CN117269627A - 压电驱动结构的微型三维电场传感器及三维电场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电驱动结构的微型三维电场传感器及三维电场测量方法，其结构包括敏感单元、第一、第二和第三压电驱动梁、第一、第二和第三硅基底框架；敏感单元包括多个第一和多个第二电极；两组第一压电驱动梁悬臂设置在第一硅基底框架内，且自由端相互穿插的设有多个第一和多个第二电极，当向第一压电驱动梁施加驱动电压时，多个第一和多个第二电极相对振动以产生与要检测的电场相对应的电流；第一、第二硅基底框架分别通过第二、第三压电驱动梁布置在第二、第三硅基底框架内，当分别向第二、第三压电驱动梁施加驱动电压时，第一、第二硅基底框架绕其方向轴转动一定角度。本发明公开的三维电场传感器具有结构简单，体积小，成品率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域和微机电系统技术领域，尤其是一种压电驱动结构的微型三维电场传感器及三维电场测量方法。
背景技术
电场作为一个基础的电学特性参量，其探测技术的发展具有重要的意义。电场传感器广泛应用于气象、航天航空、环境检测、工业生产等诸多领域。
基于微机电系统(MEMS)技术的微型电场传感器，凭借体积小，重量轻，功耗低、成本低、集成度高和可批量生产等优点，成为了电场传感器的一个重要发展方向。目前，大部分的MEMS电场传感器只能测量垂直于芯片上表面的一维电场分量。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应三维电场中某一方向分量的大小，并不能反应三维电场的全部信息。
现有的MEMS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立方体相交的三个面上，容易引起测量误差，且体积较大。此外，还有将三个测量方向相同的一维电场传感器芯片置于同一平面，但是同样具有结构复杂，体积较大，集成度低，制备传感器的工艺复杂程度高，成品率低等问题。
发明内容
本发明针对上述问题而提出了一种压电驱动结构的微型三维电场传感器。
本发明采用的技术手段如下：
一种压电驱动结构的微型三维电场传感器，包括敏感单元、第一压电驱动梁、第二压电驱动梁、第三压电驱动梁、第一硅基底框架、第二硅基底框架以及第三硅基底框架；
所述敏感单元包括多个第一电极和多个第二电极；
两组所述第一压电驱动梁相对设置在所述第一硅基底框架内，且所述第一压电驱动梁一端与所述第一硅基底框架固定连接形成悬臂梁结构，两组所述第一压电驱动梁的相对端分别设有多个所述第一电极和多个所述第二电极，多个所述第一电极和多个所述第二电极相互穿插形成梳齿结构，当向所述第一压电驱动梁施加驱动电压时，多个所述第一电极和多个所述第二电极相对振动以产生与要检测的电场相对应的电流；
所述第一硅基底框架外侧通过两个所述第二压电驱动梁布置在所述第二硅基底框架内，当向所述第二压电驱动梁施加驱动电压时，所述第一硅基底框架绕X方向轴转动一定角度；
所述第二硅基底框架外侧通过两个所述第三压电驱动梁布置在所述第三硅基底框架内，当向所述第三压电驱动梁施加驱动电压时，所述第二硅基底框架绕Z方向轴转动一定角度。
进一步地，所述第一硅基底框架绕X方向轴转动的角度范围为0至70°；
所述第二硅基底框架绕Z方向轴转动的角度范围为0至70°。
进一步地，两组所述第二压电驱动梁平行布置，所述第二压电驱动梁的一端固定在所述第二硅基底框架上，另一端的两个相对侧面与所述第一硅基底框架的外侧中部连接。
进一步地，所述第三压电驱动梁与所述第二压电驱动梁的布置方向相互垂直，两组所述第三压电驱动梁平行布置，所述第三压电驱动梁的一端固定在所述第三硅基底框架上，另一端的两个相对侧面与所述第二硅基底框架的外侧中部连接。
一种采用本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器的三维电场测量方法，包括如下步骤：
将三维电场传感器置于待测三维电场中，向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第一电流，第一电流与要检测三维电场在Y方向电场成正比，通过所述第一电流获得要检测三维电场在Y方向电场分量大小；
向第二压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第二压电驱动梁绕X方向轴转动一定角度，然后向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第二电流，第二电流与要检测三维电场在YZ平面电场分量成正比，通过所述第二电流获得要检测三维电场在YZ平面电场分量大小；
向第三压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第三压电驱动梁绕Z方向轴转动一定角度，然后向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第三电流，第三电流与要检测三维电场在XY平面电场分量成正比，通过所述第三电流获得要检测三维电场在XY平面电场分量大小。
进一步地，压电驱动梁绕轴转动的角度是通过标定压电驱动梁驱动能力后，由压电梁上的反馈电极得到。
与现有技术比较，本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器具有以下有益效果：本发明公开的三维电场传感器具有结构简单，体积小，集成度高，制备传感器的工艺简单，成品率高等优点。
附图说明
图1为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器的轴视图；
图2为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器进行Y向电场测量时的示意图；
图3为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器中第一硅基底框架在第二压电驱动梁的驱动下转动一定角度后的示意图；
图4为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器进行YZ平面电场分量测量时的第一状态示意图，此时第一电极向上翘起，第二电极向下弯曲；
图5为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器进行YZ平面电场分量测量时的第二状态示意图，此时第一电极向下弯曲，第二电极向上翘起；
图6为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器中第二硅基底框架在第三压电驱动梁的驱动下转动一定角度后的示意图；
图7为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器进行XY平面电场分量测量时的第一状态示意图，此时第一电极向上翘起，第二电极向下弯曲；
图8为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器进行XY平面电场分量测量时的第二状态示意图，此时第一电极向下弯曲，第二电极向上翘起。
图中：1、敏感元件，2、第一电极，3、第二电极，4、感应电极焊盘，5、第一压电驱动梁，6、第一驱动梁焊盘，7、第二压电驱动梁，8、第二驱动梁焊盘，9、第三压电驱动梁，10、第三驱动梁焊盘，11、第一硅基底框架，12、第二硅基底框架，13、第三硅基底框架。
具体实施方式
如图1所示为本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器，包括敏感单元1、第一压电驱动梁5、第二压电驱动梁7、第三压电驱动梁9、第一硅基底框架11、第二硅基底框架12以及第三硅基底框架13；
所述敏感单元1包括多个第一电极2和多个第二电极3；
两组所述第一压电驱动梁5相对设置在所述第一硅基底框架11内，且所述第一压电驱动梁5一端与所述第一硅基底框架11固定连接形成悬臂梁结构，两组所述第一压电驱动梁5的相对端分别设有多个所述第一电极2和多个所述第二电极3，多个所述第一电极2和多个所述第二电极3相互穿插形成梳齿结构，当向所述第一压电驱动梁5施加驱动电压时，多个所述第一电极2和多个所述第二电极3相对振动以产生与要检测的电场相对应的电流；
所述第一硅基底框架11外侧通过两个所述第二压电驱动梁7布置在所述第二硅基底框架12内，当向所述第二压电驱动梁7施加驱动电压时，所述第一硅基底框架11绕X方向轴转动一定角度；
所述第二硅基底框架12外侧通过两个所述第三压电驱动梁9布置在所述第三硅基底框架13内，当向所述第三压电驱动梁9施加驱动电压时，所述第二硅基底框架12绕Z方向轴转动一定角度。
具体地，本实施例中，所述第一硅基底框架11、所述第二硅基底框架12以及第三硅基底框架13均为方型框架，第二硅基底框架12布置在第三硅基底框架13中，第一硅基底框架11布置在第二硅基底框架12中。第三硅基底框架13的一个侧边内侧相对布置有两个第三压电驱动梁9，两个第三压电驱动梁9之间布置第二硅基底框架12，第二硅基底框架12与第三压电驱动梁9平行布置的两个侧边的中间部位向外侧伸出形成连接凸起，第三压电驱动梁9通过连接凸起与第二硅基底框架连接，硅基底框架上布置有用于向第三压电驱动梁9施加电压的第三驱动梁焊盘10，通过第三驱动梁焊盘可以向第三压电驱动梁9施加电压，进而第三压电驱动梁9弯曲变形，从而使得第二硅基底框架绕Z方向轴翻转一定的角度，翻转的角度与施加在压电驱动梁上电压大小相关。
第二硅基底框架12的一个侧边内侧相对布置有两个第二压电驱动梁7，第二压电驱动梁7与第三压电驱动梁9垂直布置，两个第二压电驱动梁7之间布置第一硅基底框架11，第一硅基底框架11与第二压电驱动梁7平行布置的两个侧边的中间部位向外侧伸出形成连接凸起，第二压电驱动梁7通过连接凸起与第一硅基底框架11连接，硅基底框架上布置有用于向第二压电驱动梁7施加电压的第二驱动梁焊盘8，通过第二驱动梁焊盘可以向第二压电驱动梁7施加电压，进而第二压电驱动梁7弯曲变形，从而使得第一硅基底框架绕X方向轴翻转一定的角度，翻转的角度与施加在压电驱动梁上电压大小相关。
在第一硅基底框架11内相对设有两个第一压电驱动梁5，第一压电驱动梁5一端固定在第一硅基底框架11上，另一端为自由端，第一压电驱动梁5在第一硅基底框架11内形成悬臂结构，两个第一压电驱动梁5的相对端分别设有多个第一电极2和多个第二电极3，多个第一电极2和多个第二电极3相互穿插形成梳齿结构，硅基底框架上设有用于向第一压电驱动梁5施加电压的第一驱动梁焊盘6，硅基底框架上还布置有用于获取感应电流的感应电极焊盘4，本发明中，为了便于传感器加工工艺的方便，第一、第二和第三驱动梁焊盘均布置在第三硅基底框架上，感应电极焊盘也布置在第三硅基底框架上，其具体加工工艺为本领域常规技术手段。当向第一驱动梁焊盘施加驱动电压时，第一压电驱动梁5的自由端带动多个第一电极2和多个第二电极3上下振动，振动过程中向上运动的电极暴露于电场中其表面产生的感应电荷的电荷量增加，同时，向上运动的电极起到屏蔽电场的作用，向下运动的电极，被向上运动的电极屏蔽，其表面产生的感应电荷的电荷量减少，由于两组第一压电驱动梁向上翘起和向下弯曲两种状态交替出现，从而多个第一电极和多个第二电极也交替作为感应电极和屏蔽电极，因此电极表面感应电荷量周期性变化，进而可以通过感应电极焊盘对外电路形成交变电流，输出电流大小正比于待测电场的大小。
采用本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器进行三维电场测量的工作原理如下：将本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器置于待测的三维电场中，其中，与本发明公开的传感器表面垂直的方向为Y轴方向，与第二压电驱动梁平行的方向为Z向，与第三压电驱动梁平行的方向为X向。
当需要使用本发明公开的传感器进行Y方向电场测量时，如图2所示，通过向硅基底框架上的第一驱动梁焊盘施加驱动电压，第一压电驱动梁在驱动电压的作用下其自由端上下振动，进而带动多个第一电极和多个第二电极上下振动，振动过程中向上运动的电极暴露于电场中其表面产生的感应电荷的电荷量增加，同时，向上运动的电极起到屏蔽电场的作用，向下运动的电极，被向上运动的电极屏蔽，其表面产生的感应电荷的电荷量减少，由于两组第一压电驱动梁向上翘起和向下弯曲两种状态交替出现，从而多个第一电极和多个第二电极也交替作为感应电极和屏蔽电极，因此电极表面感应电荷量周期性变化，进而可以通过感应电极焊盘对外电路形成交变电流，输出电流大小正比于待测电场Y方向分量大小。
当需要使用本发明公开的传感器进行YZ平面电场分量测量时，如图3、图4和图5所示，通过向硅基底框架上的第二驱动梁焊盘施加驱动电压，第二压电驱动梁在驱动电压的作用下向上弯曲，于是第一硅基底框架以及安装在第一硅基底框架内的第一压电驱动梁、多个第一电极和多个第二电极等结构绕X轴转动，使其与初始状态的位置形成一定角度，所形成角度可以通过标定压电驱动梁驱动能力后，由压电梁上的反馈电极得到，可以根据需要使其转动角度为0至70°之间，然后，第一硅基底框架内的部件工作过程与用于测量Y方向电场时的过程相同，多个第一电极和多个第二电极输出的感应电流大小正比于待测电场YZ平面电场分量大小。
当需要使用本发明公开的传感器进行XY平面电场分量测量时，如图6、图7和图8所示，通过向硅基底框架上的第三驱动梁焊盘施加驱动电压，第三压电驱动梁在驱动电压的作用下向上弯曲，于是第二硅基底框架以及安装在第二硅基底框架内的所有结构绕Z方向轴转动，使其与初始状态的位置形成一定角度，所形成角度可以通过标定压电驱动梁驱动能力后，由压电梁上的反馈电极得到，可以根据需要使其转动角度为0至70°之间，然后，第一硅基底框架内的部件工作过程与用于测量Y方向电场时的过程相同，多个第一电极和多个第二电极输出的感应电流大小正比于待测电场XY平面电场分量大小。
本发明公开的压电驱动结构的微型三维电场传感器由于设有三组压电驱动梁、三个硅基底框架以及一对电极，从而可以方便的实现三维电场的测量，并且具有结构简单，操作方便，该传感器可采用硅微机械加工工艺，实现与IC工艺兼容的电场传感器加工方法，具有工艺简单、成本低和易于批量化制造等优势。
一种采用本发明所述的压电驱动结构的微型三维电场传感器的三维电场测量方法，包括如下步骤：
将三维电场传感器置于待测三维电场中，向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第一电流，第一电流与要检测三维电场在Y方向电场成正比，通过所述第一电流获得要检测三维电场在Y方向电场分量大小；
向第二压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第二压电驱动梁绕X方向轴转动一定角度，然后向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第二电流，第二电流与要检测三维电场在YZ平面电场分量成正比，通过所述第二电流获得要检测三维电场在YZ平面电场分量大小；
向第三压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第三压电驱动梁绕Z方向轴转动一定角度，然后向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第三电流，第三电流与要检测三维电场在XY平面电场分量成正比，通过所述第三电流获得要检测三维电场在XY平面电场分量大小。第一电流、第二电流和第三电流分别表示在测Y方向电场分量、YZ平面电场分量以及XY平面电场分量大小时，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生的电流。
进一步地，压电驱动梁绕轴转动的角度是通过标定压电驱动梁驱动能力后，由压电梁上的反馈电极得到。
用于本发明所述的压电驱动结构的微型三维电场传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在硅基片上面制备二氧化硅绝缘层，利用干法刻蚀所述二氧化硅绝缘层以获得图形化绝缘层；
步骤2、在所述二氧化硅绝缘层上溅射图形化粘结层和图形化压电材料层的下驱动电极层；
步骤3、在所述图形化粘结层和图形化压电材料层的下驱动电极层上制作压电材料层，并利用湿法刻蚀或干法刻蚀所述压电材料层,从而形成图形化压电材料层；
步骤4、甩正胶、光刻、显影，并在所述图形化压电材料层上溅射金属层，并利用剥离法图像化所述金属层形成压电材料层的上驱动电极层；
步骤5、采用硅片正反面对准光刻剥离法，在硅基片背面制作金属掩膜层，然后背面深刻蚀图形化硅基片，最后释放获得传感器微结构，该方法采用现有制造工艺即可实现，本申请不再详细说明。
进一步地，所述压电材料层的上驱动电极层和压电材料层的下驱动电极层的材质为Pt；所述图形化粘结层的材质为Ti。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压电驱动结构的微型三维电场传感器，其特征在于：包括敏感单元、第一压电驱动梁、第二压电驱动梁、第三压电驱动梁、第一硅基底框架、第二硅基底框架以及第三硅基底框架；
所述敏感单元包括多个第一电极和多个第二电极；
两组所述第一压电驱动梁相对设置在所述第一硅基底框架内，且所述第一压电驱动梁一端与所述第一硅基底框架固定连接形成悬臂梁结构，两组所述第一压电驱动梁的相对端分别设有多个所述第一电极和多个所述第二电极，多个所述第一电极和多个所述第二电极相互穿插形成梳齿结构，当向所述第一压电驱动梁施加驱动电压时，多个所述第一电极和多个所述第二电极相对振动以产生与要检测的电场相对应的电流；
所述第一硅基底框架外侧通过两个所述第二压电驱动梁布置在所述第二硅基底框架内，当向所述第二压电驱动梁施加驱动电压时，所述第一硅基底框架绕X方向轴转动一定角度；
所述第二硅基底框架外侧通过两个所述第三压电驱动梁布置在所述第三硅基底框架内，当向所述第三压电驱动梁施加驱动电压时，所述第二硅基底框架绕Z方向轴转动一定角度。
2.根据权利要求1所述的压电驱动结构的微型三维电场传感器，其特征在于：所述第一硅基底框架绕X方向轴转动的角度范围为0至70°；
所述第二硅基底框架绕Z方向轴转动的角度范围为0至70°。
3.根据权利要求1或2所述的压电驱动结构的微型三维电场传感器，其特征在于：两组所述第二压电驱动梁平行布置，所述第二压电驱动梁的一端固定在所述第二硅基底框架上，另一端的两个相对侧面与所述第一硅基底框架的外侧中部连接。
4.根据权利要求3所述的压电驱动结构的微型三维电场传感器，其特征在于：所述第三压电驱动梁与所述第二压电驱动梁的布置方向相互垂直，两组所述第三压电驱动梁平行布置，所述第三压电驱动梁的一端固定在所述第三硅基底框架上，另一端的两个相对侧面与所述第二硅基底框架的外侧中部连接。
5.一种采用权利要求1至4任意一项所述的压电驱动结构的微型三维电场传感器的三维电场测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
将三维电场传感器置于待测三维电场中，向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第一电流，第一电流与要检测三维电场在Y方向电场成正比，通过所述第一电流获得要检测三维电场在Y方向电场分量大小；
向第二压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第二压电驱动梁绕X方向轴转动一定角度，然后向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第二电流，第二电流与要检测三维电场在YZ平面电场分量成正比，通过所述第二电流获得要检测三维电场在YZ平面电场分量大小；
向第三压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第三压电驱动梁绕Z方向轴转动一定角度，然后向第一压电驱动梁施加驱动电压，驱动电压驱动第一压电驱动梁振动进而带动多个第一电极和多个第二电极相对振动，多个第一电极和多个第二电极相对振动产生第三电流，第三电流与要检测三维电场在XY平面电场分量成正比，通过所述第三电流获得要检测三维电场在XY平面电场分量大小。
6.根据权利要求5所述的压电驱动结构的微型三维电场传感器的三维电场测量方法，其特征在于：
压电驱动梁绕轴转动的角度是通过标定压电驱动梁驱动能力后，由压电梁上的反馈电极得到。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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