CN114113814A - 一种静电力调谐型mems电场传感器和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电力调谐型MEMS电场传感器和控制方法，包括驱动电极、拾振电极、谐振结构、静电力敏感电极，静电力敏感电极与谐振结构相连，驱动电极用于与谐振结构之间形成驱动电容，拾振电极用于与谐振结构之间形成拾振电容，静电力敏感电极用于感应待测电场，引起谐振结构谐振频率的变化，拾振电极检测谐振结构谐振频率的变化，得到待测电场的检测结果。本申请通过在驱动电极上施加激励信号，引起谐振结构的谐振，静电力敏感电极在待测电场的静电力作用下，引起谐振结构的谐振频率的变化，拾振电极通过检测谐振频率的变化，实现对待测电场的测量，本传感器结构简单、易于制备、成本较低，有利于规模化网络化应用。

Description

一种静电力调谐型MEMS电场传感器和检测方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种静电力调谐型MEMS电场传感器和检测方法。

背景技术

电场传感器是实现电场强度探测的核心部件，广泛应用于航空航天、气象预测、灾害预警、智能电网、工业生产、科学研究等重要领域。随着微纳传感器技术的升级换代和快速发展，多点融合的高精度高稳定性的MEMS电场传感器网络建设是应用升级和填补空白的重要发展方向，因此对高端的数字化智能微型电场传感器需求迫切。

目前的商用电场传感器中，传感器的工作原理普遍基于模拟信号检测输出，在复杂电磁环境中，抗干扰能力仍显不足；尤其是MEMS电场传感器，当前可用芯片主要基于电荷感应原理，因敏感芯片尺寸小、感应面积受限，其有效信号弱，信噪比不太高，对于外部电磁环境变化更为敏感，对高端应用需求仍难以满足。为了提高传感器的性能，满足更高灵敏度和稳定性的电场探测需求，研制数字化的微型电场传感器是一条具有巨大前景的技术路线。

因此，设计高灵敏度和稳定性的电场探测传感器，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电力调谐型MEMS电场传感器和检测方法，设置静电力敏感电极，与谐振结构直接相连，用于感应待测电场，将待测电场的静电力作用转移到谐振结构上，改变谐振结构的振动频率，实现对待测电场的精确与高灵敏度测量。

第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种静电力调谐型MEMS电场传感器，包括驱动电极、拾振电极、谐振结构、静电力敏感电极，静电力敏感电极与谐振结构相连，驱动电极用于与谐振结构之间形成驱动电容，拾振电极用于与谐振结构之间形成拾振电容，静电力敏感电极用于感应待测电场，引起谐振结构谐振频率的变化，拾振电极检测谐振结构谐振频率的变化，得到待测电场的检测结果。

本发明进一步设置为：静电力敏感电极固定在谐振结构上，静电力敏感电极表面与待测电场方向垂直，驱动电极、拾振电极分别固定设置。

本发明进一步设置为：驱动电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；拾振电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。

本发明进一步设置为：谐振结构的一端固定，或双端固定。

第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种静电力调谐型MEMS电场传感器检测方法，在驱动电极上施加激励信号，通过驱动电容使谐振结构产生振动，待测电场对静电力敏感电极产生静电力作用，引起谐振结构谐振频率变化，拾振电极通过拾振电容检测谐振结构谐振频率，检测待测电场强度。

第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种静电力调谐型MEMS电场传感器，包括驱动电极、拾振电极、谐振结构、静电力敏感电极、引入电极和外部电极，静电力敏感电极与谐振结构相连，驱动电极用于与谐振结构之间形成驱动电容，拾振电极用于与振梁之间形成拾振电容，外部电极与引入电极相连，引入电极与静电力敏感电极之间形成引入电容，外部电极用于感应待测电场，并将待测电场的静电力作用通过引入电极转移到静电力敏感电极上，引起谐振结构谐振频率的变化，拾振电极检测谐振结构谐振频率的变化，得到待测电场的检测结果。

本发明进一步设置为：驱动电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；拾振电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；引入电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。

本发明进一步设置为：引入电极、驱动电极、拾振电极分别固定设置。

本发明进一步设置为：谐振结构的一端固定，或双端固定。

第四方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种静电力调谐型MEMS电场传感器检测方法，其特征在于：在驱动电极上施加激励信号，通过驱动电容使谐振结构产生振动，外部电场用于感应待测电场，产生感应电荷，感应电荷在外部电极和引入电极之间自由移动，通过引入电极将待测电场的静电力作用转移到静电力敏感电极上，引起谐振结构谐振频率变化，拾振电极通过拾振电容检测谐振结构谐振频率，检测待测电场强度。

与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：

1.本申请通过设置与谐振结构直接相连的静电力敏感电极，对待测电场的静电力进行感应，并将其转移到谐振结构上，实现对待测电场的精确与高灵敏度测量；

2.进一步地，本申请通过设置外部电极与引入电极，将待测电场通过外部电极与引入电极之间的电荷转移，转移到静电力敏感电极上，实现对某些不便于直接测量的电场进行测量；

3.进一步地，本申请通过驱动电极与谐振结构之间的驱动电容，让谐振电极处于谐振状态，通过拾振电极与谐振结构之间的拾振电容，检测谐振结构的谐振频率，实现对待测电场的高灵敏度测量。

附图说明

图1是本申请的一个具体实施例的传感器结构示意图；

图2是本申请的一个具体实施例的具体传感器结构示意图；

图3是本申请的又一个具体实施例的具体传感器结构示意图；

图4是本申请的又一个具体实施例的具体传感器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施例一

本申请的一种静电力调谐型MEMS电场传感器，如图1所示，包括驱动电极、拾振电极、谐振结构、静电力敏感电极，静电力敏感电极与谐振结构直接连接，静电力敏感电极与谐振结构的电势相同，与传感器系统零电位一致。在待测电场的直接或间接作用下，所述的静电力敏感电极受到静电力的吸引作用，从而改变谐振结构的谐振频率，通过检测谐振频率的变化实现对待测电场的测量。

驱动电极与谐振结构之间形成驱动电容，拾振电极与谐振结构之间形成拾振电容，静电力敏感电极用于感应待测电场产生的静电力，因为静电力引起谐振结构谐振频率的变化，拾振电极检测谐振结构谐振频率的变化，得到待测电场的检测结果。

驱动电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；拾振电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。相应地，驱动电容、拾振电容是平行板结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。

谐振结构的一端固定，或双端固定。驱动电极、拾振电极分别固定设置。

当给驱动电极施加一定的激励信号时，因驱动电容的存在，会使得谐振结构发生振动，在未引入电场前，谐振结构先达到谐振频率，并始终处于谐振频率工作状态。拾振电容通过其电容的变化，来表征谐振结构的位置变化，即检测谐振结构的振动情况。

当静电力敏感电极置于待测电场中时，静电力敏感电极受到待测电场静电力的作用，且静电力的大小随待测电场变化而变化，引起与之相连的谐振结构的谐振频率也随之改变，经过外部电路的处理，获取此时谐振结构的谐振频率，并依据谐振频率变化与待测电场强度之间的关系反推出待测电场强度，实现对外部电场的测量。

在待测电场的作用下，谐振结构的谐振频率发生了变化，通过对驱动电极上的激励信号和拾振电极上输出信号的处理，能够使谐振结构处于谐振状态。

将静电力敏感电极表面与待测电场垂直，能够最大程度地感应待测电场的静电力。

本申请的一种静电力调谐型MEMS电场传感器检测方法，在驱动电极上施加激励信号，通过驱动电容的传递，使谐振结构处于谐振状态。基于静电力调谐和谐振频率检测的原理，利用待测电场对谐振结构上静电力敏感电极的静电力作用下，改变谐振结构的谐振频率变化的特性，通过拾振电容的传递，在拾振电极上检测谐振结构上谐振频率的变化，反映和推算出待测电场的强度，能够实现数字化输出，提高MEMS电场传感器输出抗干扰能力，同时MEMS传感器结构和系统简单、易于制备、成本较低，有利于规模化网络化应用。

如图2所示，为本申请一个具体实施例的静电力调谐型MEMS电场传感器，图中所示为俯视图，谐振结构1为直梁结构，其两端固定，静电力敏感电极2为平面结构，固定在谐振结构1的中间位置，谐振结构1的两侧分别设置驱动电极3、拾振电极4，且两个驱动电极3位于谐振结构1的同一侧，两个拾振电极4位于谐振结构1的另一侧。

谐振结构1与拾振电极4相对的部分，形成拾振电容；谐振结构1与驱动电极3相对的部分，形成驱动电容。

在驱动电极3上施加激励信号，经过驱动电极3与谐振结构1形成的驱动电容耦合，谐振结构产生谐振，当静电力敏感电极2的表面受到待测电场的静电力时，静电力垂直于纸面，静电力的调谐会引起谐振结构1谐振频率的改变，经过拾振电极4与谐振结构1形成的拾振电容耦合，反映到拾振电极4上，经过对拾振电极上电容量进行测量，得到待测电场的强度。

驱动电容板3和拾振电容板4分别位于谐振结构1的两侧，实现一侧激励、一侧检测的效果。

具体实施例二

本申请的一种静电力调谐型MEMS电场传感器，包括驱动电极、拾振电极、谐振结构、静电力敏感电极、引入电极和外部电极，静电力敏感电极与谐振结构相连，驱动电极用于与谐振结构之间形成驱动电容，拾振电极用于与谐振结构之间形成拾振电容，外部电极与引入电极相连，引入电极与静电力敏感电极之间形成引入电容，外部电极用于感应待测电场，并将待测电场的静电力作用通过引入电极转移到静电力敏感电极上，引起谐振结构谐振频率的变化，拾振电极检测谐振结构谐振频率的变化，得到待测电场的检测结果。

引入电极、驱动电极、拾振电极分别固定设置。

驱动电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；拾振电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；引入电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。相应地，驱动电容、拾振电容、引入电容是平行板结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。

在一个具体实施例中，如图3所示，图中所示为所述传感器俯视图，谐振结构1为叉指结构，其两端固定，第一叉指位于主梁的四分之一位置处，第二叉指位于主梁的二分之一位置处，在第一叉指远离第二叉指的一侧，围绕主梁两侧分别设置一个拾振电极4，在第二叉指的两侧，分别设置一驱动电极3，共有四个驱动电极3，在主梁的四分之三位置处，设置静电力敏感电极2，并与谐振结构1的主梁固定，在静电力敏感电极2远离第二叉指的一侧，围绕主梁设置引入电极，共有两个引入电极。

在驱动电极3与谐振结构1相对的部分，形成驱动电容；在拾振电极4与谐振结构1相对的部分，形成拾振电容；在静电力敏感电极2与引入电极相对的部分，形成引入电容。

外部电极并未在图中示出，外部电极与引入电极连接，外部电极用于感应待测电场，以垂直于待测电场的方式存在，外部电极的结构是平面结构。

当外部电极处于待测电场中时，产生感应电荷，感应电荷在外部电极与引入电极之间自由移动，通过引入电极将待测电场的静电力作用转移到静电力敏感电极上。

在另一个具体实施例中，如图4所示，图中所示为所述传感器俯视图，谐振结构1为一横梁，其一端固定，另外一端固定设置有静电力敏感电极2，在谐振结构1的两侧，分别设置拾振电极4和驱动电极3。

在静电力敏感电极2远离谐振结构的一侧，设置引入电极。同样地，外部电极并未在图中示出。

本申请的一种静电力调谐型MEMS电场传感器检测方法，在驱动电极上施加激励信号，通过驱动电容使谐振结构产生振动，外部电场用于感应待测电场，产生感应电荷，感应电荷在外部电极和引入电极之间自由移动，通过引入电极将待测电场的静电力作用转移到静电力敏感电极上，引起谐振结构谐振频率变化，拾振电极通过拾振电容检测谐振结构谐振频率，检测待测电场强度。

在本申请的实施例中，对于各电极的结构都是以最简单的方式表现，这也只是为了描述的方便，对于任意形状结构的电极，只要能够实现本申请所述的功能，都属于本申请的保护范围。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：包括驱动电极、拾振电极、谐振结构、静电力敏感电极，静电力敏感电极与谐振结构相连，驱动电极用于与谐振结构之间形成驱动电容，拾振电极用于与谐振结构之间形成拾振电容，静电力敏感电极用于感应待测电场，引起谐振结构谐振频率的变化，拾振电极检测谐振结构谐振频率的变化，得到待测电场的检测结果。

2.根据权利要求1所述静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：静电力敏感电极固定在谐振结构上，静电力敏感电极表面与待测电场方向垂直，驱动电极、拾振电极分别固定设置。

3.根据权利要求1所述静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：驱动电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；拾振电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。

4.根据权利要求1所述静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：谐振结构的一端固定，或双端固定。

5.一种静电力调谐型MEMS电场传感器检测方法，其特征在于：采用如权利要求1-4任一项所述传感器，在驱动电极板上施加激励信号，通过驱动电容使谐振结构产生振动，待测电场对静电力敏感电极产生静电力作用，引起谐振结构谐振频率变化，拾振电极通过拾振电容检测谐振结构谐振频率，检测待测电场强度。

6.一种静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：包括驱动电极、拾振电极、谐振结构、静电力敏感电极、引入电极和外部电极，静电力敏感电极与谐振结构相连，驱动电极用于与谐振结构之间形成驱动电容，拾振电极用于与谐振结构之间形成拾振电容，外部电极与引入电极相连，引入电极与静电力敏感电极之间形成引入电容，外部电极用于感应待测电场，并将待测电场的静电力作用通过引入电极转移到静电力敏感电极上，引起谐振结构谐振频率的变化，拾振电极检测谐振结构谐振频率的变化，得到待测电场的检测结果。

7.根据权利要求6所述静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：驱动电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；拾振电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种；引入电极的结构是条形结构、叉指结构、梳齿结构中的至少一种。

8.根据权利要求6所述静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：外部电极表面与待测电场方向垂直，引入电极、驱动电极、拾振电极分别固定设置。

9.根据权利要求6所述静电力调谐型MEMS电场传感器，其特征在于：谐振结构的一端固定，或双端固定。

10.一种静电力调谐型MEMS电场传感器检测方法，其特征在于：采用如权利要求6-9任一项所述传感器，在驱动电极板上施加激励信号，通过驱动电容使谐振结构产生振动，外部电极用于感应待测电场，产生感应电荷，感应电荷在外部电极和引入电极之间自由移动，通过引入电极将待测电场的静电力作用转移到静电力敏感电极上，引起谐振结构谐振频率变化，拾振电极通过拾振电容检测谐振结构谐振频率，检测待测电场强度。

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