CN110412362B - 压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器 - Google Patents

Abstract

一种压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，主要包括：衬底、固定电极、可动电极、支柱、弹性梁、绝缘层和驱动结构；其中，构成传感器敏感结构的可动电极和固定电极在静止状态时位于同一平面，两者均为感应电极且互为屏蔽电极；由驱动电极和压电层构成的驱动结构驱动可动电极运动，使固定电极与可动电极产生相对位置变化；驱动结构位于感应电极外侧，驱动信号对感应电极上的信号干扰小。本发明的电场传感器可实现低电压驱动，有利于降低耦合干扰，提高传感器的信噪比；通过互屏蔽电极的设置，可提高敏感结构的感应效率，有利于提高传感器的分辨力和灵敏度；还具有微型化、结构简单、便于集成和批量化生产等特点。

Description

压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域和微机电系统(MEMS)领域，具体涉及一种压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器。

背景技术

电场测量技术在诸多领域都有应用，而电场测量的核心器件是电场传感器。电场传感器在航空航天、气象、电力、石油石化和工业生产等诸多领域具有广泛的应用。

电场传感器的应用较为广泛，根据不同的应用场合，已经研究出了应用于不同场合的各种传感器系统。电场传感器按其工作原理可以分为电荷感应式电场传感器和光纤式传感器两大类。传统机电式电场传感器发展较早，所以其技术较为成熟，在众多领域都有应用，但其存在体积大、造价昂贵、功耗高等缺点。电场传感器微型化、低功耗是电场传感器发展的重要方向。

对于现有的压电驱动微型电场传感器，龚超等人提出了交错振动式微型电场传感器，通过胶粘的方式把压电驱动陶瓷与感应电极相连，工艺精度低、不易集成和批量化生产，信噪比低。冯可等人提出了压电悬臂梁式微型传感器，该传感器驱动结构位于感应结构正下方，噪声耦合大；且该传感器每个感应电极相互独立，则每个感应电极具有各自的谐振频率，工作时无法保证所有的电极工作在谐振状态，分辨力和灵敏度低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种微型电场传感器及其应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种微型电场传感器，包括衬底、固定电极、可动电极、支柱、弹性梁、绝缘层和驱动结构；其中，

支柱，固定于衬底上；

固定电极，与支柱直接连接；

可动电极，通过弹性梁与支柱连接；其中，

所述可动电极和固定电极构成所述微型电场传感器的敏感结构；

所述固定电极和可动电极均为感应电极，二者在振动过程中形成差分感应，且互为屏蔽电极作用；

驱动结构，通过弹性梁以及绝缘层与所述可动电极连接，其中，所述驱动结构能够在驱动电压的作用下实现驱动结构的可控运动，从而带动可动电极运动，使固定电极与可动电极产生相对位置变化。

其中，所述可动电极和固定电极在静止状态位于同一平面。

其中，所述固定电极和可动电极的数量均至少为一组。

其中，所述驱动结构由压电层以及一组或多组驱动电极构成。

其中，所述驱动电极为导体，其材质选自Ti、Pt、Al、Ag、Cr、Cu和Au中的一种或多种；

作为优选，所述压电层的材质为压电材料，尤其为高压电系数的材料，包括如下材料中的一种或其组合：锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性钛酸铅。

其中，所述驱动电极、固定电极和可动电极的结构分别独立地为如下结构中的一种或其组合：条形结构、平板结构、梳齿结构和栅格结构。

其中，所述弹性梁的形状包括如下形状中的一种或其组合：直梁、折叠梁、U型梁、蛇形梁、蟹状梁。

其中，所述绝缘层实现驱动结构与可动电极之间的电气绝缘；

作为优选，所述绝缘层的材质选自如下材料：二氧化硅、氮化硅、二氧化硅/氮化硅复合绝缘材料。

其中，所述敏感结构下方的衬底为镂空结构；衬底支撑和连接支柱以及敏感结构，所述衬底的材质选自硅基材料、金属、金属合金、金属氧化物、有机材料、玻璃或陶瓷。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的微型电场传感器在航空航天、气象、电力、石油石化或工业生产领域作为电场测量设备的应用。

基于上述技术方案可知，本发明的微型电场传感器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)通过设置固定电极和可动电极作为传感器的敏感结构，该固定电极和可动电极均为感应电极，可动电极在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)驱动结构通过绝缘层实现与可动电极和弹性梁的电气绝缘，同时驱动结构位于感应电极的外侧，避免了驱动信号对感应信号的直接干扰，以及通过使用压电驱动、使用高压电系数的压电材料以及驱动结构的设计使传感器具有较低的驱动电压，可进一步降低耦合干扰，有利于提高传感器的信噪比；

(3)电场传感器敏感结构下方的衬底为镂空结构，该设置保证了传感器可动结构的位移量大小不受空间限制，一定程度上有利于感应电极上感应电荷变化量的增加，进而提高传感器的灵敏度；

(4)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为根据本发明实施例1的采用条形感应电极和压电驱动的微型电场传感器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例1的压电驱动的微型电场传感器的驱动原理示意图；

图3为根据本发明实施例2所示的采用梳齿感应电极的压电驱动的微型电场传感器的结构示意图；

图4为根据本发明实施例3所示的采用蛇形组合弹性梁的压电驱动的微型电场传感器的结构示意图；

上图中，附图标记含义如下：

1-衬底； 2-支柱；

3-固定电极； 4-可动电极；

5-弹性梁； 6-绝缘层；

7-驱动电极； 8-压电层。

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。

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。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在解释本发明的总体构思，而不应当理解为对本发明的一种限制。

参照图1～图4所示，本发明提出的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，包括：衬底1，支柱2，固定电极3，可动电极4，弹性梁5，绝缘层6，驱动结构；其中，可动电极4和固定电极3在静止状态位于同一平面，构成传感器的敏感结构，并相对设置，其数量设置为至少一组；可动电极4通过弹性梁5与支柱2相连，固定电极3与支柱2直接相连；支柱2固定于衬底1上，支撑并连接固定电极3与衬底1、以及弹性梁5与衬底1；所述驱动结构由压电层8以及一组或多组驱动电极7构成，驱动结构通过弹性梁5以及绝缘层6与可动电极4和相连；驱动电极7与驱动电路连接，在驱动电压的作用下实现驱动结构的运动，驱动结构会带动可动电极4运动，使固定电极3与可动电极4产生相对位置变化。

本发明提出的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的工作原理为：驱动结构在驱动信号的作用下发生振动，可动电极4也随之也发生振动；可动电极4的振动实现了可动电极4和固定电极3之间位置的变化，进而使得固定电极3和可动电极4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。具体的，对于垂直振动，当可动电极4表面高于固定电极3表面时，可动电极4上感应的电荷较多，固定电极3上感应的电荷较少；当可动电极4表面低于固定电极表面时，可动电极4上感应的电荷较少，固定电极3上感应的电荷较多；对于可动电极4周期性的变化，可动电极4和固定电极3上的感应电荷周期性变化，测量对应感应电极上的电流即可测量出被测电场大小。

下面来具体介绍本发明的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的各个部分。

本发明的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，固定电极3和可动电极4均为感应电极，可动电极4在振动过程中和固定电极3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。

其中，固定电极3和可动电极4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3和可动电极4的电场感应结构对称分布。

固定电极3和可动电极4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3和可动电极4均采用条形结构，并且固定电极3与可动电极4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2，固定电极3和可动电极4均为梳齿结构，并且固定电极3与可动电极4之间相互交叉设置，参见图3所示。优选的实施例中，通过优化同定电极3和可动电极4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。

本发明的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，采用压电驱动，压电层的材料为压电材料，尤其为高压电系数的材料，该方式使传感器具有较低的驱动电压，可进一步降低耦合干扰，有利于提高传感器的信噪比。其中，压电材料包括如下材料的一种或其组合：锆钛酸铅、掺杂的锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性的钛酸铅。

驱动电极7的形状可以进行优化设置，在一些实施例中，例如实施例1，驱动电极7为条形结构，参见图1所示；例如实施例3，驱动电极7为平板结构，参见图4所示。驱动电极的材料包括但不限于如下材料的一种或其组合：Ti、Pt、Al、Ag、Cr、Cu和Au等。

弹性梁5可为多种形状，在一些实施例中，比如直梁、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。

绝缘层6可实现驱动结构与可动电极之间的电气绝缘，绝缘层材料包括但不限于如下材料中的一种：二氧化硅、氮化硅、二氧化硅和氮化硅组成的复合绝缘材料等。

电场传感器敏感结构下方的衬底1为镂空结构，该设置保证了传感器可动结构的位移量大小不受空间限制，一定程度上有利于感应电极上感应电荷变化量的增加，进而提高传感器的灵敏度；且衬底1的材料包括但不限于如下材料中的一种：金属、金属合金、金属氧化物、有机材料、玻璃、陶瓷或硅基材料等。

下面结合实施例，对本发明的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器进行详细介绍。

实施例1

实施例1介绍了采用条形感应电极的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的结构示例。

图1为根据本发明实施例1所示的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的结构示意图。参照图1所示，本实施例中，压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，包括：衬底1、支柱2、固定电极3、可动电极4、弹性梁5、绝缘层6和驱动结构。

本实施例中，可动电极4设置为两组，固定电极3为两组；支柱2设置六组，固定于衬底1上，用于支撑并连接固定电极3与衬底1、以及弹性梁5与衬底1；可动电极4和固定电极3位于同一平面，可动电极4通过弹性梁5与支柱2相连，固定电极3与支柱2直接相连；驱动结构为四组，每组驱动结构由上下两组驱动电极7和压电层8构成，压电层8位于上下两驱动电极7之间；驱动结构通过绝缘层6位于可动电极4所在的平面上方，驱动电极7与外部驱动电路连接来驱动可动电极4运动，使固定电极3与可动电极4产生相对位置变化。

本实施例中，固定电极3、可动电极4为条形结构；弹性梁5为直梁；驱动电极7为条形结构。

可动电极4在驱动结构施加一定驱动力的情况下，会随着弹性梁5发生垂直振动；在可动电极4垂直振动的过程中，固定电极3和可动电极4上的感应电荷会随可动电极4的运动而变化，两者互为屏蔽电极。具体的，当可动电极4表面高于固定电极3表面时，可动电极4上感应的电荷较多，固定电极3上感应的电荷较少，可动电极4对固定电极3起到电荷屏蔽的作用；反之，当可动电极4表面低于固定电极3表面时，固定电极3上感应的电荷较多，可动电极4上感应的电荷较少，固定电极3对可动电极4起到电荷屏蔽的作用。对于本实施例中的垂直运动，一方面既可以利用感应电极表面的感应电荷变化，又可以利用感应电极侧面的感应电荷变化，充分增大了感应电荷变化量，有助于提高感应效率，进而提高传感器的灵敏度；另一方面，可动电极4全部位置的位移量保持一致，使输出保持线性，便于测量。

本实施例中，驱动形式为压电驱动，具体驱动原理如图2所示。在上下两驱动电极7施加电压，两驱动电极7之间的压电层8会有电场产生，压电层8的压电材料在电场的作用下产生内应力，在内应力的作用下驱动结构会有位移产生。在图2所示的应力S_x的作用下，结构形变如图中虚线所示。具体的，当压电材料上的电场与极化方向相同时，在电场的作用下，压电材料内束缚电荷之间的距离会增大，在垂直于电场平面驱动结构会在应力的作用下收缩，而弹性梁5保持原状，这个收缩的应力能推动驱动结构和弹性梁5向上弯曲；反之，当压电材料上的电场与极化方向相反时，在电场的作用下，压电材料内束缚电荷之间的距离会减小，在垂直于电场平面驱动结构会在应力的作用下伸长，而弹性梁5保持原状，这个伸长的应力能推动驱动结构和弹性梁5向下弯曲。使施加在驱动电极7之间的电压周期性变化，则可动电极4随之发生周期性的垂直振动。

实施例2

实施例2介绍了采用梳齿感应电极的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的结构示例。

图3为根据本发明实施例2所示的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的结构示意图。参照图3所示，本实施例2与实施例1的工作原理一致，压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，都包括两组固定电极3、两组可动电极4；但区别之处在于：本实施例中，固定电极3和可动电极4通过梳齿结构交叉排列。

实施例3

实施例3介绍了采用蛇形组合弹性梁的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的结构示例。

图3为根据本发明实施例3所示的压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器的结构示意图。参照图4所示，本实施例3与实施例1的工作原理一致，压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，包括两组固定电极3、两组可动电极4；支柱设置为四组；驱动结构为两组，通过绝缘层6位于可动电极4所在平面的上方。

本实施例中，固定电极3、可动电极4为条形结构，交叉排列在同一平面内；弹性梁5为蛇形梁和其他梁的组合形式，相比于直梁结构，便于实现振动且提高了振动位移；驱动电极7为平板结构。

综上所述，本发明提供了一种压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器，通过设置固定电极和可动电极作为传感器的敏感结构，该固定电极和可动电极均为感应电极，可动电极在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；驱动结构通过绝缘层实现与可动电极和弹性梁的电气绝缘，同时驱动结构位于感应电极的外侧，避免了驱动信号对感应信号的直接干扰，以及传感器具有较低的驱动电压，可进一步降低耦合干扰，有利于提高传感器的信噪比；电场传感器敏感结构下方的衬底为镂空结构，该设置保证了传感器可动结构的位移量大小不受空间限制，一定程度上有利于感应电极上感应电荷变化量的增加，进而提高传感器的灵敏度；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，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明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，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明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发明的单独实施例。

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，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种微型电场传感器，包括衬底、固定电极、可动电极、支柱、弹性梁、绝缘层和驱动结构，其特征在于：

支柱，固定于衬底上；

固定电极，与支柱直接连接；

可动电极，通过弹性梁与支柱连接；其中，

所述可动电极和固定电极构成所述微型电场传感器的敏感结构；

所述固定电极和可动电极均为感应电极，二者在振动过程中形成差分感应，且互为屏蔽电极作用，所述振动为垂直运动，且可动电极所有位置运动保持一致；

驱动结构，通过弹性梁以及绝缘层与所述可动电极连接，其中，所述驱动结构能够在驱动电压的作用下实现驱动结构的可控运动，从而带动可动电极运动，使固定电极与可动电极产生相对位置变化。

2.据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述可动电极和固定电极在静止状态位于同一平面。

3.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述固定电极和可动电极的数量均至少为一组。

4.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述驱动结构由压电层以及一组或多组驱动电极构成。

5.根据权利要求4所述的微型电场传感器，其特征在于，所述驱动电极为导体，其材质选自Ti、Pt、Al、Ag、Cr、Cu和Au中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的微型电场传感器，其特征在于，所述压电层的材质为高压电系数的材料，包括如下材料中的一种或其组合：锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性钛酸铅。

7.根据权利要求4所述的微型电场传感器，其特征在于，所述驱动电极、固定电极和可动电极的结构分别独立地为如下结构中的一种或其组合：条形结构、平板结构、梳齿结构和栅格结构。

8.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述弹性梁的形状包括如下形状中的一种或其组合：直梁、折叠梁、U型梁、蛇形梁、蟹状梁。

9.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述绝缘层实现驱动结构与可动电极之间的电气绝缘。

10.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述绝缘层的材质选自如下材料：二氧化硅、氮化硅、二氧化硅和氮化硅复合绝缘材料。

11.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述敏感结构下方的衬底为镂空结构；衬底支撑和连接支柱以及敏感结构，所述衬底的材质选自硅基材料、金属、金属合金、金属氧化物、有机材料、玻璃或陶瓷。

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