CN1877349A - 交错振动式电场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种交错振动式微型电场传感器，包括基底1，感应电极2，屏蔽电极3，驱动结构4，外壳5。感应电极2和屏蔽电极3边缘有处于交错状态的梳齿。当屏蔽电极3表面凸出于感应电极2的表面时，感应电极2表面感应电荷较多；当屏蔽电极3表面下凹于感应电极2的表面时，感应电极表面感应电荷较少。在驱动结构4上施加驱动电压时，感应电极2和屏蔽电极3的相对位置随时间发生变化，输出感应电流。测量这个电流的大小可以测量电场强度。这种振动方式使本发明传感器具有感应信号大、工作状态稳定的特点。

Description

交错振动式电场传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及交错振动式电场传感器。
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。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；在工业生产领域，过强的电场会使精密电子设备失灵，或使产品损坏，因而需要监测生产环境或工作环境中的电场强度，从而进行相应的防护。
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。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。
本发明人曾提出了基于微细加工技术的垂直振动式微型电场传感器方案(发明专利申请号02147377.3)和平行振动式微型电场传感器方案(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。本发明在此基础上进一步提出交错振动式电场传感器。这种传感器可以制作成较大尺寸的器件，也可以制作成微型器件，其性能较前者有所改善。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电荷感应原理的交错振动式电场传感器。这种传感器可以制作成较大尺寸的器件，也可以制作成微型器件，有效的提高了电场检测的灵敏度、信噪比以及输出信号的稳定性。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种交错振动式微型电场传感器，其感应电极和屏蔽电极边缘有处于交错状态的梳齿结构，当屏蔽电极表面凸出于感应电极的表面时，传感器感应电极表面电荷较少，当屏蔽电极表面下凹于感应电极的表面时，传感器感应电极表面电荷较多；在驱动结构上施加驱动力时，屏蔽电极在这两种位置之间变化，使感应电极输出感应电流，测量这个电流的大小可以测量电场强度。
所述的传感器，其包括基底，感应电极，屏蔽电极，驱动结构和外壳，其中，外壳为有一开口的容腔，基底固接于开口上，与外壳组成一盒体；基底上有通孔，有梳齿结构的感应电极和屏蔽电极位于通孔中，感应电极的梳齿与屏蔽电极的梳齿交错设置，而暴露于待测电场；感应电极固定在基底的内表面上，屏蔽电极下表面与驱动结构的一端固接，驱动结构另一端固定于基底的内表面；感应电极、屏蔽电极、驱动结构置于基底和外壳构成的内腔里，由基底和外壳保护起来；
感应电极与测试电路电连接。
所述的传感器，其所述基底和外壳有屏蔽结构，屏蔽结构接地，感应电极与屏蔽结构之间保持绝缘连接。
所述的传感器，其所述基底，由具刚度的材料制成，用来支撑和固定传感器其它部分。
所述的传感器，其所述通孔的形状是圆形、矩形或多边形，使感应电极和屏蔽电极暴露于待测电场中的形状，通孔的数量至少为一个。
所述的传感器，其感应电极在工作时由测试电路维持其电压与屏蔽电极的电压相同。
所述的传感器，其所述驱动结构，为条状。
所述的传感器，其所述驱动结构，采用压电陶瓷条的片外结构，或采用静电激励、电磁激励、热激励的片内激励方式。
所述的传感器，其所述具刚度的材料，为金属、玻璃、陶瓷。
相对以往的电场传感器来说，本发明采用了完全不同的振动方式，使屏蔽电极上梳齿可凸出于感应电极的梳齿，也可以下凹至感应电极的梳齿之间。这使交错振动式电场传感器与其它微型电场传感器相比，在单位面积的电场敏感部分表面，可以产生更大的感应电荷变化量，从而形成更大的感应电流，因此灵敏度大大提高。同时，相对其他类型的振动式微型电场传感器来说，本传感器可采用片外的驱动结构驱动，因此可以用极低的驱动电压达到理想的振动幅度，能够很好的满足振动要求。这样就在增大有效信号的同时降低了噪声的干扰，从而进一步提高信噪比。另外，本发明的结构在振动幅度大于一定值时，输出信号大小将几乎不受振动幅度漂移的影响，仅随外界电场的大小而变化，因此该传感器具有更高的稳定性。
附图说明
图1是交错振动式电场传感器结构示意图，其中图1(a)是传感器正面部分，图1(b)是传感器反面部分；
图2是本发明交错振动式电场传感器原理示意图，其中图2(a)是屏蔽电极梳齿凸出于感应电极梳齿的示意图，图2(b)是屏蔽电极梳齿下凹于感应电极梳齿的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的交错振动式电场传感器，由基底1、感应电极2、屏蔽电极3、驱动结构4和外壳5等组成。其中，外壳5为有一开口的容腔，基底1如盖般固接于开口上，与外壳5组成一盒体。基底1上有一通孔，通孔的形状可以是圆形、矩形、多边形或其它任何形状。有梳齿结构的感应电极2和屏蔽电极3位于通孔中，感应电极2的梳齿与屏蔽电极3的梳齿交错设置，而暴露于待测电场。感应电极2固定在基底1的内表面上，屏蔽电极3下表面与驱动结构4的一端固接，驱动结构4为条状，其另一端固定于基底1的内表面。感应电极2、屏蔽电极3、驱动结构4等结构置于基底1和外壳5构成的内腔里，由基底1和外壳5保护起来。感应电极2与测试电路电连接。通孔的数量或为任意个。
基底1的作用是支撑和固定传感器其它部分。它可以用具有一定刚度的材料如金属、玻璃、陶瓷等制成。在基底1上有通孔，使感应电极2和屏蔽电极3可以暴露于外界电场中，并使屏蔽电极有一定的振动空间。
如采用玻璃等绝缘体制作基底1时，可以在基底1表面制作一层电极并接地，这样有利于提高传感器的抗干扰能力。如采用金属等导电材料制作基底1时，可直接使之接地，达到抗干扰目的。如不采用上述抗干扰措施，传感器仍能工作，只是性能会有一定程度的降低。
感应电极2固定在基底1上。如果基底1有接地措施的话，感应电极2应与基底1表面接地的部分保持绝缘。
感应电极2和屏蔽电极3可以采用微加工技术或机械加工技术等多种加工方法制作。它们的边缘处有相互交错的梳齿结构。在传感器工作时，感应电极2由测试电路保证其电压与屏蔽电极3相同。当在驱动结构4上加上驱动电压时，驱动结构4固定在基底1上的一端保持静止，和屏蔽电极3固定的另一端则发生周期性振动，从而带动屏蔽电极3相对感应电极2产生振动。当屏蔽电极3表面凸出于感应电极2的表面时，如图2(a)所示，感应电极2表面感应电荷较少，当达到一定幅度时，感应电荷2表面几乎没有感应电荷；当屏蔽电极3表面下凹于感应电极2的表面时，如图2(b)所示，感应电极2表面感应电荷较多，当达到一定幅度时，感应电极2表面的感应电荷数达最大值。当屏蔽电极3在这两种状态之间振动时，传感器感应电极2表面的感应电荷就会发生周期性变化，从而产生感应电流。由测试电路对此电流进行测量，即可得出外界电场值。
在外界电场相同的条件下，本发明传感器输出电流随屏蔽电极3的振动幅度的增加而增加。经理论分析和模拟计算，当屏蔽电极3的振动幅度达到屏蔽电极3上梳齿间距的1.7倍时，传感器的感应电荷变化量可以达到相同感应面积的理论最大值的约90％。当振幅大于此幅度时，输出信号几乎不随振动幅度的变化而改变。这使传感器可以有效的避免由于环境变化对振动幅度产生影响而造成传感器灵敏度的漂移。
驱动结构4可选取压电陶瓷梁或其它可产生振动的片外结构作为驱动屏蔽电极3振动的激励源，这样可以以较小的驱动电压获得较大的振动幅度。但也可以根据实际需要，采用静电激励、电磁激励、热激励或其它片内激励方式，以达到减小传感器体积等目的。
外壳5的作用是保护感应电极2、屏蔽电极3、驱动结构4等结构。同基底1上的抗干扰措施一样，当外壳5制作接地电极后，可提高器件的抗干扰能力。

Claims (9)

1.一种交错振动式电场传感器，其特征在于，感应电极和屏蔽电极边缘有处于交错状态的梳齿结构，当屏蔽电极表面凸出于感应电极的表面时，传感器感应电极表面电荷较少，当屏蔽电极表面下凹于感应电极的表面时，传感器感应电极表面电荷较多；在驱动结构上施加驱动力时，屏蔽电极在这两种位置之间变化，使感应电极输出感应电流，测量这个电流的大小可以测量电场强度。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，包括基底，感应电极，屏蔽电极，驱动结构和外壳，其中，外壳为有一开口的容腔，基底固接于开口上，与外壳组成一盒体；基底上有通孔，有梳齿结构的感应电极和屏蔽电极位于通孔中，感应电极的梳齿与屏蔽电极的梳齿交错设置，而暴露于待测电场；感应电极固定在基底的内表面上，屏蔽电极下表面与驱动结构的一端固接，驱动结构另一端固定于基底的内表面；感应电极、屏蔽电极、驱动结构置于基底和外壳构成的内腔里，由基底和外壳保护起来；
感应电极与测试电路电连接。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述基底和外壳有屏蔽结构，屏蔽结构接地，感应电极与屏蔽结构之间保持绝缘连接。
4.如权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，所述基底，由具刚度的材料制成，用来支撑和固定传感器其它部分。
5.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述通孔的形状是圆形、矩形或多边形，使感应电极和屏蔽电极暴露于待测电场中的形状，通孔的数量至少为一个。
6.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，感应电极在工作时由测试电路维持其电压与屏蔽电极的电压相同。
7.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述驱动结构，为条状。
8.如权利要求2或7所述的传感器，其特征在于，所述驱动结构，采用压电陶瓷条的片外结构，或采用静电激励、电磁激励、热激励的片内激励方式。
9.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述具刚度的材料，为金属、玻璃、陶瓷。
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