專利名稱：免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器，特別涉及免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器。
背景技術：
電場傳感器廣泛應用在氣象研究、航空航天、電力系統、靜電防護 以及地震預測等領域。
現有的電場傳感器根據其工作原理大體上可分為光纖式和機械式兩 種，其中機械式電場傳感器的種類更豐富一些，應用更廣泛一些。已有的 機械式電場傳感器根據其體積大小，可分為采用傳統機加工工藝制作的電
場傳感器和采用微機電技術(MEMS)制備的微型電場傳感器。前者的優點 是加工制作技術成熟，穩定性好，不足之處在于傳感器的功耗大、體積大、 成本高。后者的優點是體積小，功耗小，但不足之處在于這種傳感器需要 封裝，而電場傳感器的封裝問題一直是國內外公認的難點問題，至今尚未 解決。
發明內容
本發明的目的是提出一種免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器，該 傳感器主要由壓電驅動元件和感應導體構成，具有結構簡單、免封裝、 成本低的優點。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是
一種免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器，其包括壓電驅動元件、感 應電極和支撐結構；壓電驅動元件、感應電極分別固定在支撐結構上，壓 電驅動元件接地。
所述的傳感器，其所述支撐結構為桌狀，桌面中心部有孔，圓形壓電 驅動元件與支撐結構的桌面中心孔相適配，其四周圓固定在孔內沿上；片 狀感應電極位于壓電驅動元件上方，與壓電驅動元件平面平行設置，其大 小與支撐結構的桌面相適配，中心部有孔，該孔與支撐結構的桌面中心孔 相適配，感應電極四角固定在支撐結構桌面的四角上；
圓形壓電驅動元件，直徑《10厘米，包括金屬片和壓電材料，金屬片 與壓電材料一側表面結合在一起，而壓電材料的另一側是導體電極，金屬 片接地。
所述的傳感器，其所述壓電驅動元件為一條形壓電雙晶片，感應電極 為上、下感應電極；支撐結構為片狀體，豎直設置，其中心有一通孔，上、 下感應電極為U形片，兩U形片的開口端分別固接于支撐結構的上、下端， 互相平行設置，條形壓電雙晶片的一端穿過支撐結構的通孔，固定在支撐 結構中間，而另一端為自由端；
條形壓電雙晶片包括上、下兩層壓電材料和中間金屬層，中間金屬層 的兩側面分別固接上、下兩層壓電材料，上、下兩層壓電材料的外側均固 接有導體電極，上、下導體電極接地。
所述的傳感器，其所述支撐結構的桌面、感應電極的形狀是圓形、方 形、三角形或多邊形。
所述的傳感器，其還包括檔板，在感應電極和支撐結構的外周緣之間， 設有檔板，起到封閉圓形壓電片的作用；檔板與支撐結構及感應電極之間 是絕緣連接。
所述的傳感器，其所述金屬片或金屬層，為黃銅制成，感應電極由導 電材料構成，導體電極由銀制成，壓電材料為壓電陶瓷。
所述的傳感器，其所述支撐結構與上、下感應電極側面設有擋板，擋
板與上、下感應電極之間為絕緣連接。
本發明傳感器實現免封裝，與傳統的機械式電場傳感器相比，體積
變小，成本降低，同時由于采用了壓電驅動方式，使得傳感器功耗大大
降低，具有很好的實用化前景。
圖1是本發明采用圓形壓電驅動元件的電場傳感器立體示意圖； 圖2是本發明采用圓形壓電驅動元件的電場傳感器結構示意圖； 圖3是圓形壓電驅動元件結構示意圖4是采用條形壓電雙晶片結構的電場傳感器立體示意圖； 圖5是采用條形壓電雙晶片結構的電場傳感器示意圖； 圖6是條形壓電雙晶片結構示意圖7是采用條形壓電雙晶片驅動的盒式電場傳感器結構示意圖。
具體實施例方式
本發明免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器是一種機械式電場傳感 器。為了回避電場傳感器的封裝問題并盡可能地保證傳感器體積小、功 耗小，本發明免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器，最大的特點在于它 的感應電極部分可以直接暴露于空氣中，且不易損壞，從而實現免封裝。 本發明傳感器與傳統的機械式電場傳感器相比，體積變小，成本降低， 同時由于采用了壓電驅動方式，使得傳感器功耗大大降低，具有很好的 實用化前景。
本發明給出了兩種免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器的實施方 式， 一種采用圓形壓電驅動元件，另一種采用條形壓電雙晶片。其中前
一種設計具有結構簡單的特點，而后一種設計采用了差分結構，傳感器 的穩定性更好，只是制作稍復雜一些。
實施例1:
圖1、圖2和圖3為采用圓形壓電驅動元件設計的免封裝壓電驅動 式微小型電場傳感器示意圖，傳感器的結構包括圓形壓電驅動元件l、感 應電極2以及支撐結構3。支撐結構3為桌狀，桌面中心部有孔，壓電驅
動元件1與支撐結構3的桌面中心孔相適配，其四周固定在孔內沿上， 片狀感應電極2位于壓電驅動元件1上方，與壓電驅動元件1平面平行 設置，其大小與支撐結構3的桌面相適配，中心部有孔，該孔與支撐結 構3的桌面中心孔相適配，感應電極2四角固定在支撐結構3桌面的四 角上。
其中圓形壓電驅動元件l由金屬片4和壓電材料5構成，如圖3所 示。金屬片4與壓電材料5可以通過粘結的辦法結合在一起，而壓電材 料5的另一側是導體電極6，通常可以采用銀作為導體電極6的材料。金 屬片4通常采用較薄的黃銅制成，可以增加驅動結構的強度，并保持較 小的剛度。這種壓電驅動元件1最常見的結構是蜂鳴片，常見的蜂鳴片 直徑僅為厘米量級，可以在1厘米左右甚至更小，可以有效地減小傳感 器的體積并降低成本。當在導體電極6上施加電壓，而金屬片4接地時， 壓電驅動元件1會在逆壓電效應的作用下發生形變，如果施加的電壓是 周期性的交流電壓，那么壓電驅動元件也會發生周期性的振動，我們正 是利用壓電驅動元件的周期性振動實現外電場調制和測量，圖2所示的 傳感器的具體工作原理如下
傳感器工作時，外部驅動電路會給壓電驅動元件1施加一定大小， 一定頻率的交流信號，接地的金屬片4在逆壓電效應的影響下發生周期 性的振動，從而導致感應電極2上感應電荷發生周期性的變化，當金屬
片4靠近感應電極2時，金屬片4的屏蔽作用較強，感應電極2上產生 的感應電荷較少，當金屬片4遠離感應電極2時，金屬片4的屏蔽作用 較弱，感應電極2上產生的感應電荷較多，這樣隨著感應電荷周期性的 變化，感應電極2會輸出一個正比于外電場E的交變電流，通過外部測 量電路檢測出該電流的大小，便可以實現外電場測量。
其中感應電極2與外部電路的連接屬于公知技術，通常是采用金屬 導線連接。
另外，在感應電極2和支撐結構3的外周緣之間，可以設置檔板(圖 中沒示出)，檔板固定在支撐結構四周，可以起到封閉圓形壓電材料5的 作用。從而更好的保護圓形壓電材料5，而制作檔板的材料可以選擇絕緣 材料或金屬材料，如果選擇金屬材料，應該注意保持檔板與支撐結構3 及感應電極2的絕緣。
從上述的原理描述可以看出，傳感器正常工作關鍵的因素是感應電 極2和金屬片4之間發生了相對運動，也就是說只要能滿足二者相對運 動這個條件，傳感器的結構形狀完全可以根據實際需要來改變。在圖1 中，感應電極2的形狀是方形，并開有圓孔，但實際上感應電極2如果 是其它幾何形狀，比如圓形，多邊形，以及其它任意幾何圖形，也是可 以的。而孔的大小、形狀，更是沒有什么限制，方形，三角形，多邊形 以及其它任意幾何形狀都可以。不同的幾何形狀影響的僅僅是傳感器的 靈敏度，但從原理上來說，傳感器仍然可以正常工作。
實施例2:
本發明還采用條形壓電晶片設計了一種差分式電場傳感器。傳感器 的結構如圖4、圖5和圖6所示。傳感器包括了一種條形壓電雙晶片7、 上感應電極8、下感應電極9以及支撐結構10。其中，支撐結構10為片 狀體，豎直設置，其中心有一通孔，上、下感應電極8、 9為U形片，兩
U形片的開口端分別固接于支撐結構10的上、下端，互相平行設置，條 形壓電雙晶片7的一端穿過支撐結構10的通孔，固定在支撐結構10中 間，而另一端為自由端。
條形壓電雙晶片7由上、下兩層壓電材料12和中間金屬層11構成， 如圖6所示。中間金屬層11的兩側面固接上、下兩層壓電材料12，上、 下兩層壓電材料12的外側均固接有導體電極13，導體電極13通常由銀 制成。當條形壓電雙晶片7的一端固定，而另一端為自由端時，如果對 金屬層ll施加電壓，同時上、下導體電極13接地時，由于逆壓電效應 的存在，會使得上下層壓電陶瓷發生形變。而其形變的趨勢主要由壓電 材料12的極化方向決定，當極化方向與驅動電壓在壓電材料12內部形 成的電場方向一致時，壓電雙晶片7伸長，而當它們方向相反時，壓電 雙晶片7縮短，這樣在條形壓電雙晶片7中，兩個晶片的變化趨勢不一 致，就可以使得條形壓電雙晶片7發生彎曲，如果所加的驅動電壓為交 變電壓，條形壓電雙晶片7就可以周期性彎曲振動。由此，便可以利用 接地的導體電極13調制外電場，傳感器的工作原理如下
當壓電雙晶片7靠近上感應電極8時，上感應電極8上的感應電荷 會減小，而下感應電極9上的感應電荷會增加，當壓電雙晶片7遠離上 感應電極8時，上感應電極8上的感應電荷會增加，而下感應電極9上 的感應電荷會減小，那么如果利用上感應電極8和下感應電極9上的感 應電荷變化形成差分信號，便可以輸出一個正比于外電場E的電流信號， 通過檢測電流的大小實現外電場檢測。
為了減小或屏蔽其他方向電場的影響，也可以設計采用條形壓電雙 晶片7驅動的盒式電場傳感器，其結構如圖7所示。該結構與圖4的差 別僅僅在于增加了側面的擋板14，其他結構均相同，擋板14可以采用絕 緣材料上增加金屬層的辦法制作，其金屬層接地以后，可以屏蔽其他方 向電場的影響。也可以采用導體材料制作擋板14，但制作傳感器時需要
保證其與上、下感應電極8、 9的絕緣。
權利要求
1.一種免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器，其特征在于，包括壓電驅動元件、感應電極和支撐結構；壓電驅動元件、感應電極分別固定在支撐結構上，壓電驅動元件接地。
2. 如權利要求l所述的傳感器，其特征在于，所述支撐結構為桌狀，桌面 中心部有孔，圓形壓電驅動元件與支撐結構的桌面中心孔相適配，其四 周圓固定在孔內沿上；片狀感應電極位于壓電驅動元件上方，與壓電驅 動元件平面平行設置，其大小與支撐結構的桌面相適配，中心部有孔， 該孔與支撐結構的桌面中心孔相適配，感應電極四角固定在支撐結構桌 面的四角上；圓形壓電驅動元件，直徑《10厘米，包括金屬片和壓電材料，金屬片 與壓電材料一側表面結合在一起，而壓電材料的另一側是導體電極，金 屬片接地。
3. 如權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述壓電驅動元件為一條形 壓電雙晶片，感應電極為上、下感應電極；支撐結構為片狀體，豎直設 置，其中心有一通孔，上、下感應電極為U形片，兩U形片的開口端分 別固接于支撐結構的上、下端，互相平行設置，條形壓電雙晶片的一端 穿過支撐結構的通孔，固定在支撐結構中間，而另一端為自由端； 條形壓電雙晶片包括上、下兩層壓電材料和中間金屬層，中間金屬層的 兩側面分別固接上、下兩層壓電材料，上、下兩層壓電材料的外側均固 接有導體電極，上、下導體電極接地。
4. 如權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，所述支撐結構的桌面、 感應電極的形狀是圓形、方形、三角形或多邊形。
5. 如權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，還包括檔板，在感應電極和支撐結構的外周緣之間，設有檔板，起到封閉圓形壓電片的作用； 檔板與支撐結構及感應電極之間是絕緣連接。
6.如權利要求l、 2或3所述的傳感器，其特征在于，所述金屬片或金屬 層，為黃銅制成，感應電極由導電材料構成，導體電極由銀制成，壓電 材料為壓電陶瓷。
7.如權利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述支撐結構與上、下感 應電極側面設有擋板，擋板與上、下感應電極之間為絕緣連接。
全文摘要
本發明提出一種免封裝壓電驅動式微小型電場傳感器，該傳感器主要由壓電驅動元件和感應導體構成，與傳統機加工的電場傳感器相比，它具有結構簡單、成本低、功耗低的優點。與基于微機電技術(MEMS)的微型電場傳感器相比，它具有敏感結構免封裝，可靠性高的優點。
文檔編號G01R29/12GK101368988SQ20071012028
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月15日 優先權日2007年8月15日
發明者超 葉, 夏善紅 申請人:中國科學院電子學研究所