CN107329004A - 一种基于静电感应原理的非接触式mems自激励静场电探测系统及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统及其探测方法。该系统包括静电传感器、放大电路、滤波电路、微控制器、显示装置；静电传感器包括自驱动单元和静电感应探针组成，其中自驱动单元为一并行放置的图形化压电驱动薄膜和图形化压电感应薄膜构成的自驱动自反馈模块，静电感应探针为一图形化金属电极层，静电感应探针与后端放大电路相连，微控制器用于处理电信号并控制显示装置输出测量结果。相比现有旋叶式静电探测系统的大体积、现有振动式探测系统的低敏感度、低精度，本发明具有自激励、灵敏度高、集成度高、线性度高、体积微小等特点；可广泛应用于静电探测和静电防护等领域中。

Description

一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静场电探测系 统及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统及其探测方法，属于静电探测技术领域。

背景技术

非接触式静电探测装置是进行静电场或静电探测的基本器件，广泛应用于人体静电、物体表面静电荷空间静电场的探测中。

目前旋叶式静电探测器未使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺，需要旋转电机驱动探测器旋转，功耗和体积大，不适合未来微型化和低功耗的探测技术发展趋势。目前成熟的振动电容式静电传感器体积大，需要额外供电装置起振，虽部分采用了MEMS工艺，但缩小体积的同时降低了探测的灵敏度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统及其探测方法，具有自激励、灵敏度高、集成度高、线性度高、体积微小等特点。

本发明首先提供一种用于静电场探测的静电传感器，包括自驱动单元和静电感应探针，所述自驱动单元与所述静电感应探针相连；所述自驱动单元包括压电驱动薄膜和压电感应薄膜，所述压电驱动薄膜与所述压电感应薄膜之间电连接。

进一步地，所述自驱动单元包括图形化的压电驱动薄膜和图形化的压电感应薄膜。

进一步地，所述自驱动单元为悬臂梁结构，所述静电感应探针为平行板结构。

进一步地，所述自驱动单元使用任意压电材料，所述静电感应探针使用任意金属电极材料；所述自驱动单元和所述静电感应探针均使用标准MEMS工艺制作。

本发明还提供一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统，包括上述静电传感器、放大电路、滤波电路、微控制器、显示装置；所述静电传感器包括自驱动单元和静电感应探针，所述自驱动单元与所述静电感应探针相连，所述自驱动单元包括压电驱动薄膜以及压电感应薄膜，所述压电驱动薄膜与所述压电感应薄膜之间电连接；所述静电感应探针与所述放大电路电连接，所述放大电路通过所述滤波电路与所述微控制器相连接，所述显示装置与所述微控制器相连接；所述微控制器用于处理经过放大和滤波的静电传感器的电信号，并控制显示装置输出测量结果。

本发明还提供一种采用上述系统的基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测方法，包括以下步骤：

1)静电感应传感器中的自驱动单元驱动静电感应探针振动，所述自驱动单元中压电感应薄膜的输出反馈给压电驱动薄膜，实现自激励效果；

2)静电传感器的输出经过放大电路与滤波电路进入微控制器，微控制器利用模数转换芯片得到数字信号，并对该数字信号进行存储、分析与判断，之后控制显示装置输出测量结果。

进一步地，通过所述微控制器控制所述自激励效果的强弱，以改变静电场探测的灵敏度。

本发明与现有技术相比较所具有的优点：

1、本发明是一种新原理静电探测技术，静电感应传感器由静电感应探针和自驱动单元组成，由自驱动单元驱动静电感应探针振动，图形化的压电感应薄膜的输出反馈给图形化的压电驱动薄膜，实现自激励效果。

2、自驱动单元和静电感应探针使用MEMS工艺制作，可以大规模批量生产，极大地缩小静电探测系统的体积和功耗，使体积控制在毫米级别。

3、静电感应探针输出的电信号经过放大电路和滤波电路进入微控制器，可以提高整体电路的抗干扰性，提高输出的准确性。

附图说明

图1为本发明的静电场探测系统的结构图。

图2为静电感应探针的示意图。

图3为一个实施例的静电场探测系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。

本发明的基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统如图1所示，包括：静电传感器、放大电路、滤波电路、微控制器、显示装置。

所述静电传感器如图2所示，包括自驱动单元和静电感应探针。自驱动单元使用压电陶瓷材料，静电感应探针使用金属材料，为一金属电极。自驱动单元和静电感应探针均使用标准MEMS工艺制作，使用真空磁控溅射工艺将所需压电材料和金属材料沉积在绝缘基板上，再利用干法或湿法刻蚀工艺形成具有图形化的压电自驱动单元和静电感应探针金属电极。

探测系统的输出电压与被测静电场具有线性数学关系，从而实现探测的目的。静电感应探针输出的电信号经过放大电路与滤波电路后连接到微控制器，显示装置也与微控制器相连接。

放大电路前端使用电压跟随电路，确保静电感应探针输出的电信号完整，不失真的进入后端电路。放大电路使用集成放大芯片，芯片型号可视实际使用情况进行选择。滤波电路使用巴特沃斯一阶低通滤波电路，也可以使用其它滤波电路。

微控制器利用模数转换芯片将模拟电信号转为数字信号，通过数字信号的值可以得到被测静电场电势，同时微控制器控制显示装置输出探测数值。

如图3所示，为本发明的非接触式静电探测系统的一个实施例，包括静电传感器、放大电路、滤波电路、微控制器和显示装置。如图2所示，静电传感器包括自驱动单元以及静电感应探针。自驱动单元包括图形化的压电驱动薄膜和图形化的压电感应薄膜，均使用PZT材料制作。压电驱动薄膜依靠外界激励或初始电激励起振，因为压电驱动薄膜与压电感应薄膜相连，故压电感应薄膜会产生形变，由于正压电效应，压电感应薄膜会产生电压，将该电压反馈于压电驱动薄膜使其振动，从而实现自激励效果。自激励效果的强弱可由微控制器控制，当信号微弱或极强，探测灵敏度极低或超出量程时，微控制器自动增加自激励强度，增大压电驱动薄膜振动幅度。静电感应探针使用金属制作。自驱动单元以及静电感应探针均使用标准MEMS工艺加工。在实际加工制作中，不特别限定自驱动单元和静电感应探针的形状，但必须保证自驱动单元与静电感应探针相连。

本实施例中，自驱动单元为悬臂梁结构，静电感应探针为平行板结构。所述悬臂梁结构中，悬臂梁分为两部分，前端部分为作为静电感应探针的金属极板，后端部分为压电驱动薄膜和压电感应薄膜。静电感应探针为正方形极板，边长为1mm，自驱动单元为矩形薄膜，长度是1.2mm。自驱动单元的长度会影响静电感应探针振动的振幅。

静电感应传感器的输出经过放大电路与滤波电路进入微控制器，微控制器利用模数转换芯片得到数字信号，微控制器对该数字信号进行存储、分析与判断，之后控制显示装置输出测试结果。

由上述实施例可知，本发明是一种新原理的静电探测技术，静电感应传感器由静电感应探针和自驱动单元组成，由自驱动单元驱动静电感应探针振动，图形化的压电感应薄膜的输出反馈给图形化的压电驱动薄膜，实现自激励效果。另外自驱动单元和静电感应探针使用MEMS工艺制作，可以大规模批量生产，极大地缩小静电探测系统的体积和功耗，使体积控制在毫米级别。静电感应探针输出的电信号经过放大电路和滤波电路进入微控制器，可以提高整体电路的抗干扰性，提高输出的准确性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种静电传感器，其特征在于，包括自驱动单元和静电感应探针，所述自驱动单元与所述静电感应探针相连；所述自驱动单元包括压电驱动薄膜和压电感应薄膜，所述压电驱动薄膜与所述压电感应薄膜之间电连接。

2.如权利要求1所述的静电传感器，其特征在于，所述自驱动单元包括图形化的压电驱动薄膜和图形化的压电感应薄膜。

3.如权利要求1所述的静电传感器，其特征在于，所述自驱动单元为悬臂梁结构，所述静电感应探针为平行板结构。

4.如权利要求1所述的静电传感器，其特征在于，所述自驱动单元使用任意压电材料，所述静电感应探针使用任意金属电极材料；所述自驱动单元和所述静电感应探针均使用标准MEMS工艺制作。

5.一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统，其特征在于：包括静电传感器、放大电路、滤波电路、微控制器、显示装置；所述静电传感器包括自驱动单元和静电感应探针，所述自驱动单元与所述静电感应探针相连，所述自驱动单元包括压电驱动薄膜以及压电感应薄膜，所述压电驱动薄膜与所述压电感应薄膜之间电连接；所述静电感应探针与所述放大电路电连接，所述放大电路通过所述滤波电路与所述微控制器相连接，所述显示装置与所述微控制器相连接；所述微控制器用于处理经过放大和滤波的静电传感器的电信号，并控制显示装置输出测量结果。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述自驱动单元包括图形化的压电驱动薄膜和图形化的压电感应薄膜。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述自驱动单元为悬臂梁结构，静电感应探针为平行板结构。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述自驱动单元使用任意压电材料，所述静电感应探针使用任意金属电极材料，所述自驱动单元和所述静电感应探针均使用标准MEMS工艺制作。

9.一种采用权利要求5所述系统的基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)静电感应传感器中的自驱动单元驱动静电感应探针振动，所述自驱动单元中压电感应薄膜的输出反馈给压电驱动薄膜，实现自激励效果；

2)静电传感器的输出经过放大电路与滤波电路进入微控制器，微控制器利用模数转换芯片得到数字信号，并对该数字信号进行存储、分析与判断，之后控制显示装置输出测量结果。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过所述微控制器控制所述自激励效果的强弱，以改变静电场探测的灵敏度。