CN1831545A - 静电梳齿激励差分检测式微型电场传感器 - Google Patents

Abstract

一种静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器，包括：静电梳齿激励部分、屏蔽电极、正感应电极和负感应电极、支撑梁部分和固定锚点等几部分。正感应电极和负感应电极既可以位于屏蔽电极的下方，也可以位于接地屏蔽电极的同一平面内，通过静电梳齿的激励作用，屏蔽电极在平面内来回周期振动，从而周期性地屏蔽、暴露正感应电极或者负感应电极，使得正感应电极和负感应电极产生交变的感应电流，实现外电场的探测。并且本发明采用正感应电极和负感应电极，实现差分检测，极大地减小了共模干扰，提高了电场信号检测的灵敏度。本发明的微型电场传感器具有如下优点：成本低、重量轻、易于批量生产和集成化、动态响应好、稳定性好、灵敏度高。

Description

静电梳齿激励差分检测式微型电场传感器

技术领域

本发明涉及传感器，特别涉及静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器。

背景技术

电场传感器广泛应用于航空航天、地学、环境检测和工业生产等多个领域，具有十分重要的作用。比如在航空航天领域，为保障飞行器的安全升空，航天部门十分重视飞行器发射前大气电场强度的实时探测与监测；在地学与环境检测领域，电场检测被广泛应用于大气环流研究、地质灾害预报、气象及沙尘的预报、石油及矿产勘探、大气污染检测等方面。

电场传感器的种类很多，根据工作原理，大体上可以划分为电荷感应式和光学式两种。早期出现的电荷感应式电场传感器有旋片式、双球式等，其优点是加工技术成熟，量程大，精度较高，但是存在体积大，结构复杂，造价昂贵等缺点。而光学式电场传感器响应速度快，噪声较低，但是测量范围窄，成本高，且不适合静电场的探测。由于加工技术的限制，这些传感器一般具有体积大、结构复杂、成本高及难以集成化等特点，在应用中受到了一定的限制。目前，微机械加工技术的出现，为传感器的微型化、集成化以及批量生产的发展趋势奠定了基础。

在此之前，本发明人提出了两种基于微机械加工技术的微型电场传感器，一种是垂直振动式微型电场传感器(发明专利申请号02147377.3)，另一种是平行振动式微型电场传感器(发明专利申请号03106433.7)。这两种传感器都具有体积小、成本低以及易于集成化等优点，但比较而言，后者较前者具有阻尼小、噪声低，且灵敏度高、精度高以及动态响应好等突出特点。本发明在平行振动式微型电场传感器的基础上，进一步提出了静电梳齿激励、差分检测式平行振动式微型电场传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器，进一步减少阻尼、噪声，提高灵敏度和精度。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器，主要由静电梳齿激励部分、屏蔽电极、感应电极以及支撑梁部分组成；其采用静电梳齿激励，易于实现较大振动幅度，且可实现较小的激励电压；感应电极采用了差分检测的结构，即采用正感应电极和负感应电极，从而实现信号的差分检测，进一步降低噪声，提高了灵敏度和精度；

通过静电梳齿的激励作用，屏蔽电极在平面内来回周期振动，从而周期性地屏蔽、暴露正感应电极或者负感应电极，使得正感应电极和负感应电极产生交变的感应电流，实现外电场的探测。

所述的传感器，其所述静电梳齿激励部分，又包括固定梳齿部分和可动梳齿部分，固定梳齿部分与可动梳齿部分中梳齿之间相互交错，固定梳齿部分固定在衬底上，而可动梳齿部分与屏蔽电极相连，屏蔽电极接地；

可动梳齿部分与屏蔽电极组成的振动部分与支撑梁部分固接，支撑梁部分通过固定锚点固定在衬底上；

正感应电极和负感应电极固接于衬底上，但两者不连接；正感应电极与差分检测电路的一端(可为正极或负极)相连接，负感应电极与差分检测电路的另一端相连接。

所述的传感器，其屏蔽电极与正感应电极、负感应电极构成差分检测结构，屏蔽电极与正感应电极和负感应电极的形状相匹配或大部分相匹配。

所述的传感器，其屏蔽电极的电势为零。

所述的传感器，其所述屏蔽电极可为实心薄板，其形状为直条形、栅栏形、圆形、菱形或者不规则形状；或屏蔽电极上增设有栅孔，栅孔的形状，为直条形、栅栏形、圆形、菱形或者不规则形状。

所述的传感器，其屏蔽电极位于感应电极，即正感应电极和负感应电极的上方，或位于正感应电极和负感应电极的同一平面上，置于正感应电极和负感应电极的侧方，或同时包括这两种设置方式。

所述的传感器，其所述支撑梁部分，其形状为直梁、折梁、斜梁、不规则梁，或者为直梁、折梁、斜梁和不规则梁分别组合而成的组合梁。

所述的传感器，其所述支撑梁部分，是单组或者多组梁的连接方式。

所述的传感器，其所述固定梳齿部分、可动梳齿部分、屏蔽电极、支撑梁部分的材料为单晶硅、多晶硅、金属、聚合物或者复合材料；正感应电极和负感应电极的材料，为单晶硅、多晶硅、金属或者复合材料。

本发明的突出特点在于：采用静电梳齿激励，易于实现较大振动幅度，且可实现较小的激励电压；感应电极除了可以在屏蔽电极的下方，也可以与屏蔽电极在同一平面；感应电极采用了差分检测的结构，即采用正感应电极和负感应电极，从而实现信号的差分检测，进一步降低噪声，提高了灵敏度和精度；采用了多种形状的梁，可为直梁、折梁、斜梁、不规则梁，以及为直梁、折梁、斜梁和不规则梁分别组合而成的组合梁，作为屏蔽电极的支撑梁，提高了传感器的稳定性。

本发明的工作原理采用电荷感应的原理，但与传统的电荷感应式电场传感器有很大的不同：其一，采用了静电激励、平行振动的方式，实现屏蔽电极在平面内来回周期振动，因而阻尼小；其二，采用梳齿结构，可以降低激励电压；其三，感应电极采用正感应电极和负感应电极，实现电场传感器输出信号的差分检测，降低了噪声；其四，感应电极不必一定要在屏蔽电极的下方，也可以与屏蔽电极在同一平面，因而可以消除被测电场的衰减，提高了精度；其五，屏蔽电极等部分采用各种形状的支撑梁进行支撑，特别是，采用斜梁与组合梁的方式能够有效地提高传感器的稳定性。其六，采用微机械加工工艺，因此具有重量轻、成本低、易于批量生产以及易于集成化等优点。

附图说明

图1是本发明静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器的结构示意图；其中：图1(a)为本发明的俯视图，而图1(b)为本发明的侧视图；

图2是本发明的支撑梁部分的结构示意图；其中：图2(a)为直梁；图2(b)为折梁；图2(c)为斜梁；图2(d)为组合梁；

图3是本发明的工作原理图；其中：图3(a)为屏蔽电极在感应电极的垂直上方；图3(b)为侧面屏蔽式工作原理，即屏蔽电极与感应电极在同一平面；

图4是本发明的屏蔽电极示意图；其中：图4(a)为没有栅孔的屏蔽电极；图4(b)为含有栅孔的屏蔽电极。

具体实施方式

本发明的静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器的结构示意图如图1所示，其中图1(a)为本发明的俯视图，而图1(b)为本发明的侧视图，主要有四部分组成：静电梳齿激励部分、屏蔽电极3、感应电极以及支撑梁部分6。

其中，静电梳齿激励部分包括固定梳齿部分1和可动梳齿部分2，而且梳齿可以是各种形状，尺寸可以一致，也可以不一致。固定梳齿部分1通过一定的工艺固定在衬底10上，衬底10材料可以是单晶硅、多晶硅、金属或者复合材料。而可动梳齿部分2与屏蔽电极3连接在一起，屏蔽电极3接地。可动梳齿部分2的材料与屏蔽电极3的材料可以不同，连接部分可以直接连接、也可以通过复合材料进行连接。

屏蔽电极3与可动梳齿部分2组成的振动部分与支撑梁部分6固接，用支撑梁部分6进行支撑，梁的形状可以为多种形状，如图2所示，例如直梁(图2(a)所示)、折梁(图2(b)所示)、斜梁(图2(c)所示)或者组合梁(图2(d)所示)等等，支撑梁部分6中的某些部分通过固定锚点7固定在衬底10上，支撑梁部分6的固定锚点7的位置不限，并且须根据传感器整体结构的形状进行合理的布置，还可以采用单组或者多组梁的形式。

本发明与之前的平行振动式微型电场传感器不同之处在于采用差分检测式感应电极结构，即感应电极包括正感应电极4和负感应电极5。正感应电极4和负感应电极5固接于衬底10上，但两者不连接在一起；正感应电极与差分检测电路的一端(可为正极或负极)相连接，负感应电极与差分检测电路的另一端相连接。

另外，静电梳齿激励部分的固定梳齿部分1和可动梳齿部分2、屏蔽电极3、支撑梁部分6等部分的厚度可以一致，也可以不一致，并且材料可以是单晶硅、多晶硅、金属、聚合物或者复合材料。正感应电极4和负感应电极5必须分开，不能连接在一起，材料可以是单晶硅、多晶硅、金属或者复合材料。

工作时，应当保证屏蔽电极3的电势为零，并且屏蔽电极3上可以有栅孔，或者没有栅孔，见图4所示，图4(a)为没有栅孔的屏蔽电极3，正，负感应电极4、5分别位于屏蔽电极3的两侧，从而实现信号的差分检测；图4(b)为含有栅孔的屏蔽电极3。没有栅孔的屏蔽电极3形状可以是直条形、栅栏形(即用多根与振动方向一致的横梁将直条形电极连接起来)、圆形、菱形或者不规则形状，另外，假设屏蔽电极3上有栅孔，栅孔形状也可以是直条形、栅栏形(即用多根与振动方向一致的横梁将直条形电极连接起来)、圆形、菱形或者不规则形状。须注意的是感应电极(包括正感应电极4和负感应电极5)主体部分的形状应与屏蔽电极3的形状相匹配，从而实现传感器输出信号的差分检测，当然由于工艺的原因，也可以部分不匹配。

本发明静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器的工作原理除了本发明人之前提出的专利所提到的上下屏蔽式，即屏蔽电极在感应电极的垂直上方，如图3(a)所示，也可以如图3(b)所示的侧面屏蔽式工作原理，即屏蔽电极与感应电极在同一平面，这两种原理都是基于电荷感应式原理。

对于图3(a)所示的上下屏蔽式结构，当感应电极(比如正感应电极4)完全暴露在外电场E的作用时，正感应电极4产生的感应电荷最大，而此时负感应电极5完全由上面的屏蔽电极3屏蔽，则在负感应电极5上产生的感应电荷最小，由于屏蔽电极3与可动梳齿部分2连接在一起，因此在静电力作用下屏蔽电极3来回周期振动，从而在正感应电极4和负感应电极5上产生一定频率的感应电流，并且大小相等，相位相差180°，因此通过合适的差分检测电路即可实现感应电流的差分检测，从而测出外电场的大小，实现电场探测的目的。

而图3(b)的工作原理基本与图3(a)一致，区别在于感应电极(包括正感应电极4和负感应电极5)与接地屏蔽电极3在同一平面上。在外电场E作用时，当屏蔽电极3靠近某一侧的感应电极(比如负感应电极5)到一定距离时，就会使负感应电极5一侧的感应电荷减小，达到了屏蔽的效果，而此时对正感应电极4上基本没有屏蔽效果，因而获得了较大的感应电荷，这样在静电梳齿激励下，通过接地屏蔽电极3的来回周期性振动，从而在正感应电极4和负感应电极5上产生大小相同，变化相反的感应电流。利用差分检测电路即可实现感应电流的差分检测，测出感应电流的大小，从而实现外电场的探测。

而且在本发明静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器当中，这两种感应原理既可以同时混合使用，也可以分别独立使用。

制备方法

本发明的静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器可以采用各种微细加工工艺、甚至纳米级加工工艺等等来实现，比如可以采用多晶硅平面工艺制备或者可以采用SOI材料来制备。除了采用平面工艺制备外，也可以采用体硅工艺进行制备，就体硅工艺而言，可以硅片键合的办法，还可以利用深刻蚀的办法进行制备，或者利用复合材料工艺进行制备等等。

Claims (10)

1.一种静电梳齿激励、差分检测式微型电场传感器，主要由静电梳齿激励部分、屏蔽电极、感应电极以及支撑梁部分组成；其特征在于，采用静电梳齿激励，易于实现较大振动幅度，且可实现较小的激励电压；感应电极采用了差分检测的结构，即采用正感应电极和负感应电极，从而实现信号的差分检测，进一步降低噪声，提高了灵敏度和精度；

通过静电梳齿的激励作用，屏蔽电极在平面内来回周期振动，从而周期性地屏蔽、暴露正感应电极或者负感应电极，使得正感应电极和负感应电极产生交变的感应电流，实现外电场的探测。

2.按权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述静电梳齿激励部分，又包括固定梳齿部分和可动梳齿部分，固定梳齿部分与可动梳齿部分中梳齿之间相互交错，固定梳齿部分固定在衬底上，而可动梳齿部分与屏蔽电极相连，屏蔽电极接地；

可动梳齿部分与屏蔽电极组成的振动部分与支撑梁部分固接，支撑梁部分通过固定锚点固定在衬底上；

正感应电极和负感应电极固接于衬底上，但两者不连接；正感应电极与差分检测电路的一端相连接，负感应电极与差分检测电路的另一端相连接。

3.按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，屏蔽电极与正感应电极、负感应电极构成差分检测结构，屏蔽电极与正感应电极和负感应电极的形状相匹配或大部分相匹配。

4.按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，屏蔽电极的电势为零。

5.按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述屏蔽电极为实心薄板，其形状为直条形、栅栏形、圆形、菱形或者不规则形状；或屏蔽电极上增设有栅孔，栅孔的形状，为直条形、栅栏形、圆形、菱形或者不规则形状。

6.按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，屏蔽电极位于感应电极，即正感应电极和负感应电极的上方，或位于正感应电极和负感应电极的同一平面上，置于正感应电极和负感应电极的侧方，或同时包括这两种设置方式。

7.按权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述可动梳齿部分与屏蔽电极相连，为直接连接或通过复合材料进行连接。

8.按权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁部分，为直梁、折梁、斜梁、不规则梁，或者为直梁、折梁、斜梁和不规则梁分别组合而成的组合梁。

9.按权利要求2或7所述的传感器，其特征在于，所述支撑梁部分，是单组或多组梁的连接方式。

10.按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述固定梳齿部分、可动梳齿部分、屏蔽电极、支撑梁部分的材料为单晶硅、多晶硅、金属、聚合物或者复合材料；正感应电极和负感应电极的材料，为单晶硅、多晶硅、金属或者复合材料。

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