CN103308781A - 伸缩谐振式三维电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伸缩谐振式三维电场传感器。该伸缩谐振式三维电场传感器包括：衬底；梁式结构框架；X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元，位于衬底上，分别用于测量电场强度矢量的X方向、Y方向和Z方向的分量，均包括屏蔽电极和感应电极，至少一组驱动机构，与X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元其中之一的屏蔽电极匹配，用于对该屏蔽电极产生驱动力，使其相对于感应电极产生振动，并且该振动通过梁式结构框架传递至除所在电场测量单元外的其他测量单元。本发明伸缩谐振式三维电场传感器只需加载一组激励信号便可驱动三个电场测量单元中电极的振动，从而实现电场矢量三个不同分量的测量。

Description

伸缩谐振式三维电场传感器

技术领域

本发明涉及电子行业传感器领域或微机电系统领域，尤其涉及一种单片集成的伸缩谐振式三维电场传感器。

背景技术

电场与人类的生活生产有着密切的联系。借助电场传感器对电场进行有效检测，可以为科学研究和诸多工业生产提供必要的信息，因此制备出成本低廉、性能优良的电场传感器具有重要的意义。

张星等人在“一种小型三维电场传感器”(仪器仪表学报，2006，27(11)：1433-1436)中报道了一种采用传统机械结构的小型三维电场传感器，其尺寸为5cm×3.2cm，重量为80g。使用传统机械结构可以实现电场的三维测量，这种传感器制备技术较为成熟、精度较高，但是该传感器的体积较大、功耗较大、难于集成化。杨鹏飞等人在“A High Sensitivity SOIElectric-Field Sensor with Novel Comb-Shaped Microelectrodes”(Transducers’11，Beijing，2011，1034-1037)文中报道了一种基于微加工技术的微型电场传感器，分辨率为40V/m。该微型电场传感器能够满足一维方向的电场强度测量，但是这类传感器在测量电场时，当待测电场矢量的方向与传感器轴向不一致时，会产生一定的测量误差。在某些应用场合中，待测电场强度的方向未知，测量时并不能保证电场强度的方向与传感器轴向一致，因此微型三维电场传感器的制备具有重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种伸缩谐振式的三维电场传感器，以能够同时测量电场矢量三个分量的大小。

(二)技术方案

本发明公开了一种伸缩谐振式三维电场传感器，包括：衬底；梁式结构框架，用于在X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元的屏蔽电极间传递振动；X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元，位于衬底上，分别用于测量电场强度矢量的X方向、Y方向和Z方向的分量，均包括屏蔽电极和感应电极，其中：感应电极，固定于衬底；屏蔽电极，通过第二类梁结构与梁式结构框架相连接；及至少一组驱动机构，与X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元其中之一的屏蔽电极匹配，用于对该屏蔽电极产生驱动力，使其相对于感应电极产生振动，并且该振动通过梁结构框架2传递至除所在电场测量单元外的其他测量单元。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明伸缩谐振式三维电场传感器具有以下有益效果：

(1)与已有的微型一维电场传感器相比，当待测电场方向与传感器衬底表面不垂直时，本发明伸缩谐振式三维电场传感器也能通过同时测量电场矢量的三个分量大小，实现精确测量；

(2)本发明伸缩谐振式三维电场传感器通过梁式结构框架将三个方向电场测量单元的屏蔽电极连接在一起，各屏蔽电极的振动一致，各感应电极输出信号频率相同；

(3)本发明伸缩谐振式三维电场传感器只需加载一组激励信号，便可驱动三个方向电场测量单元电极的振动，激励信号数量少，对电场测量单元的干扰小；

(4)本发明传感器单片集成三个方向电场测量单元，集成度高，便于同其他微型传感器集成构成智能传感器系统；同时，本发明传感器可由微加工技术制备，与成熟的IC工艺兼容，便于大批量、低成本生产；

(5)本发明传感器的X方向、Y方向、Z方向电场测量单元分别成对设置，形成差分结构，有益于减少干扰对测量的影响，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中梁式结构框架的结构示意图；

图3为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中第一种Z方向电场测量单元的结构示意图；

图4为图3所示Z方向电场测量单元工作原理的示意图；其中：

图4a为弱屏蔽状态的示意图；

图4b为强屏蔽状态的示意图。

图5为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中第二种Z方向电场测量单元的结构示意图。

图6为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中X方向电场测量单元的结构示意图；

图7为图6所示X方向电场测量单元工作原理的示意图；其中：

图7a为强屏蔽状态的示意图；

图7b为弱屏蔽状态的示意图。

图8为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中与驱动结构匹配的X方向电场测量单元结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包括特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

图1为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器的结构示意图。如图1所示，本发明伸缩谐振式三维电场传感器包括：衬底1；梁式结构框架2，其通过第一类梁结构连接至外围的锚点6，用于在X方向电场测量单元7、Y方向电场测量单元8和Z方向电场测量单元9的屏蔽电极间传递振动；X方向电场测量单元7、Y方向电场测量单元8和Z方向电场测量单元9，位于衬底1上，分别用于测量电场强度矢量的X方向、Y方向和Z方向的分量，均包括屏蔽电极和感应电极，其中，感应电极分别固定于衬底1上，屏蔽电极，分别通过第二类梁结构与梁式结构框架2相连接；至少一组驱动机构，与X方向电场测量单元7、Y方向电场测量单元8和Z方向电场测量单元9其中之一的屏蔽电极匹配，用于对该屏蔽电极产生驱动力，从而使该屏蔽电极相对于感应电极产生振动，并且该振动通过梁结构框架2传递至除所在电场测量单元外的其他测量单元。

如图1所示，在本发明优选的实施例中，X方向电场测量单元7位于梁式结构框架2的外侧，在衬底1上沿X轴设置；Y方向电场测量单元8位于梁式结构框架2的外侧，在衬底1沿Y轴设置；Z方向电场测量单元9位于梁式结构框架2的内侧，其轴向与X轴呈任意角度，优选为0°、45°、90°或135°。其中，X轴、Y轴、Z轴两两相互正交，Z轴的方向垂直于衬底平面向上。对于X方向电场测量单元7或Y方向电场测量单元8，其可以为对称分布于Z轴两侧的一对或若干对。当然，单独的一个X方向测量单元或Y方向测量单元也是可以的，只是其结构强度和测量精度会受到影响。Z方向电场测量单元9也可以为分布于Z轴周围的一对或若干对。成对设置电场测量单元可构成差分结构，减小干扰对测量的影响，提高测量精度。

本发明中，根据连接用途的不同，将梁结构分为两类，其中：第一类梁结构：将梁式结构框架2连接至锚点6的梁结构3；第二类梁结构：分别将X方向电场测量单元7、Y方向电场测量单元8、Z方向电场测量单元9连接至梁式结构框架2的梁结构4和梁结构5。第一类、第二类梁结构均可以为直型、蛇型、波浪型、锯齿型等各种类型。

图2为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中梁式结构框架2的结构示意图。如图1和图2所示，梁式结构框架2包括：内部框架10和外围框架11。内部框架10起缓冲作用，用于更好的分布应力，防止Z方向电场测量单元9与外围框架11相碰撞，外围框架11利用其形变为X方向电场测量单元7、Y方向电场测量单元8的屏蔽电极传递振动。梁式结构框架2中外围框架11可为正方形、长方形、圆形、菱形等各种形状。如图1和图2所示，在本发明优选的实施例中，梁式结构框架2的外围框架11为矩形，对称的两X方向电场测量单元7、两Y方向电场测量单元8和两Z方向电场测量单元9均通过第二类梁结构连接至梁式结构框架2矩形外围框架11对角的两顶点。其中，如果电场测量单元与梁式结构框架2外围框架的结合处呈开口形，可以更好的传递振动，减少能量损失。梁式结构框架2矩形外围框架11的四个边分别通过第一类梁结构连接至外围的锚点6，锚点6固定于衬底1上。第一类梁结构应在梁式结构框架2外围框架11的形变方向上具有弹性，其他方向应具有刚性；第二类梁结构应在各电场测量单元屏蔽电极振动方向上具有弹性，其他方向具有刚性。这样设计可以保证梁式结构框架2、各电场测量单元屏蔽电极的振动都在与衬底1表面平行的同一平面内。

图3为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中第一种Z方向电场测量单元9的结构示意图。如图3所示，Z方向电场测量单元9包括：感应电极12和屏蔽电极14。感应电极12固定在衬底1上并与信号测量电路相连，其上分布若干个孔。屏蔽电极14位于感应电极12的上方，其主体部分上分布若干个与感应电极12上的孔交错屏蔽设置的孔，主体部分的一端通过第二类梁结构5连接梁式结构框架2。屏蔽电极14主体部分与感应电极12上的孔可以为圆形、方形、扇形、三角形、椭圆形等各种形状。

在本发明优选的实施例中，Z方向电场测量单元9的屏蔽电极14可以与驱动机构匹配。该驱动机构可以为静电驱动结构。在这种情况下，驱动机构包括一组驱动电极13。如图3所示，驱动电极13，其通过锚点15固定于衬底1，呈梳状结构。屏蔽电极14还包括：梳状结构部分，该梳状结构梳齿与驱动电极13梳状结构的梳齿交错排布设置，相邻的两根梳齿之间的间距固定一致，其上表面与驱动电极13的上表面平齐。本发明优选的实施例中，屏蔽电极14的梳齿部分的尖端指向平行于X轴方向。屏蔽电极14的梳状结构可以设置一排或若干排梳齿。

如图3所示Z方向电场测量单元9和驱动电极13的工作原理如下：当伸缩谐振式三维电场传感器处于工作状态时，交流信号从驱动电极13输入，屏蔽电极14在周期性力的驱动下振动，当屏蔽电极14与感应电极12的相对位置如图4(a)所示时，感应电极12表面的感应电荷量较大；当屏蔽电极14与感应电极12的相对位置如图4(b)所示时，感应电极12表面的感应电荷量较小。屏蔽电极14相对于感应电极12作周期性运动，使得感应电极12表面的感应电荷量周期性变化形成交变电流，该电流的大小反映待测电场的Z方向分量，可通过适当的测量电路对电流进行测量。

图5为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中第二种Z方向电场测量单元9的结构示意图。Z方向测量单元9包括：屏蔽电极16和感应电极17。感应电极17通过锚点19固定于衬底1，呈梳状结构。屏蔽电极16的主体部分呈对称的梳状结构，其梳状结构的梳齿与感应电极17梳状结构的梳齿交错排布设置，相邻的两根梳齿之间的间距固定一致，屏蔽电极16的主体部分一端通过梁结构5连接至梁结构框架2，

同样的，图5所示的Z方向电场测量单元9也与驱动电极18匹配。该结构与图3所示的结构类似，不同之处在于，屏蔽电极16、感应电极17、驱动电极18的上表面平齐，驱动电极18通过锚点20固定于衬底1上。

对于如图5所示的Z方向电场测量单元9和驱动电极18。当伸缩谐振式三维电场传感器工作时，交流信号从驱动电极18输入，屏蔽电极16在周期性力的驱动下振动，屏蔽电极16与感应电极17的相对位置周期性变化，感应电极17表面感应电荷量周期性变化形成交变电流，该电流大小反映待测电场Z分量的强度，可通过适当的信号测量电路对电流进行测量。感应电极17采用图5所示的分布方式，位于屏蔽电极16两侧，两侧的感应电极17输出信号相位相差180°，可使用适当的差分放大电路实现信号的放大。

图6为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中X方向电场测量单元7的结构示意图。如图6所示，X方向电场测量单元7由屏蔽电极21、感应电极22组成。感应电极22呈梳状结构，其通过锚点23固定于衬底1上。屏蔽电极21的一端呈悬空的梳状结构，该梳状结构中梳齿沿平行于衬底表面方向，该梳齿与感应电极22梳状结构的梳齿交错排布设置，相邻的两根梳齿之间的间距固定一致，其另一端通过梁结构4连接到梁式结构框架2上。

在不与驱动结构匹配的情况下，X方向电场测量单元7工作原理如下：梁式结构框架2周期性形变，将振动传递至屏蔽电极21，屏蔽电极21与感应电极22的相对位置发生周期性变化。当相对位置关系如图7(a)所示时，感应电极22面的感应电荷量较少；当相对位置关系如图7(b)所示时，感应电极22面的感应电荷量较多。由于屏蔽电极21和感应电极22相对位置关系周期性变化时，感应电极22表面感应电荷量周期性变化形成交变电流，该电流大小反映待测电场X分量的强度，可通过适当的信号测量电路对电流进行测量。Y方向电场测量单元8的结构和工作原理与X方向电场测量单元7相同，不再进行重复描述。

上述实例中，X方向电场测量单元7不与驱动机构匹配，事实上，X方向电场测量单元7、Y方向电场测量单元8也可匹配驱动机构，并且可以采用热驱动的方式。图8为本发明实施例伸缩谐振式三维电场传感器中与驱动机构匹配的X方向电场测量单元7的结构示意图。如图8所示，X方向电场测量单元7包括屏蔽电极21、感应电极22。屏蔽电极21和感应电极22的形状和连接关系与图6相同，此处不再详细描述。其与图6所示X方向电场测量单元7不同之处在于，此时，驱动机构包括：两驱动电极25，分别与驱动信号的两输入端电性连接，和V形梁结构24，连接于两驱动电极25和屏蔽电极21中间部分之间，由热膨胀材料构成。当伸缩谐振式三维电场传感器处于工作状态时，驱动电极25两端加载交流电压信号，在交变信号作用下，V形梁结构24周期性的受热膨胀、冷却收缩，这种热应力作用就可以驱动屏蔽电极21往复运动，屏蔽电极21和感应电极22相对位置关系周期性变化，感应电极22表面感应电荷量周期性变化形成交变电流，该电流大小反映待测电场X分量的强度，可通过适当的信号测量电路对电流进行测量。

在上文中，分别记载了静电驱动和热驱动两种具体方式。在实际应用中，也可以根据实际需要，采用电磁驱动、压电驱动或形状记忆合金驱动等产生一定驱动力的驱动方式。无论采用何种驱动电极，其共同特点是该驱动电极可以提供一定的驱动力，驱动屏蔽电极运动。

上述实例中，衬底1材料可选硅片，也可采用其它有一定刚度、不易变形的材料，比如玻璃片、金属、合金等。梁式结构框架2、驱动机构和三维的电场测量单元集成在同一衬底上。而梁式结构框架2和梁结构的材料为硅、金属、合金等材料。X方向测量单元7、Y方向测量单元8和Z方向测量单元9的材料可以选自硅、金属、合金等材料。锚点的材料可选择能导电、不易变形的材料，比如晶体硅、多晶硅等。梁结构3、梁结构4、梁结构5可为直梁、弯梁、蛇形梁、锯齿形梁等各种形状，锚点6、锚点15、锚点19、锚点20、锚点23可以为任意形状起固定支撑作用的结构。驱动电极13、屏蔽电极14、屏蔽电极16、感应电极17、驱动电极18、屏蔽电极21、感应电极22梳状结构的梳齿尖端可以为方形、圆形、T形、阶梯形等各种形状。此外，屏蔽电极14的主体部分与感应电极12的形状可以为矩形、圆形、扇形、椭圆形等各种形状。

综上所述，在本发明中，由于屏蔽电极与感应电极不属于同一平面，伸缩谐振式三维电场传感器的制备必须使用可制备多层结构的工艺来实现；如果本伸缩谐振式三维电场传感器Z方向测量单元9的感应电极12与屏蔽电极14构成遮蔽式结构，可以使用电镀、EFAB、MEMSCAP公司的PolyMUMPs等工艺来进行制备。需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)锚点15不仅可以位于驱动电极13的正下方，还可以位于驱动电极13的后方，只要锚点15将驱动电极13的梳齿连接起来，固定于衬底1皆可；

(2)V形梁结构24不仅可以与X方向电场测量单元7、Y方向电场测量单元8匹配，也可以与Z方向电场测量单元9匹配等等；

(3)本发明中，屏蔽电极和感应电极的类型并不是固定不变的，图6所示的结构同样适用于Z方向电场测量单元9；

(4)驱动机构在不互斥的情况下可以为多组，例如同时在X方向电场测量单元7和Z方向电场测量单元9施加静电驱动。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种伸缩谐振式三维电场传感器，包括：

衬底；

梁式结构框架，位于衬底上，用于在X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元的屏蔽电极间传递振动；

X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元，位于衬底上，分别用于测量电场强度矢量的X方向、Y方向和Z方向的分量，均包括屏蔽电极和感应电极，其中：

感应电极，固定于衬底；

屏蔽电极，通过第二类梁结构与梁式结构框架相连接，可相对于

感应电极做相对振动，以使感应电极产生感应电流；及

至少一组驱动机构，与X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元其中之一的屏蔽电极匹配，用于对该屏蔽电极产生驱动力，使其相对于感应电极产生振动，并且该振动通过梁结构框架被传递至除所在电场测量单元外的其他测量单元。

2.根据权利要求1所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，

Z方向电场测量单元位于梁式结构框架的内侧；

X方向电场测量单元位于梁式结构框架的外侧，沿X轴设置；

Y方向电场测量单元位于梁式结构框架的外侧，沿Y轴设置；

其中，X轴、Y轴、Z轴两两相互正交，Z轴的方向垂直于衬底平面向上。

3.根据权利要求2所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，Z方向电场测量单元的轴向与X轴呈0°、45°、90°或135°。

4.根据权利要求2所述的伸缩谐振式三维电场传感器，包括：

一对或多对的X方向电场测量单元，对称分布于Z轴两侧，该一对或多对中的每一对X方向电场测量单元构成差分放大结构；

一对或多对的Y方向电场测量单元，对称分布于Z轴两侧，该一对或多对中的每一对Y方向电场测量单元构成差分放大结构；

一对或多对的Z方向电场测量单元，对称分布于Z轴两侧，该一对或多对中的每一对Z方向电场测量单元构成差分放大结构。

5.根据权利要求1所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，所述梁式结构框架包括：

外围框架，为椭圆形、矩形、圆形或菱形，其通过第一类梁结构与外围锚点相连接，通过第二类梁结构与X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元的屏蔽电极相连接，用于在三者之间传递振动。

6.根据权利要求5所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，所述梁式结构框架还包括：

内部框架；位于所述外围框架内部，与所述外围框架的边相连接，为直形、弯形、蛇形或锯齿形，用于增加缓冲，防止Z方向电场测量单元与外围框架相碰撞。

7.根据权利要求5所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，所述外围框架为矩形；

外围锚点通过第一类梁结构连接至矩形外围框架的四条边；

对称的两X方向电场测量单元、两Y方向电场测量单元和两Z方向电场测量单元均通过第二类梁结构连接至矩形外围框架对角的两顶点。

8.根据权利要求1所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，Z方向电场测量单元包括：

感应电极，固定在衬底上，与信号测量电路电性连接，其上分布若干个孔；

屏蔽电极，位于感应电极的上方，其主体部分上分布若干个与感应电极上的孔交错屏蔽设置的孔，主体部分的一端通过第二类梁结构连接梁式结构框架。

9.根据权利要求8所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，位于所述感应电极和屏蔽电极主体部分的孔为圆形、矩形、扇形、三角形或椭圆形。

10.根据权利要求1所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，Z方向电场测量单元包括：

感应电极，通过锚点固定于衬底，呈梳状结构；

屏蔽电极，其主体部分也呈梳状结构，其梳状结构的梳齿与感应电极梳状结构的梳齿交错排布设置，主体部分一端通过第二类梁结构连接至梁式结构框架。

11.根据权利要求8、9或10所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中：

所述屏蔽电极还包括：梳齿部分，该梳状结构梳齿的尖端指向平行于衬底表面方向；

所述驱动机构包括：驱动电极，固定于衬底上，与驱动信号的输入端电性连接，呈梳状结构，该梳状结构的梳齿与屏蔽电极梳状结构的梳齿交错排布设置。

12.根据权利要求1所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，X方向电场测量单元或Y方向测量单元包括：

感应电极，固定于衬底，呈梳状结构；

屏蔽电极，呈一端呈悬空的梳状结构，其另一端通过梁结构连接到梁式结构框架，该梳状结构中梳齿与感应电极梳状结构的梳齿交错排布设置。

13.根据权利要求12所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，所述驱动机构包括：

两驱动电极，分别与驱动信号的两输入端电性连接；

V形梁结构，连接于两驱动电极和屏蔽电极之间，由热膨胀材料构成。

14.根据权利要求10、11、12中任一项所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，梳状结构的梳齿尖端为方形、圆形、T形或阶梯形。

15.根据权利要求1所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，所述驱动机构的驱动形式为：静电驱动、热驱动、电磁驱动、压电驱动或形状记忆合金驱动。

16.根据权利要求1至10、12、13、15中任一项所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，所述梁式结构框架、驱动机构、第二类梁结构、X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元和Z方向电场测量单元均集成于单片衬底上。

17.根据权利要求1至10、12、13、15中任一项所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中：

衬底的材料为硅、玻璃、金属或合金；

梁式结构框架、第一类梁结构和第二类梁结构的材料为硅、金属或合金；

X方向测量单元、Y方向测量单元和Z方向测量单元的材料为硅、金属或合金。

18.根据权利要求1至10、12、13、15中任一项所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，第一类梁结构与第二类梁结构为：直梁、弯梁、蛇形梁或锯齿形梁。

19.根据权利要求1至10、12、13、15中任一项所述的伸缩谐振式三维电场传感器，其中，所述屏蔽电极和感应电极为矩形、圆形、扇形或椭圆形。

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