CN117517805A - 一种谐振式静电场传感器及电场检测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电场传感器领域,尤其涉及一种谐振式静电场传感器及电场检测装置。谐振式静电场传感器包括感应电极、敏感结构、绝缘体和基底;感应电极与敏感结构之间的空间位置相对独立,提高感应电极的布置灵活性,可根据实际封装要求和检测精度需求,最大限定的提升传感器的有效感应面积,有利于提升检测精度,提高了电场传感器的分辨力。
Description
技术领域
本申请涉及电场传感器领域,尤其涉及一种谐振式静电场传感器及电场检测装置。
背景技术
电场传感器是电场探测的关键器件,在航空航天、国防、气象、电网、科学研究等诸多领域需求广泛。近些年来,随着飞行目标识别、静电成像、水下目标探测以及高空电磁探测等相关技术的发展,对高分辨力、微型化、低功耗电场传感器的需求日益迫切。
随着微电子技术、微细加工技术和超精密机械加工技术的发展,基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)技术的电场传感器由于其体积小、功耗低、成本低、易批量生产等优点,逐渐成为具有重要发展潜力的电场探测器件。然而,已报道的MEMS电场传感器大多采用电荷感应原理,其分辨力与感应面积直接相关,微型化后由于感应面积降低,因此分辨力难以进一步提升,目前能达到实际使用的电荷感应式MEMS电场传感器的静电场分辨力只在10V/m的水平;基于弱耦合微机械谐振器的MEMS静电场传感器,仍需提升电场敏感的刚度扰动能力,以提高其分辨力。
发明内容
为了解决上述MEMS静电场传感器关于分辨力水平差的问题,本申请提供了一种谐振式静电场传感器及电场检测装置。
第一方面,本申请提供的一种谐振式静电场传感器,采用如下的技术方案:
一种谐振式静电场传感器,包括感应电极1、敏感结构2、绝缘体3和基底4;
所述敏感结构2和所述绝缘体3承载于所述基底4上;所述绝缘体3的高度高于所述敏感结构2的高度,所述绝缘体3用于支撑固定所述感应电极1,使得所述感应电极1布设于所述敏感结构2上方;
所述感应电极1用于感测被测电场从而产生感应电荷;
所述敏感结构用于基于所述感应电极1感测到的所述感应电荷,实现对所述被测电场的电场强度的检测。
可选的,所述绝缘体沿所述基底4的上表面边缘进行固定设置,以形成围合空间,所述敏感结构2位于所述围合空间内。
可选的,所述感应电极1的轮廓形状与所述围合空间的轮廓形状匹配,且所述感应电极1的表面积大于所述围合空间的表面积。
可选的,所述感应电极1的表面积等于所述基底4的表面积。
可选的,所述绝缘体3和所述基底4构成封装所述敏感结构2的基座,所述感应电极1构成封装所述敏感结构2的封盖。
可选的,所述敏感结构2包括器件层、绝缘层28和衬底层29;所述绝缘层28布设于所述衬底层29上,所述器件层布设于所述绝缘层28上;
所述器件层包括检测结构和微开关放电机构22;所述检测结构用于测量感应电极1上的电荷,实现对所述被测电场的电场强度的检测;所述微开关放电机构22用于在所述检测结构对所述被测电场的电场强度进行检测之前,释放所述感应电极1上积累的残余电荷。
可选的,所述检测结构包括多自由度机械耦合谐振器21、驱动电极23、扰动电极24、调谐电极25、检测电极26和锚点27;
所述扰动电极24输入端通过导线或导体结构与所述感应电极1电连接;所述扰动电极24有第一开关触点,在需要释放所述残余电荷时,通过与所述微开关放电机构22的第二开关触点相接触,以释放所述残余电荷;
所述扰动电极24的输出端与所述多自由度机械耦合谐振器21距离设定间隙,以形成静电力耦合;
所述多自由度机械耦合谐振器21包括多个谐振器,且各所述谐振器依次通过弱耦合梁214连接;
所述驱动电极23对称布置在所述多自由度机械耦合谐振器21的最外侧两个谐振器的外侧或内侧,用于驱动所述多自由度机械耦合谐振器21;
所述检测电极26布置于所述最外侧两个谐振器的内侧或外侧,检测电极26用于检测输出所述最外侧两个谐振器的电压振幅信号;
所述调谐电极25用于对所述多自由度机械耦合谐振器21产生刚度扰动,使其在初始工作条件下达到平衡状态;
所述多自由度机械耦合谐振器21、所述驱动电极23、所述扰动电极24、所述调谐电极25和所述检测电极26均通过若干所述锚点27固定;
在对所述被测电场进行电场强度检测时,感应电极1在被测电场的作用下产生所述感应电荷,所述感应电荷将部分汇集到所述扰动电极24的输出端,对多自由度机械耦合谐振器21产生刚度扰动,从而产生系统结构失谐;通过所述检测电极26检测输出谐振器的振幅变化情况,实现探测电场的目的。
可选的,所述微开关放电机构22采用静电吸合结构,所述静电吸合结构包括固定端和可动端;所述可动端上的锚点焊盘接地,所述固定端上的锚点焊盘外接电压源;所述第二开关触点在所述可动端上;当所述外接电压源通电时,所述固定端上的电压将逐渐升高达到临界值,将带动所述可动端上的所述第二开关触点移动,使得与所述扰动电极24的第一开关触点相接触,实现放电。
可选的,所述多自由度弱机械耦合谐振器21包括三自由度弱机械耦合谐振器;
所述三自由度弱机械耦合谐振器包括第一谐振器211、第二谐振器212、第三谐振器213;
所述第一谐振器211、所述第二谐振器212和所述第三谐振器213采用音叉结构的谐振器,或采用弹性圆环结构的谐振器。
第二方面,本申请提供的一种电场检测装置,采用如下的技术方案:
一种电场检测装置,包括以上任一项所述的谐振式静电场传感器。
综上所述,本申请包括以下至少有益技术效果:
1.感应电极1与敏感结构2之间的空间位置相对独立,提高感应电极的布置灵活性,可根据实际封装要求和检测精度需求,最大限定的提升传感器的有效感应面积,有利于提升检测精度,提高了电场传感器的分辨力。
2.通过设置微开关放电机构22,可抑制空间电荷、离子流等干扰噪声对检测精度的影响,实现高分辨力的电场探测,并提高了传感器的零点稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的谐振式静电场传感器的一种结构示意图;
图2为本发明实施例提供的敏感结构封装示意图;
图3为本发明实施例提供的敏感结构的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的谐振式静电场传感器的另一种结构示意图;
图5为本发明实施例提供的微开关放电机构的开关触点结构示意图;
图6为本发明实施例提供的微开关放电机构的接线方式示意图;
图7为本发明实施例提供的微开关放电机构的一种静电吸合结构示意图;
图8为本发明实施例提供的三自由度弱机械耦合谐振器示意图;
图9为本发明实施例提供的谐振式静电场传感器工作原理图;
图10为本发明实施例提供的谐振器音叉结构示意图;
图11为本发明实施例提供的谐振器弹性圆环结构示意图;
图12为本发明实施例提供的敏感结构的微机械加工流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
本申请实施例公开一种谐振式静电场传感器。
参考图1,一种谐振式静电场传感器,包括感应电极1、敏感结构2、绝缘体3和基底4;敏感结构2和绝缘体3承载于基底4上;绝缘体3的高度高于敏感结构2的高度,绝缘体3用于支撑固定感应电极1,使得感应电极1布设于敏感结构2上方;感应电极1与敏感结构2电连接,用于感测被测电场从而产生感应电荷;敏感结构2用于基于感应电极1感测到的感应电荷,实现对被测电场的电场强度的检测。
本实施例采用浮动分立式刚度扰动方案,感应电极1单独布设于传感器最上方,感应电极1与敏感结构2之间的空间位置相对独立,避免了传统静电场传感器存在感应电极与敏感结构空间位置相互限制的约束,提高了感应电极1的布置灵活性,因此可根据实际封装要求和检测精度需求,最大限定的增大感应电极1的有效感应面积,有效感应面积的增大有利于提升传感器对电场的检测精度,从而也就提高了静电场传感器的分辨力。
应当理解的是,感应电极1用于感测被测电场产生感应电荷,通过导线或者导体结构将传导至敏感结构2;敏感结构2也即是实现基于感应电荷的电场强度检测的相关结构,其中可以实现电场强度检测的具体结构可以采用现有任意方式,本实施例对此不做限制,只要能够实现电场强度检测即可。
在本发明的某些实施例中,在敏感结构2体积确定的前提下,基底4的轮廓形状可设置为与敏感结构2的轮廓形状相匹配(例如敏感结构2的轮廓形状为矩形,基座4的轮廓形状也设置为矩形;敏感结构2的轮廓形状为圆形,基座4的轮廓形状也设置为圆形等等),且基底4的轮廓所形成的面积适当大于敏感结构2的轮廓所形成的面积(例如基底4刚好可以承载敏感结构2以及绝缘体3),从而可以更好地保证器件微型化。
在本实施例中,绝缘体3主要用于实现对感应电极1的支撑固定,保证感应电极1位于传感器最上方,且能够稳定固定,感应电极1的下表面不与敏感结构2的器件表面直接接触。
在本发明的某些实施例中,绝缘体3可以包括多个绝缘柱,各绝缘柱的底面与基底4固定连接,各绝缘柱的顶面与感应电极1固定连接,通过多个绝缘柱实现对感应电极1的支撑固定。
为了降低外界环境对敏感结构检测精度的影响,在本发明的某些实施例中,绝缘体3沿基底4的上表面边缘进行固定设置,以形成围合空间,敏感结构2位于该围合空间内。也即是,敏感结构2被封装于由感应电极1、绝缘体3和基底4形成的密闭空间内,因此可降低外界环境(尤其是空间电荷、离子流等干扰噪声)对敏感结构2检测精度的影响。
参考图2,为了便于工程化应用,绝缘体3和基底4构成封装敏感结构2的基座,感应电极1构成封装敏感结构2的封盖,通过这种封装方式可提高对静电场传感器的封装效率。
在本发明的某些实施例中,感应电极1的轮廓形状与围合空间的轮廓形状匹配,且感应电极1的表面积大于围合空间的表面积,这样可使得感应电极1架设在绝缘体上,以完全覆盖围合空间。具体的,当围合空间为矩形时,感应电极1的轮廓长宽应当略大于围合空间的长宽;当当围合空间为圆形时,感应电极1的轮廓直径应当略大于围合空间的直径。
尽管增大感应电极1的表面积有利于提升传感器分辨力,但是一味地增大感应电极1的表面积并不利于保证静电场传感器微型化的需求。因此,为了在保证静电场传感器微型化的同时,最大电场限度的增加感应电极1的有效感应面积,在本发明的某些实施例中,可以将感应电极1的表面积设置为与基底4的表面积相同;即感应电极1的轮廓形状与大小与基底4完全一致。
通过采用上述技术方案,使得感应电极的布置灵活性高,因此在本发明的某些实施例中,感应电极1可以灵活设置为任意形状,例如方形、圆形、规则或不规则形状等等,感应电极1的材质可以是金属、半导体材料或外表面电镀金属的材料;本实施例对此不做限制。
在本发明的某些实施例中,绝缘体3为无机固体绝缘材料、有机固体绝缘材料或混合绝缘材料等,只要能够实现感应电极1与基底4之间的电性隔离即可,本实施例对此不做限制。
在本发明的某些实施例中,基底4接地,保证传感器正常工作,提高电路的抗干扰性能。
参考图3,在本发明的某些实施例中,敏感结构2包括器件层、绝缘层28和衬底层29;绝缘层28布设于衬底层29上,器件层布设于绝缘层28上。
器件层包括检测结构和微开关放电机构22;检测结构用于测量感应电极(1)上的电荷,实现对所述被测电场的电场强度的检测;微开关放电机构22用于在检测电路对被测电场的电场强度进行检测之前,释放掉感应电极1上由于受外界空间电荷、离子流等影响产生的干扰电荷,因此可实现高分辨力的电场探测,并提高传感器的零点稳定性。
在本发明的某些实施例中,检测结构包括多自由度机械耦合谐振器21、驱动电极23、扰动电极24、调谐电极25、检测电极26和锚点27。
参考图4,扰动电极24输入端通过导线或导体结构5与感应电极1电连接。参考图5,扰动电极24的输出端伸出细梁241,细梁241上有第一开关触点2411;在需要释放残余电荷时,通过与微开关放电机构22的第二开关触点2211相接触,以释放残余电荷。
继续参考图5,在本发明的某些实施例中,微开关放电机构22采用静电吸合结构,静电吸合结构包括固定端和可动端;参考图6,可动端上的锚点焊盘接地,固定端上的锚点焊盘外接电压源(具体可选用可调电压源)。第二开关触点2211在可动端上的细梁221上。当外接电压源通电时,微开关放电机构22固定端上的电压将逐渐升高达到临界值,将吸合可动端上的第二开关触点2211移动,使得与扰动电极24的第一开关触点2411相接触,实现放电。
在本发明的某些实施例中,第一开关触点2411和第二开关触点2211设计成弧形凸起结构,尽可能避免出现断电后无法弹开的问题。
在本发明的某些实施例中,微开关放电机构22的静电吸合结构可以采用梳齿电容结构(如图4),也可以是平行板电容结构,参考图7所示。
在本发明的某些实施例中,扰动电极24的输出端与多自由度机械耦合谐振器21距离设定间隙(通常设置为极小的气隙,距离一般为微米级),以形成静电力耦合。
多自由度机械耦合谐振器21包括多个谐振器,且各所述谐振器依次通过弱耦合梁214连接;假设采用三自由度机械耦合谐振器,可参考图8,三自由度弱机械耦合谐振器包括第一谐振器211、第二谐振器212、第三谐振器213。
参考图9,当存在被测电场E0时,感应电极1表面产生感应电荷-Q,与谐振器211紧邻的扰动电极24的输出端产生与之成比例的异性电荷κQ,由于静电耦合特性,第一谐振器211上等效增加一个负的静电刚度扰动Δk,系统结构失谐,产生模态局部化现象,通过检测电极26测试第三谐振器213和第一谐振器211的振幅比变化实现被测电场E0的检测。
应当理解的是,第一谐振器211上方的两个检测电极26可构成差动式电容器结构,当第一谐振器211产生刚度扰动时,这两个检测电极26将产生电容变化,通过电容变化可反应第一谐振器211的振幅变化。
在本发明的某些实施例中,第一谐振器211下方布置的两个检测电极26,可与上方的两个检测电极26构成并联结构,两者可同时用于检测第一谐振器211的振幅变化,通过两者的检测结果进行融合处理(包括但不限于求均值处理),避免单个电容器检测精度低的问题。
同理,第三谐振器213上方的两个检测电极26和/或下方的两个检测电极26,可实现第三谐振器213的振幅检测。
通过实验检测得出,谐振器的振幅(这里包括第三谐振器213的振幅X3和第一谐振器211的振幅X1)与被测电场E0的关系,可近似表示为:
式中,ε表示介电常数;K表示第一谐振器211或第三谐振器213的刚度;K2表示第二谐振器212的刚度;Kc表示弱耦合梁214的刚度;SE表示感应电极1的面积;d表示扰动电极24的输出端和第一谐振器211之间的间距;Sd表示扰动电极24输出端的横截面积;Cp表示寄生电容。
在本发明的某些实施例中,多自由度机械耦合谐振器21也可以是二自由度弱耦合谐振器、四自由度弱耦合谐振器、五自由度弱耦合谐振器等。
在本发明的某些实施例中,弱耦合梁214可以是条形梁,也可以是其它的规则或不规则结构的耦合梁。
在本发明的某些实施例中,第一谐振器211、第二谐振器212和第三谐振器213采用音叉结构的谐振器,参考图10所示;或采用弹性圆环结构的谐振器,参考图11所示。
在本发明的某些实施例中,驱动电极23对称布置在多自由度机械耦合谐振器21的最外侧两个谐振器的外侧或内侧,其可动部分直接与最外侧两个谐振器的工字型结构刚性连接,用于驱动多自由度机械耦合谐振器21。
在本发明的某些实施例中,驱动电极23可以是梳齿电容结构,也可以是平行板电容结构。
检测电极26布置于该最外侧两个谐振器的内侧或外侧,检测电极26用于检测输出最外侧两个谐振器的电压振幅信号。在对被测电场检测之前,调谐电极25通过施加直流电压,用于对多自由度机械耦合谐振器21的初试工作状态进行调节,从而降低干扰,提升电场传感器的检测精度。多自由度机械耦合谐振器21、驱动电极23、扰动电极24、调谐电极25和检测电极26均通过若干锚点27固定。
在对被测电场进行电场强度检测之前,首先对微开关放电机构22通电,使得微开关放电机构22的第二开关触点2211和扰动电极24的第一开关触点2411吸合接触,以释放掉感应电极1和扰动电极24上的残余电荷;调谐电极25通过施加直流电压,用于对多自由度机械耦合谐振器21的初试工作状态进行调节,从而降低干扰,提升电场传感器的检测精度;然后在对被测电场进行电场强度检测时,微开关放电机构22断电,使得微开关放电机构22的第二开关触点2211和扰动电极24的第一开关触点2411自动断开,感应电极1在被测电场的作用下产生感应电荷,部分感应电荷将通过导线汇集到扰动电极24的输出端对多自由度机械耦合谐振器21产生刚度扰动,从而产生系统结构失谐;通过检测电极26检测输出谐振器的振幅变化情况,实现探测电场的目的。
在本发明的其他实施例中,敏感结构2的制备方法,采用基于SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘体上硅)微机械加工技术制作,流程图如图12所示。
SOI微机械加工工艺流程包括:
(a)溅射金属制作焊盘图形;
(b)器件层通过深刻蚀工艺刻蚀出敏感结构;
(c)制备保护膜;
(d)衬底层通过深刻蚀工艺刻蚀到绝缘层为止;
(e)HF(氢氟酸)气体释放绝缘层;
(f)去除器件层保护膜,释放结构。
在本发明的其他实施例中,敏感结构2也可以采用其它体硅工艺或表面工艺制备。
基于同一设计构思,本发明实施例还公开一种电场检测装置,该电场检测装置包括上述任意实施例所述的谐振式静电场传感器。谐振式静电场传感器的具体结构请参照上述实施例中的描述,在此不再赘述。
以上所述,以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍,但以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想,不应理解为对本申请的限制。本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种谐振式静电场传感器,其特征在于,所述谐振式静电场传感器包括感应电极(1)、敏感结构(2)、绝缘体(3)和基底(4);
所述敏感结构(2)和所述绝缘体(3)承载于所述基底(4)上;所述绝缘体(3)的高度高于所述敏感结构(2)的高度,所述绝缘体(3)用于支撑固定所述感应电极(1),使得所述感应电极(1)布设于所述敏感结构(2)上方;
所述感应电极(1)与所述敏感结构(2)电连接,用于感测被测电场从而产生感应电荷;
所述敏感结构(2)用于基于所述感应电极(1)感测到的所述感应电荷,实现对所述被测电场的电场强度的检测。
2.根据权利要求1所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述绝缘体(3)沿所述基底(4)的上表面边缘进行固定设置,以形成围合空间,所述敏感结构(2)位于所述围合空间内。
3.根据权利要求2所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述感应电极(1)的轮廓形状与所述围合空间的轮廓形状匹配,且所述感应电极(1)的表面积大于所述围合空间的表面积。
4.根据权利要求3所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述感应电极(1)的表面积等于所述基底(4)的表面积。
5.根据权利要求4所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述绝缘体(3)和所述基底(4)构成封装所述敏感结构(2)的基座,所述感应电极(1)构成封装所述敏感结构(2)的封盖。
6.根据权利要求1-5任一项所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述敏感结构(2)包括器件层、绝缘层(28)和衬底层(29);所述绝缘层(28)布设于所述衬底层(29)上,所述器件层布设于所述绝缘层(28)上;所述器件层包括检测结构和微开关放电机构(22);所述检测结构与所述感应电极(1)电连接,用于测量感应电极(1)上的电荷,实现对所述被测电场的电场强度的检测;所述微开关放电机构(22)用于在所述检测结构对所述被测电场的电场强度进行检测之前,释放所述感应电极(1)上积累的残余电荷。
7.根据权利要求6所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述检测结构包括多自由度机械耦合谐振器(21)、驱动电极(23)、扰动电极(24)、调谐电极(25)、检测电极(26)和锚点(27);
所述扰动电极(24)输入端通过导线或导体结构与所述感应电极(1)电连接;所述扰动电极(24)有第一开关触点,在需要释放所述残余电荷时,通过与所述微开关放电机构(22)的第二开关触点相接触,以释放所述残余电荷;
所述扰动电极(24)的输出端与所述多自由度机械耦合谐振器(21)距离设定间隙,以形成静电力耦合;
所述多自由度机械耦合谐振器(21)包括多个谐振器,且各所述谐振器依次通过弱耦合梁(214)连接;
所述驱动电极(23)对称布置在所述多自由度机械耦合谐振器(21)的最外侧两个谐振器的外侧或内侧,用于驱动所述多自由度机械耦合谐振器(21);
所述检测电极(26)布置于所述最外侧两个谐振器的内侧或外侧,检测电极(26)用于检测输出所述最外侧两个谐振器的电压振幅信号;
所述调谐电极(25)用于对所述多自由度机械耦合谐振器(21)产生刚度扰动,使其在初始工作条件下达到平衡状态;
所述多自由度机械耦合谐振器(21)、所述驱动电极(23)、所述扰动电极(24)、所述调谐电极(25)和所述检测电极(26)均通过若干所述锚点(27)固定;
在对所述被测电场进行电场强度检测时,感应电极(1)在被测电场的作用下产生所述感应电荷,所述感应电荷将部分汇集到所述扰动电极(24)的输出端,对多自由度机械耦合谐振器(21)产生刚度扰动,从而产生系统结构失谐;通过所述检测电极(26)检测输出谐振器的振幅变化情况,实现探测电场的目的。
8.根据权利要求7所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述微开关放电机构(22)采用静电吸合结构,所述静电吸合结构包括固定端和可动端;所述可动端上的锚点焊盘接地,所述固定端上的锚点焊盘外接电压源;所述第二开关触点在所述可动端上;当所述外接电压源通电时,所述固定端上的电压将逐渐升高达到临界值,将带动所述可动端上的所述第二开关触点移动,使得与所述扰动电极(24)的第一开关触点相接触,实现放电。
9.根据权利要求7所述的谐振式静电场传感器,其特征在于,所述多自由度弱机械耦合谐振器(21)包括三自由度弱机械耦合谐振器;
所述三自由度弱机械耦合谐振器包括第一谐振器(211)、第二谐振器(212)、第三谐振器(213);
所述第一谐振器(211)、所述第二谐振器(212)和所述第三谐振器(213)采用音叉结构的谐振器,或采用弹性圆环结构的谐振器。
10.一种电场检测装置,其特征在于,包括如权利要求1-9任一项所述的谐振式静电场传感器。
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CN202311557078.9A CN117517805A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种谐振式静电场传感器及电场检测装置 |
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CN202311557078.9A CN117517805A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种谐振式静电场传感器及电场检测装置 |
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