CN204228832U - 一种力平衡式微机械电场传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种力平衡式微机械电场传感器，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层、溅射在玻璃基座上的金电极层；所述结构层包括第一支撑基座、第二支撑基座、质量块、第一至第四折叠梁，所述金电极层包括第一长方形电极、第二长方形电极和多边形电极。本实用新型对应的微机械电场传感器结构简单，传感器性能对制造误差依赖小；接口电路可以直接与专用集成电路连接，避免了微弱电容检测电路的设计困难；本实用新型的传感器不需要时刻振动，电能消耗减小。

Description

一种力平衡式微机械电场传感器

技术领域

本实用新型涉及一种电场传感器，特别是一种力平衡式微机械电场传感器。

背景技术

电场传感器是测量电场强度的装置,它广泛应用于国防、航空航天、气象探测、电力、地震预报、科学研究以及工业生产等多个领域,具有非常重要的作用。比如,借助电场传感器对地面和空中大气电场变化的监测,可以获取准确的气象信息,从而为导弹、卫星等飞行器发射升空提供安全保障；在工业生产领域，利用静电场传感器监测工业环境中的电势分布和电场分布，有助于我们及时采取有效的措施预防事故的发生；还有通过测量电力系统和电器设备周围电场,可用于故障监测和诊断等等。此外，电场检测在静电防护、电磁环境监测、以及科学研究等方面也具有十分重要的应用。微型电场传感器是基于MEMS技术制备的一类电场传感器，相对于采用传统机械加工技术的加工的电场传感器，是加工方式的改变。微型电场传感器具有体积小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生产等突出优点，很好地满足了电场传感器的发展趋势和需求，进一步拓宽了其应用领域。

谐振式微型电场传感器是基于谐振工作原理的微型电场传感器,该类传感器是基于获得最大电场感应灵敏度而设计的。由于振动式电场传感器要求时刻屏蔽层中的活动结构处在谐振状态，同时在谐振状态时同样的能量能够获得更大的振动幅度，从而达到大的灵敏度。

专利号为ZL201210426733.2的一种振动式微机械电场传感器，该实用新型包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层,所述屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁。能利用平行板电容器加载静电来对屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，通过振动速度信号的差分式反馈来对针对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐，实现振动式微机械电场传感器的常压封装，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性。但是仍存在这样的问题：需要复杂的微机械结构和驱动电路来保证传感器工作，同时还需要电能来维持微结构一直处在在高速谐振状态，传感器能耗大。

根据上述说明，现有的振动式微机械电场传感器存在微结构和接口电路复杂，能耗大等问题,同时微结构和接口电路复杂，容易受微制造工艺和环境噪声影响，限制了传感器的性能提高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种力平衡式微机械电场传感器，本实用新型结构简单、传感器性能对制造误差依赖小，接口电路可以直接与专用集成电路连接，避免了微弱电容检测电路的设计困难；传感器不需要时刻振动，电能消耗减小。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种力平衡式微机械电场传感器，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层、溅射在玻璃基座上的金电极层；所述结构层包括第一支撑基座、第二支撑基座、质量块、第一至第四折叠梁，所述金电极层包括第一长方形电极、第二长方形电极和多边形电极；其中，

第一长方形电极与第二长方形电极之间相隔一定距离的溅射在玻璃基座上，多边形电极溅射在玻璃基座上且位于第一长方形电极与第二长方形电极的正中间，第一支撑基座键合在玻璃基座上且位于第一长方形电极上、第二支撑基座键合在玻璃基座上且位于第二长方形电极上，质量块设置在多边形电极的正上方且与玻璃基座上表面存有间距，质量块的左右两侧对称各设置两条折叠梁，各侧的两条折叠梁相对于质量块的横向中心线是上下对称的，第一折叠梁、第二折叠梁的一端与质量块的右侧连接，第三折叠梁、第四折叠梁的一端与质量块的左侧连接，第一折叠梁、第二折叠梁的另一端与第一支撑基座连接，第三折叠梁、第四折叠梁的另一端与第二支撑基座连接；质量块构成检测电容上极板，多边形电极构成检测电容下极板。

作为本实用新型的一种力平衡式微机械电场传感器进一步优化的方案，所述结构层的材料为掺杂浓硼的晶体硅。

作为本实用新型的一种力平衡式微机械电场传感器进一步优化的方案，所述第一支撑基座、第二支撑基座均为长方形结构。

作为本实用新型的一种力平衡式微机械电场传感器进一步优化的方案，所述质量块内有若干个镂空的正方形孔。

作为本实用新型的一种力平衡式微机械电场传感器进一步优化的方案，所述第一折叠梁、第二折叠梁、第三折叠梁、第四折叠梁均为多级U型梁。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型提出的一种力平衡式微机械电场传感器，电场的变化带来活动极板受到静电力的变化，在静电力和弹性力的平衡下，不同的电场大小对应不同的检测电容极板间距，通过检测检测电容大小的变化就可以得到对应的电场；

(2)本实用新型对应的微机械电场传感器结构简单，传感器性能对制造误差依赖小；接口电路可以直接与专用集成电路连接，避免了微弱电容检测电路的设计困难；

(3)本实用新型的传感器不需要时刻振动，电能消耗减小。

附图说明

图1是本实用新型的微机械电场传感器的示意图。

图2是本实用新型的微机械电场传感器的工作原理图。

图3是本实用新型的微机械电场传感器的俯视图。

图4是本实用新型的微机械电场传感器的结构层。

图5是本实用新型的微机械电场传感器的结构层的折叠梁。

图6a是本实用新型的微机械电场传感器的第一长方形电极。

图6b是本实用新型的微机械电场传感器的多边形电极。

图6c是本实用新型的微机械电场传感器的第二长方形电极。

图中的附图标记解释为：1为质量块极板，2为玻璃基座上电极，A1为第一支撑基座，A2为第二支撑基座，K1为第一折叠梁，K2为第二折叠梁、K3为第三折叠梁，K4为第四折叠梁，M为质量块，K101、K102、K103、K104、K105、K106、K107、K108、K109、K110、K111为第一连接梁至第十一连接梁，S1为第一长方形电极，S3为第二长方形电极，S2为多边形电极。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本实用新型的微机械电场传感器的示意图，本实用新型的力平衡式微机械电场传感器包括结构层、电极层、基座，其中结构层的材料为掺杂浓硼的晶体硅，电极层为金，基座材料为专门键合的玻璃材料。掺杂的晶体硅材料通过体硅深刻蚀成设计的结构，电极层构图通过溅射形成。为了使活动结构具有可动空间，结构层两面刻蚀，与电极层有一定的空间，结构层结构与基座通过阳极键合结合在一起，结构层和电极层高度根据设计和工艺能力来确定。

电容检测方式广泛应用于微机械电子传感器中，它具有接口电路简单，不引入其他形式能量转换。基于力平衡的微机械电场传感器中的微质量块受到静电力、支撑梁的弹力、重力。在静止平衡时，忽略重力作用，静电力和弹力大小相等。当待检测的电场发生变化时，微质量块受到的静电力就发生变化，对应的质量块位移就发生变化。将质量块设计成检测电容的一个极板，检测电容的另一个极板固定，这样通过电场的变化来改变检测电容中可动极板的位移，从而改变了检测电容的固定极板与可动极板的间隔距离，检测电容也随之变化。检测电容变化大小与可动极板位移有关，也就与电场大小有关。图2是本实用新型的微机械电场传感器的工作原理图。

玻璃基座上电极2为检测电容固定极板，质量块极板1对应为可动质量块，质量块极板1由折叠梁支撑，折叠梁等效为弹簧，折叠梁另一端固定在结构层的不可动基座上，折叠梁和质量块极板1接地。外加电场等效为一个电源，当电源电势为V_d，距离质量块的距离为h时，对应的电场E为E＝V_d/h。质量块系统受到的静电力F_e为：

$F_e=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ϵA}}{h^2}{V_d}^2---\left(1\right)$

式(1)中，ε为空气中的介电常数，A为极板1和固定极板的正对面积。而质量块极板1受到的弹力F_k为：

F_k＝k·Δd   (2)

式(2)中，k为支撑梁的等效刚度，Δd为极板1产生的位移。结合式(1)和式(2)有：

$k\·\mathrm{\Δd}=\frac{1}{2}\mathrm{\ϵ}{\mathrm{AE}}^2---\left(3\right)$

对式(3)进一步变换，有：

$k\·\frac{d+\mathrm{\Δd}}{\mathrm{\ϵA}}-k\·\frac{d}{\mathrm{\ϵA}}=\frac{1}{2}{E}^2---\left(4\right)$

式(4)可以与检测电容联系起来，式(4)还可以表示为：

$k\·(\frac{1}{C_f}-\frac{1}{C_0})=\frac{1}{2}{E}^2---\left(5\right)$

式(5)中，C_f为最终检测电容，C₀为初始电场为0时的检测电容。引入电容变化量ΔC，ΔC＝C_f-C₀。式(5)表示为：

$\mathrm{\Δc}=\frac{{C_0}^2}{\frac{2k}{E^2}+C_0}---\left(6\right)$

通过对设计好的传感器进行标定，就可以得到电场E与电容变化量ΔC之间的关系。

如图2所表示，对应的电容C₀和C_f可以通过后续的专门电容检测芯片AD7746来实现高精度读取，微控制器对读取到的电容值处理后就可以送给液晶显示模块，从而实现电场与电容的转换显示。

如图3所示是本实用新型的微机械电场传感器的俯视图，一种力平衡式微机械电场传感器，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层、溅射在玻璃基座上的金电极层；所述结构层包括第一支撑基座、第二支撑基座、质量块、第一至第四折叠梁，所述金电极层包括第一长方形电极、第二长方形电极和多边形电极；其中，

第一长方形电极与第二长方形电极之间相隔一定距离的溅射在玻璃基座上，多边形电极溅射在玻璃基座上且位于第一长方形电极与第二长方形电极的正中间，第一支撑基座键合在玻璃基座上且位于第一长方形电极上、第二支撑基座键合在玻璃基座上且位于第二长方形电极上，质量块设置在多边形电极的正上方且与玻璃基座上表面存有间距，质量块的左右两侧对称各设置两条折叠梁，各侧的两条折叠梁相对于质量块的横向中心线是上下对称的，第一折叠梁、第二折叠梁的一端与质量块的右侧连接，第三折叠梁、第四折叠梁的一端与质量块的左侧连接，第一折叠梁、第二折叠梁的另一端与第一支撑基座连接，第三折叠梁、第四折叠梁的另一端与第二支撑基座连接；质量块构成检测电容上极板，多边形电极构成检测电容下极板。

所述结构层的材料为掺杂浓硼的晶体硅。所述第一支撑基座、第二支撑基座均为长方形结构。所述质量块内有若干个镂空的正方形孔。所述第一折叠梁、第二折叠梁、第三折叠梁、第四折叠梁均为多级U型梁。

如图4所表示是本实用新型的微机械电场传感器的结构层，本实用新型对应的微机械电场传感器结构层中第一支撑基座A1与第二支撑基座A2大小相同，水平方向为长边，垂直方向为短边，长和宽均可以根据设计需要调整。A1关于结构层的水平方向上的中垂线自对称，A2关于结构层的水平方向上的中垂线自对称，A1和A2关于结构层上下对称。结构层的质量块M为正方形，边长可以根据设计需要调整。为了减小质量块上下移动中的阻尼，正方形质量块内有很多镂空的正方形孔，孔的大小根据制造工艺能力调整。第一折叠梁K1、第二折叠梁K2、第三折叠梁K3、第四折叠梁K4均为多级U型梁，第一折叠梁K1和第二折叠梁K2关于结构层的中心左右对称，第二折叠梁K2和第三折叠梁K3关于结构层的中心上下对称，第三折叠梁K3和第四折叠梁K4也关于结构层的中心左右对称，第四折叠梁K4和第一折叠梁K1也关于结构层的中心上下对称。第一折叠梁K1和第二折叠梁K2均一端连接第一支撑基座A1的长边，另一端均连接质量块M水平方向上的正上方边，第三折叠梁K3和第四折叠梁K4均一端连接第一支撑基座A2的长边，另一端均连接质量块M水平方向上的正下方边。第一折叠梁K1、第二折叠梁K2、第三折叠梁K3、第四折叠梁K4与第一支撑基座A1、第二支撑基座A2、质量块M连接位置可以根据需要调整。

第一折叠梁K1、第二折叠梁K2、第三折叠梁K3、第四折叠梁K4几何结构完全相同，以第一折叠梁K1为例，如图5所示是本实用新型的微机械电场传感器的结构层的折叠梁，第一折叠梁K1由多段连接梁组成，包括第一连接梁至第十一连接梁K101、K102、K103、K104、K105、K106、K107、K108、K109、K110、K111，所有连接梁的宽度均相同，宽度可以根据灵敏度设计需要调整。K101、K103、K105、K107、K109、K111为垂直方向连接梁，K102、K104、K106、K108、K110、为水平方向连接梁。连接梁K103、K105、K107、K109长度相同，连接梁K101、K111长度相同，连接梁K101和K111均比连接梁K103、K105、K107、K109长。连接梁K102、K110长度相同，连接梁K104、K106、K108长度相同，连接梁K102和K110均比连接梁K104、K106、K108短，连接梁K104、K106、K108长度小于质量块M边长的一半。连接梁K101与第一支撑长方形A1的长边连接，连接梁K102、K103、K104、K105、K106、K107、K108、K109、K110、K111依次相连，连接梁K111与质量块M水平方向上的正上方边连接。

本实用新型对应的微机械电场传感器包括玻璃基座、掺杂的多晶硅结构层、金电极层，A1为结构层中第一支撑基座，A2为结构层中第二支撑基座，K1为结构层中第一折叠梁，K2为结构层中第二折叠梁、K3为结构层中第三折叠梁，K4为结构层中第四折叠梁，M为结构层中带有阻尼孔的质量块，第一连接梁至第十一连接梁K101、K102、K103、K104、K105、K106、K107、K108、K109、K110、K111为结构层中第一折叠梁K1包含的连接梁。A1、A2为结构层中不可动部件，以示区别，A1、A2为虚线，结构层中其他部件可动，其他部件为实线。

S1为第一长方形电极，S3为第二长方形电极，S2为多边形电极，为区别于结构层，电极层以虚线表示构图。

图6a是本实用新型的微机械电场传感器的第一长方形电极，图6b是本实用新型的微机械电场传感器的多边形电极，图6c是本实用新型的微机械电场传感器的第二长方形电极。本实用新型的电极层包括第一长方形电极S1，第二长方形电极S3，多边形电极S2。多边形电极S2作为检测电容的固定极板，质量块M作为检测电容的可动极板，电极S1和S3均为质量块M提供电信号连接。第一长方形电极S1和第二长方形电极S3关于结构层中心上下对称，水平方向为长边，垂直方向为短边，短边长度小于第一支撑长方形A1的宽度。电极S1关于第一支撑长方形A1中心上下自对称，第二长方形电极S3关于第二支撑基座A2中心上下自对称。第一长方形电极S1长边水平起始位置不超过第一支撑基座A1左边短边的位置，第一长方形电极S1长边水平结束位置超过第一支撑基座A1右边短边的位置。第二长方形电极S3长边水平起始位置不超过第二支撑基座A2左边短边的位置，第二长方形电极S3长边水平结束位置超过第二支撑基座A2右边短边的位置。多边形电极S2由一个正方形和一个长方形连接构成，正方形中心在垂直方向投影和质量块M在垂直方向的投影重合，正方形边长小于质量块边长，边长可根据灵敏度设计需要调整。多边形电极S2的长方形左边短边与正方形连接，右边短边在水平方向的位置超过质量块M右边的位置。

工作过程中，第一折叠梁K1、第二折叠梁K2等效为一个弹簧，第三折叠梁K3、第四折叠梁K4等效为另一个弹簧，在两个弹簧的作用下，质量块M悬空，A1和A2作为支撑的基座。在垂直结构方向不存在电场E或E为0时，在重力、弹力的作用下，质量块静止，此时质量块M与多边形电极S2构成初始检测电容，结合接口检测电路，可以得到初始检测电容C₀。在垂直结构方向存在电场E不为0时，在静电力、重力、弹力的作用下，质量块静止，此时质量块M与电极S2构成变化的检测电容，结合接口检测电路，可以得到对应电场E下的检测电容C_f。不同的C_f对应不同的电场E，就可以利用本实用新型的微机械电场传感器实现电场的测量。

Claims (5)

1.一种力平衡式微机械电场传感器，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层、溅射在玻璃基座上的金电极层；其特征在于，所述结构层包括第一支撑基座、第二支撑基座、质量块、第一至第四折叠梁，所述金电极层包括第一长方形电极、第二长方形电极和多边形电极；其中，

第一长方形电极与第二长方形电极之间相隔一定距离的溅射在玻璃基座上，多边形电极溅射在玻璃基座上且位于第一长方形电极与第二长方形电极的正中间，第一支撑基座键合在玻璃基座上且位于第一长方形电极上、第二支撑基座键合在玻璃基座上且位于第二长方形电极上，质量块设置在多边形电极的正上方且与玻璃基座上表面存有间距，质量块的左右两侧对称各设置两条折叠梁，各侧的两条折叠梁相对于质量块的横向中心线是上下对称的，第一折叠梁、第二折叠梁的一端与质量块的右侧连接，第三折叠梁、第四折叠梁的一端与质量块的左侧连接，第一折叠梁、第二折叠梁的另一端与第一支撑基座连接，第三折叠梁、第四折叠梁的另一端与第二支撑基座连接；质量块构成检测电容上极板，多边形电极构成检测电容下极板。

2.根据权利要求1所述的一种力平衡式微机械电场传感器，其特征在于，所述结构层的材料为掺杂浓硼的晶体硅。

3.根据权利要求1所述的一种力平衡式微机械电场传感器，其特征在于，所述第一支撑基座、第二支撑基座均为长方形结构。

4.根据权利要求1所述的一种力平衡式微机械电场传感器，其特征在于，所述质量块内有若干个镂空的正方形孔。

5.根据权利要求1所述的一种力平衡式微机械电场传感器，其特征在于，所述第一折叠梁、第二折叠梁、第三折叠梁、第四折叠梁均为多级U型梁。