一种电场测量传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器的技术领域，尤其是涉及一种电场测量传感器。


背景技术：

2.传感器广泛应用于工业生产和科研项目中，如铁路自动系统、飞机航天器运行的电场环境检测，高压输电线工频电场分布，精密电子设备的电磁屏蔽与兼容等等。上述环境中电场的大小直接影响正常的工作和研究，因此电场的测量十分重要。
3.电场有频率和场强两重特点。从频率来分，主要有静电场、低频电场和高频电场，每类频率中根据电场强度又有强电场有弱电场。根据电场的频率特点主要有三类电场传感器：静电场传感器，低频交流电场传感器和高频交流电场传感器。静电场测量比较简单。目前低频段主要用的是基于天线的电磁感应原理来进行测量，高频段多采用晶体的电光效应来测量电场；二者都要经过光纤系统进行传输再后续处理，系统复杂，敏感度不高，一般体积都很大，不利于集成，且成本很高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种电场测量传感器，用于解决现有的测量传感器的灵敏度低成本高的缺点，保证电场测量传感器的工作准确性。
5.第一方面，本发明实施例提供的一种电场测量传感器，包括绝缘基板以及位于所述绝缘基板一侧的驻极体和检测结构；
6.所述驻极体包括正驻极体和负驻极体，所述正驻极体和所述负驻极体形成静电场；
7.所述检测结构设置于所述正驻极体和所述负驻极体之间，且与第一方向之间存在第一夹角，所述第一夹角与所述静电场正相关，所述第一方向为所述绝缘基板的厚度方向；
8.当所述电场测量传感器位于检测环境下，所述检测结构与所述第一方向之间存在第二夹角，所述检测结构用于根据所述第二夹角与所述第一夹角之间的角度差值确定当前所述检测环境的电场检测信息。
9.可选的，所述检测结构包括贴合设置的悬臂梁和压电层，所述压电层位于所述悬臂梁与所述正驻极体或者所述负驻极体之间；
10.所述悬臂梁包括相对设置的底表面和顶表面，所述底表面与所述绝缘基板连接。
11.可选的，所述底表面的面积大于所述顶表面的面积。
12.可选的，沿所述第一方向，所述悬臂梁的高度为h1；
13.所述悬臂梁与所述正驻极体之间距离为l1，所述悬臂梁与所述负驻极体之间距离为l2；
14.其中，h1≤l1，且h1≤l2。
15.可选的，所述悬臂梁与所述正驻极体之间距离等于所述悬臂梁与所述负驻极体之间距离。
16.可选的，所述检测结构还包括质量块，
17.所述质量块位于所处悬臂梁远离所述压电层一侧，并且所述质量块与所述顶表面接触。
18.可选的，所述电场测量传感器工作在第一检测环境下，所述检测结构包括第一质量块，所述第一质量块的质量为第一质量；
19.所述电场测量传感器工作在第二检测环境下，所述检测结构包括第二质量块，所述第二质量块的质量为第二质量；
20.其中，所述第一检测环境的电场频率低于所述第二检测环境的电场频率，所述第一质量大于所述第二质量。
21.可选的，所述第一质量块的密度与所述第二质量块的密度相同；所述第一质量块的尺寸大于所述第二质量块的尺寸；
22.或者所述第一质量块的尺寸与所述第二质量块的尺寸相同；所述第一质量块的密度大于所述第二质量块的密度。
23.可选的，所述驻极体的材质包括有机材质或者无机材质。
24.可选的，所述压电层的材质包括有机材质或者无机材质。
25.本发明实施例提供的一种电场测量传感器，该电场测量传感器包括绝缘基板以及位于绝缘基板一侧的驻极体和检测结构，其中，驻极体包括正驻极体和负驻极体，通过正驻极体和负驻极体形成更加稳定和强度大的静电场。并且检测结构设置于正驻极体和负驻极体之间，且与第一方向之间存在第一夹角，第一夹角与静电场正相关，第一方向为绝缘基板的厚度方向；当电场测量传感器位于检测环境下，检测结构与第一方向之间存在第二夹角，检测结构用于根据第二夹角与第一夹角之间的角度差值确定当前检测环境的电场检测信息。其中，在第一夹角的前提下，检测结构更易灵敏的产生第二夹角，保证对检测环境的电场检测信息准确获取，提升电场测量传感器的工作准确性。同时该电场测量传感器相比于现有技术的测量传感器，还具有结构简单、制备成本低等优点。
附图说明
26.为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的一种电场测量传感器的结构示意图；
28.图2为本发明实施例提供的另一种电场测量传感器的结构示意图；
29.图3为本发明实施例提供的一种悬臂梁的俯视图；
30.图4为图3中沿剖面线a-a’的一种剖面结构示意图；
31.图5为本发明实施例提供的另一种电场测量传感器的结构示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的
一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
33.图1为本发明实施例提供的一种电场测量传感器的结构示意图，图1为本发明实施例提供的一种电场测量传感器的结构示意图，参考图1和图2所示，本发明实施例提供的电场测量传感器10包括绝缘基板100以及位于绝缘基板100一侧的驻极体200和检测结构300；驻极体200包括正驻极体210和负驻极体220，正驻极体210和负驻极体220形成静电场a；检测结构300设置于正驻极体210和负驻极体220之间，且与第一方向x之间存在第一夹角b，第一夹角b与静电场a正相关，第一方向x为绝缘基板100的厚度方向；当电场测量传感器10位于检测环境下，检测结构300与第一方向x之间存在第二夹角d，检测结构300用于根据第二夹角d与第一夹角b之间的角度差值确定当前检测环境的电场检测信息。
34.其中，电场测量传感器10用于对环境电场进行检测，其环境电场可以是静电场、低频交底电场和高频交流电场，本发明实施例对此不仅具体的限定。进一步的，电场测量传感器10包括绝缘基板100、驻极体200和检测结构300，并且驻极体200和检测结构300设置于绝缘基板100上。
35.具体的，驻极体200包括正驻极体210和负驻极体220，正驻极体210和负驻极体220之间形成静电场a，即在电场测量传感器10对检测环境进行检测前就产生静电场a，参考图1所示，图中以多条虚线示例性的表示静电场a，图中虚线数量不具有实际的含义，仅用于示出驻极体200形成的静电场a区域。进一步的，驻极体200相比于普通的极体材料可以产生更加稳定的静电场，并且静电场的场强更大一些。
36.进一步的，检测结构300设置于正驻极体210和负驻极体220之间，即检测结构300设置于静电场a中，受到静电场a力的作用，检测结构300会在未对检测环境进行检测时就产生偏转，偏转的呈现方式可以为检测结构300与第一方向x之间存在夹角，以第一夹角b为例进行举例说明。换句话说，检测结构300存在的偏转可以认为是静电偏置，即检测结构300受到静电场a的作用下产生的静电偏转，并且第一夹角b的大小与静电场a正相关，示例性的，静电场a的场强越强，第一夹角b越大。参考图1所示，第一夹角b为检测结构300中c点的切线与第一方向x的夹角，第一夹角b也可以是检测结构300中c点以外的任一点，本发明实施例对此不进行具体的限定。
37.进一步的，参考图1所示，在检测结构300存在第一夹角b的情况下，即检测结构300已经存在偏转时，再将电场测量传感器10设置于检测环境中，用于对检测环境的电场进行检测，即测量电场的强度和频率等，可以更加灵敏准确的测量检测环境的电场信息。具体的，检测结构300在电场测量传感器10内部产生的静电场a下，已经处于偏置状态，即非稳定的极限状态，在存在新的外力条件下，检测结构300的偏转幅度及频率会更加明显。所以在该情况下，若检测结构300所在的电场发生变化，检测结构300会更容易受到电场所带来的力的作用，导致检测结构300产生更大幅度的偏转，更大的偏转的呈现方式可以为检测结构300与第一方向x之间存在新的夹角，以第二夹角d为例进行举例说明。需要说明的是，若检测环境的电场为静电场，则检测结构300仅仅呈现新的偏转角度；若检测环境的电场为低频交流电场或者高频交流电场，则检测结构300则呈现以第一夹角b为基础进行振动，节选某一时刻，检测结构300也呈现新的偏转角度，本发明实施例对此不进行具体的限定。
38.参考图2所示，并且图2中虚线所示的检测结构300为产生第二夹角d下的位置示意
图。需要说明的是，第一夹角a和第二夹角b均是检测结构300中c点的切线与第一方向x的夹角。进一步的，检测结构300可以根据第二夹角d与第一夹角b之间的角度差值反映当前检测环境的电场检测信息，电场检测信息可以是电场强度，同样的也可以根据检测结构300在检测环境下的振动频率反映检测环境的电场频率。总的来说，检测结构300在已经存在第一夹角b的情况下，即静电偏置的情况下，再进行对检测环境下电场信息的反馈更加精准，即电场测量传感器10的灵敏度更高，即不论所检测的环境电场是什么类型和大小，本发明实施例提供的电场测量传感器10均能准确测量。同时在绝缘基板100上制备驻极体200和检测结构300，反映电场测量传感器10的结构简单，其制备成本也较低。
39.进一步的，将电场测量传感器10设置于真空的环境条件下对检测环境的电场进行检测，避免电场测量传感器10受到外界水汽、尘埃及空气中的阻尼力影响电场测量传感器10的测量精度，保证电场测量传感器10的测量效果。
40.综上，本发明实施例提供一种电场测量传感器，检测结构设置于正驻极体和负驻极体之间，且与第一方向之间存在第一夹角；当测量传感器位于检测环境下，检测结构与第一方向之间存在第二夹角，检测结构用于根据第二夹角与第一夹角之间的角度差值确定当前检测环境的电场检测信息。本发明实施例提供的电场测量传感器相比于现有技术的测量传感器，具有结构简单、制备成本低等优点，同时保证对检测环境的电场检测信息准确获取，提升电场测量传感器的工作准确性。
41.图3为本发明实施例提供的一种悬臂梁的俯视图，参考图1和图3所示，检测结构300包括贴合设置的悬臂梁310和压电层320，压电层320位于悬臂梁310与正驻极体210或者负驻极体220之间；悬臂梁310包括相对设置的底表面310a和顶表面310b，底表面310a与绝缘基板100连接。
42.具体的，检测结构300包括悬臂梁310，悬臂梁310为导电材质，并且悬臂梁310位于不同的电场下受到不同程度偏转或振动，即在驻极体200产生的静电场a下形成与第一方向x呈现第一夹角b的偏转，在检测环境的电场下形成与第一方向x呈现第二夹角d的偏转，从悬臂梁310的偏转角度差反映电场的强度，并且还可以在电场位于不同频率下产生相应的振动，从而通过悬臂梁310的振动频率反映电场的频率。
43.进一步的，检测结构300还包括压电层320，压电层320与悬臂梁310贴合设置，在悬臂梁310受不同电场环境下产生偏转及振动的情况下，压电层320同悬臂梁310一同产生相关的运动，例如拉伸、收缩或者振动。进一步的，压电层320根据压电效应，压电层320可以根据其运动状态导致内部的电荷流动形成电信号，实现机械能向电能的转换，并且压电层320可以通过连接导电线将转换的电信号输出，实现电场测量传感器10对电场的检测。
44.进一步的，参考图3所示，悬臂梁310包括相对设置的底表面310a和顶表面310b，底表面310a与绝缘基板100连接，即悬臂梁310的底表面310a为固定端不进行位置的移动，而通过顶表面310b沿电场的方向进行移动，实现悬臂梁310的运动。需要说明的是，底表面310a和顶表面310b为悬臂梁310的一部分，则底表面310a和顶表面310b为同一种材质，图3中通过不同的填充仅仅示意不同的位置，不代表不同的材质。
45.图4为图3中沿剖面线a-a’的一种剖面结构示意图，参考图3和图4所示，底表面310a的面积大于顶表面310b的面积。
46.具体的，悬臂梁310的底表面310a与绝缘基板100连接，并且悬臂梁310在不同的电
场环境下进行不同幅度和频率的运动。为保证悬臂梁310更加容易受到电场的力进行运动，并且保证悬臂梁310与绝缘基板100的稳定连接，则未与绝缘基板100连接的顶表面310b的面积设置的小一些，与绝缘基板100连接的底表面310a大一些，进而在保证悬臂梁310的质量可以小一些，受到的阻尼力更小的情况下，还能保证悬臂梁310稳定的设置在绝缘基板100上。示例性的，参考图4中，通过悬臂梁310的截面示意图可知，悬臂梁310的截面可以是一个梯形，梯形的上边为顶表面310a的一部分，梯形的下边为低表面310b的一部分，由此进一步证明底表面310a的面积大于顶表面310b的面积，从而保证悬梁臂310的稳定设置，同时保证电场测量传感器10的测量精度。
47.图5为本发明实施例提供的另一种电场测量传感器的结构示意图，沿第一方向x，悬臂梁310的高度为h1；悬臂梁310与正驻极体210之间距离为l1，悬臂梁310与负驻极体220之间距离为l2；其中，h1≤l1，且h1≤l2。
48.其中，电场测量传感器10在工作过程中，悬臂梁310会在正驻极体210和负驻极体220之间的空间内进行不同幅度的偏转和振动，为保证电场测量传感器10无误差的工作，要保证悬臂梁310在运动过程中不会与驻极体200接触，参考图5所示，悬臂梁310的高度为h1，则悬臂梁310的高度h1小于悬臂梁310与正驻极体210之间距离为l1，同时则悬臂梁310的高度h1小于悬臂梁310与负驻极体220之间距离为l2。需要说明的是，图5中用于表示悬臂梁310在未进行静电偏置的状态，具体悬臂梁310的高度及其与驻极体200之间的距离，本发明实施例对此不进行具体的限定。
49.继续参考图5所示，悬臂梁310与正驻极体210之间距离等于悬臂梁310与负驻极体220之间距离。
50.进一步的，悬臂梁310与正驻极体210之间距离为l1，悬臂梁310与负驻极体220之间距离为l2，在l1＝l2的情况下，即悬臂梁310位于正驻极体210和负驻极体220的中间位置处，保证电场测量传感器10更加规整，减小了电场测量传感器10的工艺制备难度。
51.继续参考图1至图5所示，检测结构300还包括质量块330，质量块330位于悬臂梁310远离压电层320一侧，并且质量块330与顶表面310b接触。
52.其中，检测结构300还包括质量块330，质量块330基于不同的重量可以保证电场测量传感器10更加稳定的去测量不同频率下的交流电场，例如高频交流电场和低频交流电场，本发明实施例对电场的频率不进行具体的限定。参考图1至图5所示，质量块330与悬臂梁310的顶表面310b接触。
53.继续参考图1至图5所示，电场测量传感器10工作在第一检测环境下，检测结构300包括第一质量块330，第一质量块330的质量为第一质量；电场测量传感器10工作在第二检测环境下，检测结构300包括第二质量块330，第二质量块330的质量为第二质量；其中，第一检测环境的电场频率低于第二检测环境的电场频率，第一质量小于第二质量。
54.示例性的，第一检测环境的电场频率低于第二检测环境的电场频率，为保证电场测量传感器10稳定准确的工作，则在第一检测环境下选择的质量块330的重量小于在第二检测环境下选择的质量块330的重量。具体的，量传感器10工作在第一检测环境下，检测结构300包括第一质量块330，第一质量块330的质量为第一质量，则第一质量小于第二质量。基于具体的电场频率和质量块330的质量大小，本发明实施例对此不进行具体的限定。
55.进一步的，第一质量块的密度与第二质量块的密度相同；第一质量块的尺寸小于
第二质量块的尺寸；或者第一质量块的尺寸与第二质量块的尺寸相同；第一质量块的密度小于第二质量块的密度。
56.其中，质量块330的质量大小可以取决于质量块330的密度和尺寸。具体的，第一质量块的质量要小于第二质量块的质量，可以在第一质量块和第二质量块的密度相同时，将第一质量块的尺寸设置的小于第二质量块的尺寸。同样的，可以在第一质量块和第二质量块的尺寸相同时，将第一质量块的密度选择小于第二质量块的密度。
57.继续参考图1至图5所示，驻极体200的材质包括有机材质或者无机材质。
58.具体的，驻极体200可以采用无机材质进行制备，可以实现正驻极体210和负驻极体220之间存在稳定的静电场a。同样的，驻极体200也可以采用有机材质进行制备，并且有机材质具有保存电荷量多，保存电荷时间久的有点，即采用有机材质制备的正驻极体210和负驻极体220之间形成的电场场强更大，持续的时间更久。
59.继续参考图1至图5所示，压电层320的材质包括有机材质或者无机材质。
60.具体的，压电层320可以采用无机材质进行制备，并且无机材料制备的压电层320具有机械能和电能转换的较高灵敏度，保证电场测量传感器10工作的稳定性，进一步的，压电层320也可以采用有机材质进行制备，并且有机材料制备的压电层320具有制备过程中参数易控制，制备成本低的优点。
61.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。