CN117665419B - 一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置 - Google Patents
一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117665419B CN117665419B CN202311672035.5A CN202311672035A CN117665419B CN 117665419 B CN117665419 B CN 117665419B CN 202311672035 A CN202311672035 A CN 202311672035A CN 117665419 B CN117665419 B CN 117665419B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- electric field
- electrostatic field
- voltage
- fixed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 title claims abstract description 78
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 105
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 38
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 claims description 4
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 18
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明公开一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置，属于传感器技术领域。本发明的谐振式静电场传感器设置可变电容结构使第一电场感应电极和/或第二电场感应电极的输出电压与施加在第一驱动电极和第二驱动电极上的驱动电压存在2倍频的关系，避免驱动电压与输出电压同频而导致的干扰噪声大、信噪比低的问题，本发明设置第一固定电极、第二固定电极、第一电场感应电极和第二电场感应电极，使该谐振式静电场传感器能够实现差分测量，消除离子流场对被测电场的影响，实现存在离子流的直流高压输电线路附近的直流电场准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置。
背景技术
静电传感器是静电场和静电势探测的关键器件，在航空航天、工业生产、危化等诸多领域应用广泛。近年来，随着在线监测与诊断、微电子器件制造、静电安全防护、目标探测识别等相关技术的快速发展，对低噪声、微型化静电传感器技术及器件的需求日益迫切。
基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术的电场传感器由于体积小、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，在特定的直流高压输电环境下，输电线路电晕放电产生的离子流会对传感器的信号输出产生影响。已报道的用于电力系统的MEMS静电场传感器仅适用于无离子流电场环境，无法对存在离子流的直流高压输电线路附近的直流电场进行准确测量。另外，已报道的MEMS静电传感器大多基于谐振结构和场磨工作机制，敏感器件的激励和弱信号检测的参考为同频信号，存在干扰噪声大、信噪比低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置，以克服现有的电场传感器存在的无法对存在离子流的直流高压输电线路附近的直流电场进行准确测量，及干扰噪声大、信噪比低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器，所述谐振式静电场传感器包括敏感结构、第一电场感应电极和第二电场感应电极；
所述敏感结构包括器件层；
所述器件层包括：支撑梁、可变电容结构、第一驱动电极和第二驱动电极；所述可变电容结构包括：第一固定电极、第二固定电极和可动电极；所述第一驱动电极和所述第二驱动电极均包括固定部分和可动部分；
所述支撑梁的两端分别与第一驱动电极和第二驱动电极的可动部分连接；
所述第一固定电极和所述第二固定电极分别设置于所述支撑梁的两侧；
所述可动电极固定设置在所述支撑梁上，所述可动电极分别与所述第一固定电极和所述第二固定电极交叉设置；
所述第一电场感应电极与所述第一固定电极连接，所述第二电场感应电极与所述第二固定电极连接；
测量时，所述谐振式静电场传感器设置于待测的静电场中，根据电压与静电场的关系式，通过测量第一电场感应电极和/或第二电场感应电极的输出电压进行静电场的测量，其中，置于静电场中的电场感应电极的输出电压的频率为施加至驱动电极的驱动电压的频率的2倍。
可选的，所述可变电容结构为梳齿状结构或网状悬臂梁结构。
可选的，所述器件层还包括：第一弹性梁和第二弹性梁；
所述第一弹性梁和所述第二弹性梁均与所述支撑梁相互垂直固定设置；
所述第一弹性梁位于第一驱动电极和可变电容结构之间，所述第二弹性梁位于第二驱动电极和可变电容结构之间。
可选的，所述敏感结构还包括：绝缘层和衬底；
所述绝缘层设置在所述衬底上；
所述器件层设置在所述绝缘层上，且所述第一弹性梁的两端、所述第二弹性梁的两端、所述第一驱动电极的固定部分的两端、所述第二驱动电极的固定部分的两端、所述第一固定电极远离所述支撑梁的一端和所述第二固定电极远离所述支撑梁的一端均通过固定锚点固定在所述绝缘层上。
可选的，所述谐振式静电场传感器还包括：封装基座；
所述封装基座包括基底和绝缘体；
所述敏感结构设置在所述封装壳体内。
可选的，电压与静电场的关系式为：
其中，Vi(t)为t时刻置于静电场中的目标固定电极的电压，κ为比例系数，E0为静电场的电场强度，ε0是自由空间的介电常数，εr是相对介电常数，A是目标电场感应电极的有效面积，Cp为与设置于静电场中的电场感应电极连接的目标固定电极对地的寄生电容，C0为初始电容值，为可动电极位移的幅度，g为与目标固定电极与可动电极的距离，ω为驱动电压的角频率；所述目标固定电极为第一固定电极或第二固定电极，当所述目标固定电极为第一固定电极时，所述目标电场感应电极为第一电场感应电极，当所述目标固定电极为第二固定电极时，所述目标电场感应电极为第二电场感应电极。
一种抗离子流干扰的谐振式静电场测量装置，所述测量装置包括上述的谐振式静电场传感器，所述测量装置还包括电压测量电路和处理模块；
所述电压测量电路与谐振式静电场传感器的第一电场感应电极和/或第二电场感应电极连接；
所述电压测量电路还与所述处理模块连接，所述电压测量电路用于测量第一电场感应电极和/或第二电场感应电极的输出电压；
所述处理模块用于根据所述输出电压，利用电压与静电场的关系式计算静电场的电场强度。
可选的，所述电压测量电路包括：放大电路；
所述放大电路，所述放大电路的输入端与第一电场感应电极或第二电场感应电极连接，所述放大电路的输出端与所述处理模块连接。所述输出电压放大电路包括：第一电容、第二电容、电阻和放大器；
所述第一电容的一端与第一电场感应电极或第二电场感应电极连接，所述第一电容的另一端与所述放大器的负向输入端连接，所述电阻连接在所述放大器的负向输入端和所述放大器的输出端之间，所述第二电容与所述电阻并联；所述放大器的正向输入端接地。
可选的，所述电压测量电路包括：两个放大电路和差分电路；
两个所述放大电路的输入端分别与第一电场感应电极和第二电场感应电极连接；
两个所述放大电路的输出端分别与所述差分电路的两个输入端连接；
所述差分电路的输出端与所述处理模块连接。
一种制备方法，所述制备方法用于制备上述的谐振式静电场传感器中的敏感结构，所述制备方法基于SOI微机械加工工艺实现。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例提供一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置。本发明的谐振式静电场传感器设置可变电容结构使第一电场感应电极和/或第二电场感应电极的输出电压与施加在第一驱动电极和第二驱动电极上的驱动电压存在2倍频的关系，避免驱动电压与输出电压同频而导致的干扰噪声大、信噪比低的问题，本发明设置第一固定电极、第二固定电极、第一电场感应电极和第二电场感应电极，使该谐振式静电场传感器能够实现差分测量，消除离子流场对被测电场的影响，实现存在离子流的直流高压输电线路附近的直流电场准确测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的敏感结构的第一种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的敏感结构的第二种结构示意图；
图4为本发明实施例提供的敏感结构的第三种结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电压测量电路的第一种结构示意图；
图6为本发明实施例提供的差分检测原理图；
图7为本发明实施例提供的电压测量电路的第二种结构示意图；
图8为本发明实施例提供的敏感结构的制备方法的流程图。
附图标记说明：
1、第一电场感应电极；2、敏感结构；3、基底；4、绝缘体；5、第二电场感应电极；21、第一固定电极；22、第二固定电极；23、可动电极；24、支撑梁；251、第一弹性梁；252、第二弹性梁；26A、第一驱动电极；26B、第二驱动电极；27、固定锚点；28、绝缘层；29、衬底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置，以克服现有的电场传感器存在的无法对存在离子流的直流高压输电线路附近的直流电场进行准确测量，及干扰噪声大、信噪比低的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明实施例1提供一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器，如图1所示，所述谐振式静电场传感器包括：敏感结构2、第一电场感应电极1和第二电场感应电极5；所述谐振式静电场传感器还包括：基底3和绝缘体4。
如图2所示，敏感结构2包括器件层；器件层包括可变电容结构211、支撑梁24、第一弹性梁251、第二弹性梁252、第一驱动电极26A、第二驱动电极26B、固定锚点27、绝缘层28、衬底29，其中，可变电容结构211包括：第一固定电极21、第二固定电极22和可动电极23。可动电极23与支撑梁24刚性连接，支撑梁24固定在第一弹性梁251和第二弹性梁252上，与第一弹性梁251和第二弹性梁252刚性连接，第一驱动电极26A和第二驱动电极26B中的固定部分261与固定锚点27连接，第一驱动电极26A和第二驱动电极26B中的可动部分262与支撑梁24刚性连接。
本发明实施例中，敏感结构2的第一固定电极21、第二固定电极22和可动电极23可以是条状电极，也可以是梳齿电极或其它异形电极。
本发明实施例中的器件层的材料为单晶硅、多晶硅、金属或者复合材料。
本实施例中，第一固定电极21和第二固定电极22与紧邻的可动电极23等间距布置，设间距为g，静电场E0的二倍频检测原理图如图5所示，图5中，C1为隔离电容，C2为反馈电容，R为反馈电阻，Cp为第一固定电极21或第二固定电极22对地的寄生电容。静电场E0的二倍频检测原理具体为：第一电场感应电极1或第二电场感应电极放置在静电场E0中，其表面产生感应电荷-Q，与第一电场感应电极1或第二电场感应电极5导线连接的第一固定电极21或第二固定电极22产生与之成比例的异性电荷κQ，由于可动电极23受到静电驱动力产生水平运动，输入电荷κQ产生的电压Vi发生改变，通过对输出电压的测量Vi可以实现静电场E0的测量。可动电极23受到静电驱动力产生的水平运动以ω为角频率的谐波振动，其水平运动的位移表达式为：
其中，为可动电极23位移的幅度，可动电极23与第一固定电极21或第二固定电极22的间距发生变化，电容值CV发生改变，表达式为：
其中，C0是初始电容值。由输入电荷产生的电压Vi发生改变。
其中，Cp为第一固定电极21或第二固定电极22对地的寄生电容。输入到第一固定电极21或第二固定电极22上的电荷被调制成电压输出。将公式(1)、(2)代入公式(3)中，通过泰勒展开，忽略高阶量，得到公式(4)，可见输出电压Vi的频率分量为2ω，为调制频率ω的二倍。
另外，当静电场E0垂直于第一电场感应电极1和第二电场感应电极5时，感应电荷量Q可表示为：
Q＝ε0εrE0A (5)
其中，ε0是自由空间的介电常数，εr是相对介电常数，A是第一电场感应电极1或第二电场感应电极5的有效面积。
由式(4)和式(5)可到静电场E0与电压Vi(t)的关系：
式(6)表明，静电场E0与输出电压Vi呈线性关系。由于输出电压Vi为驱动电压频率ω的二倍，因此可以通过二倍频检测抑制基频的驱动信号对检测信号产生的影响。
本实施例中，传感器抗离子流干扰设计方案如图6所示。第一固定电极21和第二固定电极22通过导线分别与第一电场感应电极1和第二电场感应电极5连接。在直流高压输电环境下，存在静电场E0，周围环境中充满离子流，传感器放置在静电场中，传感器与大地隔离。假设静电场E0垂直朝向于传感器的第一电场感应电极1，表面产生感应电荷-Q，则静电场E0垂直远离传感器的第二电场感应电极5，在其表面产生感应电荷Q。离子流累积在第一电场感应电极1和第二电场感应电极5上，假设分布均匀，积累量相同，为qI。对第一固定电极21和第二固定电极22进行差分检测，可以实现静电场E0检测，灵敏度提高2倍，并消除离子流累积电荷qI，达到消除离子流影响的目的。
差分驱动检测电路如图7所示，C1为隔离电容，C2为反馈电容，R为反馈电阻，R1为电阻，第一驱动电极26A和第二驱动电极26B对称布置，两个驱动电极所加直流驱动电压VDC相同，而所加的交流驱动电压VAC相位相差180°，第一驱动电极26A和第二驱动电极26B实现可动电极23水平左右振动。
本实施例中，第一电场感应电极1和第二电场感应电极5可以是方形、圆形、球形或其它规则、不规则形状。
在本发明的某些实施例中，为了便于工程化使用，第一电场感应电极1、第二电场感应电极5、基底3、绝缘体4可以是敏感结构2的封装。基底3和绝缘体4为封装基座，第一电场感应电极1和第二电场感应电极5为封装的封盖。
本发明实施例还提供了第二种的敏感结构2，如图3所示。为解决单端固支长悬臂梁在振动过程中摆动问题，本实施例是在第一种的敏感结构2的基础上做了结构调整，将第一固定电极21、第二固定电极22和可动电极23设计成了网状短悬臂梁结构。
本发明实施例还提供了第三种的敏感结构2，如图4所示。本实施例将第一种的敏感结构2中的第一驱动电极26A和第二驱动电极26B的固定部分261置于可动部分262的外侧。
本发明的实施例中，驱动电极26也可以是平板电容结构。
实施例2
本发明实施例2在实施例1提供的谐振式静电场传感器的结构及检测原理的基础上，提供了一种抗离子流干扰的谐振式静电场测量装置，所述测量装置包括上述的谐振式静电场传感器，所述测量装置还包括电压测量电路和处理模块；所述电压测量电路与谐振式静电场传感器的第一电场感应电极和/或第二电场感应电极连接；所述电压测量电路还与所述处理模块连接，所述电压测量电路用于测量第一电场感应电极和/或第二电场感应电极的输出电压；所述处理模块用于根据所述输出电压，利用电压与静电场的关系式计算静电场的电场强度。
如图5所示，所述电压测量电路包括：放大电路；所述放大电路的输入端与第一电场感应电极或第二电场感应电极连接，所述放大电路的输出端与所述处理模块连接。所述输出电压放大电路包括：隔离电容C1、反馈电容C2、反馈电阻R和放大器；隔离电容C1的一端与第一电场感应电极1或第二电场感应电极5连接，隔离电容C1的另一端与放大器的负向输入端连接，反馈电阻R连接在放大器的负向输入端和放大器的输出端之间，反馈电容C2与反馈电阻R并联；放大器的正向输入端接地。
图5中，在频率2ω处，如果电阻R的值远远大于电容C2的阻抗，则有
本发明实施例中，通过测量Vo(t)，利用公式(6)和公式(7)可以计算静电场E0。
如图7所示，所述电压测量电路采用差分驱动检测电路，所述差分驱动检测电路包括：两个放大电路和差分电路；两个所述放大电路的输入端分别与第一电场感应电极和第二电场感应电极连接；两个所述放大电路的输出端分别与所述差分电路的两个输入端连接；所述差分电路的输出端与所述处理模块连接。其中，差分电路包括差分放大器和四个电阻R1。
第一个电阻R1连接在一个放大电路的输出端与差分放大器的负向输入端之间，第二个电阻R1连接在另一个放大电路的输出端与差分放大器的正向输入端之间，第三个电阻R1连接在差分放大器的正向输入端与地之间，第四个电阻R1连接在差分放大器的负向输入端和差分放大器的输出端之间。
其中，和/>均满足公式(6)，二者的符号相反。
本发明实施例中差分驱动检测电路的测量结果大概为单个的放大电路的测量结果的2倍，即VOUT(t)≈2Vo(t)。
实施例3
本发明实施例3还提供了敏感结构2的制备方法，敏感结构2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8所示，图8中的(a)-(f)与下述步骤中的(a)-(f)一致。敏感结构2也可以采用其它体硅工艺或表面工艺制备。
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)基板层通过深刻蚀工艺刻蚀到氧化埋层为止。
(e)HF气体释放氧化埋层。
(f)去除器件层保护膜，释放结构。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明采用传感器敏感结构外添加上下检测电极进行差分检测，以消除离子流场对被测电场的影响；
(2)本发明通过创新的结构设计实现二倍频检测，有效地抑制了基频驱动信号对检测信号产生的影响。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明抗离子流干扰的低噪声谐振式静电场传感器有了清楚的认识。
应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“外”、“内”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且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。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
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，所应理解的是，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。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种抗离子流干扰的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敏感结构、第一电场感应电极和第二电场感应电极；
所述敏感结构包括器件层；
所述器件层包括：支撑梁、可变电容结构、第一驱动电极和第二驱动电极；所述可变电容结构包括：第一固定电极、第二固定电极和可动电极；所述第一驱动电极和所述第二驱动电极均包括固定部分和可动部分；
所述支撑梁的两端分别与第一驱动电极和第二驱动电极的可动部分连接；
所述第一固定电极和所述第二固定电极分别设置于所述支撑梁的两侧；
所述可动电极固定设置在所述支撑梁上，所述可动电极分别与所述第一固定电极和所述第二固定电极交叉设置；
所述第一电场感应电极与所述第一固定电极连接，所述第二电场感应电极与所述第二固定电极连接；
测量时，所述谐振式静电场传感器设置于待测的静电场中，根据电压与静电场的关系式，通过测量第一电场感应电极和/或第二电场感应电极的输出电压进行静电场的测量。
2.根据权利要求1所述的抗离子流干扰的谐振式静电场传感器，其特征在于，所述可变电容结构为梳齿状结构或网状悬臂梁结构。
3.根据权利要求1所述的抗离子流干扰的谐振式静电场传感器，其特征在于，所述器件层还包括：第一弹性梁和第二弹性梁；
所述第一弹性梁和所述第二弹性梁均与所述支撑梁相互垂直固定设置；
所述第一弹性梁位于第一驱动电极和可变电容结构之间，所述第二弹性梁位于第二驱动电极和可变电容结构之间。
4.根据权利要求3所述的抗离子流干扰的谐振式静电场传感器，其特征在于，所述敏感结构还包括：绝缘层和衬底；
所述绝缘层设置在所述衬底上；
所述器件层设置在所述绝缘层上，且所述第一弹性梁的两端、所述第二弹性梁的两端、所述第一驱动电极的固定部分的两端、所述第二驱动电极的固定部分的两端、所述第一固定电极远离所述支撑梁的一端和所述第二固定电极远离所述支撑梁的一端均通过固定锚点固定在所述绝缘层上。
5.根据权利要求1所述的抗离子流干扰的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还包括：封装基座；
所述封装基座包括基底和绝缘体；
所述敏感结构设置在所述封装壳体内。
6.根据权利要求1所述的抗离子流干扰的谐振式静电场传感器，其特征在于，电压与静电场的关系式为：
其中，Vi(t)为t时刻置于静电场中的目标固定电极的电压，κ为比例系数，E0为静电场的电场强度，ε0是自由空间的介电常数，εr是相对介电常数，A是目标电场感应电极的有效面积，Cp为与设置于静电场中的电场感应电极连接的目标固定电极对地的寄生电容，C0为初始电容值，为可动电极位移的幅度，g为与目标固定电极与可动电极的距离，ω为驱动电压的角频率；所述目标固定电极为第一固定电极或第二固定电极，当所述目标固定电极为第一固定电极时，所述目标电场感应电极为第一电场感应电极，当所述目标固定电极为第二固定电极时，所述目标电场感应电极为第二电场感应电极。
7.一种抗离子流干扰的谐振式静电场测量装置，其特征在于，所述测量装置包括权利要求1-6任一项所述的谐振式静电场传感器，所述测量装置还包括电压测量电路和处理模块；
所述电压测量电路与谐振式静电场传感器的第一电场感应电极和/或第二电场感应电极连接；
所述电压测量电路还与所述处理模块连接，所述电压测量电路用于测量第一电场感应电极和/或第二电场感应电极的输出电压；
所述处理模块用于根据所述输出电压，利用电压与静电场的关系式计算静电场的电场强度。
8.根据权利要求7所述的抗离子流干扰的谐振式静电场测量装置，其特征在于，所述电压测量电路包括：放大电路；
所述放大电路的输入端与第一电场感应电极或第二电场感应电极连接，所述放大电路的输出端与所述处理模块连接。
9.根据权利要求7所述的抗离子流干扰的谐振式静电场测量装置，其特征在于，所述电压测量电路包括：两个放大电路和差分电路；
两个所述放大电路的输入端分别与第一电场感应电极和第二电场感应电极连接；
两个所述放大电路的输出端分别与所述差分电路的两个输入端连接；
所述差分电路的输出端与所述处理模块连接。
10.一种制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-5任一项所述的谐振式静电场传感器中的敏感结构，所述制备方法基于SOI微机械加工工艺实现。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311672035.5A CN117665419B (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311672035.5A CN117665419B (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117665419A CN117665419A (zh) | 2024-03-08 |
| CN117665419B true CN117665419B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=90076682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311672035.5A Active CN117665419B (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117665419B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013135198A1 (zh) * | 2012-03-16 | 2013-09-19 | 中国科学院电子学研究所 | 旋转谐振式三维电场传感器 |
| RU2643701C1 (ru) * | 2016-11-07 | 2018-02-05 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Измеритель напряженности электростатического поля |
| CN114113814A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-01 | 北京中科飞龙传感技术有限责任公司 | 一种静电力调谐型mems电场传感器和检测方法 |
| CN116735988A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-09-12 | 北京信息科技大学 | 一种振膜式电场传感器装置 |
-
2023
- 2023-12-07 CN CN202311672035.5A patent/CN117665419B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013135198A1 (zh) * | 2012-03-16 | 2013-09-19 | 中国科学院电子学研究所 | 旋转谐振式三维电场传感器 |
| RU2643701C1 (ru) * | 2016-11-07 | 2018-02-05 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Измеритель напряженности электростатического поля |
| CN114113814A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-01 | 北京中科飞龙传感技术有限责任公司 | 一种静电力调谐型mems电场传感器和检测方法 |
| CN116735988A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-09-12 | 北京信息科技大学 | 一种振膜式电场传感器装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Improved Microsensor-Based Fieldmeter for Ground-Level Atmospheric Electric Field Measurements;Pengfei Yang et al.;《IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT》;20221231;第71卷;第1-10页 * |
| 新型推挽激励的谐振式微机械静电场传感器;彭春荣;刘世国;张海岩;郭鑫;夏善红;;纳米技术与精密工程;20100715(04);第61-65页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117665419A (zh) | 2024-03-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped microelectrodes | |
| CN101685119B (zh) | 谐振式微型电场传感器 | |
| EP1603830B1 (en) | An accelerometer | |
| US9880120B2 (en) | Electric field sensor | |
| CN102057250B (zh) | 漂移补偿的惯性旋转传感器 | |
| Chen et al. | Micromachined ac/dc electric field sensor with modulated sensitivity | |
| CN102445604A (zh) | 异型电极微型电场传感器 | |
| Ma et al. | A MEMS-based electric field sensor for measurement of high-voltage DC synthetic fields in air | |
| JP2015072277A (ja) | 磁気感度が低減されたｍｅｍｓジャイロスコープ | |
| KR20170063523A (ko) | 박막 기반 자력계 | |
| Ling et al. | Single-chip 3D electric field microsensor | |
| Liu et al. | Enhanced sensitivity and stability of a novel resonant MEMS electric field sensor based on closed-loop feedback | |
| CN107796996A (zh) | 具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计及电荷检测方法 | |
| Narducci et al. | Sensitivity improvement of a microcantilever based mass sensor | |
| Yang et al. | Non-intrusive DC voltage measurement based on resonant electric field microsensors | |
| Peng et al. | A novel high performance micromechanical resonant electrostatic field sensor used in atmospheric electric field detection | |
| CN117665419B (zh) | 一种抗离子流干扰的谐振式静电场传感器及测量装置 | |
| Peng et al. | Design of a novel micromachined non-contact resonant voltage sensor for power distribution systems | |
| Peng et al. | Measuring atmospheric electric field using novel micromachined sensor | |
| Peng et al. | Design of a novel closed-loop SOI MEMS resonant electrostatic field sensor | |
| US7028558B2 (en) | Method for measuring a medium that flows through a measuring tube | |
| JPH09281167A (ja) | 表面電位測定装置 | |
| Chu et al. | A resonant electrostatic field microsensor with self-compensation for sensitivity drift | |
| CN117517803B (zh) | 一种垂直调制的谐振式电场传感器及其制备方法 | |
| Chu et al. | An Electric Field Microsensor with Self-compensation for Sensitivity Drift |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |