CN113740621A

CN113740621A - 驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法

Info

Publication number: CN113740621A
Application number: CN202111052870.XA
Authority: CN
Inventors: 彭春荣; 李嘉晨; 毋正伟
Original assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2021-09-08
Filing date: 2021-09-08
Publication date: 2021-12-03

Abstract

一种驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法，该驻极体式微型电场传感器包括：振动薄膜，所述振动薄膜包括：导电薄膜以及驻极体薄膜，驻极体薄膜形成于所述导电薄膜的一侧表面；以及检测电极，与所述导电薄膜构成电容。所述振动薄膜在电场作用下产生静电力作用发生位移，引起导电薄膜与检测电极间的电容发生变化，导致振动薄膜与检测电极间的电压发生变化，通过测量电压变化或者电容变化可实现对待测电场或者电压的测量。本发明所述的电场传感器不需要额外引入驱动电压，具有功耗低，可实现交直流宽频带电场测量的优点，同时体积小、结构简单，有益于实现批量化制造和系统集成。

Description

驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法

技术领域

本发明涉及微型传感器领域，特别涉及驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法。

背景技术

电场传感器是一种用来测量电场强度的器件，在气象探测、航空航天、工业生产、智能电网、国防军事和科学研究方面具有十分重要的作用。当电场传感器用于实际测量时，传感节点的能耗、体积、抗干扰性以及灵敏度是不得不考虑的问题。

根据工作原理的不同，电场传感器可分为电荷感应式和光学式两大类，早期的基于电荷感应原理的传统电场传感器，比如双球式，旋片式等，最突出的问题在于体积较大，成本较高；随着微机械加工技术的发展，基于不同原理的微型电场传感器纷纷被提出，其中大多数性能出色的微型电场传感器都是利用外加驱动电压来驱使驱动结构发生位移，然后基于电荷感应原理实现对待测电场或者电压的测量，其受限于工作原理的限制，也带来功耗较高、灵敏度不够高、抗干扰能力差的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法，以期至少部分地解决上述提及的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，提供了一种驻极体式微型电场传感器，包括：振动薄膜，所述振动薄膜包括：导电薄膜；以及驻极体薄膜，形成于所述导电薄膜的一侧表面；以及检测电极，与所述导电薄膜构成电容。

作为本发明的第二个方面，还提供了一种利用上述驻极体式微型电场传感器进行的电场检测方法，包括：利用所述振动薄膜在待测电场作用下受到静电力的作用，使所述振动薄膜发生位移；利用振动薄膜在待检测电场的作用下发生的位移，获得所述导电薄膜与所述检测电极之间电容的变化量或电压的变化量；以及利用所述导电薄膜与所述检测电极之间的电容变化量或电压的变化量对平行于所述振动薄膜位移方向的所述待测电场进行检测。

作为本发明的第三个方面，还提供了一种电场传感器系统，包括：至少两个如上所述的驻极体式微型电场传感器；其中，任意两个所述驻极体式微型电场传感器所检测的电场方向垂直，用于二维电场或者三维电场的测量。

作为本发明的第四个方面，还提供了一种利用上述电场传感器系统进行的电场检测方法，包括：利用至少两个驻极体式微型电场传感器对待测电场进行检测。

基于上述技术方案可知，本发明的驻极体式微型电场传感器及方法、电场传感器系统及方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明提供的驻极体式微型电场传感器，其振动薄膜在待测电场作用下受到静电力的作用，使所述振动薄膜发生位移，从而导致导电薄膜与检测电极间的电容发生变化，由于所述驻极体薄膜上的电荷数保持恒定，可根据导电薄膜与检测电极间的电容变化得到导电薄膜与检测电极间的电压变化。利用振动薄膜在待检测电场的作用下发生的位移以及导电薄膜与检测电极间的电压变化或者电容变化可实现对待测电场或者待测电压的测量，该电场传感器未引入驱动电压，功耗低。

(2)本发明提供的驻极体式微型电场传感器利用检测电容或者电压的方式实现测量，灵敏度高，同时可实现交直流电场或电压的测量。

(3)本发明提供的驻极体式微型电场传感器采用微纳米加工技术等微机械制造工艺，其具有体积小、结构简单的优点，有益于实现批量化制造和系统集成，降低制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的驻极体式微型电场传感器示意图；

图2是本发明实施例提供的一种具有锚点支撑梁结构的驻极体式微型电场传感器结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种具有环式支撑结构的驻极体式微型电场传感器结构示意图。

附图标记说明

1振动薄膜；

11导电薄膜；12驻极体薄膜；

2支撑结构；

21硅薄膜结构；22支撑梁；23锚点；

3检测电极

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。

根据本发明的实施例，提供了一种驻极体式微型电场传感器，包括：振动薄膜，该振动薄膜包括：导电薄膜；以及驻极体薄膜，形成于导电薄膜的一侧表面；以及检测电极，与导电薄膜构成电容。

在待测电场作用下，振动薄膜由于会受到静电力的作用，使振动薄膜发生位移，从而导致导电薄膜与检测电极间的电容发生变化，由于驻极体薄膜上的电荷数保持恒定，可以得到导电薄膜与检测电极间的电压变化。通过测量导电薄膜与检测电极间的电压变化或者电容变化可实现对待测电场或者待测电压的测量，该电场传感器未引入驱动电压，功耗低。该驻极体式微型电场传感器的尺寸在微米至毫米量极。

根据本发明的实施例，振动薄膜的形状包括对称形状，其中，对称形状包括矩形、正方形、圆形或多边形。

根据本发明的实施例，导电薄膜和驻极体薄膜的位置可调换。

根据本发明的实施例，驻极体式微型电场传感器还包括：支撑结构，用于固定振动薄膜以及将振动薄膜与检测电极隔开，从而达到使导电薄膜与检测电极构成电容的作用。

根据本发明的实施例，驻极体式微型电场传感器中支撑结构为绝缘性材料，从而使隔开的振动薄膜与检测电极形成电容。

根据本发明的实施例，驻极体式微型电场传感器中支撑结构包括硅薄膜、支撑梁和锚点。该振动薄膜形成于硅薄膜的一侧表面，硅薄膜通过支撑梁固定在锚点上，从而达到固定振动薄膜，并将振动薄膜与检测电极隔开，形成电容的作用。

根据本发明的实施例，驻极体式微型电场传感器中支撑结构包括绝缘材料环。该绝缘材料环可以隔开振动薄膜与检测电极，使振动薄膜与检测电极形成电容。

根据本发明的实施例，驻极体式微型电场传感器中检测电极为金属电极。

根据本发明的实施例，驻极体式微型电场传感器采用微纳米加工技术、微机电系统技术、绝缘硅的微机电工艺(SOI MEMS)、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术实现。采用上述加工技术制备的驻极体电场传感器具有体积小、结构简单的优点，有益于实现批量化制造和系统集成，降低制造成本。

根据本发明的实施例，还提供了一种利用上述驻极体式微型电场传感器进行的电场检测方法，包括：利用振动薄膜在待测电场作用下受到静电力的作用，使振动薄膜发生位移；由于所述驻极体薄膜上的电荷数保持恒定，利用振动薄膜在待检测电场的作用下发生的位移，获得导电薄膜与检测电极之间电容的变化量或电压的变化量；以及利用导电薄膜与检测电极之间的电容变化量或电压的变化量对平行于振动薄膜位移方向的待测电场进行检测。

根据本发明的实施例，还提供了一种电场传感器系统，包括：至少两个上述的驻极体式微型电场传感器；其中，任意两个驻极体式微型电场传感器所检测的电场方向垂直。该电场传感器系统可实现对二维电场或三维电场的测量。

根据本发明的实施例，提供了一种利用上述的电场传感器系统进行的电场检测方法，包括：利用至少两个驻极体式微型电场传感器对待测电场进行检测。

以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

图1是本发明实施例提供的驻极体式微型电场传感器示意图。

如图1所示，为一种驻极体式微型电场传感器，包括：振动薄膜1，振动薄膜1包括：导电薄膜11以及驻极体薄膜12。导电薄膜11形成于驻极体薄膜12上。驻极体薄膜12电荷数保持恒定。检测电极3，与导电薄膜11构成电容。支撑结构2，用于固定振动薄膜1以及将振动薄膜1与检测电极3隔开。

图2是本发明实施例提供的一种具有锚点支撑梁结构的驻极体式微型电场传感器结构示意图。

如图2所示，为一种具有锚点支撑梁结构的驻极体式微型电场传感器，包括：振动薄膜1、支撑结构2、检测电极3。振动薄膜1由导电薄膜11和驻极体薄膜12构成，其中，导电薄膜11覆盖在驻极体薄膜12上面，振动薄膜1的形状为圆形；支撑结构2由硅薄膜结构21、支撑梁22和锚点23构成，其中，硅薄膜结构21为圆形或者圆环形；振动薄膜1覆盖在硅薄膜结构21上，通过支撑梁22固定在锚点23上，其中，导电薄膜11、驻极体薄膜12和硅薄膜结构21构成一种三明治结构；检测电极3设置在振动薄膜1下方，两者通过支撑结构2隔开，导电薄膜11与检测电极3构成电容。

振动薄膜1在外界电压或者电场作用下利用静电力发生位移，导致导电薄膜11与检测电极3间的电容发生变化，驻极体薄膜12上的电荷数始终保持恒定，导致导电薄膜11与检测电极3间电压发生变化，待测电场信号转化成电容或者电压信号，通过测量导电薄膜11与检测电极3间电容变化或者电压变化可实现对待测电场或者电压的测量。

图3是本发明实施例提供的一种具有环式支撑结构的驻极体式微型电场传感器结构示意图，其中，(a)为组装完成的电场传感器结构示意图，(b)为电场传感器分解结构示意图。

如图3中(a)和(b)所示，该微型电场传感器包括：振动薄膜1、支撑结构2、检测电极3。振动薄膜1由导电薄膜11和驻极体薄膜12构成，其中，导电薄膜11覆盖在驻极体薄膜12正面，振动薄膜1的形状为圆形；振动薄膜1通过支撑结构2固定，支撑结构2为塑料圆环；检测电极3设置在振动薄膜1下方，两者通过支撑结构2隔开，导电薄膜11与检测电极3构成电容；振动薄膜1在外界电压或者电场作用下发生位移，导致导电薄膜11与检测电极3间的电容发生变化，驻极体薄膜12上的电荷数始终保持恒定，导致导电薄膜11与检测电极3间电压发生变化，通过测量导电薄膜11与检测电极3间的电容变化或者电压变化可实现对待测电场或者电压的测量。

以上实施例提供的驻极体式微型电场传感器，通过对振动薄膜、支撑结构、检测电极进行合理设计和布局，振动薄膜通过待测电场作用发生位移，导致导电薄膜与检测电极间的电容发生变化，其中，驻极体薄膜上的电荷数始终保持恒定，进而可通过测量导电薄膜与检测电极间的电压变化或者电容变化实现对待测电场或者电压的测量。本发明所述的电场传感器功耗低、抗干扰能力强、灵敏度高，同时结构简单，可实现交直流电场或电压的测量。上述电场传感器可采用微纳制造工艺，体积小，有益于实现批量化制造和系统集成，降低成本。本发明的驻极体式微型电场传感器有利于电场传感器在气象探测、航空航天、工业生产、智能电网、国防军事和科学研究等方面的广泛应用。

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

1.一种驻极体式微型电场传感器，包括：

振动薄膜，所述振动薄膜包括：

导电薄膜；以及

驻极体薄膜，形成于所述导电薄膜的一侧表面；以及

检测电极，与所述导电薄膜构成电容。

2.如权利要求1所述的驻极体式微型电场传感器，其中，所述驻极体式微型电场传感器还包括：

支撑结构，用于固定所述振动薄膜以及将所述振动薄膜与所述检测电极隔开。

3.如权利要求2所述的驻极体式微型电场传感器，其中，所述支撑结构为绝缘性材料。

4.如权利要求2所述的驻极体式微型电场传感器，其中，所述支撑结构包括硅薄膜、支撑梁和锚点；

所述振动薄膜形成于所述硅薄膜的一侧表面，所述硅薄膜通过所述支撑梁固定在所述锚点上。

5.如权利要求2所述的驻极体式微型电场传感器，其中，所述支撑结构包括绝缘材料环。

6.如权利要求1所述的驻极体式微型电场传感器，其中，所述检测电极为金属电极。

7.如权利要求1所述的驻极体式微型电场传感器，其中，所述驻极体式微型电场传感器采用微纳米加工技术、微机电系统技术、绝缘硅的微机电工艺、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术实现。

8.一种利用如权利要求1-7任一项所述的驻极体式微型电场传感器进行的电场检测方法，包括：

利用振动薄膜在待测电场作用下受到静电力的作用，使所述振动薄膜发生位移；

利用所述振动薄膜在待检测电场的作用下发生的位移，获得导电薄膜与检测电极之间电容的变化量或电压的变化量；以及

利用所述导电薄膜与所述检测电极之间的电容变化量或电压的变化量对平行于所述振动薄膜位移方向的所述待测电场进行检测。

9.一种电场传感器系统，包括：

至少两个如权利要求1-7中任一项所述的驻极体式微型电场传感器；

其中，任意两个所述驻极体式微型电场传感器所检测的电场方向垂直，用于二维电场或三维电场测量。

10.一种利用如权利要求9所述的电场传感器系统进行的电场检测方法，包括：

利用至少两个驻极体式微型电场传感器对待测电场进行检测。