (zh) * 2020-04-23 2021-07-27 华中科技大学 一种基于运动观测的孤立导体电荷估计方法和系统
CN113125865B (zh) * 2021-04-09 2023-04-14 中国科学院空天信息创新研究院 振动电容式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器
CN114113814A (zh) * 2021-11-24 2022-03-01 北京中科飞龙传感技术有限责任公司 一种静电力调谐型mems电场传感器和检测方法
CN114384335B (zh) * 2021-12-03 2023-06-23 深圳市中明科技股份有限公司 一种静电场检测传感器
CN114002515B (zh) * 2021-12-31 2022-04-05 南京高华科技股份有限公司 电场传感器及其制备方法
CN114814334B (zh) * 2022-04-14 2023-05-16 南京高华科技股份有限公司 电流传感器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020136485A1 (en) * 2001-02-02 2002-09-26 Reed Jason D. Apparatus and method for micro-electromechanical systems two-dimensional large movement electrostatic comb drive
CN100420952C (zh) * 2005-03-07 2008-09-24 中国科学院电子学研究所 静电梳齿激励差分检测式微型电场传感器
CN100430740C (zh) * 2005-06-09 2008-11-05 中国科学院电子学研究所 交错振动式电场传感器
CN101685119B (zh) * 2008-09-24 2012-06-27 中国科学院电子学研究所 谐振式微型电场传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN102879655A (zh) 2013-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102879655B (zh) 一种振动式微机械电场传感器
CN109061226B (zh) 静电负刚度式加速度计的设计方法
CN100487376C (zh) 一种双质量块调谐输出式硅mems陀螺仪
CN101685119B (zh) 谐振式微型电场传感器
CN104807454B (zh) 一种单片集成六自由度微惯性测量单元及其加工方法
CN109655674B (zh) 基于弱耦合微机械谐振器的微弱静电场测量装置及方法
CN102445581B (zh) 一种电容分压型自校准光学电压互感器
CN107515311B (zh) 一种基于同步谐振频率检测的mems加速度计
CN101038299A (zh) 基于单质量块的单轴集成惯性测量器件
CN105043422B (zh) 高分辨率和宽动态范围的mems谐振式电荷传感器及检测方法
CN105180914A (zh) 一种面内检测的高q值隧道磁阻效应的微机械陀螺
CN103900545A (zh) 一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪
CN101968360A (zh) 一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统
CN208140130U (zh) 一种mems微机械全解耦闭环陀螺仪结构
CN102508050B (zh) 静电在线测量仪
CN104596496A (zh) 自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统
TWI531806B (zh) 兩用共振型磁力計
CN204256053U (zh) 一种微机械振动式电场传感器
CN101298987B (zh) 一种健壮性音叉振动式微机械陀螺
CN101419243A (zh) 一种无方向性力平衡加速度传感器
CN105300368A (zh) 一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺
CN104764559A (zh) 一种硅谐振压力传感器闭环控制电路及实现方法
CN202372578U (zh) 静电在线监测传感器
CN107979351B (zh) 一种基于高阶同步的耦合压阻mems振荡器
CN205175411U (zh) 一种面内检测的高q值隧道磁阻效应的微机械陀螺

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20160714

Address after: 225753, Taizhou, Jiangsu Province, Xinghua Town, 18 Ting Lu, Hebei Road

Patentee after: Xinhua Hualunda Cast Steel Co., Ltd.

Address before: The Olympic Avenue in Jianye District of Nanjing city of Jiangsu Province, No. 69 210019

Patentee before: Nanjing University of Information Science and Technology

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130605

Termination date: 20191031