CN116500349A - 一种压电电容式的mems电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电电容式的MEMS电场传感器，包括压电薄膜、感应介质阵列、平板电容组、绝缘层和衬底；所述衬底上方覆盖绝缘层，所述平板电容组包括多个并联的平行板电容，平板电容组设置在绝缘层的顶部，平板电容组的一端接地，另一端接电压源，感应介质阵列悬置在平板电容组的顶部，感应介质阵列顶部与压电薄膜连接，感应介质阵列的底部伸入至各平行板电容中；该MEMS电场传感器通过测量输出电容检测电场变化，增大电场的测量范围，并且该MEMS电场传感器通过设置梳齿型的接地电极和终端电极，提高MEMS电场传感器的灵敏度，此外该MEMS电场传感器结构简单，具有较高的使用价值和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及电场传感器领域，具体为一种压电电容式的MEMS电场传感器。
背景技术
电场探测技术在航空航天、电网以及工业等各个领域都发挥着重要作用。例如，航空航天领域，强电场产生的雷击和闪电可能影响航天器的安全；电网领域，雷雨天气可能会造成电网跳闸和设备故障；工业领域，静电放电对某些易燃易爆物品的生产和运输有着极大的危害。
随着微加工技术的发展，微机电系统MEMS电场传感器以其体积小、灵敏度高、成本低等优点成为电场传感器的重点研究方向。MEMS电场传感器根据驱动方式可分为热驱动型、静电驱动型和压电驱动型。其中，压电驱动型MEMS电场传感器具有驱动电压小，灵敏度和信噪比较好的优点，但是压电驱动型MEMS电场传感器大多基于感应电荷原理，其测量范围有限，限制了压电驱动型MEMS电场传感器的应用，因此，需要研发一种大量程的MEMS电场传感器。
发明内容
针对现有压电驱动型MEMS电场传感器测量范围较小的问题，本发明提供一种压电电容式的MEMS电场传感器，实现MEMS电场传感器的大量程测量，且该MEMS电场传感器线性度和灵敏度均较为优异。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种压电电容式的MEMS电场传感器，包括压电薄膜、感应介质阵列和平板电容组；
所述平板电容组包括多个并联的平行板电容，感应介质阵列悬置在平板电容组的顶部，感应介质阵列顶部与压电薄膜连接，感应介质阵列的底部伸入至各平行板电容中；当外界电场变化时，感应介质阵列相对平板电容组发生位移。
优选的，所述平板电容组包括结构相同的接地电极和终端电极；
所述接地电极包括梳柄和多个梳齿电极，多个梳齿电极沿梳柄的轴向平行且间隔排布，并且梳齿电极与梳柄呈垂直设置，梳齿电极的一端与梳柄的侧壁固定连接；
所述接地电极的梳齿电极和终端电极的梳齿电极间隔交替排布，相邻两个梳齿电极形成平行板电容。
优选的，所述接地电极接地，所述终端电极接电压源。
优选的，所述感应介质阵列包括多个平行且间隔设置的感应介质，感应介质的顶面与压电薄膜连接，感应介质的底面伸入至相邻两个梳齿电极之间。
优选的，所述感应介质的底面位于梳齿电极高度的1/2处。
优选的，所述MEMS电场传感器还包括衬底，所述平板电容组设置在衬底的顶部，衬底与压电薄膜之间形成封闭的腔体。
优选的，所述压电薄膜与衬底之间设置有支撑体，支撑体为中空结构，平板电容组设置在支撑体的中空结构中，压电薄膜覆盖在支撑体的顶部。
优选的，所述平板电容组与衬底之间设置有绝缘层。
优选的，所述感应介质阵列材料的相对介电常数大于空气的相对介电常数。
优选的，所述感应介质阵列的材料为氮化硅、氮化镓和砷化镓中的一种，所述平板电容组的材料为多晶硅、金、铝、钛、铜和铂中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种压电电容式的MEMS电场传感器，感应介质阵列悬置在平板电容组的顶部，感应介质阵列的底部伸入至各平行板电容中，当外界电场变化时，压电薄膜基于逆压电效应产生形变，压电薄膜带动感应介质阵列一起在Z方向上移动，感应介质阵列插入平行板电容的高度发生变化，从而改变平行板电容的相对介电常数，进而改变平行板电容的电容值，该MEMS电场传感器通过将待测电场值转化为压电薄膜的机械变形量，进而转化为平板电容组的输出电容量，提高了电场传感器的测量范围。
进一步，平板电容组包括相互交叉设置的梳齿结构的接地电极和终端电极，并且接地电极和终端电极的接入电压不同，故接地电极和终端电极之间形成多个并联的平行板电容，使得相邻两个梳齿电极间的初始电容值和工作状态下的变化电容值较大，进而提高电场传感器的灵敏度。
进一步，在相邻两个梳齿电极间插入与空气相对介电常数相差较大的感应介质，改变梳齿电极间介质的相对介电常数，根据平行板电容的计算原理，电容与相对介电常数成正比，故该电场传感器的线性度较好。
附图说明
图1为本发明压电电容式的MEMS电场传感器的结构示意图；
图2为本发明平板电容组和支撑体的结构示意图；
图3为图1中压电电容式的MEMS电场传感器的XZ向剖面示意图；
图4为本发明平行板电容的数量为80的电场强度和输出电容的曲线图；
图5为本发明平行板电容数量与输出电容的曲线图。
图中：1、压电薄膜；2、感应介质阵列；3、平板电容组；4、支撑体；5、绝缘层；6、衬底；31、接地电极；32、终端电极；41、金属电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1-3，一种压电电容式的MEMS电场传感器，包括压电薄膜1、感应介质阵列2、平板电容组3、支撑体4、绝缘层5和衬底6；
所述衬底6为整个电场传感器的支撑结构，衬底6上方覆盖绝缘层5，所述平板电容组3包括多个并联的平行板电容，平板电容组3设置在绝缘层5的顶部，平板电容组3的一端接地，另一端接电压源，绝缘层5用于衬底6与平板电容组3之间的电气绝缘，感应介质阵列2悬置在平板电容组3的顶部，感应介质阵列2顶部与压电薄膜1连接，感应介质阵列2的底部伸入至各平行板电容中。
所述平板电容组3包括接地电极31和终端电极32，接地电极31和终端电极32均为梳齿型，由于接地电极31和终端电极32的结构相同，下面仅以接地电极31为例对其结构进行说明，接地电极31包括梳柄和多个梳齿电极，多个梳齿电极沿梳柄的轴向平行且间隔排布，并且梳齿电极与梳柄垂直设置，梳齿电极的一端与梳柄的侧壁固定连接。
所述接地电极31和终端电极32设置在绝缘层的顶部，并且接地电极31和终端电极32的梳齿电极相互交叉设置，也就是说，接地电极31的梳齿电极位于终端电极32相邻的两个梳齿电极之间，同理，终端电极32的梳齿电极位于接地电极31相邻的两个梳齿电极之间，梳柄另一侧壁的中部设置有金属电极41，接地电极31的金属电极接地，终端电极32的金属电极连接电压源，由于接地电极31和终端电极32的电压不同，因此相邻两个梳齿电极间形成平行板电容，接地电极31和终端电极32之间形成多个平行板电容且并联。
所述平板电容组3设置在支撑体4的中心，支撑体4为环向封闭的中空结构，支撑体4设置在衬底6的顶部边缘，并位于绝缘层5的表面，接地电极31和终端电极32的金属电极41分别穿过支撑体4两个平行的侧壁连接电压源和接地。
压电薄膜1覆盖在支撑体4的顶部，绝缘层5、压电薄膜1和支撑体4形成一个封闭的腔体，感应介质阵列2和平板电容组3位于腔体中，封闭的腔体能够有效隔绝外界环境对感应介质阵列2和平板电容组3的干扰，提高电场传感器的测量精度。
感应介质阵列2悬置在平板电容组3的顶部，感应介质阵列2的顶部与压电薄膜1连接，感应介质阵列2的下部伸入至平板电容组3的各平行板电容中，当外界电场变化的时候，压电薄膜1会变形，感应介质阵列2与平板电容组3发生Z向位移，通过测量电容即可得出电场传感器所在环境中的电场大小。
所述感应介质阵列2包括多个平行且间隔设置的感应介质，感应介质与梳齿电极平行设置，感应介质的顶面与压电薄膜1连接，感应介质的底面伸入至平行板电容中，即感应介质的底面位于相邻两个梳齿电极之间，感应介质的底面位于梳齿电极高度的1/2处。
该压电电容式的MEMS电场传感器的工作原理基于逆压电效应，工作状态下，当外界电场变化时，压电薄膜最先产生形变，压电薄膜1带动感应介质阵列2在Z方向上振动，使得梳齿电极间介质的相对介电常数变化，进而改变接地电极31和终端电极32之间的电容值。
压电薄膜1的材料为PMN-PT、PZT、铌酸锂和聚偏二氟乙烯中的一种。
所述衬底6的材料为硅、氮化硅、玻璃和陶瓷中的一种。
所述接地电极31和终端电极32的材料为多晶硅、金、铝、钛、铜和铂中的一种。
所述感应介质阵列2的材料为氮化硅、氮化镓和砷化镓中的一种，且感应介质阵列材料的相对介电常数与空气的相对介电常数不相同，感应介质阵列材料的相对介电常数大于3。
所述支撑体4的顶部与感应介质阵列2的顶部齐平，所述支撑体的材料为二氧化硅、氮化硅和三氧化硅中的一种。
本发明提供的一种压电电容式的MEMS电场传感器，利用逆压电效应使得压电薄膜在电场环境下发生形变，从而带动感应介质阵列一起振动，平板电容组3包括梳齿型的接地电极和终端电极，两者分别连接不同的电压，形成多个并联的平行板电容，感应介质阵列2作为平板电容组3的插入介质，其振动会改变平板电容组3中各平行板电容的相对介电常数，从而改变梳齿电极间的整体电容，通过测量该平板电容组3的电容即可得出MEMS电场传感器所在环境中的电场大小。采用梳齿型的接地电极和终端电极，能够提高MEMS电场传感器的灵敏度，此外，根据平行板电容的计算公式，电容与相对介电常数成正比，故该MEMS电场传感器的线性度较好。
参阅图3，本实施例中，感应介质阵列2底部初始位置在梳齿电极高度的二分之一处，感应介质沿X向布置，若电场方向为Z轴正向，则压电薄膜1带动感应介质阵列2向上振动，同理，若电场方向为Z轴负向，则压电薄膜1带动感应介质阵列2向下振动，故该MEMS电场传感器可测量正负向的电场。
本实施例中，接地电极31和终端电极32呈梳齿型，故接地电极31和终端电极32之间形成多对并联的平行板电容，根据平行板电容的计算公式，电容值与相对介电常数成正比，本实施例提供的MEMS电场传感器将感应介质阵列作为插入介质，改变相邻两个梳齿电极间的相对介电常数，故该MEMS电场传感器线性度较好。
参阅图4，利用Comsol有限元仿真软件仿真得到平行板电容的数量为80对时，输出电容（pF）随电场强度（KV/mm）的变化曲线，从图4中可以看出，输出电容随电场强度的增大而增大，且线性度较好。
参阅图5，平行板电容的数量可根据实际情况进行调整，通过Comsol有限元仿真软件得出在相同电场环境下，输出电容随平行板电容数量的变化曲线，输出电容随电极对数的增大而增大。
本发明提供的一种压电电容式的MEMS电场传感器，平板电容组3包括梳齿型的接地电极31和终端电极32，感应介质阵列2下端的初始位置位于在梳齿电极高度的二分之一处，由于接地电极31和终端电极32之间的电压不同，故两梳齿电极之间形成多个并联的平行板电容，使得梳齿电极间的初始电容值和工作状态下的变化电容值较大，通过设置梳齿型的接地电极31和终端电极32，能够提高MEMS电场传感器的灵敏度；当MEMS电场传感器处在电场环境中，压电薄膜1带动感应介质阵列2一起在Z方向上移动，感应介质阵列2插入梳齿电极间的高度变化，从而改变梳齿电极间介质的相对变化常数，进而改变梳齿电极间的电容值，该MEMS电场传感器通过将待测电场值转化为压电薄膜1的机械变形量，进而转化为电极的输出电容量，提高了电场传感器的测量范围，并且该MEMS电场传感器结构简单，易于批量化生产。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，包括压电薄膜（1）、感应介质阵列（2）和平板电容组（3）；
所述平板电容组（3）包括多个并联的平行板电容，感应介质阵列（2）悬置在平板电容组（3）的顶部，感应介质阵列（2）顶部与压电薄膜（1）连接，感应介质阵列（2）的底部伸入至各平行板电容中；当外界电场变化时，感应介质阵列（2）相对平板电容组（3）发生位移。
2.根据权利要求1所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述平板电容组（3）包括结构相同的接地电极（31）和终端电极（32）；
所述接地电极（31）包括梳柄和多个梳齿电极，多个梳齿电极沿梳柄的轴向平行且间隔排布，并且梳齿电极与梳柄呈垂直设置，梳齿电极的一端与梳柄的侧壁固定连接；
所述接地电极（31）的梳齿电极和终端电极（32）的梳齿电极间隔交替排布，相邻两个梳齿电极形成平行板电容。
3.根据权利要求2所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述接地电极（31）接地，所述终端电极（32）接电压源。
4.根据权利要求2所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述感应介质阵列（2）包括多个平行且间隔设置的感应介质，感应介质的顶面与压电薄膜连接，感应介质的底面伸入至相邻两个梳齿电极之间。
5.根据权利要求4所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述感应介质的底面位于梳齿电极高度的1/2处。
6.根据权利要求1所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述MEMS电场传感器还包括衬底（6），所述平板电容组（3）设置在衬底（6）的顶部，衬底（6）与压电薄膜（1）之间形成封闭的腔体。
7.根据权利要求6所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述压电薄膜（1）与衬底（6）之间设置有支撑体（4），支撑体（4）为中空结构，平板电容组（3）设置在支撑体（4）的中空结构中，压电薄膜（1）覆盖在支撑体（4）的顶部。
8.根据权利要求6所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述平板电容组（3）与衬底（6）之间设置有绝缘层。
9.根据权利要求1所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述感应介质阵列（2）材料的相对介电常数大于空气的相对介电常数。
10.根据权利要求1所述的一种压电电容式的MEMS电场传感器，其特征在于，所述感应介质阵列（2）的材料为氮化硅、氮化镓和砷化镓中的一种，所述平板电容组（3）的材料为多晶硅、金、铝、钛、铜和铂中的一种。
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