CN115586380B - 微型电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型电场传感器，包括：形成一镂空区域的衬底，弹性梁将镂空区域划分为对称的至少两个感应区域。各可动电极、固定电极和压电驱动结构分别一一对应设置在各感应区域，且每个可动电极均与弹性梁直接连接，压电驱动结构与弹性梁未连接衬底的一侧连接，每个固定电极与衬底直接连接；各感应区域的压电驱动结构在驱动电压作用下在极化方向上振动并带动可动电极在极化方向上振动，使可动电极和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。通过分区域驱动，在保证电场传感器小型化的条件下，降低传感器内部的应力，提高器件可靠性和耐用性，且可减小驱动电压，降低功耗并提高电场传感器感应效率和灵敏度。

Description

微型电场传感器

技术领域

本发明涉及电场传感器技术领域，特别是涉及一种微型电场传感器。

背景技术

电场传感器被广泛应用于航空航天，气象测量、电力传输等各个领域。电场传感器根据工作原理可以分为光纤式和电荷感应式。光纤式电场传感器在低频测量的灵敏度较低，具有很大的局限性。电荷感应式电场传感器通常分为传统机电型和微型传感器。

目前，传统机电型电场传感器的技术相当成熟，但其也具有敏感结构体积大、传感器成本和功耗较高的弊端。因此，具有体积小、功耗低、成本低等优点的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)微型电场传感器成为关注的对象。MEMS型电场传感器的驱动方式一般有静电驱动、热驱动以及压电驱动等。其中，压电驱动的电场传感器具有结构简单、驱动电压小、响应快、功耗低等优点。

但申请人发现，目前的压电驱动型MEMS电场传感器，存在器件可靠性低的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种高可靠性的微型电场传感器。

本申请实施例提供了一种微型电场传感器，包括：

衬底，形成一镂空区域；

弹性梁，将镂空区域划分为对称的至少两个感应区域，弹性梁的第一侧与衬底直接连接；

可动电极，各可动电极一一对应设置在各感应区域，且每个可动电极均与弹性梁直接连接，且可动电极和衬底不直接连接；

固定电极，各固定电极一一对应设置在各感应区域，且每个固定电极与衬底直接连接；固定电极与可动电极构成一敏感结构；固定电极和可动电极互为屏蔽电极作用；

压电驱动结构，各压电驱动结构一一对应设置在各感应区域，压电驱动结构与弹性梁的第二侧连接，第二侧为第一侧的相对侧；

各感应区域的压电驱动结构在驱动电压作用下在极化方向上振动并带动可动电极在极化方向上振动，使可动电极和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，弹性梁上具有抑制变形位置，抑制变形位置的弹性梁具有抑制变形结构。

在其中一个实施例中，抑制变形位置的弹性梁的宽度小于预设宽度；和/或，

抑制变形位置的弹性梁的厚度大于弹性梁的其他部分的厚度；和/或，

抑制变形位置的弹性梁的长宽比为预设长宽比。

在其中一个实施例中，抑制变形位置为弹性梁的弯折处，和/或，弹性梁与压电驱动结构的连接处。

在其中一个实施例中，压电驱动结构包括至少两个分段，各分段分别独立加载驱动电压。

在其中一个实施例中，弹性梁包括十字型结构，十字型结构将镂空区域划分为对称的四个感应区域。

在其中一个实施例中，各感应区域的可动电极包括与十字型结构的各分支对应连接的梳齿状结构，且相邻两个感应区域的梳齿状结构的延伸方向相互垂直。

在其中一个实施例中，各感应区域的压电驱动结构的第一端与衬底连接，压电驱动结构的第二端从与衬底连接处起在其对应的感应区域延伸，且任意两个相邻感应区域的压电驱动结构之间呈垂直关系。

在其中一个实施例中，压电驱动结构为条形结构，压电驱动结构靠近镂空区域的外沿设置，且压电驱动结构的第二端从与衬底连接处起沿其对应的感应区域延伸至弹性梁上最近的一个分支，并与分支连接。

在其中一个实施例中，压电驱动结构为L型结构，压电驱动结构靠近镂空区域的外沿设置，且压电驱动结构的第二端从与衬底连接处起沿其对应的感应区域延伸至弹性梁上最近的一个分支，并在分支上延伸。

本申请实施例提供的微型电场传感器，至少具有以下有益效果：

该微型电场传感器，包括：形成一镂空区域的衬底，为可动电极的移动提供空间，弹性梁将镂空区域划分为对称的至少两个感应区域。各可动电极和压电驱动结构分别一一对应设置在各感应区域，且每个可动电极均与弹性梁直接连接，压电驱动结构与弹性梁未连接衬底的一侧连接。而各固定电极一一对应设置在各感应区域，且每个固定电极与衬底直接连接；各感应区域的压电驱动结构在驱动电压作用下在极化方向上振动并带动可动电极在极化方向上振动，使可动电极和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。通过分区域驱动，在保证电场传感器小型化的条件下，降低传感器内部的应力，提高器件可靠性和耐用性。此外，在提高压电驱动结构位移一致性的情况下可减小驱动电压，降低功耗并提高电场传感器感应效率和灵敏度。

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为一个实施例中微型电场传感器的结构示意图之一；

图2为一个实施例中压电驱动结构的截面示意图；

图3为一个实施例中微型电场传感器的结构示意图之二；

图4为一个实施例中如图3所示的所示的微型电场传感器中压电驱动结构的表面电压分布图。

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。

雷虎成等人提出了一种具有互屏蔽电极的压电驱动微型电场传感器，通过在弹性梁左右两侧设置对称分布的压电驱动结构来带动可动电极上下位移。由于左右两个驱动结构末端都连接中间部分的弹性梁，增大了压电驱动结构在产生位移时对弹性梁的应力，降低器件的可靠性。此外，这种结构也限制了可动电极的位移量，导致驱动电压较大，进而影响电场传感器的灵敏度与信噪比。

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所示的梳齿状结构，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：

本申请实施例提供了一种微型电场传感器，包括：衬底20，弹性梁90，可动电极60，固定电极40，以及压电驱动结构80。

其中，衬底20形成一镂空区域。镂空区域可为可动电极60的振动提供运动空间。衬底20用于支撑和固定微型电场传感器的各部分组成结构。衬底20可以为硅、碳化硅、氧化铝、玻璃或陶瓷的一种或多种。

弹性梁90将镂空区域划分为对称的至少两个感应区域，弹性梁90的第一侧与衬底20直接连接。弹性梁90的第一侧上可以局部与衬底20直接连接，例如，靠近弹性梁90的端部与衬底20直接连接，以提高弹性梁90的弹性形变效果。

各可动电极60一一对应设置在各感应区域，且每个可动电极60均与弹性梁90直接连接。可动电极60和衬底20不直接连接，以免影响可动电极60的振动效果，从而提高灵敏度。各固定电极40一一对应设置在各感应区域，且每个固定电极40与衬底20直接连接。可动电极60和固定电极40构成电场敏感结构。固定电极40与可动电极60的材料可以为钛、铝、铜、银、铂、金、锡或铟中的一种或多种组成。

各压电驱动结构80一一对应设置在各感应区域，压电驱动结构80与弹性梁90的第二侧连接，第二侧为第一侧的相对侧。压电驱动结构80可以包含上下两层驱动电极，压电驱动层84位于两层驱动电极之间，绝缘层88位于下驱动电极86的下方，弹性梁90与绝缘层88粘连在一起以带动可动电极60在极化方向上产生位移，如图2所示的垂直方向上。

各压电驱动结构80用于驱动其对应感应区域的可动电极60的振动，可降低单个驱动电压的要求。弹性梁90上与压电驱动结构80连接的部分，可作为压电驱动结构80的一部分，在驱动电压作用下在极化方向上振动并带动与其连接的可动电极60在极化方向上振动，使可动电极60和固定电极40发生相对位置变化并产生与待测电场相关的感应电流，固定电极40和可动电极60互为屏蔽电极作用。所述压电驱动结构80可为条形结构或折叠梁型结构等。

具体的，本申请实施例提供的微型电场传感器，根据逆压电效应的原理，压电驱动结构80两端加载的电压导致其在极化方向上发生形变，通过弹性梁90可带动可动电极60在极化方向上产生位移，使得固定电极40与可动电极60相对位置发生变化，感应电极表面的电荷量重新分布，进而产生感应电流。非工作状态时，感应电极和可动电极60位于同一水平面，施加电压之后，可动电极60在垂直方向振动。在电场环境下，若可动电极60高于固定电极40，其上感应电荷量增大，且作为屏蔽电极使得固定电极40电荷量减少。同理，若固定电极40高于可动电极60，其上感应电荷量增多，且作为屏蔽电极使得可动电极60电荷量减少。感应电极上电荷量的变化可产生与电场强度有关的感应电流，从而实现电场测量。

本申请实施例的微型电场传感器通过分区域驱动，通过将压电驱动结构80分散放置，在减小驱动电压的情况下也能保证压电驱动结构80的位移量，从而降低电场传感器的功耗，减小传感器各个部分之间的串扰，提高电场传感器的灵敏度和信噪比。即在保证电场传感器小型化的条件下，降低传感器内部的应力，提高器件可靠性和耐用性。此外，在提高压电驱动结构80位移一致性的情况下可减小驱动电压，降低功耗并提高电场传感器感应效率和灵敏度。

在其中一个实施例中，所述微型电场传感器工作在谐振频率下，压电驱动结构80两端的电压为交流电，可动电极60在电压驱动作用下作周期性运动。通过工作在谐振频率下，极大地提高了电场传感器的振动幅度，大大减小后期所需电压源的幅值，降低功耗的同时也增大了感应电流，提高电场传感器的灵敏度。

可以通过comsol多物理场仿真得到微型电场传感器的谐振频率。例如，对于如图1和3所示的固定电极40和可动电极60的长为500um，宽5um，厚度10um，固定电极40和可动电极60间的间隔距离为5um。压电驱动结构80的延伸长度为600um，压电材料厚度为2um，通过仿真可以得到此微型电场传感器的谐振频率为9842.1Hz，可通过驱动控制微型电场传感器工作在该谐振频率。

在其中一个实施例中，所述压电驱动结构80包括如图2所示的上驱动电极82、压电驱动层84、下驱动电极86、绝缘层88以及弹性梁90。这里的上下仅为表示不同的驱动电极，当如图1-3中的结构进行上下翻转时，“上”也可以转变为“下”，“下”也可以转变为“上”。

在其中一个实施例中，所述压电驱动层84为一层或多层结构，其各层材料可采用锆钛酸铅、钛酸钡、氧化锌、氮化铝、铌酸锂、钛酸铅、改性锆钛酸铅以及具有压电效应的高分子聚合物的一种或多种。利用上驱动电极82和下驱动电极86给压电驱动层84的两端施加电压，利用逆压电效应使压电驱动结构80在竖直方向上发生位移变化，带动可动电极60也发生垂直振动，此时暴露在电场环境下的可动电极60与固定电极40表面电荷量发生变化，产生与电场大小相关的感应电流。

在其中一个实施例中，弹性梁90上具有抑制变形位置，抑制变形位置的弹性梁90具有抑制变形结构。抑制变形位置是指弹性梁90上在驱动电压驱动下发生形变时，容易受应力作用发生不可逆变形的位置。本申请实施例的压电驱动结构80与弹性梁90连接处采用细化处理，减小因压电驱动结构80弯曲而导致的可动电极60可能发生的恶性翘起，增强可动电极60垂直振动的一致性。

在其中一个实施例中，抑制变形位置的弹性梁90的宽度小于预设宽度；和/或，抑制变形位置的弹性梁90的厚度大于弹性梁90的其他部分的厚度；和/或，抑制变形位置的弹性梁90的长宽比为预设长宽比。

在其中一个实施例中，抑制变形位置为弹性梁90的弯折处和/或弹性梁90与压电驱动结构80的连接处。在所述弹性梁90弯折处以及与压电驱动结构80连接处等容易变形位置，可采用上述抑制变形处理以增强可动电极60位移一致性。

在其中一个实施例中，所述固定电极40和可动电极60局可以为如图1和3所示的条状结构或平板结构或蛇形结构中的一种或多种。蛇形结构下，可以在有限空间内进一步增大固定电极40和可动电极60相对运动时，感应电荷的面积，从而提高灵敏度。

在其中一个实施例中，压电驱动结构80包括至少两个分段，各分段分别独立加载驱动电压。例如，以如图3所示的折叠梁型压电驱动结构80的微型电场传感器为例进行说明。每组压电驱动结构80被分成四个分段，且各分段单独施加驱动电压。如图4所示，a分段、b分段的长度相同，分别施加大小相等，方向相反的驱动电压，c分段、d分段也同时施加大小相等、方向相反的驱动电压。a分段、b分段、c分段和d分段的长度可根据实际情况进行调控，目的是保证可动电极60垂直振动。通过将每组压电驱动结构80分成多个分段并单独施加驱动电压，保证可动电极60垂直(以图2视角下为垂直)位移的一致性。此时，压电驱动结构80与弹性梁90的连接处可不再采用细化处理，更大程度地减小此处的应力，提高微型电场传感器耐用性和可靠性。

在其中一个实施例中，弹性梁90包括十字型结构，十字型结构将镂空区域划分为对称的四个感应区域，十字型结构设计，可以基于对称区域的划分保证各区域的振动一致性好。另一方面，可以经过测试，四个分区已经可以保证可动电极60在极化方向上振动的一致性，且驱动一致性好，有利于在满足该条件的前提下实现小型化设计。

在其中一个实施例中，相邻两个感应区域的可动电极60的结构可以呈相互垂直。例如，感应区域为4个时，可以通过四周放置的压电驱动结构80，将可动电极60分隔成四部分，且每个部分的可动电极60结构相垂直，从而减小压电驱动部分需要克服的弹性梁90刚度，减小驱动可动电极60振动的应力，提高传感器的可靠性和耐用性。

在其中一个实施例中，各感应区域的可动电极60包括与十字型结构的各分支对应连接的梳齿状结构，且相邻两个感应区域的梳齿状结构的延伸方向相互垂直，以减小压电驱动部分需要克服的弹性梁90刚度，减小驱动可动电极60振动的应力，提高传感器的可靠性和耐用性。

在一个实施例中，弹性梁90还包括十字型结构的各分支上的梳齿状结构，该梳齿状结构和可动电极60的梳齿状结构可以相一致，以便弹性梁90可以更好地带动可动电极60在极化方向上做一致性好的振动。

在其中一个实施例中，各感应区域的压电驱动结构80的第一端与衬底20连接，压电驱动结构80的第二端从与衬底20连接处起在其对应的感应区域延伸，且任意两个相邻感应区域的压电驱动结构80之间呈垂直关系。压电驱动结构80之间呈垂直关系可减小各区的压电驱动要求，减小损耗。

在其中一个实施例中，压电驱动结构80为条形结构，压电驱动结构80靠近镂空区域的外沿设置，且压电驱动结构80的第二端从与衬底20连接处起沿其对应的感应区域延伸至弹性梁90上最近的一个分支，并与分支连接。

压电驱动结构80靠近镂空区域的外沿设置可理解为四组压电驱动结构80呈四周型摆放，这样可为可动电极60提供更多的移动空间，有利于小型化设计和提高感应面积，从而提高灵敏度。相邻两组压电驱动结构80可如图1-3中所示，呈垂直放置，以降低干扰，提高灵敏度和测试结果可靠性。

在其中一个实施例中，压电驱动结构80为L型结构(折叠量结构)，压电驱动结构80靠近镂空区域的外沿设置，且压电驱动结构80的第二端从与衬底20连接处起沿其对应的感应区域延伸至弹性梁90上最近的一个分支，并在分支上延伸，在分支上延伸可更好地带动弹性梁90形变，以便弹性梁90受力均匀，进一步抑制弹性梁90变形。

如上述实施例中所述，本申请实施例提供的微型电场传感器具有功耗小、响应速度快等优点，且结构简单，可满足MEMS电场传感器小型化、集成化的特点。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。

以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，未对上述实施例中的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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种微型电场传感器，其特征在于，包括：

衬底，形成一镂空区域；

弹性梁，将所述镂空区域划分为对称的至少两个感应区域，所述弹性梁的第一侧与所述衬底直接连接；

可动电极，各所述可动电极一一对应设置在各所述感应区域，且每个所述可动电极均与所述弹性梁直接连接，且所述可动电极和所述衬底不直接连接；

固定电极，各所述固定电极一一对应设置在各所述感应区域，且每个所述固定电极与所述衬底直接连接；所述固定电极与所述可动电极构成一敏感结构；所述固定电极和所述可动电极互为屏蔽电极作用；

压电驱动结构，各所述压电驱动结构一一对应设置在各所述感应区域，所述压电驱动结构与所述弹性梁的第二侧连接，所述第二侧为所述第一侧的相对侧；

各所述感应区域的所述压电驱动结构在驱动电压作用下在极化方向上振动并通过所述弹性梁带动所述可动电极在极化方向上振动，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；

其中，所述弹性梁包括十字型结构，所述十字型结构将所述镂空区域划分为对称的四个感应区域；各所述感应区域的可动电极包括与所述十字型结构的各分支对应连接的梳齿状结构，且相邻两个所述感应区域的梳齿状结构的延伸方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述弹性梁上具有抑制变形位置，所述抑制变形位置的弹性梁具有抑制变形结构。

3.根据权利要求2所述的微型电场传感器，其特征在于，所述抑制变形位置的弹性梁的宽度小于预设宽度；和/或，

所述抑制变形位置的弹性梁的厚度大于所述弹性梁的其他部分的厚度；和/或，

所述抑制变形位置的弹性梁的长宽比为预设长宽比。

4.根据权利要求3所述的微型电场传感器，其特征在于，所述抑制变形位置为所述弹性梁的弯折处，和/或，所述弹性梁与所述压电驱动结构的连接处。

5.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述压电驱动结构包括至少两个分段，各所述分段分别独立加载驱动电压。

6.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，各所述感应区域的压电驱动结构的第一端与所述衬底连接，所述压电驱动结构的第二端从与所述衬底连接处起在其对应的感应区域延伸，且任意两个相邻感应区域的所述压电驱动结构之间呈垂直关系。

7.根据权利要求6所述的微型电场传感器，其特征在于，所述压电驱动结构为条形结构，所述压电驱动结构靠近所述镂空区域的外沿设置，且所述压电驱动结构的第二端从与所述衬底连接处起沿其对应的感应区域延伸至所述弹性梁上最近的一个分支，并与所述分支连接。

8.根据权利要求7所述的微型电场传感器，其特征在于，所述压电驱动结构为L型结构，所述压电驱动结构靠近所述镂空区域的外沿设置，且所述压电驱动结构的第二端从与所述衬底连接处起沿其对应的感应区域延伸至所述弹性梁上最近的一个分支，并在所述分支上延伸。