CN104459351A - 一种扭摆式微型电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扭摆式微型电场传感器，其结构主要包括：衬底、驱动电极、感应电极和屏蔽电极。驱动电极和感应电极位于同一平面，屏蔽电极位于另一平面，且屏蔽电极的左右两部分分别与驱动电极和感应电极的位置正对，形成驱动电极对和感应电极对；以及屏蔽电极的左右两部分能够随驱动电极的电压变化而相对转动轴分别进行朝向感应电极平面和远离感应电极平面的扭摆式振动。本发明的扭摆式微型电场传感器基于微细加工技术，体积小、制备工艺简单、成本低廉，有利于批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及电子行业传感器领域和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)领域，尤其涉及一种扭摆式微型电场传感器。
背景技术
电场传感器是测量电场强度和电势的装置，在气象探测、航空航天、电力电子、智能电网、工业安全、国防、科学研究等领域具有非常重要的作用。
根据工作原理，目前电场传感器可以分为光学式、电荷感应式等种类。光学式电场传感器响应速度快、噪声低，但测量范围较窄，而且设备复杂、成本太高；电荷感应式电场传感器制备技术很成熟，量程也大，但由于其体积大、组装工艺复杂，应用受到一定的限制。因此，如何制造出性能优良、成本低廉、体积小、批量化生产的微型电场传感器具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种扭摆式微型电场传感器，以实现体积小、成本低廉、可批量生产的有益技术效果。
为了实现上述目的，本发明提出了一种扭摆式微型电场传感器，包括衬底1、驱动电极4、感应电极8和屏蔽电极17，所述驱动电极4和感应电极8位于同一平面，所述屏蔽电极17位于另一平面，且所述屏蔽电极17的左右两部分分别与所述驱动电极4和所述感应电极8的位置正对，形成驱动电极对和感应电极对；以及
所述屏蔽电极17的左右两部分能够随所述驱动电极4的电压变化而相对转动轴分别进行朝向所述感应电极8平面和远离所述感应电极8平面的扭摆式振动。
其中，所述衬底1的材料选自硅、玻璃、陶瓷、有机材料、金属、金属合金或金属氧化物，且所述衬底1与所述驱动电极4、感应电极8绝缘。
其中，所述屏蔽电极17通过弹性梁12与所述衬底1上的支柱22相连，且所述屏蔽电极17相对转动轴进行所述扭摆式振动时的所述转动轴即为所述弹性梁12。
其中，所述弹性梁12的中心轴与所述屏蔽电极17的中心轴不重合。
其中，所述弹性梁12为直梁、折梁、双折梁、蟹状梁或蛇形梁。
其中，所述驱动电极4和感应电极8为一个或多个电极。
其中，所述驱动电极4、感应电极8和屏蔽电极17的电极结构为平板结构、条状结构、栅格结构或梳齿结构。
其中，所述驱动电极4、感应电极8、屏蔽电极17和支柱22的形状为长方体或圆柱体。
其中，所述驱动电极4、感应电极8、弹性梁12和屏蔽电极17的材料选自硅基材料、金属或金属合金。
其中，在所述驱动电极4、感应电极8和/或屏蔽电极17上布置有一个或若干个孔，所述孔的形状为圆形、方形、三角形、扇形或星形。
基于上述技术方案可知，本发明的扭摆式微型电场传感器基于微细加工技术，体积小、制备工艺简单、成本低廉，有利于批量化生产。
附图说明
图1是本发明的扭摆式微型电场传感器的一个具体实施例的结构示意图，其中电极结构为平板结构；
图2是驱动电极和屏蔽电极的受力原理图；
图3是感应电极在电场中感应电荷的原理图，其中，图3(a)表示驱动电压为零的状态，图3(b)表示驱动电压大于零的状态；
图4是本发明的扭摆式微型电场传感器的另一个具体实施例的结构示意图，其中驱动电极为平板带孔结构，感应电极为梳齿结构。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的扭摆式微型电场传感器，属于电荷感应式电场传感器，其工作原理为：驱动电极和感应电极位于同一平面，屏蔽电极位于另一平面，当驱动电极电压改变时，屏蔽电极因静电作用，受到静电力作用而向上或向下运动，从而导致屏蔽电极和感应电极之间的相对位置发生变化，进而影响感应电极上感应电荷的变化。
本发明的扭摆式微型电场传感器，包括衬底、驱动电极、感应电极和屏蔽电极，驱动电极和感应电极位于同一平面，屏蔽电极位于另一平面，且屏蔽电极的左右两部分分别与驱动电极和感应电极的位置正对，形成驱动电极对和感应电极对；以及屏蔽电极的左右两部分能够随驱动电极的电压变化而相对转动轴分别进行朝向感应电极平面和远离感应电极平面的扭摆式振动。
图1是本发明的扭摆式微型电场传感器的一个具体实施例的结构示意图，如图所示，该扭摆式微型电场传感器包括衬底1、驱动电极4、感应电极8、弹性梁12、屏蔽电极17和支柱22。驱动电极4和感应电极8位于同一平面，弹性梁12和屏蔽电极17位于同一平面，弹性梁12和屏蔽电极17相连，两者通过支柱22支撑，并且屏蔽电极17以该弹性梁12为轴进行扭摆式振动。驱动电极4与屏蔽电极17的位置正对，形成驱动电极对，感应电极8与屏蔽电极17的位置正对，形成感应电极对。在图1中，驱动电极4、感应电极8、屏蔽电极17的电极结构都为平板结构。
作为本发明的一个优选实施例，衬底1的材料例如可以选自硅、玻璃、陶瓷、有机材料、金属、金属合金或金属氧化物等材料，并且衬底1与驱动电极4、感应电极8绝缘。驱动电极4和感应电极8可以为一个或多个电极。弹性梁12的中心轴与屏蔽电极17的中心轴可以重合，也可以不重合。弹性梁12可以为直梁、折梁、双折梁、蟹状梁、蛇形梁或其它形状梁。
作为本发明的一个优选实施例，为了增强电场感应效果，可以在驱动电极4、感应电极8或屏蔽电极17上布置一个或多个孔，孔的形状为圆形、方形、三角形、扇形、星形等形状。驱动电极4、感应电极8或屏蔽电极17的电极结构可以是平板结构、条状结构、栅格结构、梳齿结构或其它形状结构。
作为本发明的一个优选实施例，驱动电极4、感应电极8、屏蔽电极17和支柱22的外形为长方体、圆柱体或其它形状。驱动电极4、感应电极8、弹性梁12和屏蔽电极17的材料为硅基材料、金属、金属合金或其它导电材料。
传感器的主体结构可以采用表面硅工艺或LIGA工艺或MetalMUMPs工艺制备，电极可以采用溅射或电镀或蒸发金属的方法制备。也可以使用其它方法制备传感器主体结构和电极。
图2为驱动电极4和屏蔽电极17受力原理图。其中，屏蔽电极17接地，驱动电极4接零至V伏的交流电压，电压V的大小根据弹性梁12的弹性系数以及所期望的扭摆幅度等参数确定。当驱动电极4电压为零时，由于屏蔽电极17接地，因此无静电吸引作用；当驱动电极4电压大于零时，屏蔽电极17因静电吸引，受到静电力Fe作用而向下运动，由于屏蔽电极17的合力矩不为零，因此屏蔽电极17发生扭转，屏蔽电极17和感应电极8之间的相对位置发生变化，形成感应电荷；当驱动电极4电压再次为零时，由于弹性梁12的扭矩作用，屏蔽电极17因弹性力Fm回复到初始位置。这样周而复始，屏蔽电极17作周期性扭转振动，其与感应电极8之间的相对位置发生变化。
图3为感应电极8在电场中感应电荷原理图。图3(a)表示电压为零的情况，由于驱动电极4和屏蔽电极17不受力，屏蔽电极17处于初始位置，屏蔽电极17对感应电极8的屏蔽作用较强，外电场到达感应电极8的电场较少，感应电极8上感应的电荷较少。
图3(b)表示驱动电极4电压大于零的情况，此时屏蔽电极17接地，屏蔽电极17受到静电力Fe作用而向下运动，由于屏蔽电极17的合力矩不为零，因此屏蔽电极17发生扭转，这样屏蔽电极17对感应电极8的屏蔽作用较弱，外电场到达感应电极板8的电场较强，感应电极8上感应的电荷较多。驱动电极17作周期性扭摆时，引起感应电极8上电荷量周期变化，产生与被测电场成正比的感应电流。
图4是本发明的扭摆式微型电场传感器的另一个具体优选实施例的结构示意图，如图所示，其它结构都与图1中结构相同，区别在于驱动电极4为带孔的平板结构，感应电极8为梳齿结构。
通过实际检测应用，本发明的扭摆式微型电场传感器体积小、制备工艺简单、成本低廉，有利于批量化生产，可广泛应用于气象探测、航空航天、电力电子、智能电网、工业安全、国防、科学研究等领域。
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。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种扭摆式微型电场传感器，包括衬底(1)、驱动电极(4)、感应电极(8)和屏蔽电极(17)，其特征在于，
所述驱动电极(4)和感应电极(8)位于同一平面，所述屏蔽电极(17)位于另一平面，且所述屏蔽电极(17)的左右两部分分别与所述驱动电极(4)和所述感应电极(8)的位置正对，形成驱动电极对和感应电极对；以及
所述屏蔽电极(17)的左右两部分能够随所述驱动电极(4)的电压变化而相对转动轴分别进行朝向所述感应电极(8)平面和远离所述感应电极(8)平面的扭摆式振动。
2.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述衬底(1)的材料选自硅、玻璃、陶瓷、有机材料、金属、金属合金或金属氧化物，且所述衬底(1)与所述驱动电极(4)、感应电极(8)绝缘。
3.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述屏蔽电极(17)通过弹性梁(12)与所述衬底(1)上的支柱(22)相连，且所述屏蔽电极(17)相对转动轴进行所述扭摆式振动时的所述转动轴即为所述弹性梁(12)。
4.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述弹性梁(12)的中心轴与所述屏蔽电极(17)的中心轴不重合。
5.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述弹性梁(12)为直梁、折梁、双折梁、蟹状梁或蛇形梁。
6.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述驱动电极(4)和感应电极(8)为一个或多个电极。
7.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述驱动电极(4)、感应电极(8)和屏蔽电极(17)的电极结构为平板结构、条状结构、栅格结构或梳齿结构。
8.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述驱动电极(4)、感应电极(8)、屏蔽电极(17)和支柱(22)的形状为长方体或圆柱体。
9.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，所述驱动电极(4)、感应电极(8)、弹性梁(12)和屏蔽电极(17)的材料选自硅基材料、金属或金属合金。
10.根据权利要求1所述的扭摆式微型电场传感器，其特征在于，在所述驱动电极(4)、感应电极(8)和/或屏蔽电极(17)上布置有一个或若干个孔，所述孔的形状为圆形、方形、三角形、扇形或星形。
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