CN116047183A - 一种单屏蔽电极三维电场传感芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，包括：衬底、固定端、驱动结构、一组可动屏蔽电极、四组固定感应电极，其中四组固定感应电极两两对称。在驱动结构作用下，屏蔽电极沿垂直于衬底方向或平行于衬底方向振动，若存在外界电场，则四组固定感应电极上会产生周期性感应电流，对四组感应电极上的感应电流采用差分求和解耦方法可分别获得X、Y、Z三个坐标轴方向的电场分量，从而实现三维电场测量。本发明提出的单屏蔽电极三维电场传感芯片设计方案，有利于减小传感器体积和功耗、增大有效感应面积，并有利于提高传感器分辨力和灵敏度。

Description

一种单屏蔽电极三维电场传感芯片

技术领域

本发明涉及传感器技术领域和微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及一种单屏蔽电极三维电场传感芯片。

背景技术

电场是一个基础的电学特性参量。电场传感器广泛应用于气象探测、航空航天、电力系统、石油化工、工业生产等诸多领域。

基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的微型电场传感器，凭借体积小、重量轻、成本低、功耗低、集成度高和可批量制造等优点，成为电场传感器的一个重要发展方向。目前大部分的MEMS电场传感器研究侧重于垂直于芯片上表面的一维电场分量的测量，但是在很多应用场合电场的方向未知，一维电场测量只能反映三维电场中某一方向分量的大小，并不能反映三维电场的全部信息。

现有的三维电场传感器大多为组件式，即将三个一维电场敏感芯片布置在相互正交的三个面上，体积较大，易引起传感器周围的电场发生畸变，降低传感器的测量准确性。此外，也有研究提出单芯片的MEMS三维电场传感器，但其传感器采用蛇形梁静电驱动，结构复杂，谐振频率低且驱动电压高。

发明内容

(一)针对以上技术问题，本发明提出一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，设置衬底、固定端、驱动结构、一组可动屏蔽电极、四组固定感应电极，其中四组固定感应电极两两对称。在驱动结构作用下，屏蔽电极沿垂直于衬底方向或平行于衬底方向振动，若存在外界电场，则四组固定感应电极上会产生周期性感应电流，对四组感应电极上的感应电流采用差分求和解耦方法可分别获得X、Y、Z三个坐标轴方向的电场分量，从而实现三维电场测量。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出了一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，由一组可动屏蔽电极和四组固定感应电极(感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四)组成，四组固定感应电极两两对称。传感器结构包括衬底、固定端、驱动结构、一组可动屏蔽电极、四组固定感应电极(感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四)；其中：

衬底，支撑三维电场传感芯片；

固定端，固定在衬底上；

驱动结构，驱动方式不限，可为静电驱动、压电驱动、电磁驱动等。静电驱动可为梳齿静电驱动、平行极板静电驱动等；压电驱动由压电材料和驱动电极构成，驱动电极材料选自Ti、Al、Pt、Cr、Ag、Au和Cu中的一种或多种金属，压电材料为以下材料的一种或多种组合：锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝、钛酸钡、钛酸铅、改性钛酸铅。

屏蔽电极，可动的屏蔽电极包括四个屏蔽单元，分别与感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四对应，采用条形电极结构或梳齿电极结构，其中电极条或梳齿的数量至少为一个，屏蔽电极与感应电极的电极条或梳齿的数量对应相同，屏蔽电极在驱动结构作用下相对于感应电极沿垂直于衬底方向或平行于衬底方向振动。

四组固定感应电极(感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四)，两两对称分布，感应电极一和感应电极二相对于X轴对称，感应电极三和感应电极四相对于X轴对称；感应电极一和感应电极三相对于Y轴对称，感应电极二和感应电极四相对于Y轴对称；感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四与屏蔽电极位于Z轴的同一平面上，通过固定端固定在衬底上，采用条形电极结构或梳齿电极结构，其中电极条或梳齿的数量至少为一个。四组固定感应电极与外部检测电路连接，四组感应电极上的输出信号经过差分求和解耦方法分别得到与X、Y、Z三个坐标轴方向电场分量相关的信号，从而实现三维电场测量。

有益效果：

基于上述技术方案可知，本发明的一种单屏蔽电极三维电场传感芯片相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)通过单芯片上一组可动屏蔽电极和四组两两对称的固定感应电极，实现对三维电场的同时测量。

(2)通过四组固定感应电极上的输出信号经过差分求和解耦方法，分别得到X、Y、Z三个坐标轴方向电场分量，降低轴间耦合干扰。

(3)单屏蔽电极三维电场传感芯片有利于减小传感器体积和功耗、增大有效感应面积，并有利于提高传感器分辨力和灵敏度。

(4)单屏蔽电极三维电场传感芯片结构简单，适用于微加工技术制备，易于集成和批量化制造。

附图说明

图1为根据本发明实施例1的无封装单屏蔽电极三维电场传感芯片结构示意图。

图2为根据本发明实施例1的敏感结构平面示意图。

图3a为根据本发明实施例2的单屏蔽电极三维电场传感芯片与第一种封装结构的整体示意图。

图3b为根据本发明实施例2的单屏蔽电极三维电场传感芯片与第一种封装结构的内部示意图。

图4为根据本发明实施例3的单屏蔽电极三维电场传感芯片与第二种封装结构的示意图。

图中，附图标记含义如下：

1–衬底                       2–固定端

3–驱动结构                   4–屏蔽电极

5–感应电极一                 6–感应电极二

7–感应电极三                 8–感应电极四

9–封帽

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，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书中，不同实施例所示的相同或相似的结构采用相同的附图标记进行表示。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中技术人员所熟知的形式。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在解释本发明的总体构思，而不应当理解为对本发明的一种限制。

参照图1～4所示，本发明提出的单屏蔽电极三维电场传感芯片，包括：衬底1、固定端2、驱动结构3、一组可动的屏蔽电极4、四组固定感应电极和封帽9；其中，所述四组固定感应电极包括感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8。所述一组可动的屏蔽电极4包括四个屏蔽单元，分别与感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8对应。所述感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7、感应电极四8和屏蔽电极4在静止状态下位于Z轴同一水平面上，通过固定端2固定在衬底1上。X-Y平面与所述衬底1平行，Z轴垂直于X-Y平面。屏蔽电极4沿Y轴方向设置，感应电极一5和感应电极二6相对于X轴对称，感应电极三7和感应电极四8相对于X轴对称，感应电极一5和感应电极三7相对于Y轴对称，感应电极二6和感应电极四8相对于Y轴对称；驱动结构3通过固定端2固定在衬底1上，并连接外部驱动电路，通过施加电压驱动屏蔽电极4相对于感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8沿着垂直于衬底方向或平行于衬底方向运动。通过不同的驱动方式，比如静电驱动或者压电驱动或者电磁驱动，实现不同的运动方向。

本发明提出的单屏蔽电极三维电场传感芯片的工作原理为：

所述单屏蔽电极三维电场传感芯片由一组可动的屏蔽电极4与四组固定感应电极构成，固定感应电极两两对称，在驱动结构作用下可动的屏蔽电极4沿着垂直于衬底方向或平行于衬底方向振动，四组固定感应电极在待测电场作用下产生周期性感应电流，测量四组固定感应电极上产生的感应电流，经过差分求和解耦方法可分别获得X、Y、Z三个坐标轴方向的电场分量，从而实现三维电场测量。

下面来具体介绍本发明各实施例的单屏蔽电极三维电场传感芯片的各个部分。

本发明的单屏蔽电极三维电场传感芯片，设置了一组可动的屏蔽电极4和四组固定感应电极，四组固定感应电极两两对称，均通过固定端2固定在衬底1上，由导体硅刻蚀而成。感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8与屏蔽电极4在静止状态下位于Z轴同一平面上，本实施例1、2和3可行的方式中，感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8与屏蔽电极4均采用条形结构，且相互交叉设置，条形电极的数量至少为一个，具体的条形电极的数量，长宽高等本发明不做限制。

在图1～4所示的本实施例1、2和3可行的方式中，本发明的单屏蔽电极三维电场传感芯片，驱动方式不限，可采用静电驱动、压电驱动或电磁驱动等。

所述静电驱动可为梳齿静电驱动、平行极板静电驱动等，可动的屏蔽电极4相对于感应电极在平行于衬底方向水平运动，使得感应电极周期性的被暴露、被屏蔽。

所述压电驱动由压电材料和驱动电极构成，通过固定端2固定在衬底1上。在驱动电极上施加电压，可以驱动屏蔽电极4相对于感应电极在垂直于衬底的方向上下运动，使得感应电极周期性的被暴露、被屏蔽。采用高压电系数的压电材料，例如：锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、改性钛酸铅，可以有效提高压电驱动的驱动效率，降低压电驱动的电压，并进一步减小耦合干扰，有利于提高传感器的信噪比。

下面结合实施例，对本发明的单屏蔽电极三维电场传感芯片进行详细介绍。

实施例1

实施例1介绍了无封装单屏蔽电极三维电场传感芯片结构示例。

图1为无封装单屏蔽电极三维电场传感芯片的结构示意图。参照图1所示，本实施例中，单屏蔽电极三维电场传感芯片包括：衬底1，固定端2，驱动结构3、屏蔽电极4、四组固定感应电极。

本实施例中，固定感应电极分为感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7、感应电极四8，数量设置为四组，静止状态下与屏蔽电极4位于Z轴同一水平面上，通过固定端2固定在衬底上，感应电极一5和感应电极二6，以及感应电极三7和感应电极四8相对于X轴对称，感应电极一5和感应电极三7，以及感应电极二6和感应电极四8相对于Y轴对称，感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7、感应电极四8均连接外部检测电路；驱动结构3通过固定端2固定在衬底上，连接外部驱动电路。

在驱动结构上施加驱动电压，驱动屏蔽电极4相对于感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7、感应电极四8沿着垂直于衬底方向或平行于衬底方向运动，在外电场作用下，感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7、感应电极四8产生周期性感应电流，通过外部检测电路获得四组固定感应电极上的感应信号，采用差分求和解耦方法分别得到X、Y、Z三个坐标轴方向的电场分量，从而实现三维电场测量。

实施例2

实施例2介绍了单屏蔽电极三维电场传感芯片与第一种封装结构的结构示例。

图3a，图3b为单屏蔽电极三维电场传感芯片与第一种封装结构的整体和内部结构示意图。参照图3a，图3b所示，本实施例2与实施例1的工作原理一致，单屏蔽电极三维电场传感芯片与第一种封装结构包括：衬底1，固定端2，驱动结构3、屏蔽电极4、四组固定感应电极和封帽9。所述四组固定感应电极包括感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8。所述封帽与衬底平行，位于感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四正上方，所述封帽到感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四的距离相等。

本实施例中，增加了封装结构，封装结构有利于保护敏感芯片，同时可采用真空封装，做到增敏降噪。

实施例3

实施例3介绍了单屏蔽电极三维电场传感芯片与第二种封装结构的结构示例。

图4为单屏蔽电极三维电场传感芯片与第二种封装结构的结构示意图。参照图4所示，本实施例3与实施例1的敏感结构工作原理一致，单屏蔽电极三维电场传感芯片与第二种封装结构包括：衬底1，固定端2，驱动结构3、屏蔽电极4、四组固定感应电极和封帽9。所述四组固定感应电极包括感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8。

本实施例中，在增加封装结构时，采用与实施例2不同的封帽结构。封帽外部在同一水平面上，封帽内部，在感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7和感应电极四8正上方，存在不同高度的凸起，不同高度凸起可有多种表现形式。例如在感应电极一5、感应电极二6和感应电极三7正上方凸起高度一致，感应电极四8正上方凸起高度和感应电极一5、感应电极二6、感应电极三7不一致；或者感应电极一5和感应电极二6上凸起高度一致，感应电极三7和感应电极四8上凸起高度一致，两者之间凸起高度不一致等，此种不同凸起高度的封帽设计使得四组固定感应电极表面电场不一致，四组固定感应电极表面电场强度大小与凸起高度有一定的关系，有利于解决静电干扰问题。

有益效果：

综上所述，本发明提供了一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，在驱动结构作用下，屏蔽电极沿着垂直于衬底方向或平行于衬底方向振动，在四组感应电极上产生周期性感应电流，通过差分求和解耦方法分别得到X、Y、Z三个坐标轴方向电场分量，实现对三维电场的同时测量。单屏蔽电极三维电场传感芯片，仅采用一组可动屏蔽电极可实现三维电场测量；有利于减小传感器体积和功耗、增大有效感应面积，从而有利于提高传感器分辨力和灵敏度。该单屏蔽电极三维电场传感芯片，具有微型化、低功耗、高性能的特点。适用于微加工技术制备，易于集成和批量化制造。

应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

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 (4)

1.一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，其特征在于，包括：衬底、固定端、驱动结构、可动的屏蔽电极、感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四；所述衬底支撑三维电场传感芯片；所述固定端固定在衬底上；所述驱动结构由驱动电极构成；感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四通过固定端固定在衬底上，两两对称；可动的屏蔽电极包括四个屏蔽单元，分别与感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四对应。

2.根据权利要求1所述的一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，其特征在于，仅采用一组可动的屏蔽电极。

3.根据权利要求1所述的一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，其特征在于，所述感应电极一和感应电极二相对于X轴对称，所述感应电极三和感应电极四相对于X轴对称；所述感应电极一和感应电极三相对于Y轴对称，所述感应电极二和感应电极四相对于Y轴对称；感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四位于Z轴的同一平面上；X-Y平面与三维电场传感芯片衬底平行，Z轴垂直于X-Y平面。

4.根据权利要求1所述的一种单屏蔽电极三维电场传感芯片，其特征在于，所述屏蔽电极在所述驱动结构作用下沿着垂直于衬底方向或平行于衬底方向振动，所述感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四上产生周期性感应电流，对感应电极一、感应电极二、感应电极三和感应电极四上的电流进行差分求和解耦分别得到X、Y、Z三个坐标轴方向电场分量，实现三维电场测量。

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