CN107907749B - 一种低轴间耦合的三维电场传感器 - Google Patents

Abstract

一种低轴间耦合的三维电场传感器，其三组电场敏感单元均采用轴对称差分设计，用于测量垂直于对称轴方向的面内电场分量，并且抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合。每一个电场敏感单元的结构包括：轴对称的基底板；至少一对感应电极和至少一对驱动电极，均对称布置在基底对称轴的两侧；振动板，沿着基底板对称轴对称布置，用于在驱动电极的驱动下做水平或竖直方向的平动，从而调制感应电极的电场分布。本发明实现了对三维电场的测量，并从结构设计上降低了轴间耦合。

Description

一种低轴间耦合的三维电场传感器

技术领域

本公开涉及传感器技术领域，尤其涉及一种低轴间耦合的三维电场传感器。

背景技术

电场传感器是测量电场强度和电势的装置，已广泛应用在国防、航空航天、气象探测、电力系统、地震预报、科学研究和工业生产等多个领域，具有非常重要的作用。对于不同的应用领域，待测电场的性质不尽相同，包括电场频率、电场强度、电场方向和电场持续时间等，因此测量所需的电场传感器种类也不尽相同。根据电场传感器的测量维度，其可分为一维、二维和三维电场传感器。电场作为一种空间矢量，其在空间中的方向是三维的。在电场方向未知的情况下，一维和二维电场传感器并不能完整地提供电场的方向信息，因此研究三维电场传感器具有实际意义。

现有的三维电场传感器为将三个一维的电场传感器芯片置于柔性电路板上，每个芯片均能测量垂直于自身方向的电场；通过折叠柔性电路板使上述三个一维电场传感器芯片的测量方向相互正交。但是由于传感器周围的电场畸变，该类型的三维电场传感器的测量精度会受到轴间耦合的影响。例如，X测量轴的输入电场会被耦合入Y轴方向和Z轴方向的电场分量。

此外，还可将三个测量方向相同的一维的电场传感器芯片置于同一平面，采用算法解耦的形式来测量三维电场。但该方法三维电场的测量依赖解耦算法，且传感器体积较大，集成度较低。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种低轴间耦合的三维电场传感器，用于解决以上技术问题的至少之一。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本公开提出一种低轴间耦合的三维电场传感器，包括三组电场敏感单元，该三组电场敏感单元的测量轴相互垂直，分别用于测量X、Y和Z三个相互垂直方向的电场；其中，电场敏感单元包括：轴对称结构的基底板；以及轴对称差分结构的电场敏感部，该电场敏感部位于基底板表面，且其对称轴与基底板的对称轴重合。

在本公开的一些实施例中，上述电场敏感部包括：相对于其对称轴对称分布的至少一对感应电极；沿其对称轴方向置于感应电极侧边的至少一对驱动电极；以及轴对称结构的振动板，其对称轴与电场敏感部的对称轴重合；感应电极和驱动电极均置于基底板的表面；振动板沿对称轴的两端固定于基底板上，且其与感应电极和驱动电极在各个方向均留有间隙。

在本公开的一些实施例中，上述驱动电极与外部驱动电路连接，以驱动所述振动板相对于感应电极沿对称轴运动或沿垂直于基底面的方向运动；感应电极与外部的差分测量电路连接，从而消除垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合。

在本公开的一些实施例中，上述振动板在面内垂直于对称轴的方向延伸有多个分支结构：该多个分支结构与驱动电极及感应电极位于同一平面，且与感应电极及驱动电极在对称轴方向穿插设置。

在本公开的一些实施例中，上述驱动电极及与其在对称轴方向穿插设置的多个分支结构的相对面均具有梳齿结构。

在本公开的一些实施例中，上述振动板在面内垂直于对称轴的方向延伸有多个分支结构：且该多个分支结构位于驱动电极与感应电极的上方；多个分支结构的一部分与感应电极在对称轴方向间隔设置；多个分支结构的另一部分位于驱动电极的正上方。

在本公开的一些实施例中，上述驱动电极及位于其正上方的多个分支结构的相对面均具有梳齿结构。

在本公开的一些实施例中，上述感应电极、驱动电极及振动板的主体材质包括硅基材料或金属；基底板的主体材质包括硅基材料、金属材料或有机材料。

在本公开的一些实施例中，上述基底板的主体材质包括硅基材料或金属材料，电场敏感部通过绝缘材料固定于基底板的表面。

在本公开的一些实施例中，上述三组电场敏感单元中每一组包括的电场敏感单元个数均为大于等于1的整数。

(三)有益效果

本公开提出的低轴间耦合的三维电场传感器具有以下有益效果：

(1)三组电场敏感单元的测量轴相互垂直，从而实现三维电场分量的测量，且其电场敏感单元的电场敏感部均采用轴对称差分设计，可以抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合；

(2)电场敏感单元中的振动板在驱动电极的驱动下运动，从而不断屏蔽感应电极表面的电场，实现对外电场的调制；

(3)驱动电极及与其对应的分支结构的相对面上均具有梳齿状结构，可以增大振动板与驱动电极的相对面积，从而提高驱动电极的驱动效果；

(4)结构简单，易于组装和集成，适用于普通机械加工和微加工技术制备。

附图说明

图1是本公开第一实施例低轴间耦合的三维电场传感器的结构示意图。

图2是图1所示低轴间耦合的三维电场传感器中单个电场敏感单元的示意图。

图3A和图3B为本公开第二实施例低轴间耦合的三维电场传感器在不同角度的结构示意图。

图4为图3A和图3B所示低轴间耦合的三维电场传感器中单个电场敏感单元的示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-X方向电场敏感单元；

1-1 X方向电场敏感单元测量轴；

1-2 X方向电场敏感单元所在的基底；

2-Y方向电场敏感单元；

2-1 Y方向电场敏感单元测量轴；

2-2 Y方向电场敏感单元所在的基底；

3-Z方向电场敏感单元；

3-1 Z方向电场敏感单元测量轴；

3-2 Z方向电场敏感单元所在的基底；

4-固定架

5-基底板；6-感应电极；7-驱动电极；8-振动板。

具体实施方式

本公开提出一种低轴间耦合的三维电场传感器，特征在于：其X、Y和Z方向电场敏感单元均采用轴对称差分设计，用于测量垂直于对称轴方向的面内电场分量，并且抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合。

以下通过具体实施例，对本公开提出的低轴间耦合的三维电场传感器，进行详细描述。

第一实施例

本公开的第一实施例提供了一种低轴间耦合的三维电场传感器。

图1是本公开第一实施例低轴间耦合的三维电场传感器的结构示意图。如图1所示，本实施例的低轴间耦合的三维电场传感器包含：三个测量轴相互垂直的电场敏感单元，包括：X方向电场敏感单元1、Y方向电场敏感单元2和Z方向电场敏感单元3；固定架4。每个电场敏感单元均采用轴对称差分设计，其电场敏感部分别沿着其所在基底1-2、2-2、3-2的对称轴对称分布。采用轴对称差分设计的电场敏感部能测量垂直于对称轴方向的面内电场分量，且能抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合。固定架4采用立方体，X方向电场敏感单元1、Y方向电场敏感单元2和Z方向电场敏感单元3以粘连的方式放置在固定架4的三个相互正交面的中心处，调整三者的相对位置，使得三者的测量轴1-1、2-1、3-1相互正交，本实施例中三个电场敏感单元分别位于三个相互垂直的平面内。

图2是图1所示低轴间耦合的三维电场传感器中单个电场敏感单元的示意图。如图2所示，每个电场敏感单元结构包括：基底板5、感应电极6、驱动电极7和振动板8。一对相同的感应电极6对称布置在基底板对称轴1-2/2-2/3-2的两侧，且固定在基底板5的表面。两对相同的驱动电极7分布在感应电极6的左右两侧，也沿着基底板对称轴1-2/2-2/3-2对称布置，且固定在基底板5上。振动板8两端固定在基底板5上，且沿着基底板对称轴1-2/2-2/3-2对称布置。上述的结构处于同一平面，振动板8在垂直于对称轴的方向延伸有多个分支。该多个分支结构与感应电极6及驱动电极7在对称轴1-2/2-2/3-2方向穿插设置，且驱动电极7及与其在对称轴方向穿插设置的多个分支结构的相对面上均具有梳齿状结构9。振动板8在驱动电极7的驱动下，与感应电极6发生相对运动，其运动方式为沿着基底板对称轴的水平振动。通过振动板8不断屏蔽感应电极6表面的电场分布从而调制外电场，使得感应电极6上产生电流。

本实施例实现了对三维电场的测量，并从结构设计上降低了轴间耦合；本实施例的低轴间耦合的三维电场传感器适用于普通机械加工和微加工技术制备；本公开传感器结构简单，易于组装和集成。

第二实施例

本公开的第二实施例提供了一种低轴间耦合的三维电场传感器。

为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

图3A和图3B为本公开第二实施例低轴间耦合的三维电场传感器在不同角度的结构示意图。如图3A和图3B所示，本实施例的低轴间耦合的三维电场传感器包含：三个测量方向相互正交的电场敏感单元，包括X方向电场敏感单元1、Y方向电场敏感单元2和Z方向电场敏感单元3；固定架4。每个电场敏感单元均采用轴对称差分设计，其电场敏感部均沿着其所在基底板对称轴1-2/2-2/3-2对称。采用轴对称差分设计的电场敏感单元能测量垂直于对称轴方向的面内电场分量，且能抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合。固定架4采用立长方体，X方向电场敏感单元1、Y方向电场敏感单元2和Z方向电场敏感单元3以粘连的方式放置在固定架4的三个非相互正交面的中心处，调整三者的相对位置，使得三者的测量轴1-1/2-1/3-1相互正交，本实施例中三个电场敏感单元位于三个相邻的平面内，且其中两个平面平行，另一个平面与该两个平面垂直。

图4为图3A和图3B所示低轴间耦合的三维电场传感器中单个电场敏感单元的示意图。每个电场敏感单元结构包括：基底板5、感应电极6、驱动电极7和振动板8。一对相同的感应电极6对称布置在基底板对称轴1-2/2-2/3-2的两侧，且固定在基底板5上。两对相同的驱动电极7分布在感应电极6的左右两侧，也沿着基底板对称轴1-2/2-2/3-2对称布置，且固定在基底板5上。振动板8两端固定在基底板5上，且沿着基底板对称轴1-2/2-2/3-2对称布置。上述的结构中感应电极6和驱动电极7均处于振动板8的下侧。振动板8在垂直于对称轴1-2/2-2/3-2的方向延伸有多个分支，该多个分支的一部分与感应电极6及驱动电极7交叉排布，另一部分覆盖于驱动电极7的上方，振动板8在驱动电极7的驱动下，与感应电极6发生相对运动，其运动为沿着垂直于基底板5方向的竖直运动。通过振动板8不断屏蔽感应电极6表面的电场分布从而调制外电场，使得感应电极6上产生电流。

本实施例的低轴间耦合的三维电场传感器实现了对三维电场的测量，并从结构设计上降低了轴间耦合；适用于普通机械加工和微加工技术制备；本公开传感器结构简单，易于组装和集成。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开低轴间耦合的三维电场传感器有了清楚的认识。

综上所述，本公开低轴间耦合的三维电场传感器中，三组电场敏感单元的测量轴相互垂直，从而实现三维电场分量的测量，且其电场敏感单元的电场敏感部均采用轴对称差分设计，可以抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合，同时，电场敏感单元中的振动板在驱动电极的驱动下运动，从而不断屏蔽感应电极表面的电场，实现对外电场的调制；驱动电极及与其对应的分支结构的相对面上均具有梳齿状结构，可以增大振动板与驱动电极的相对面积，从而提高驱动电极的驱动效果；整个低轴间耦合的三维电场传感器结构简单，易于组装和集成，适用于普通机械加工和微加工技术制备，具有较强的实用价值。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低轴间耦合的三维电场传感器，包括三组电场敏感单元，所述三组电场敏感单元的测量轴相互垂直，分别用于测量X、Y和Z三个相互垂直方向的电场；其中，所述电场敏感单元包括：

轴对称结构的基底板；以及

轴对称差分结构的电场敏感部，该电场敏感部位于所述基底板表面，且其对称轴与所述基底板的对称轴重合，用于测量垂直于对称轴方向的面内电场分量，且能抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合；

所述电场敏感部包括：

相对于其对称轴对称分布的至少一对感应电极；

沿其对称轴方向置于所述感应电极侧边的至少一对驱动电极；以及

轴对称结构的振动板，其对称轴与所述电场敏感部的对称轴重合；

其中，所述感应电极和驱动电极均置于所述基底板的表面；所述振动板沿对称轴的两端固定于所述基底板上，且其与所述感应电极和驱动电极在各个方向均留有间隙；

所述驱动电极与外部驱动电路连接，以驱动所述振动板相对于所述感应电极沿对称轴运动；

所述感应电极与外部的差分测量电路连接；

所述振动板在面内垂直于所述对称轴的方向延伸有多个分支结构，所述多个分支结构与所述驱动电极及感应电极位于同一平面，且与所述感应电极及驱动电极在对称轴方向穿插设置。

2.根据权利要求1所述的低轴间耦合的三维电场传感器，其中，所述驱动电极及与其在对称轴方向穿插设置的多个分支结构的相对面均具有梳齿结构。

3.根据权利要求1所述的低轴间耦合的三维电场传感器，其中，所述感应电极、驱动电极及振动板的主体材质包括硅基材料或金属；所述基底板的主体材质包括硅基材料、金属材料或有机材料。

4.根据权利要求1所述的低轴间耦合的三维电场传感器，其中，所述基底板的主体材质包括硅基材料或金属材料，所述电场敏感部通过绝缘材料固定于所述基底板的表面。

5.根据权利要求1所述的低轴间耦合的三维电场传感器，其中，所述三组电场敏感单元中每一组包括的电场敏感单元个数均为大于等于1的整数。

Images