[發明專利]旋轉諧振式三維電場傳感器

有效

• 申請號: 201210071769.3
• 申請日: 2012-03-16
• 公開（公告）號: CN103308782A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 夏善紅;王宇;方東明;彭春榮
• 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: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及電子行業傳感器領域或微機電系統領域，尤其涉及一種單片集成的旋轉諧振式三維電場傳感器。

背景技術

電場強度的測量在氣象、航空航天、智能電網、資源探測、工業生產等諸多領域具有重要的應用，制備出成本低廉、性能優良的電場傳感器具有重要的意義。

張星等人在“一種小型三維電場傳感器”(儀器儀表學報，2006，27(11)：1433-1436)中報道了一種采用傳統機械結構的小型三維電場傳感器，其尺寸為5cm×3.2cm，重量為80g。使用傳統機械結構可以實現電場的三維測量，這種傳感器制備技術較為成熟、精度較高，但是該傳感器的體積較大。楊鵬飛等人在“A?High?Sensitivity?SOI?Electric-Field?Sensor?with?Novel?Comb-Shaped?Microelectrodes”(Transducers’11，Beijing，2011，1034-1037)文中報道了一種基于微加工技術的微型電場傳感器，分辨率為40V/m。已有的微型電場傳感器能夠滿足一維方向的電場強度測量，并且已經具有較高靈敏度。但是這類傳感器在測量電場時，當待測電場矢量的方向與傳感器軸向不一致時，會產生一定的測量誤差。在某些應用場合中，待測電場強度的方向未知，測量時并不能保證電場強度的方向與傳感器軸向一致，因此微型三維電場傳感器的制備具有重要的意義。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種旋轉諧振式三維電場傳感器，以能夠同時測量電場矢量三個分量的大小。

(二)技術方案

本發明公開了一種旋轉諧振式三維電場傳感器。該傳感器包括：襯底；Z方向電場測量單元，位于傳感器的中心位置，用于測量電場強度矢量的Z方向分量，包括：屏蔽電極和感應電極，其中：感應電極，固定于襯底上；屏蔽電極，懸空設置，可相對于感應電極做旋轉諧振運動，以使感應電極表面電荷量周期性變化，產生感應電流；X方向電場測量單元和Y方向測量單元，位于襯底上Z方向電場測量單元的外圍，其對稱軸相互成90°設置，分別用于測量電場強度矢量的X方向和Y方向分量，均包括：屏蔽電極和感應電極，其中：感應電極，固定于襯底上；屏蔽電極，其一端與所述Z方向電場測量的屏蔽電極相連接，X方向電場測量單元、Y方向電場測量單元、Z方向電場測量單元中至少其一的屏蔽電極通過梁結構與外圍的固定于襯底的錨點相連接；至少一組驅動機構，與X方向電場測量單元和Y方向電場測量單元其中之一的屏蔽電極匹配，用于對該屏蔽電極產生驅動力，使其相對于感應電極產生振動，并且該振動傳遞至除所在電場測量單元外的其他測量單元的屏蔽電極。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明旋轉諧振式三維電場傳感器具有以下有益效果：

(1)本發明傳感器單片集成三個方向電場測量單元，集成度高，與已有的微型一維電場傳感器相比，當待測電場方向與傳感器襯底表面不垂直時，本發明傳感器也能通過同時測量電場矢量的三個分量大小，實現精確測量；

(2)本發明傳感器只需加載一組激勵信號，便可驅動三個方向電場測量單元電極的振動，激勵信號數量少，對待測電場的干擾小，同時將各電場測量單元的屏蔽電極連接在一起，各屏蔽電極的振動一致，各感應電極輸出信號頻率相同；

(3)本發明傳感器的X方向、Y方向電場測量單元分別成對設置，形成差分結構，有益于減少干擾對測量的影響，提高測量精度；

(4)本發明傳感器的Z方向電場測量單元無需與驅動電極耦合，其屏蔽電極在其他電場測量單元屏蔽電極的帶動下旋轉振動，這樣設計減少了驅動電極數量，降低了功耗，縮小了體積；

(5)本發明傳感器可由微加工技術制備，與成熟的IC工藝兼容，便于大批量、低成本生產，并且與已有的三維電場傳感器相比，本發明傳感器體積小、功耗低，有潛力應用于便攜式儀器。

附圖說明

圖1為本發明實施例旋轉諧振式三維電場傳感器的結構示意圖；

圖2A和圖2B為本發明實施例旋轉諧振式三維電場傳感器中梁結構的結構示意圖；

圖3為本發明實施例旋轉諧振式三維電場傳感器中Z方向電場測量單元的第一種結構示意圖；

圖4為圖3所示Z方向電場測量單元感應原理的示意圖；其中：

圖4A為弱屏蔽狀態的示意圖；

圖4B為強屏蔽狀態的示意圖。