一種微型三維電場傳感器的制作方法

專利名稱：一種微型三維電場傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器技術領域，特別涉及一種電場傳感器。
技術背景現有的電場傳感器根據工作原理主要分為電荷感應式和光學式兩 類。傳統的機械結構電荷感應式電場傳感器的制作技術較為成熟、精 度高、量程較大，但這種傳感器體積較大、結構較復雜、價格也比較 昂貴。光學式電場傳感器響應速度快、噪聲較低，但是測量范圍窄、 成本高、且不適合靜電場的探測。隨著微加工技術的迅速發展，電場 傳感器日益向體積小、功耗低、成本低、易于批量化生產的方向發展。本發明人曾申請了采用機械結構的三維電場傳感器專利(發明專利申請號200510012178.9)以及采用微加工技術制備的一維微型電場 傳感器專利(專利號ZL03106433.7)。一維微型電場傳感器(專利號ZL03106433.7)只能測量與基底表 面垂直的電場或電場分量，不能測量與基底平行的電場或電場分量， 因此，在實際測量中，由于待測電場的方向通常不確定，測量數據僅 能反映電場三維矢量某一個方向分量的大小，容易造成測量誤差。發明內容現有的微型電場傳感器僅能測量電場三維矢量某一個方向分量的 大小，當待測電場方向與傳感器基底表面不垂直時，會產生測量誤差， 本發明的目的是為了解決現有技術的問題，提出一種實現三維電場檢測的微型電場傳感器。為了實現本發明的目的，本發明提出微型三維電場傳感器的技術 方案如下X向電場測量單元、Y向電場測量單元、Z向電場測量單元均位于基底上，并且X向電場測量單元、Y向電場測量單元、Z向 電場測量單元分別用于測量電場矢量的X向、Y向、Z向分量。傳感器的敏感結構由一對X向電場測量單元、 一對Y向電場測量 單元、Z向電場測量單元以及基底構成，且這些測量單元均位于基底上。根據本發明的實施例，采用一對X向電場測量單元，形成差分結 構，用于有效地抵消Z向電場分量的耦合，從而準確地測量X向電場根據本發明的實施例，采用一對Y向電場測量單元，形成差分結 構，用于準確地測量Y向電場分量。根據本發明的實施例，采用一個Z向電場測量單元用于測量電場 矢量的Z向電場分量。根據本發明的實施例，所述每個方向的電場測量單元均包括驅動 電極、驅動結構、屏蔽電極和感應電極，其中驅動電極固接于基底上，并與外部驅動電路連接；驅動結構的與 驅動電極相連，驅動結構與屏蔽電極相連；屏蔽電極懸空放置，感應 電極固定在基底上；屏蔽電極在驅動結構的驅動下，與感應電極發生 相對運動，從而調制外電場，使得感應電極上產生交變的電流，通過 測量電流的大小實現外電場測量。根據本發明的實施例，包含提供驅動力的驅動結構，用于驅動屏 蔽電極。所述的驅動結構采用熱驅動結構，或采用靜電驅動，或采用電磁 驅動，或采用壓電驅動方式，或采用形狀記憶合金等可以產生驅動力的結構。本發明的傳感器可由微加工技術制備。由于電場探測方向覆蓋了 三維方向，因此無論電場方向相對電場傳感器探測方向如何變化，其 采集的信號都能反映三維電場的大小。與已有的三維電場傳感器相比，本發明所提出的傳感器具有體積 小、功耗低等優點。與一維微型電場傳感器相比，本發明的傳感器測 量準確度更高。這是因為在實際測量中，待測電場的方向通常不確定， 一維電場傳感器的測量數據僅能反映電場三維矢量某一個方向分量的 大小，當待測電場的方向與傳感器基底表面不垂直時，會造成測量誤 差，而本發明傳感器可以同時測量電場矢量的三個分量的大小，從而 使得測量結果更加準確。電場傳感器廣泛應用于氣象、航空航天、電力、地震預測、安全 生產等領域。


圖1是本發明三維微型電場傳感器結構示意圖。圖2是本發明的Z向電場測量單元結構及原理示意圖。圖3是本發明的X向、Y向電場測量單元結構及原理示意圖。圖4是一種V型梁熱驅動結構示意圖。圖5是方波電壓波形圖。圖6是采用靜電驅動的電場單元部分結構示意圖，其中(a)為靜電 驅動結構示意圖；(b)為靜電驅動結構與Z向測量單元屏蔽電極連接 后的情況；(c)為靜電驅動結構與X向或Y向測量單元屏蔽電極連接 后的情況。圖7是靜電梳齒驅動結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的 實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起住何限定作用。如圖1所示三維微型電場傳感器的實施例包括X向電場測量單元1、 Y向電場測量單元2、 Z向電場測量單元3以及基底4。 X向電 場測量單元l、 Y向電場測量單元2、 Z向電場測量單元3均固位于基 底4上，基底4材料優選硅片，也可采用其它有一定剛度、不易變形 的材料，比如玻璃片和金屬等。如上所述的X向電場測量單元1和Y 向電場測量單元2分別采用差分結構，其中第一差分結構包括采用一對X向電場測量單元1; 第二差分結構包括采用一對Y向電場測量單元2;以及采用一個Z向電場測量單元3。如圖2和圖3所示的實施例，如上所述的這些測量單元均包括驅動電極5、驅動結構6、屏蔽電極7以及感應電極8等，他們均由導 電材料構成，優選多晶硅，單晶硅或者金屬。其中，驅動結構6采用 V型梁熱驅動結構，驅動電極5固接于基底4上，并與外部驅動電路 連接。驅動結構6連接在兩驅動電極5之間并懸空，其尖端與屏蔽電 極7相連。X向電場測量單元如圖2a和圖1所示。梳狀的屏蔽電極7懸空， 并在屏蔽電極7的梳齒間交錯排布放置感應電極8。感應電極8固定 于基底4上。其工作原理如圖2b所示，屏蔽電極7在平行于外電場E 的方向上與感應電極8產生相對運動，使得感應電極8周圍的電場分 布發生周期性變化，從而在感應電極8上產生周期性變化的電流，通 過外電路檢測出感應電流的大小，就可以實現外電場的檢測。但是為了測量X向的電場分量，只有一個X向測量單元是不充分 的，因為當屏蔽電極7運動時，Z向電場分量也會在感應電極8上形成感應電流，導致測量結果不能準確反映出X向電場的大小。為了解 決這個問題，我們選擇了一對完全相同的X向電場測量單元，形成差分結構，這樣可以有效地消除z向電場對兩個x向電場測量單元的共 模干擾，從而提取出x向電場分量。這種差分方式的更清楚的表述如下Z向電場分量會在一對X向測量單元上分別感應出大小相等，符號相同的感應電荷，而x向電場會在這對x向測量單元上分別感應出 大小相等，符號相反的感應電荷，這樣利用差分方式，z向電場分量 的影響就可以相減并完全抵消，而x向電場分量的影響同時會增強，從而檢測出x向電場強度。這一對x向電場測量單元盡量位于傳感器基底上的兩端，這樣可 以更有效地感應x向電場分量，減小基底或其它測量單元對待測X向電場分量的畸變影響。Y向電場單元與X向電場測量單元的結構和工作原理完全相同，也采用了一對測量單元，形成差分結構，只是測量方向與x向保持垂 直，如圖1所示。在實際應用中，也可能使用多對X向測量單元或Y向測量單元， 以達到增強輸出信號的目的。同時也可以使用多個Z向電場測量單元， 增加輸出信號。Z向電場探測單元的具體結構如圖3a和圖l所示，屏蔽電極7懸 空并通過懸空的折梁9與錨點IO連接，錨點10固定于基底4上。感 應電極8分為兩組負感應電極81和正感應電極82，且均固定在基 底4上，并與屏蔽電極7交錯排布。其電場調制原理與本發明人此前 申請的一維微型電場傳感器相同(專利申請號200510051570.4 )，如 圖3b所示，當屏蔽電極7靠近負感應電極81時，負感應電極81上的 感應電荷減少，而正感應電極82上的感應電荷增加；當屏蔽電極7遠 離負感應電極81時，負感應電極81上的感應電荷增加，而正感應電極82上的感應電荷減小。也就是說當屏蔽電極7在外電場垂直的方向 上與感應電極8發生相對運動時，正負感應電極上會產生大小相等，符號相反的電流。利用外部的差分檢測電路便可以檢測出感應電流的 大小，實現外電場的測量。在三個測量單元中，屏蔽電極7均由V型梁熱驅動結構6來驅動。 V型梁熱驅動結構6的工作原理如圖4所示，當對驅動電極5加電壓， V型梁熱驅動結構6會受熱膨脹，其內部產生熱應力并驅動屏蔽電極7 運動。當電壓中斷，V型梁熱驅動結構6的溫度降低并收縮，屏蔽電 極7也隨之回到初始位置。如果對驅動電極5兩端加圖5所示的方波 交流電壓U、 -U時，V型梁熱驅動結構6就會驅動屏蔽電極7作周期 性的往復運動，從而調制外電場。另外，由于U和-U大小相等，符號 相反，V型梁熱驅動結構6中V型梁的中點將保持零電勢，從而使得 屏蔽電極也保持零電勢。另外，所加電壓U的波形也可以是正弦波或 三角波等等。驅動結構6采用V型梁熱驅動結構，作為驅動結構具有結構簡單、 驅動電壓低的優點。該傳感器還可以采用靜電驅動方式，如圖6 (a)所示。當驅動結 構6—側的驅動電極5加電壓U，而另一側的驅動電極接地時，驅動 結構6之間會產生靜電力，利用此靜電力便可以驅動屏蔽電極。對于 Z向測量單元，驅動結構6可以與屏蔽電極7相連，如圖6(b)所示。 對于X向或Y向測量單元，驅動結構6也可以與屏蔽電極7相連，如 圖6 (c)所示。通過上述說明可以得知微型三維電場傳感器也可以采 用靜電驅動方式。除了采用圖6 (a)所述的靜電驅動方式，還可以采用如圖7所述的靜電梳齒驅動方式，該結構也是利用驅動結構所產生的靜電力驅動 屏蔽電極，從而調制電場，實現電場探測。在實際應用中，也可以根據實際需要，采用電磁激勵、壓電激勵 或形狀記憶合金等產生一定驅動力的驅動方式。無論采用何種驅動結 構，其共同特點是該驅動結構可以提供一定的驅動力，驅動屏蔽電極
7運動。
由于邊緣效應，三個方向的電場分量會發生相互耦合，Z向電場 會對X向、Y向電場測量產生一定的影響，X向、Y向電場也會影響 Z向電場的測量。測量結果應根據標定結果，選取合理的校準系數進 行修正。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍 并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內， 可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此， 本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1. 一種微型三維電場傳感器，其特征在于，包括X向電場測量單元(1)、Y向電場測量單元(2)、Z向電場測量單元(3)以及基底(4)，其中，X向電場測量單元(1)、Y向電場測量單元(2)、Z向電場測量單元(3)均位于基底(4)上，并且X向電場測量單元(1)、Y向電場測量單元(2)、Z向電場測量單元(3)分別用于測量電場矢量的X向、Y向、Z向分量。
2、 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述每個方向的 電場測量單元均包括驅動電極(5)、驅動結構(6)、屏蔽電極(7) 和感應電極(8)，其中，驅動電極(5)固接于基底(4)上，并與外部驅動電路連接；驅 動電極(5)與驅動結構(6)相連，驅動結構(6)與屏蔽電極(7) 相連；屏蔽電極(7)懸空放置，感應電極(8)固定在基底(4)上； 屏蔽電極(7)在驅動結構(6)的驅動下，與感應電極(8)發生相對 運動，從而調制外電場，使得感應電極上產生交變的電流，通過測量 電流的大小實現外電場測量。
3、 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，至少包含一對X 向電場測量單元(1)形成差分結構，用于抵消Z向電場分量的耦合， 從而準確地測量X向電場分量。
4、 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，至少包含一對Y 向電場測量單元(2)形成差分結構，用于準確地測量Y向電場分量。
5、 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，至少包含一個Z 向電場測量單元(3)。
6、 根據權利要求2所述的傳感器，其特征在于，包含提供驅動力 的驅動結構(6)，用于驅動屏蔽電極(7)。
全文摘要
本發明屬于傳感器技術領域，特別涉及一種電場傳感器。為了解決現有的微型電場傳感器僅能測量電場三維矢量某一個方向分量的大小的問題，本發明提出一種微型三維電場傳感器，該傳感器由X向電場測量單元、Y向電場測量單元、Z向電場測量單元以及基底構成，其中X向電場測量單元、Y向電場測量單元、Z向電場測量單元分別用于測量電場矢量的X向、Y向、Z向分量，且所述每個方向的電場測量單元均包括驅動電極、驅動結構、屏蔽電極和感應電極。該傳感器采用微加工技術制備，具有體積小、功耗低、易于批量化生產等優點。
文檔編號G01R29/12GK101246192SQ20071006388
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月14日 優先權日2007年2月14日
發明者超 葉, 夏善紅, 彭春榮, 陳紹鳳, 陳賢祥 申請人:中國科學院電子學研究所