CN1220065C - 振动式微型电场传感器 - Google Patents

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Abstract

一种振动式微型电场传感器，包括振动部分和感应部分，在振动部分形成振动膜(1)，在振动膜(1)上制备第一激振电极(2)和屏蔽电极(3)，在感应部分制备第二激振电极(5)和感应电极(6)。本发明的微型电场传感器基于微加工技术，体积小，成本低，易于批量生产。

Description

振动式微型电场传感器
技术领域
本发明涉及传感器，特别涉及振动式微型电场传感器。
背景技术
大气电场是一个跨越多种学科的特性参量。许多自然现象，如：雷电、地震、太阳活动等都可以引起大气电场的相应变化。一些人类活动，如：环境污染、高压输电等也会使近地范围内的大气电场发生改变。同时大气电场对于人类的生产、生活也会产生一定的影响。航天器的发射、人工降雨都要充分考虑到大气电场条件。过强的电场还有可能使精密电子设备失灵，甚至损坏电子设备。因此，借助于电场传感器，对大气电场进行有效的监测十分必要，从中可以了解太阳活动对近地大气电场的影响，监测城市环境污染情况，预报雷暴和地震，保障航天器顺利发射。
目前已有若干种电场传感器。根据不同的应用背景、应用环境和检测范围，电场传感器分为大气电场检测、电力系统或电器设备周围电场检测等；根据其工作原理，亦可分为电荷感应式、光学式等种类。电荷感应式电场传感器制作技术较成熟，量程大，但是由于其体积较大，应用受到了一定的限制。光学式电场传感器响应速度较快、噪声较低，但一般测量范围较窄，且成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微加工技术的体积小、易于批量加工的微型电场传感器。
为实现上述目的，一种振动式微型电场传感器，包括振动部分和感应部分，其特征在于在振动部分有振动膜1，在振动膜1上制备第一激振电极2和屏蔽电极3，屏蔽电极上有栅孔4，感应部分有第二激振电极5和感应电极6，第一激振电极2、第二激振电极5两个电极中一个是阴极，另一个是阳极，第一激振电极2和第二激振电极3的位置正对，形成激振电极对，感应电极6与屏蔽电极3的位置正对，形成感应电极对。
附图说明
图1是本发明微型电场传感器结构示意图；
图2是激振电极对受力原理图；
图3是感应电极对在电场中感应电荷原理图，其中，(a)表示激振电压为零的情况，(b)表示激振电压大于零的情况。
具体实施方式
振动式微型电场传感器的结构如图1所示，由振动和感应两部分组成，分别以单晶硅为基底制备，最终键合为一体。
振动部分：在硅片的一面生长氮化硅薄膜，另一面对硅进行深刻蚀，形成氮化硅薄膜，也就是所述的振动膜1。在振动膜1上制备电极，包括激振电极阴极2和屏蔽电极3，两者相互绝缘，屏蔽电极3接地。屏蔽电极3上有栅孔4，孔4的形状为方孔、圆孔或其它形状。栅孔的数量根据需要制作，但至少为一个。栅孔4在工艺条件下尽量小，例如，栅孔的面积小于10000um2。为实现栅孔的屏蔽效果，电极对的间距d大于0.1倍栅孔直径为宜。本例中电极对的间距为8um。振动膜1的厚度受工艺水平限制，尽可能薄，振动膜1的膜厚小于20um。振动膜1上也可以有相应于栅孔4的小孔。
感应部分：与振动部分的振动膜1相对应的位置制备激振电极阳极5和感应电极6两个电极。激振电极阳极5与激振电极阴极2正对，形成激振电极对；感应电极6与屏蔽电极3正对，形成感应电极对。传感器的主体结构可以采用体硅加工工艺制备，电极采用溅射或蒸发金属的方法制备，如图1所示。也可以用其他方法制备传感器主体结构和电极。
图2为激振电极对受力原理图。激振电极阴极2接地，阳极5接零至Vj伏的矩形波电压。电压Vj的大小根据振动膜1的弹性系数以及所期望的振动幅度等参数确定。当阳极板电压为零伏时，由于电极对的两极板电压相同，无感应电荷产生，因此无库仑力作用。当阳极板电压大于零伏时，由电容器的带电原理可知阳极板将感应正电荷，阴极板感应出同等电量的负电荷，阴阳两极板由于正负电荷间的库仑力作用产生吸引力。在力的作用下，振动膜1向感应部分运动，当激振电压为Vj伏时，两极板的间距达到最小；当阳极电压为零伏时，振动膜1在自身弹性回复力的作用下返回初始位置。即振动膜1作周期性振动，其振动频率与激振电极阳极5所加载的矩形波电压幅度变化的频率相同。
图3为感应电极对在电场中感应电荷原理图，图中上部是振动膜1，其上的屏蔽电极3接地；下部是感应部分，其上的感应电极6输出信号。
图3(a)表示激振电压为零的情况，由于电极对不受力，振动膜1处于初始位置，屏蔽电极3距离感应电极6远，屏蔽电极3上栅孔附近的屏蔽作用较强，外电场穿过栅孔到达感应电极板的渗透电场较弱，感应电极3上感应的电荷较少。
图3(b)表示激振电压大于零的情况，由于电极对上产生感应电荷，库仑力使得振动膜1发生形变，两电极间距变小，即屏蔽电极3靠近感应电极，屏蔽电极3上栅孔附近的屏蔽作用较弱，外电场穿过栅孔到达感应电极板的渗透电场较强，感应电极6上感应的电荷较多。
振动膜作周期性振动时，感应电极6上的感应电荷也作周期性的改变，这种周期改变的感应电荷对外输出就形成交流电流信号。待测电场的场强大时感应电极6上的感应电荷多，在振动一个周期内所产生的感应电荷变化量大，在振动频率不变的情况下输出的交流电流将变大，输出的交流电流信号可以反映外界电场强度的大小。在外电场的场强固定情况下，改变振动膜1的振动频率也可以使输出的交流电流变化，因此可以通过调节振动频率控制量程。

Claims (6)

1.一种振动式微型电场传感器，包括振动部分和感应部分，其特征在于在振动部分有振动膜(1)，在振动膜(1)上制备第一激振电极(2)和屏蔽电极(3)，屏蔽电极上有栅孔(4)，感应部分有第二激振电极(5)和感应电极(6)，第一激振电极(2)、第二激振电极(5)两个电极中一个是阴极，另一个是阳极，第一激振电极(2)和第二激振电极(3)的位置正对，形成激振电极对，感应电极(6)与屏蔽电极(3)的位置正对，形成感应电极对。
2.按权利要求1所述的振动式微型电场传感器，其特征在于所述的栅孔(4)为方形、圆形。
3.按权利要求1所述的振动式微型电场传感器，其特征在于所述栅孔(4)的面积小于10000um2。
4.按权利要求1所述的振动式微型电场传感器，其特征在于所述栅孔(4)数量至少为1个。
5.按权利要求1所述的振动式微型电场传感器，其特征在于所述的第一激振电极和第二激振电极之间的距离d大于0.1倍栅孔直径。
6.按权利要求1所述的振动式微型电场传感器，其特征在于所述振动膜(1)的厚度小于20um。
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