专利名称：一种微型三维电场传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种电场传感器。
技术背景现有的电场传感器根据工作原理主要分为电荷感应式和光学式两 类。传统的机械结构电荷感应式电场传感器的制作技术较为成熟、精 度高、量程较大，但这种传感器体积较大、结构较复杂、价格也比较 昂贵。光学式电场传感器响应速度快、噪声较低，但是测量范围窄、 成本高、且不适合静电场的探测。随着微加工技术的迅速发展，电场 传感器日益向体积小、功耗低、成本低、易于批量化生产的方向发展。本发明人曾申请了采用机械结构的三维电场传感器专利(发明专利申请号200510012178.9)以及采用微加工技术制备的一维微型电场 传感器专利(专利号ZL03106433.7)。一维微型电场传感器(专利号ZL03106433.7)只能测量与基底表 面垂直的电场或电场分量，不能测量与基底平行的电场或电场分量， 因此，在实际测量中，由于待测电场的方向通常不确定，测量数据仅 能反映电场三维矢量某一个方向分量的大小，容易造成测量误差。发明内容现有的微型电场传感器仅能测量电场三维矢量某一个方向分量的 大小，当待测电场方向与传感器基底表面不垂直时，会产生测量误差， 本发明的目的是为了解决现有技术的问题，提出一种实现三维电场检测的微型电场传感器。为了实现本发明的目的，本发明提出微型三维电场传感器的技术 方案如下X向电场测量单元、Y向电场测量单元、Z向电场测量单元均位于基底上，并且X向电场测量单元、Y向电场测量单元、Z向 电场测量单元分别用于测量电场矢量的X向、Y向、Z向分量。传感器的敏感结构由一对X向电场测量单元、 一对Y向电场测量 单元、Z向电场测量单元以及基底构成，且这些测量单元均位于基底上。根据本发明的实施例，采用一对X向电场测量单元，形成差分结 构，用于有效地抵消Z向电场分量的耦合，从而准确地测量X向电场根据本发明的实施例，采用一对Y向电场测量单元，形成差分结 构，用于准确地测量Y向电场分量。根据本发明的实施例，采用一个Z向电场测量单元用于测量电场 矢量的Z向电场分量。根据本发明的实施例，所述每个方向的电场测量单元均包括驱动 电极、驱动结构、屏蔽电极和感应电极，其中驱动电极固接于基底上，并与外部驱动电路连接；驱动结构的与 驱动电极相连，驱动结构与屏蔽电极相连；屏蔽电极悬空放置，感应 电极固定在基底上；屏蔽电极在驱动结构的驱动下，与感应电极发生 相对运动，从而调制外电场，使得感应电极上产生交变的电流，通过 测量电流的大小实现外电场测量。根据本发明的实施例，包含提供驱动力的驱动结构，用于驱动屏 蔽电极。所述的驱动结构采用热驱动结构，或采用静电驱动，或采用电磁 驱动，或采用压电驱动方式，或采用形状记忆合金等可以产生驱动力的结构。本发明的传感器可由微加工技术制备。由于电场探测方向覆盖了 三维方向，因此无论电场方向相对电场传感器探测方向如何变化，其 采集的信号都能反映三维电场的大小。与已有的三维电场传感器相比，本发明所提出的传感器具有体积 小、功耗低等优点。与一维微型电场传感器相比，本发明的传感器测 量准确度更高。这是因为在实际测量中，待测电场的方向通常不确定， 一维电场传感器的测量数据仅能反映电场三维矢量某一个方向分量的 大小，当待测电场的方向与传感器基底表面不垂直时，会造成测量误 差，而本发明传感器可以同时测量电场矢量的三个分量的大小，从而 使得测量结果更加准确。电场传感器广泛应用于气象、航空航天、电力、地震预测、安全 生产等领域。
图1是本发明三维微型电场传感器结构示意图。图2是本发明的Z向电场测量单元结构及原理示意图。图3是本发明的X向、Y向电场测量单元结构及原理示意图。图4是一种V型梁热驱动结构示意图。图5是方波电压波形图。图6是采用静电驱动的电场单元部分结构示意图，其中(a)为静电 驱动结构示意图；(b)为静电驱动结构与Z向测量单元屏蔽电极连接 后的情况；(c)为静电驱动结构与X向或Y向测量单元屏蔽电极连接 后的情况。图7是静电梳齿驱动结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的 实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起住何限定作用。如图1所示三维微型电场传感器的实施例包括X向电场测量单元1、 Y向电场测量单元2、 Z向电场测量单元3以及基底4。 X向电 场测量单元l、 Y向电场测量单元2、 Z向电场测量单元3均固位于基 底4上，基底4材料优选硅片，也可采用其它有一定刚度、不易变形 的材料，比如玻璃片和金属等。如上所述的X向电场测量单元1和Y 向电场测量单元2分别采用差分结构，其中第一差分结构包括采用一对X向电场测量单元1; 第二差分结构包括采用一对Y向电场测量单元2;以及采用一个Z向电场测量单元3。如图2和图3所示的实施例，如上所述的这些测量单元均包括驱动电极5、驱动结构6、屏蔽电极7以及感应电极8等，他们均由导 电材料构成，优选多晶硅，单晶硅或者金属。其中，驱动结构6采用 V型梁热驱动结构，驱动电极5固接于基底4上，并与外部驱动电路 连接。驱动结构6连接在两驱动电极5之间并悬空，其尖端与屏蔽电 极7相连。X向电场测量单元如图2a和图1所示。梳状的屏蔽电极7悬空， 并在屏蔽电极7的梳齿间交错排布放置感应电极8。感应电极8固定 于基底4上。其工作原理如图2b所示，屏蔽电极7在平行于外电场E 的方向上与感应电极8产生相对运动，使得感应电极8周围的电场分 布发生周期性变化，从而在感应电极8上产生周期性变化的电流，通 过外电路检测出感应电流的大小，就可以实现外电场的检测。但是为了测量X向的电场分量，只有一个X向测量单元是不充分 的，因为当屏蔽电极7运动时，Z向电场分量也会在感应电极8上形成感应电流，导致测量结果不能准确反映出X向电场的大小。为了解 决这个问题，我们选择了一对完全相同的X向电场测量单元，形成差分结构，这样可以有效地消除z向电场对两个x向电场测量单元的共 模干扰，从而提取出x向电场分量。这种差分方式的更清楚的表述如下Z向电场分量会在一对X向测量单元上分别感应出大小相等，符号相同的感应电荷，而x向电场会在这对x向测量单元上分别感应出 大小相等，符号相反的感应电荷，这样利用差分方式，z向电场分量 的影响就可以相减并完全抵消，而x向电场分量的影响同时会增强，从而检测出x向电场强度。这一对x向电场测量单元尽量位于传感器基底上的两端，这样可 以更有效地感应x向电场分量，减小基底或其它测量单元对待测X向电场分量的畸变影响。Y向电场单元与X向电场测量单元的结构和工作原理完全相同，也采用了一对测量单元，形成差分结构，只是测量方向与x向保持垂 直，如图1所示。在实际应用中，也可能使用多对X向测量单元或Y向测量单元， 以达到增强输出信号的目的。同时也可以使用多个Z向电场测量单元， 增加输出信号。Z向电场探测单元的具体结构如图3a和图l所示，屏蔽电极7悬 空并通过悬空的折梁9与锚点IO连接，锚点10固定于基底4上。感 应电极8分为两组负感应电极81和正感应电极82，且均固定在基 底4上，并与屏蔽电极7交错排布。其电场调制原理与本发明人此前 申请的一维微型电场传感器相同(专利申请号200510051570.4 )，如 图3b所示，当屏蔽电极7靠近负感应电极81时，负感应电极81上的 感应电荷减少，而正感应电极82上的感应电荷增加；当屏蔽电极7远 离负感应电极81时，负感应电极81上的感应电荷增加，而正感应电极82上的感应电荷减小。也就是说当屏蔽电极7在外电场垂直的方向 上与感应电极8发生相对运动时，正负感应电极上会产生大小相等，符号相反的电流。利用外部的差分检测电路便可以检测出感应电流的 大小，实现外电场的测量。在三个测量单元中，屏蔽电极7均由V型梁热驱动结构6来驱动。 V型梁热驱动结构6的工作原理如图4所示，当对驱动电极5加电压， V型梁热驱动结构6会受热膨胀，其内部产生热应力并驱动屏蔽电极7 运动。当电压中断，V型梁热驱动结构6的温度降低并收縮，屏蔽电 极7也随之回到初始位置。如果对驱动电极5两端加图5所示的方波 交流电压U、 -U时，V型梁热驱动结构6就会驱动屏蔽电极7作周期 性的往复运动，从而调制外电场。另外，由于U和-U大小相等，符号 相反，V型梁热驱动结构6中V型梁的中点将保持零电势，从而使得 屏蔽电极也保持零电势。另外，所加电压U的波形也可以是正弦波或 三角波等等。驱动结构6采用V型梁热驱动结构，作为驱动结构具有结构简单、 驱动电压低的优点。该传感器还可以采用静电驱动方式，如图6 (a)所示。当驱动结 构6—侧的驱动电极5加电压U，而另一侧的驱动电极接地时，驱动 结构6之间会产生静电力，利用此静电力便可以驱动屏蔽电极。对于 Z向测量单元，驱动结构6可以与屏蔽电极7相连，如图6(b)所示。 对于X向或Y向测量单元，驱动结构6也可以与屏蔽电极7相连，如 图6 (c)所示。通过上述说明可以得知微型三维电场传感器也可以采 用静电驱动方式。除了采用图6 (a)所述的静电驱动方式，还可以采用如图7所述的静电梳齿驱动方式，该结构也是利用驱动结构所产生的静电力驱动 屏蔽电极，从而调制电场，实现电场探测。在实际应用中，也可以根据实际需要，采用电磁激励、压电激励 或形状记忆合金等产生一定驱动力的驱动方式。无论采用何种驱动结 构，其共同特点是该驱动结构可以提供一定的驱动力，驱动屏蔽电极
7运动。
由于边缘效应，三个方向的电场分量会发生相互耦合，Z向电场 会对X向、Y向电场测量产生一定的影响，X向、Y向电场也会影响 Z向电场的测量。测量结果应根据标定结果，选取合理的校准系数进 行修正。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内， 可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1. 一种微型三维电场传感器，其特征在于，包括X向电场测量单元(1)、Y向电场测量单元(2)、Z向电场测量单元(3)以及基底(4)，其中，X向电场测量单元(1)、Y向电场测量单元(2)、Z向电场测量单元(3)均位于基底(4)上，并且X向电场测量单元(1)、Y向电场测量单元(2)、Z向电场测量单元(3)分别用于测量电场矢量的X向、Y向、Z向分量。
2、 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述每个方向的 电场测量单元均包括驱动电极(5)、驱动结构(6)、屏蔽电极(7) 和感应电极(8)，其中，驱动电极(5)固接于基底(4)上，并与外部驱动电路连接；驱 动电极(5)与驱动结构(6)相连，驱动结构(6)与屏蔽电极(7) 相连；屏蔽电极(7)悬空放置，感应电极(8)固定在基底(4)上； 屏蔽电极(7)在驱动结构(6)的驱动下，与感应电极(8)发生相对 运动，从而调制外电场，使得感应电极上产生交变的电流，通过测量 电流的大小实现外电场测量。
3、 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，至少包含一对X 向电场测量单元(1)形成差分结构，用于抵消Z向电场分量的耦合， 从而准确地测量X向电场分量。
4、 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，至少包含一对Y 向电场测量单元(2)形成差分结构，用于准确地测量Y向电场分量。
5、 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，至少包含一个Z 向电场测量单元(3)。
6、 根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，包含提供驱动力 的驱动结构(6)，用于驱动屏蔽电极(7)。
全文摘要
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种电场传感器。为了解决现有的微型电场传感器仅能测量电场三维矢量某一个方向分量的大小的问题，本发明提出一种微型三维电场传感器，该传感器由X向电场测量单元、Y向电场测量单元、Z向电场测量单元以及基底构成，其中X向电场测量单元、Y向电场测量单元、Z向电场测量单元分别用于测量电场矢量的X向、Y向、Z向分量，且所述每个方向的电场测量单元均包括驱动电极、驱动结构、屏蔽电极和感应电极。该传感器采用微加工技术制备，具有体积小、功耗低、易于批量化生产等优点。
文档编号G01R29/12GK101246192SQ20071006388
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者超 叶, 夏善红, 彭春荣, 陈绍凤, 陈贤祥 申请人:中国科学院电子学研究所