[發明專利]壓電驅動互屏蔽電極微型電場傳感器

有效

• 申請號: 201910565144.4
• 申請日: 2019-06-26
• 公開（公告）號: CN110412362B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 夏善紅;雷虎成;彭春榮
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所;北京中科飛龍傳感技術有限責任公司
• 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: 鄢功軍

一種壓電驅動互屏蔽電極微型電場傳感器，主要包括：襯底、固定電極、可動電極、支柱、彈性梁、絕緣層和驅動結構；其中，構成傳感器敏感結構的可動電極和固定電極在靜止狀態時位于同一平面，兩者均為感應電極且互為屏蔽電極；由驅動電極和壓電層構成的驅動結構驅動可動電極運動，使固定電極與可動電極產生相對位置變化；驅動結構位于感應電極外側，驅動信號對感應電極上的信號干擾小。本發明的電場傳感器可實現低電壓驅動，有利于降低耦合干擾，提高傳感器的信噪比；通過互屏蔽電極的設置，可提高敏感結構的感應效率，有利于提高傳感器的分辨力和靈敏度；還具有微型化、結構簡單、便于集成和批量化生產等特點。

技術領域

本發明涉及傳感器領域和微機電系統(MEMS)領域，具體涉及一種壓電驅動互屏蔽電極微型電場傳感器。

背景技術

電場測量技術在諸多領域都有應用，而電場測量的核心器件是電場傳感器。電場傳感器在航空航天、氣象、電力、石油石化和工業生產等諸多領域具有廣泛的應用。

電場傳感器的應用較為廣泛，根據不同的應用場合，已經研究出了應用于不同場合的各種傳感器系統。電場傳感器按其工作原理可以分為電荷感應式電場傳感器和光纖式傳感器兩大類。傳統機電式電場傳感器發展較早，所以其技術較為成熟，在眾多領域都有應用，但其存在體積大、造價昂貴、功耗高等缺點。電場傳感器微型化、低功耗是電場傳感器發展的重要方向。

對于現有的壓電驅動微型電場傳感器，龔超等人提出了交錯振動式微型電場傳感器，通過膠粘的方式把壓電驅動陶瓷與感應電極相連，工藝精度低、不易集成和批量化生產，信噪比低。馮可等人提出了壓電懸臂梁式微型傳感器，該傳感器驅動結構位于感應結構正下方，噪聲耦合大；且該傳感器每個感應電極相互獨立，則每個感應電極具有各自的諧振頻率，工作時無法保證所有的電極工作在諧振狀態，分辨力和靈敏度低。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種微型電場傳感器及其應用，以期至少部分地解決上述技術問題中的至少之一。

為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供了一種微型電場傳感器，包括襯底、固定電極、可動電極、支柱、彈性梁、絕緣層和驅動結構；其中，

支柱，固定于襯底上；

固定電極，與支柱直接連接；

可動電極，通過彈性梁與支柱連接；其中，

所述可動電極和固定電極構成所述微型電場傳感器的敏感結構；

所述固定電極和可動電極均為感應電極，二者在振動過程中形成差分感應，且互為屏蔽電極作用；

驅動結構，通過彈性梁以及絕緣層與所述可動電極連接，其中，所述驅動結構能夠在驅動電壓的作用下實現驅動結構的可控運動，從而帶動可動電極運動，使固定電極與可動電極產生相對位置變化。

其中，所述可動電極和固定電極在靜止狀態位于同一平面。

其中，所述固定電極和可動電極的數量均至少為一組。

其中，所述驅動結構由壓電層以及一組或多組驅動電極構成。

其中，所述驅動電極為導體，其材質選自Ti、Pt、Al、Ag、Cr、Cu和Au中的一種或多種；

作為優選，所述壓電層的材質為壓電材料，尤其為高壓電系數的材料，包括如下材料中的一種或其組合：鋯鈦酸鉛、氮化鋁、氧化鋅、鈦酸鉛、鈦酸鋇、改性鈦酸鉛。

其中，所述驅動電極、固定電極和可動電極的結構分別獨立地為如下結構中的一種或其組合：條形結構、平板結構、梳齒結構和柵格結構。

其中，所述彈性梁的形狀包括如下形狀中的一種或其組合：直梁、折疊梁、U型梁、蛇形梁、蟹狀梁。

其中，所述絕緣層實現驅動結構與可動電極之間的電氣絕緣；