CN108508284A - 一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，包括：基底；电场感应结构，该电场感应结构包含：至少一组固定电极和可动扭转电极，该固定电极与可动扭转电极均为感应电极，并且两者互为屏蔽电极，即在可动扭转电极扭转振动时，固定电极和可动扭转电极之间产生相对运动，两者相互屏蔽，同时在固定电极和可动扭转电极上产生感应电荷的变化；扭转弹性梁，与可动扭转电极相连；以及驱动结构，驱动可动扭转电极绕着扭转弹性梁发生扭转振动，使得固定电极与可动扭转电极产生相对位置变化。该电场传感器的结构简单且体积小，感应效率高，使用范围广泛，适用于普通机械加工和微加工技术制备，易于组装、集成、批量化和规模化生产。

Description

一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器

技术领域

本公开属于传感器领域，涉及一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器。

背景技术

电场传感器作为测量电场强度大小的一种器件，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诸多领域有着非常重要的作用。

根据工作原理的不同，电场传感器大体上可以划分为电荷感应式和光学式两种。早期应用电荷感应原理的电场传感器有旋片式、火箭式、双球式等，其优点是加工技术成熟、测量范围宽、精度较高，但是存在体积大、结构复杂、成本高等缺点。而目前对于器件结构的小型化、微型化需求越来越广泛，电场传感器的体积也需要相应减小，但是随着电场传感器体积的不断减小，其敏感结构相应的面积也随之减小，相应的，电场传感器的输出信号也越来越微弱。因此，亟需提出一种能够提高传感器的感应效率的结构，使其在小体积下便具有较大的输出信号，并且加工方法简单、易于规模化生产。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，包括：基底；电场感应结构，该电场感应结构包含：至少一组固定电极和可动扭转电极，该固定电极与可动扭转电极均为感应电极，并相对设置；扭转弹性梁，与可动扭转电极相连；以及驱动结构，驱动可动扭转电极绕着扭转弹性梁发生扭转振动，使得固定电极与可动扭转电极产生相对位置变化；其中，在可动扭转电极发生扭转振动时，固定电极与可动扭转电极互为屏蔽电极。

在本公开的一些实施例中，基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，还包括：固定锚点，固定于基底上，支撑并连接固定电极与基底、以及扭转弹性梁与基底。

在本公开的一些实施例中，扭转振动包括：离面扭转振动和面内扭转振动。

在本公开的一些实施例中，驱动结构与外部驱动电路连接，在外部驱动电路的驱动下，驱动结构本身发生扭转振动，然后带动可动扭转电极产生扭转振动。

在本公开的一些实施例中，外部驱动电路的驱动形式包括如下形式的一种：压电驱动、静电驱动、电热驱动、以及电磁驱动。

在本公开的一些实施例中，驱动结构包含一组或多组驱动电极。

在本公开的一些实施例中，扭转弹性梁的形状包括如下形状的一种或其组合：横梁、折叠梁、双折梁、U型梁、蛇形梁、以及蟹状梁。

在本公开的一些实施例中，基底的材料包括如下材料中的一种：金属、玻璃、陶瓷或硅基材料。

在本公开的一些实施例中，互屏蔽式电场传感器在进行传感检测时，固定电极和可动扭转电极与输出信号差分检测电路连接。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，具有以下有益效果：

(1)通过设置固定电极和可动扭转电极作为传感器的敏感结构，该固定电极和可动扭转电极均为感应电极，其中，可动扭转电极的扭转振动放大了自身位移，增大了感应电荷变化量；并且可动扭转电极在扭转振动过程中和固定电极形成差分感应，二者互为屏蔽电极作用，充分增加了感应面积，进而提高了传感器的感应效率；

(2)可动扭转电极的扭转振动方式可以为面内扭转振动或离面扭转振动，驱动方式多样，包括：压电驱动、静电驱动、电热驱动、以及电磁驱动等方式，具有较好的灵活性，拓宽了该电场传感器的使用范围；

(3)该电场传感器的结构简单且体积小，适用于普通机械加工和微加工技术制备，易于组装、集成、批量化和规模化生产。

附图说明

图1为根据本公开实施例1所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。

图2为根据本公开实施例2所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。

图3为根据本公开实施例3所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。

图4为根据本公开实施例4所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。

图5为根据本公开实施例5所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。

图6为根据本公开实施例6所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。

【符号说明】

1-固定电极； 2-可动扭转电极；

3-驱动结构； 4-固定锚点；

5-扭转弹性梁； 6-基底。

具体实施方式

本公开提供了一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，通过设置固定电极和可动扭转电极作为传感器的敏感结构，该固定电极和可动扭转电极均为感应电极，并且两者互为屏蔽电极，即在可动扭转电极扭转振动时，固定电极和可动扭转电极之间产生相对运动，两者相互屏蔽，同时在固定电极和可动扭转电极上产生感应电荷的变化；其中，可动扭转电极的扭转振动放大了自身位移，增大了感应电荷变化量；并且可动扭转电极在扭转振动过程中和固定电极形成差分感应，二者互为屏蔽电极作用，充分增加了感应面积，进而提高了传感器的感应效率；该电场传感器的结构简单且体积小，使用范围广泛，适用于普通机械加工和微加工技术制备，易于组装、集成、批量化和规模化生产。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书中，不同实施例所示的相同或相似的结构采用相同的附图标记进行表示。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中技术人员所熟知的形式。下述参照附图对本公开实施方式的说明旨在解释本公开的总体构思，而不应当理解为对本公开的一种限制。

参照图1～图6所示，本公开的一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，包括：基底6；电场感应结构，该电场感应结构包含：至少一组固定电极1和可动扭转电极2，该固定电极1与可动扭转电极2均为感应电极，并相对设置；扭转弹性梁5，与可动扭转电极2相连；驱动结构3，驱动可动扭转电极2绕着扭转弹性梁5发生扭转振动，使得固定电极1与可动扭转电极2产生相对位置变化；以及固定锚点4，固定于基底6上，支撑并连接固定电极1与基底6、以及扭转弹性梁5与基底6；其中，在可动扭转电极发生扭转振动时，固定电极与可动扭转电极互为屏蔽电极。

本公开提出的一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的工作原理为：驱动结构3在驱动电压的作用下发生扭转振动，则可动扭转电极2随之也发生扭转振动；可动扭转电极2的扭转振动实现了可动扭转电极2和固定电极1之间位置的变化，进而使得固定电极1和可动扭转电极2上的感应电荷发生改变，感应电极输出感应电流，测量这个电流的大小可以测量电场强度。

本公开的一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，相较于传统的电场传感器来说，可动扭转电极2和固定电极1均为感应电极，在可动扭转电极2发生扭转振动的过程中，一方面，可动扭转电极2的扭转振动放大了自身位移，增大了感应电荷变化量；另一方面，可动扭转电极2和固定电极1二者之间除了位置关系的变化，二者还互为屏蔽电极，即互相起到电荷屏蔽的作用，且该电荷屏蔽作用随着二者位置关系的变化而产生相对变化，充分增加了感应面积，提高了电荷的感应效率。

下面来具体介绍本公开的一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的各个部分。

本公开的一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，在进行传感检测时，固定电极1和可动扭转电极2与输出信号差分检测电路连接。

基底的材料包括但不限于如下材料中的一种：金属、玻璃、陶瓷或硅基材料等。

固定电极1和可动扭转电极2的组数可根据实际需要进行设置，优选设置偶数组，并且优选包含偶数组的固定电极1和可动扭转电极2的电场感应结构沿着扭转弹性梁5对称分布。

固定电极1和可动扭转电极2的形状可进行优化设置，在一些实施例中，例如实施例1，固定电极1和可动扭转电极2均采用条形结构，并且固定电极1与可动扭转电极2之间相互交叉设置，参见图1所示；在其它的优选实施例中，例如实施例4，固定电极1和可动扭转电极2均为梳齿结构，并且固定电极1与可动扭转电极2之间相互交叉设置，参见图4所示。优选的实施例中，通过优化固定电极1和可动扭转电极2的形状，使得感应电极的感应面积增大，有助于提高感应效率。

在一些实施例中，驱动结构3与外部驱动电路连接，在外部驱动电路的驱动下，驱动结构3本身发生扭转振动，然后带动可动扭转电极2产生扭转振动。

其中，可动扭转电极2绕着扭转弹性梁5发生的扭转振动包括：离面扭转振动和面内扭转振动。在下面的实施例中，离面扭转振动可参见实施例1所示，面内扭转振动可参见实施例2所示。

其中，驱动电路的驱动形式包括但不限于：压电驱动、静电驱动、电热驱动、电磁驱动或其他驱动方式等。

驱动结构3可以是驱动电极，该驱动电极可以为一组或多组，通过与可动扭转电极2之间的驱动作用，诸如：压电驱动、静电驱动、电热驱动、电磁驱动等形式实现对可动扭转电极2的驱动。

驱动电极的形状也可以进行优化设置，在一些实施例中，例如实施例1，驱动结构3对应的驱动电极为平板结构，参见图1所示；在一些优选实施例中，例如实施例2，驱动结构3对应的驱动电极为梳齿结构，参见图2所示，通过多组梳齿的设置可以提高静电驱动力；在另一些优选实施例中，例如实施例6，驱动结构3对应的驱动电极为平板结构，在中间的平行驱动板上采用镂空孔结构，参见图6所示，通过镂空孔结构进一步减小振动过程中空气的阻尼，从而提高谐振的品质因数。

扭转弹性梁5可为多种形状，在一些实施例中，比如横梁、折叠梁、U型梁、蛇形梁、蟹状梁、及其组合或其他形状等，可根据实际需要进行对应选择。

在一些实施例中，电场感应结构对应的下方基底为镂空结构，可以减小传感器在实际工作状态下的空气阻尼，空气阻尼的减小，一是能降低非真空状态下传感器的驱动电压；二是能够提高非真空状态下传感器谐振的品质因数。

下面结合实施例，对本公开的一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器进行详细介绍。

实施例1

实施例1介绍了采用静电驱动方式驱动可动扭转电极进行离面扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示例。

图1为根据本公开实施例1所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。参照图1所示，本实施例中，基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，包括：固定电极1、可动扭转电极2、驱动结构3、固定锚点4、扭转弹性梁5、以及基底6。

本实施例中，可动扭转电极2为两组，其相对于对称轴对称分布，构成差分感应结构；固定电极1为两组，其相对于对称轴对称分布，构成差分感应结构；固定锚点4为四组，分别用于支撑和连接两组固定电极1、以及扭转弹性梁5的两端；驱动结构3为四组，分为上下驱动电极，驱动电极与外电路的地线相连，上驱动电极位于可动扭转电极2下方，可动扭转电极2与上驱动电极之间绝缘；固定电极1和可动扭转电极2位于基底6所在平面外，固定电极1与基底6通过固定锚点4连接。

本实施例中，固定电极1、可动扭转电极2为条形结构；扭转弹性梁5为横梁；驱动结构3对应的驱动电极为平板结构。

可动扭转电极2在驱动结构施加一定驱动力的情况下，会绕着扭转弹性梁5进行离面扭转振动，如图1中旋转箭头示意，在可动扭转电极2的离面扭转振动过程中，固定电极1和可动扭转电极2互为屏蔽电极；具体的，当可动扭转电极2表面高于固定电极表面1时，可动扭转电极2感应的电荷较多，固定电极1感应的电荷较少，可动扭转电极2对固定电极1起到电荷屏蔽的作用；反之，当可动扭转电极2表面低于固定电极1表面时，固定电极1感应的电荷较多，可动扭转电极2感应的电荷较少，固定电极1对可动扭转电极2起到电荷屏蔽的作用。因此，可动扭转电极2与固定电极1的屏蔽作用在可动扭转电极2进行离面扭转振动过程中是相对的，该设置使得感应面积变大，提高了电荷的感应效率。

本实施例中，驱动形式为静电驱动，下驱动电极左右两边分别施加不同的电压，从而对上驱动电极的极板产生不同的静电力，由于上驱动电极的极板关于对称轴对称，则对称轴两边产生不同的静电力，从而使可动扭转电极发生离面扭转。使施加在驱动结构3上的电压周期性变化，则可动扭转电极随之发生周期性的离面扭转振动，实现可动扭转电极和固定电极的周期性屏蔽，从而实现对外电场的调制和传感。

实施例2

实施例2介绍了采用静电驱动方式驱动可动扭转电极进行面内扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示例。

图2为根据本公开实施例2所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。参照图2所示，本实施例中，基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，包括：两组固定电极1、两组可动扭转电极2、多组驱动结构3、以及固定锚点4；其中，固定电极1、可动扭转电极2为条形结构；扭转弹性梁5为折叠梁；驱动结构3对应的驱动电极为梳齿结构，通过多组梳齿提高静电驱动力；所有的驱动结构位于同一平面内，通过静电驱动方式，可以实现面内扭转。

可动扭转电极2在驱动结构3施加一定驱动力的情况下，会绕着扭转弹性梁5发生面内扭转振动，在可动扭转电极2进行面内扭转振动过程中，其工作屏蔽原理与实施例1中有些不同，具体的，当可动扭转电极2侧面远离固定电极侧面1时，固定电极1和可动扭转电极2感应的电荷增多，两者之间的屏蔽作用减弱；当可动扭转电极2侧面靠近固定电极1侧面时，固定电极1感应和可动扭转电极2感应的电荷减少，两者之间的屏蔽作用增强。

实施例3

实施例3介绍了采用热电驱动方式驱动可动扭转电极进行离面扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示例。

图3为根据本公开实施例3所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。参照图3所示，本实施例3与实施例1的工作原理一致，基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，都包括两组固定电极1、两组可动扭转电极2；但区别之处在于：本实施例中，电场感应结构对应的下方基底为镂空结构；驱动结构设置为两组，驱动形式采用热电驱动，通过在对称轴两边的驱动电极上施加不同的电压，从而使两边材料受热膨胀产生不同的热驱动力，不同热驱动力带动可动扭转电极2进行离面扭转振动。

实施例4

实施例4介绍了采用静电驱动方式驱动可动扭转电极进行离面扭转振动的互屏蔽式电场传感器的电场感应结构优化示例。

图4为根据本公开实施例4所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。参照图4所示，本实施例4与实施例1的工作原理一致，基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，都包括两组固定电极1、两组可动扭转电极2；但区别之处在于：本实施例中，固定电极1和可动扭转电极2通过梳齿结构交叉排列，该设置进一步提高了感应电极的感应面积，从而提高了感应效率。

实施例5

实施例5介绍了采用热电驱动方式驱动可动扭转电极进行离面扭转振动的互屏蔽式电场传感器的电场感应结构优化示例。

图5为根据本公开实施例5所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。参照图5所示，本实施例与实施例3的工作原理一致，基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，都包括两组固定电极1、两组可动扭转电极2；但区别之处在于：本实施例中，固定电极1和可动扭转电极2通过梳齿结构交叉排列，该设置进一步提高了感应电极的感应面积，从而提高了感应效率。

实施例6

实施例6介绍了采用静电驱动方式驱动可动扭转电极进行离面扭转振动的互屏蔽式电场传感器的驱动结构优化示例。

图6为根据本公开实施例6所示的基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器的结构示意图。参照图6所示，本实施例与实施例4的工作原理一致，基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，都包括两组固定电极1、两组可动扭转电极2，采用静电驱动；不同之处在于：本实施例中，中间的平行驱动电极的极板上采用镂空孔结构，通过镂空孔结构进一步减小振动过程中空气的阻尼，从而提高谐振的品质因数；扭转弹性梁5采用横梁和双折梁结构，相比于横梁结构，便于扭转且提高了扭转角度；同时适应于折叠梁的结构设计，固定锚点4设置为六组，增强其支撑作用。

综上所述，本公开提供了一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，通过设置固定电极和可动扭转电极作为传感器的敏感结构，该固定电极和可动扭转电极均为感应电极，并且两者互为屏蔽电极，即在可动扭转电极扭转振动时，固定电极和可动扭转电极之间产生相对运动，两者相互屏蔽，同时在固定电极和可动扭转电极上产生感应电荷的变化；其中，可动扭转电极的扭转振动放大了自身位移，增大了感应电荷变化量；并且可动扭转电极在扭转振动过程中和固定电极形成差分感应，二者互为屏蔽电极作用，充分增加了感应面积，进而提高了传感器的感应效率；可动扭转电极的扭转振动方式可以为面内扭转振动或离面扭转振动，驱动方式多样，包括：压电驱动、静电驱动、电热驱动、以及电磁驱动等方式，具有较好的灵活性，拓宽了该电场传感器的使用范围；该电场传感器的结构简单且体积小，适用于普通机械加工和微加工技术制备，易于组装、集成、批量化和规模化生产。

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。

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。上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

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 (10)

1.一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器，包括：

基底；

电场感应结构，该电场感应结构包含：至少一组固定电极和可动扭转电极，该固定电极与可动扭转电极均为感应电极，并相对设置；

扭转弹性梁，与可动扭转电极相连；以及

驱动结构，驱动可动扭转电极绕着扭转弹性梁发生扭转振动，使得固定电极与可动扭转电极产生相对位置变化；

其中，在可动扭转电极发生扭转振动时，固定电极与可动扭转电极互为屏蔽电极。

2.根据权利要求1所述的互屏蔽式电场传感器，还包括：

固定锚点，固定于基底上，支撑并连接固定电极与基底、以及扭转弹性梁与基底。

3.根据权利要求1所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述扭转振动包括：离面扭转振动和面内扭转振动。

4.根据权利要求1所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述驱动结构与外部驱动电路连接，在外部驱动电路的驱动下，驱动结构本身发生扭转振动，然后带动可动扭转电极产生扭转振动。

5.根据权利要求4所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述外部驱动电路的驱动形式包括如下形式的一种：压电驱动、静电驱动、电热驱动、以及电磁驱动。

6.根据权利要求1所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述驱动结构包含一组或多组驱动电极。

7.根据权利要求1所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述扭转弹性梁的形状包括如下形状的一种或其组合：横梁、折叠梁、双折梁、U型梁、蛇形梁、以及蟹状梁。

8.根据权利要求1所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述的固定电极、可动扭转电极与基底之间均绝缘。

9.根据权利要求1所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述基底的材料包括如下材料中的一种：金属、玻璃、陶瓷或硅基材料。

10.根据权利要求1至9任一项所述的互屏蔽式电场传感器，其中，所述互屏蔽式电场传感器在进行传感检测时，固定电极和可动扭转电极与输出信号差分检测电路连接。