[發明專利]一種微型三維電場傳感器

有效

• 申請號: 200710063882.6
• 申請日: 2007-02-14
• 公開（公告）號: CN101246192B
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 夏善紅;葉超;陳賢祥;彭春榮;陳紹鳳
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

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。

背景技術

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向電場分量。

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。

附圖說明

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，而對其不起任何限定作用。