CN113960380A - 微型电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型电场传感器。所述微型电场传感器包括：衬底以及至少一个柱状电极，设置在所述衬底上；薄膜电极，悬空设置在所述衬底上方，所述薄膜电极上形成至少一个电极孔，所述柱状电极的位置与所述电极孔的位置相对应；以及至少一个驱动单元，用以驱动所述薄膜电极上下振动，实现所述薄膜电极的中心点沿所述柱状电极的轴线方向上的相对位置发生变化，使得所述薄膜电极与所述柱状电极上的感应电荷量发生变化。

Description

微型电场传感器

技术领域

本公开的实施例涉及电场传感器技术领域，具体地涉及一种微型电场传感器。

背景技术

电场传感器广泛应用于航空航天、气象、电力、石油化工等领域，为了满足不同的应用需求，技术人员研发出各式各样的电场传感器。

根据工作原理，可以将电场传感器大致分为三类，分别是光学式、静电力式和电荷感应式。光学式和静电力式在特定的场合具有一定优势，但是其探测成本普遍较高，灵敏度和分辨力普遍较低。电荷感应式的MEMS(Micro-Electro-Mechanical，微机电)电场传感器由于其体积小、功耗低、结构简单、可批量化制造等特点而成为电场传感器的一个重要发展方向。随着新兴领域的发展，对于高灵敏、高分辨力、低功耗的MEMS电场传感器的需求日益迫切。但现有的基于电荷感应式的MEMS电场传感器由于其结构的局限性，电场调制效率不高，从而致使分辨力和灵敏度较低。

发明内容

本公开的实施例提供了一种微型电场传感器，以至少部分解决上述背景技术中提出的分辨力和灵敏度较低的问题。

根据本发明的一个方面的实施例，提供了一种微型电场传感器，包括：衬底；至少一个柱状电极，设置在上述衬底上；薄膜电极，悬空设置在上述衬底上方，上述薄膜电极上形成至少一个电极孔，上述柱状电极的位置与上述电极孔的位置相对应；以及至少一个驱动单元，用以驱动上述薄膜电极上下振动，实现上述薄膜电极孔的中心点沿着上述柱状电极的轴线方向上的相对位置发生变化，使得上述薄膜电极和上述柱状电极上的感应电荷量发生变化。

根据本公开的实施例，每个上述驱动单元，包括：从动部，与上述薄膜电极连接；以及驱动电极组件，用以通过上述从动部驱动上述薄膜电极发生振动。

根据本公开的实施例，每个上述从动部包括：两个支撑座，设置在上述衬底上；振动梁，连接在两个上述支撑座之间以相对于上述衬底悬空，用以在上述驱动电极组件的驱动下发生振动；以及连接梁，连接在上述薄膜电极的侧部与上述振动梁之间。

根据本公开的实施例，上述振动梁的两端分别形成与上述支撑座连接的固定部。

根据本公开的实施例，上述驱动电极组件包括：设置在上述振动梁一侧的两个上下相对设置的驱动电极、以及设置在两个上述驱动电极之间的压电层。

根据本公开的实施例，上述振动梁与靠近上述振动梁的驱动电极之间设有第一绝缘层。

根据本公开的实施例，上述压电层由锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性钛酸铅中的至少一种制成。

根据本公开的实施例，上述驱动电极组件包括：第二绝缘层，设置在上述衬底上；以及静电驱动电极，设置在上述第二绝缘层和上述振动梁之间。

根据本发明的上述实施例提供一种微型电场传感器，柱状电极和薄膜电极进行配合，通过驱动单元驱动薄膜电极与柱状电极发生在柱状电极的轴线方向上的相对位置变化，使得薄膜电极与所述柱状电极感应的电荷量发生变化，进而较为有效的增加电场感应效率。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了本公开的一种示例性实施例的微型电场传感器的整体结构示意图；

图2是图1所示的示例性实施例的微型电场传感器的侧面结构示意图；

图3示意性示出了本公开的另一种示例性实施例的微型电场传感器的整体结构示意图；以及

图4示意性示出了本公开的另一种示例性实施例的微型电场传感器的原理示意图。

附图标记：

1-柱状电极；

2-薄膜电极；21-电极孔；

3-衬底；

4-支撑座；

5-固定部；

6-振动梁；

7-第一绝缘层；

8-驱动电极；

9-压电层；

10-第二绝缘层；

11-静电驱动电极；以及

12-连接梁。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

根据本公开的一种方面的总体上的发明构思，提供一种微型电场传感器，包括：衬底3；至少一个柱状电极1，设置在所述衬底3上；薄膜电极2，悬空设置在所述衬底3上方，所述薄膜电极2上形成至少一个电极孔21，所述柱状电极的位置与所述电极孔的位置相对应；以及至少一个驱动单元，用以驱动所述薄膜电极2上下振动，实现所述薄膜电极2在沿着所述柱状电极1轴线方向上的相对位置发生变化，使得所述薄膜电极2和所述柱状电极1的感应电荷量发生变化。

图1示意性示出了本公开的一种示例性实施例的微型电场传感器的整体结构示意图；图2是图1所示的示例性实施例的微型电场传感器的侧面结构示意图。

如图1和图2所示，提供一种微型电场传感器，包括：衬底3，设置在衬底3上的至少一个柱状电极1，悬空设置在所述衬底3上方的薄膜电极2以及至少一个驱动单元。上述薄膜电极2上形成至少一个电极孔21，柱状电极1的位置与上述电极孔21的位置分别相对应。上述驱动单元用以驱动薄膜电极2上下振动，实现所述薄膜电极2在沿着所述柱状电极1轴线方向上的相对位置发生变化，柱状电极1和薄膜电极2交替处于上层和下层位置，使得所述薄膜电极2与所述柱状电极1感应的电荷量发生变化。

根据本公开的实施例，薄膜电极2的电极孔21的数量应和柱状电极1的数量一致，并且柱状电极1的截面面积应小于薄膜电极2的电极孔21的尺寸。柱状电极1上表面的形状与薄膜电极2上电极孔21的形状相对应，可以为任意相互配合的形状，例如：正方形、长方形、三角形、圆形、多边形、花瓣形。

根据本公开的实施例，当薄膜电极2的位置高于柱状电极1时，大部分电场线终止于薄膜电极2，所以薄膜电极2感应电荷量较多，而柱状电极1感应电荷量较少；当薄膜电极2的位置低于柱状电极1时，柱状电极1上表面高于薄膜电极2，此时大部分电场线终止于柱状电极1的上表面和侧壁，所以柱状电极1的感应电荷量较多，而薄膜电极2感应电荷量较少，使得二者感应的电荷量发生相反的变化。电荷量的变化产生感应电流，柱状电极1和薄膜电极2作为两路输出端接入外部电路并做差分放大运算。由于感应电荷量的多少与外界电场强度的大小成正比，所以测量感应电流的大小即可得到待测电场强度的大小。

根据本公开的实施例，每个驱动单元均包括与薄膜电极2连接的从动部以及被构造成通过所述从动部驱动薄膜电极2发生振动的驱动电极组件。

根据本公开的实施例，驱动单元的驱动方式包括静电驱动、压电驱动、电磁驱动中的任意一种。上述驱动单元与外部电路电连接，外部电路产生的驱动信号通过驱动单元作用于振动梁6，振动梁6在外力作用下可发生弹性形变，进而带动薄膜电极2相对于柱状电极1做垂直运动。

根据本公开的实施例，每个从动部包括两个支撑座4，振动梁6以及连接梁12。

详细的，两个支撑座4设置在衬底上。振动梁6连接在两个支撑座之间，上述振动梁6位于衬底上方和衬底悬空设置，并且上述振动梁6用以在驱动电极组件的驱动下发生振动。连接梁12连接在薄膜电极2的侧部和上述振动梁6之间。

根据本公开的实施例，振动梁6的两端分别形成与所述支撑座4连接的固定部5，以增加振动梁与支撑座连接的稳定性和牢固性。

根据本公开的实施例，驱动电极组件包括设置在所述振动梁一侧的两个上下相对设置的驱动电极8以及设置在两个驱动电极8之间的压电层9。

根据一种公开的实施例，驱动电极组件由压电层9和一组驱动电极8叠加组成。

根据本公开的实施例，振动梁6与靠近振动梁6的驱动电极8之间设有第一绝缘层7。其中，驱动电极与外部电路导通。绝缘层7实现压电层和与振动梁6连接的薄膜电极2之间的电气绝缘。当在上下两层驱动电极8上施加电压时，由于压电材料内应力的作用会带动弹性的振动梁6上下振动，从而实现柱状电极1和薄膜电极2之间相对位置的周期性变化。

根据本公开的实施例，压电层9由锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性钛酸铅等高压电系数的压电材料中的至少一种制成。这样，可以提高压电驱动力，增强传感器灵敏度，降低驱动电压，可以减小耦合串扰，进而提高传感器的分辨力。

根据一种本公开的实施例，如图1和图2所示。包括100个柱状电极1，上述柱状电极1形成10*10的矩阵形式，还包括四个振动梁6，每个振动梁6包括两个固定部5。

详细的，驱动电极组件由上下两层驱动电极8和压电层9组成，每个振动梁6的表面间隔安装两个驱动电极组件，在每个驱动电极组件和振动梁之间设置有第一绝缘层7。

根据本公开的实施例的结构，在实际应用过程中，驱动电极组件中的驱动电极8和外部电路导通，进而驱动振动梁6带动薄膜电极2在沿着所述柱状电极1轴线方向上的相对位置发生变化，使得所述薄膜电极2与所述柱状电极1感应的电荷量发生变化。

图3示意性示出了本公开的另一种示例性实施例的微型电场传感器的整体结构示意图。

根据另一种本公开的实施例，如图3所示，所述驱动电极组件包括设置在衬底3上的第二绝缘层10以及设置在第二绝缘层10和振动梁6之间的静电驱动电极11。

根据本公开的实施例，包括100个柱状电极1，上述柱状电极1形成10*10的矩阵形式，还包括四个振动梁6，每个振动梁6包括两个固定部5。

根据本公开的实施例的结构，在实际应用过程中，采用静电驱动方式，驱动电极组件布置在衬底面向薄膜电极2的表面。

图4示意性示出了本公开的另一种示例性实施例的微型电场传感器的原理示意图。

根据本公开的实施例，如图4所示，考虑到更好地降低传感器噪声，提高分辨力，可采用两个相同的器件作差分。在两个传感器的驱动电极上施加反向电压，薄膜电极2产生相位相反的振动，从而在两个传感器薄膜电极2上产生相位相反的电流信号，两个电流信号输入差分放大器两个输入端。

本发明中提供一种微型电场传感器，上述微型电场传感器中，采用多个柱状电极形成矩阵排布的形式，成矩阵排布的柱状电极和薄膜电极均作为感应电极输出电信号，由于二者电荷变化量相反，将二者进行差分运算，可以抑制共模噪声，并且增大输出信号。另外，驱动单元布置在薄膜电极2和柱状电极的外侧，采用这样的实时方式可减少待测电场的畸变，进而较为有效的降低驱动信号对输出信号的干扰，有利于提高传感器分辨力和灵敏度。基于上述结构和特征的微型电场传感器还具有结构简单、体积小巧、适于微加工技术制备，以及易于集成和批量化制造的优点。

以上对本公开的实施例进行了描述，但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (8)

1.一种微型电场传感器，包括：

衬底(3)；

至少一个柱状电极(1)，设置在所述衬底(3)上；

薄膜电极(2)，悬空设置在所述衬底(3)上方，所述薄膜电极(2)上形成至少一个电极孔(21)，所述柱状电极(1)的位置与所述电极孔(21)的位置相对应；以及

至少一个驱动单元，用以驱动所述薄膜电极(2)上下振动，实现所述薄膜电极(2)的电机孔(21)的中心点沿着所述柱状电极(1)的轴线方向上的相对位置发生变化，使得所述薄膜电极(2)和所述柱状电极(1)上的感应电荷量发生变化。

2.根据权利要求1所述的电场传感器，其中，每个所述驱动单元包括包括：

从动部，与所述薄膜电极(2)连接；以及

驱动电极组件，用以通过所述从动部驱动所述薄膜电极(2)发生振动。

3.根据权利要求2所述的电场传感器，其中，每个所述从动部包括：

两个支撑座(4)，设置在所述衬底(3)上；

振动梁(6)，连接在两个所述支撑座(4)之间以相对于所述衬底(3)悬空，并用以在所述驱动电极组件的驱动下发生振动；以及

连接梁(12)，连接在所述薄膜电极(2)的侧部与所述振动梁(6)之间。

4.根据权利要求3所述的电场传感器，其中，所述振动梁(6)的两端分别形成与所述支撑座(4)连接的固定部(5)。

5.根据权利要求4所述的电场传感器，其中，所述驱动电极组件包括：设置在所述振动梁(6)一侧的两个上下相对设置的驱动电极(8)、以及设置在两个所述驱动电极(8)之间的压电层(9)。

6.根据权利要求5所述的电场传感器，其中，所述振动梁(6)与靠近所述振动梁(6)的驱动电极(8)之间设有第一绝缘层(7)。

7.根据权利要求5所述的电场传感器，其中，所述压电层(9)由锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性钛酸铅中的至少一种制成。

8.根据权利要求4所述的电场传感器，其中，所述驱动电极组件包括：

第二绝缘层(10)，设置在所述衬底(3)上；以及

静电驱动电极(11)，设置在所述第二绝缘层(10)和所述振动梁(6)之间。

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