CN114428189B - 电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电场传感器，包括：衬底；固定电极，与衬底固定连接；压电驱动层，第一侧面与衬底连接；可动电极，设置在压电驱动层的第二侧面上，且与固定电极构成一敏感结构；可动电极和固定电极互为屏蔽电极作用；压电驱动层在驱动电压作用下垂直振动并带动可动电极垂直振动，使固定电极和可动电极分别周期地暴露于待测电场中，从而在固定电极和可动电极上产生周期性的电荷变化，产生与待测电场强度相关的感应电流，通过采集固定电极和可动电极输出待测电场强度相关的感应电流。通过将压电驱动层设置在可动电极和衬底之间，以节省垂直方向上的空间，减小器件尺寸。

Description

电场传感器

技术领域

本申请涉及电场传感器技术领域，特别是涉及一种电场传感器。

背景技术

国内传统机电式电场传感器经过数十年发展，技术与测试精度已相对成熟，相较于传统机电式电场传感器，基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）技术的互屏蔽电极电场传感器具有小型化、低功耗、可集成和易于批量生产等优点，成为微型化电场传感器的主要研究方向。

但发明人在实施过程中发现，传统技术中实现微型化电场传感器的方案多存在器件尺寸偏大的问题。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中的器件尺寸和灵敏度之间难以平衡的问题，提供一种电场传感器。

本发明提供了一种电场传感器，包括：

衬底；

固定电极，与所述衬底固定连接；

压电驱动层，第一侧面与所述衬底连接；

可动电极，设置在所述压电驱动层的第二侧面上，且与所述固定电极构成一敏感结构；所述可动电极和所述固定电极互为屏蔽电极作用；所述第一侧面和所述第二侧面为相背的面；

所述压电驱动层在驱动电压作用下垂直振动并带动所述可动电极垂直振动，使所述可动电极和所述固定电极发生相对位置变化并产生与待测电场相关的感应电流。

在其中一个实施例中，所述压电驱动层包括：

依次叠设的第一绝缘层、第一驱动电极、压电层、第二驱动电极、第二绝缘层和弹性梁；所述弹性梁设置在所述衬底上；

所述第一绝缘层置于所述可动电极与所述第一驱动电极之间。

在其中一个实施例中，所述固定电极为至少一组，所述可动电极为一组，且每组所述固定电极均围绕所述可动电极设置。

在其中一个实施例中，所述可动电极和所述压电驱动层的绕制形状相一致。

在其中一个实施例中，所述固定电极为条形结构或梳齿结构。

在其中一个实施例中，所述压电驱动层包括绕制在所述衬底所围设区域的至少一组蛇形结构或S形结构。

在其中一个实施例中，所述压电驱动层包括在所述衬底所围设区域的对称绕制的两组蛇形结构和横梁，两组蛇形结构通过所述横梁连接。

在其中一个实施例中，所述压电驱动层包括在所述衬底所围设区域的对称绕制的两组蛇形结构，且两组蛇形结构共用部分结构。

在其中一个实施例中，所述固定电极和可动电极分别采用铝、铜、钛、银、铂、金、锡和铟中的一种或多种制成；和/或，所述固定电极和所述可动电极的厚度为1纳米至1毫米。

在其中一个实施例中，所述压电层采用氮化铝、氧化锌、钛酸铅、锆钛酸铅、钛酸钡、铁酸铋和压电聚合物中的一种或多种制成；和/或，所述压电层厚度为1纳米至1毫米。

在其中一个实施例中，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极分别采用铝、铜、钛、银、铂、金、锡和铟中的一种或多种制成；和/或，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极的厚度为1纳米至1毫米。

在其中一个实施例中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层分别采用二氧化硅、三氧化二铝和二氧化铪中的一种或多种制成；和/或，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的厚度为1纳米至1毫米。

本申请提供的电场传感器，至少具有以下有益效果：

固定电极与衬底相连接，压电驱动层与衬底相连接，通过将压电驱动层设置在可动电极和衬底之间，以节省垂直方向上的空间，减小器件尺寸，例如，可动电极可覆盖于压电驱动层的顶端（顶端是指与衬底连接侧面的背面）。其中，压电驱动层可在驱动电压的作用下进行垂直振动，并带动可动电极运动，使得固定电极和可动电极分别周期地暴露于待测电场中，从而在固定电极和可动电极上产生周期性的电荷变化，产生与待测电场强度相关的感应电流，通过采集固定电极和可动电极输出的感应电流，即可进一步得到待测电场强度。

另外，通过对压电驱动层的图型结构进行设计，通过采用至少一组S形结构或蛇形结构来增大压电梁长度，从而提高电场传感器的灵敏度和分辨力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为在一实施例中提供的电场传感器的结构示意图；

图2为在一个实施例中提供的电场传感器的结构示意图；

图3为在一个实施例中提供的电场传感器的结构示意图；

图4为在一个实施例中压电驱动层截面结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、 第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

从结构上看，MEMS电场传感器多由屏蔽电极和感应电极组成。屏蔽电极周期性地遮挡感应电极，从而调制落到感应电极上电场，使感应电极上感应电荷发生周期性变化，通过检测电流的大小，即可检测电场强度。常用的屏蔽电极驱动方式包括热驱动，静电驱动，电磁驱动，压电驱动等，相比其他驱动方式，压电驱动能够抗磁场干扰，可以胜任于磁电环境复杂的测试环境。

冯可等人提出了压电悬臂梁式微型传感器和双端固支压电梁式微型电场传感器，并通过仿真计算确定压电梁的振幅与梁长度成正相关，但这两种传感器结构中，压电梁长度均受器件尺寸限制，进而限制了传感器的灵敏度；此外，该传感器各个压电梁相互独立，每个感应电极具有各自的谐振频率，无法保证所有电极同时工作在谐振状态。

这里参考作为本发明的理想实施例的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。例如，显示为图1所示的蛇形结构，其弯折处的可通常具有圆的或弯曲特征，而不一定是如图1所示的直角。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本发明的范围。

请参阅图1-3，本发明提供本发明提供了一种电场传感器，包括：衬底1；固定电极2，与所述衬底1固定连接；压电驱动层4，第一侧面与所述衬底1连接；可动电极3，设置在所述压电驱动层4的第二侧面上，且与所述固定电极2构成一敏感结构；所述可动电极3和所述固定电极2互为屏蔽电极作用；所述第一侧面和所述第二侧面为相背的面；所述压电驱动层4在驱动电压作用下垂直振动并带动所述可动电极3垂直振动，使所述可动电极3和所述固定电极2发生相对位置变化并产生与待测电场相关的感应电流。

通过将压电驱动层4直接连接可动电极3和衬底1，夹设在两者之间，相较于传统技术中通过立柱与可动电极3建立连接关系的压电驱动层4来说，其更节省空间，可减小器件尺寸。该电场传感器用于设置在待测电场中，工作状态下，压电驱动层4可在交流驱动电压的作用下进行垂直振动，并带动可动电极3运动，使得固定电极2和可动电极3分别周期地暴露于待测电场中，从而在固定电极2和可动电极3上产生周期性的电荷变化，产生与待测电场强度相关的感应电流。

在其中一个实施例中，如图4所示，所述压电驱动层4包括：依次叠设的第一绝缘层6、第一驱动电极7、压电层8、第二驱动电极9、第二绝缘层10和弹性梁11；所述弹性梁11设置在所述衬底1上；所述第一绝缘层6置于所述可动电极3与所述第一驱动电极7之间。依次叠设是指从衬底1开始由下至上依次形成弹性梁11、第二绝缘层10、第二驱动电极9、压电层8、第一驱动电极7和第一绝缘层6。

具体的，非工作状态下，可动电极3与固定电极2处于同一平面。工作状态下，通过第一驱动电极7和第二驱动电极9对压电层8施加交流驱动电压，从而使压电层8发生形变，并带动压电驱动层4和可动电极3沿垂直方向上下振动。振动过程中，可动电极3低于固定电极2所在平面时，固定电极2作为可动电极3的屏蔽电极，使可动电极3表面的感应电荷减少；可动电极3高于固定电极2平面时，可动电极3作为固定电极2的屏蔽电极，使固定电极2表面的感应电荷减少。可动电极3和固定电极2表面的感应电荷量随压电驱动层4振动而发生周期性变化，将可动电极3和固定电极2上的感应电流以差分形式输出，通过电场传感器的可动电极3和固定电极2输出电流的大小，即可检测电场强度。

在其中一个实施例中，所述固定电极2为至少一组，所述可动电极3为一组，且每组所述固定电极2均围绕所述可动电极3设置。通过在可动电极3的周围设置固定电极2，由于二者又互为屏蔽电极，增加了有效感应面积，增强输出信号。

在其中一个实施例中，可动电极3为一组，且所述压电驱动层4压电梁的个数与可动电极3一致，也为一个，该压电梁是指用于接入驱动电压的梁体。通过采用单个压电梁的结构，具有单一的谐振频率，可以通过调节驱动电压频率，使其工作在谐振状态。

在其中一个实施例中，所述可动电极3和所述压电驱动层4的绕制形状相一致。此时，压电驱动层4在垂直方向振动的作用力可均匀作用在可动电极3上，避免由于可动电极3长度较长但受力不均导致的变形问题，从而提高电场传感器结构的稳定性。

在其中一个实施例中，压电驱动层4与衬底1连接的部分嵌入在衬底1中，且压电驱动层4的上表面不高出衬底1的上表面（以附图中视角下可直观看到的面为上表面）。当压电驱动层4的上表面与衬底1的上表面平齐时，可动电极3和固定电极2可厚度一致，既节省了垂直方向上的空间，又保证了有效相对面积。

在其中一个实施例中，所述固定电极2为条形结构或梳齿结构。固定电极2可以有至少一组条形结构或梳齿结构。当固定电极2为条形结构时，可以包括多组条形结构。各组条形结构均可一端设置在衬底1上，另一端朝衬底1围设区域延伸，伸出衬底1所在区域的部分与可动电极3具有有效相对面积。也可以为至少一组梳齿结构，如图1-3所示。例如，固定电极2包括两组梳齿结构。

在其中一个实施例中，所述压电驱动层4包括绕制在所述衬底1所围设区域的至少一组蛇形结构或S形结构。通过提供蛇形或S形回折结构的压电驱动层4，在有限的器件尺寸内增大了压电驱动层4中弹性梁11的长度，增大其在驱动电压作用下的振幅；同时，蛇形压电梁在垂直方向上刚度较小，施加驱动电压时，蛇形梁整体会在垂直方向上发生位移。以上两种作用叠加，可以有效增大感应电极上的感应电荷变化量，进而提高传感器的灵敏度和分辨力。

在其中一个实施例中，所述压电驱动层4包括在所述衬底1所围设区域的对称绕制的两组蛇形结构和横梁，两组蛇形结构通过所述横梁连接。如图2所示，压电驱动层4图型为组合型蛇形结构，由两组对称布置的蛇形结构和横梁相连接构成。具体的，压电驱动层4的弹性梁11由两组对称布置的蛇形梁体以横梁相连接构成，压电驱动层4的其他层形状可与弹性梁11一致，由于该种弹性梁11在结构上对称，机械结构较单组蛇形梁更加稳定，振动时不易发生扭转，所以可以进一步提高电场传感器的稳固性。

另外，如图2所示，压电驱动层4包括至少一组蛇形结构的描述下，本领域技术人员应当理解，为方便压电驱动层4和衬底1的连接，压电驱动层4可具有如图2所示的连接部，连接部将衬底1和绕制在衬底1所围设区域的蛇形结构连接起来。

在其中一个实施例中，如图3所示，所述压电驱动层4包括在所述衬底1所围设区域的对称绕制的两组蛇形结构，且两组蛇形结构共用部分结构。具体的，可以是压电驱动层4的弹性梁11由两组对称布置的蛇形梁直接相连接构成，该种弹性梁11在结构上对称，机械结构较单组蛇形梁更加稳定，振动时不易发生扭转；同时，该种弹性梁11较图2所示的组合型蛇形弹性梁11的布局更加紧凑，进一步减小器件尺寸。本领域技术人员应当理解，在此以弹性梁11的绕制方式进行说明，本领域技术人员可基于此处描述和附图理解压电驱动层4其他层的绕制图案。

在其中一个实施例中，所述固定电极2和可动电极3分别采用铝、铜、钛、银、铂、金、锡和铟中的一种或多种制成；和/或，所述固定电极2和所述可动电极3的厚度为1纳米至1毫米。

在其中一个实施例中，所述压电层8采用氮化铝、氧化锌、钛酸铅、锆钛酸铅、钛酸钡、铁酸铋和压电聚合物中的一种或多种制成；和/或，所述压电层8厚度为1纳米至1毫米。

在其中一个实施例中，所述第一驱动电极7和所述第二驱动电极9分别采用铝、铜、钛、银、铂、金、锡和铟中的一种或多种制成；和/或，所述第一驱动电极7和所述第二驱动电极9的厚度为1纳米至1毫米。

在其中一个实施例中，所述第一绝缘层6和所述第二绝缘层10分别采用二氧化硅、三氧化二铝和二氧化铪中的一种或多种制成；和/或，所述第一绝缘层6和所述第二绝缘层10的厚度为1纳米至1毫米。

本申请提供的电场传感器具有低功耗、可集成、小型化且结构简单的优点，易于批量生产。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种电场传感器，其特征在于，包括：

衬底；

固定电极，与所述衬底固定连接；

压电驱动层，第一侧面与所述衬底连接；

可动电极，设置在所述压电驱动层的第二侧面上，且与所述固定电极构成一敏感结构；所述可动电极和所述固定电极互为屏蔽电极作用；所述第一侧面和所述第二侧面为相背的面；所述压电驱动层直接夹设在所述可动电极和所述衬底之间；

所述压电驱动层在驱动电压作用下垂直振动并带动所述可动电极垂直振动，使所述可动电极和所述固定电极发生相对位置变化并产生与待测电场相关的感应电流。

2.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述压电驱动层包括：

依次叠设的第一绝缘层、第一驱动电极、压电层、第二驱动电极、第二绝缘层和弹性梁；所述弹性梁设置在所述衬底上；

所述第一绝缘层置于所述可动电极与所述第一驱动电极之间。

3.根据权利要求2所述的电场传感器，其特征在于，所述固定电极为至少一组，所述可动电极为一组，且每组所述固定电极均围绕所述可动电极设置。

4.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述可动电极和所述压电驱动层的绕制形状相一致。

5.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述固定电极为条形结构或梳齿结构。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电场传感器，其特征在于，所述压电驱动层包括绕制在所述衬底所围设区域的至少一组蛇形结构或S形结构。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的电场传感器，其特征在于，所述压电驱动层包括在所述衬底所围设区域的对称绕制的两组蛇形结构和横梁，两组蛇形结构通过所述横梁连接。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的电场传感器，其特征在于，所述压电驱动层包括在所述衬底所围设区域的对称绕制的两组蛇形结构，且两组蛇形结构共用部分结构。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的电场传感器，其特征在于，所述固定电极和可动电极分别采用铝、铜、钛、银、铂、金、锡和铟中的一种或多种制成；和/或，所述固定电极和所述可动电极的厚度为1纳米至1毫米。

10.根据权利要求2所述的电场传感器，其特征在于，所述压电层采用氮化铝、氧化锌、钛酸铅、锆钛酸铅、钛酸钡、铁酸铋和压电聚合物中的一种或多种制成；和/或，所述压电层厚度为1纳米至1毫米。

11.根据权利要求2所述的电场传感器，其特征在于，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极分别采用铝、铜、钛、银、铂、金、锡和铟中的一种或多种制成；和/或，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极的厚度为1纳米至1毫米。

12.根据权利要求2所述的电场传感器，其特征在于，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层分别采用二氧化硅、三氧化二铝和二氧化铪中的一种或多种制成；和/或，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的厚度为1纳米至1毫米。

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