一种压电驱动的水平谐振式微型电场传感器及其工作方法

1.本发明涉及电场传感器领域，特别涉及一种压电驱动的水平谐振式微型电场传感器及其工作方法。


背景技术：

2.基于电荷感应原理的mems电场传感器，通常包括屏蔽电极、感应电极和驱动结构。在驱动结构的带动下，屏蔽电极周期性地遮挡感应电极，使感应电极上感应电荷发生周期性变化。水平振动式电场传感器在工作时，屏蔽电极与感应电极间发生平行相对振动，相较于垂直振动模式，具有空气阻尼小的优点；其驱动信号可以不同于感应信号频率，有利于降低驱动信号对感应信号的干扰。
3.现有的水平振动式微型电场传感器通常采用热驱动或静电驱动方式。热驱动的驱动结构简单，但响应速度慢；静电驱动响应速度快，但所需驱动电压高（一般高于20vp-p），这些缺陷阻碍了水平振动式微型电场传感器与标准cmos电路或其他电气量传感器的集成应用。因此，发展一种兼具响应速度快、驱动电压低、功耗低的水平振动式微型电场传感器，对提升水平振动式电场传感器与标准coms集成电路的兼容性和推进其集成应用尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对上述现有技术中，压电驱动方式仅能用于垂直谐振式电场传感器而无法用于水平谐振式电场传感器的问题，提供一种压电驱动的水平谐振式微型电场传感器及其工作方法；本发明所提供的微型电场传感器兼具驱动信号与感应信号间相互干扰小、响应速度快、驱动电压低和功耗低的特点。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种压电驱动的水平谐振式微型电场传感器，包括感应电极、屏蔽电极和压电驱动结构：所述感应电极固定设置；屏蔽电极平行设置于感应电极的一侧；屏蔽电极的两侧均设有所述压电驱动结构，压电驱动结构能够驱动屏蔽电极发生振动，屏蔽电极的振动方向与感应电极平行；压电驱动结构包括支撑梁、第一压电驱动梁和第二压电驱动梁，支撑梁固定设置于屏蔽电极的一侧，第一压电驱动梁和第二压电驱动梁的结构相同，第一压电驱动梁和第二压电驱动梁对称分布于支撑梁两侧，第一压电驱动梁和第二压电驱动梁均与屏蔽电极的运动方向垂直，第一压电驱动梁的一端与支撑梁连接，第一压电驱动梁的另一端与屏蔽电极连接，第二压电驱动梁的一端与支撑梁连接，第二压电驱动梁的另一端与屏蔽电极连接。
6.优选的，第一压电驱动梁和第二压电驱动梁沿厚度方向均包括依次设置的驱动电极组层、压电薄膜、下驱动电极、绝缘层和弹性梁，驱动电极组层与屏蔽电极的振动平面平行，所述驱动电极组层包括第一上驱动电极组和第二上驱动电极组，第一上驱动电极组包
括设置在压电薄膜一组对角位置的两块第一上驱动电极，第二上驱动电极组包括设置在压电薄膜另一组对角位置的两块第二上驱动电极，第一上驱动电极和第二上驱动电极的形状相同且均为条状；第一压电驱动梁的第一上驱动电极并联，第二压电驱动梁的第二上驱动电极并联。
7.优选的，所述感应电极包括第一感应电极组和第二感应电极组，第一感应电极组包括若干条状的第一感应电极，若干条状的第一感应电极并联，第二感应电极组包括若干条状的第二感应电极，若干条状的第二感应电极并联，第一感应电极和第二感应电极相间，第一感应电极和第二感应电极相间且平行设置；屏蔽电极包括若干条状的屏蔽电极条以及相互平行的第一栅条和第二栅条，若干条状的屏蔽电极条相互平行且间隔设置，每个屏蔽电极条的两端分别与第一栅条和第二栅条连接，屏蔽电极条与第一栅条以及第二栅条垂直，第一栅条和第二栅条的两端均设有压电驱动结构，第一压电驱动梁的一端与支撑梁连接，第一压电驱动梁的另一端与第一栅条连接，第二压电驱动梁的一端与支撑梁连接，第二压电驱动梁的另一端与第二栅条连接；屏蔽电极条、第一感应电极和第二感应电极平行，屏蔽电极条、第一感应电极和第二感应电极的宽度相同，屏蔽电极条的长度不小于第一感应电极的长度，屏蔽电极条的长度不小于第二感应电极的长度，屏蔽电极条能够全覆盖于第一感应电极或第二感应电极的正上方，相邻的屏蔽电极条之间的间隙不小于屏蔽电极条的宽度，屏蔽电极条、第一感应电极和第二感应电极的数量相同。
8.优选的，当所述压电驱动的水平谐振式微型电场传感器在非工作状态下时，屏蔽电极条位于相邻的第一感应电极和第二感应电极交界位置的正上方。
9.优选的，所述第一感应电极组的形状采用梳齿状，第一感应电极组包括梳柄部分和梳齿部分，所述梳柄部分包括第一条状连接带；所有第一感应电极的一端与第一条状连接带连接，所有第一感应电极构成第一感应电极组的梳齿部分，相邻的第一感应电极之间的间距大于第二感应电极的宽度。
10.优选的，所述第二感应电极组的形状采用梳齿状，第二感应电极组包括梳柄部分和梳齿部分，所述梳柄部分包括第二条状连接带；所有第二感应电极的一端与第二条状连接带连接，所有第二感应电极构成第二感应电极组的梳齿部分，相邻的第二感应电极之间的间距大于第一感应电极的宽度。
11.优选的，所述压电驱动的水平谐振式微型电场传感器还包括基板，基板的形状为矩形框，基板的一组对边之间连接有支撑层，所述感应电极设置于支撑层的表面，屏蔽电极与感应电极位于支撑层的同一侧；所述压电驱动结构的支撑梁与基板固定连接。
12.本发明所述的一种压电驱动的水平谐振式微型电场传感器的工作方法，包括如下过程：对所有的第一压电驱动梁和第二压电驱动梁施加交流驱动电压，使屏蔽电极与感应电极之间发生周期性的、平行的相对振动，感应电极上的电荷产生周期性变化，根据感应电极上电荷的周期性变化情况，获取检测待测空间电场强度。
13.优选的，第一压电驱动梁和第二压电驱动梁沿厚度方向均包括依次设置的驱动电极组层、压电薄膜、下驱动电极、绝缘层和弹性梁，驱动电极组层与屏蔽电极的振动平面平行，所述驱动电极组层包括第一上驱动电极组和第二上驱动电极组，第一上驱动电极组包
括设置在压电薄膜一组对角位置的两块第一上驱动电极，第二上驱动电极组包括设置在压电薄膜另一组对角位置的两块第二上驱动电极，第一上驱动电极和第二上驱动电极的形状相同且均为条状；第一压电驱动梁的第一上驱动电极并联，第二压电驱动梁的第二上驱动电极并联；对所有的第一压电驱动梁和第二压电驱动梁施加交流驱动电压时，对每个第一压电驱动梁和第二压电驱动梁的第一上驱动电极组和第二上驱动电极组施加幅值相同、极性相反的交流驱动电压，使第一压电驱动梁和第二压电驱动梁以d
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模式进行平行于屏蔽电极的振动平面的弯曲振动，使屏蔽电极与感应电极之间发生周期性的、平行的相对振动。
14.本发明具有如下有益效果：本发明压电驱动的水平谐振式微型电场传感器中，屏蔽电极在其运动方向的两侧均设有压电驱动结构，压电驱动结构的第一压电驱动梁、第二压电驱动梁是一种悬臂结构，因此能够通过压电驱动结构的第一压电驱动梁、第二压电驱动梁来驱动屏蔽电极与感应电极间发生平行相对振动，由于是压电驱动，因此本发明具有响应速度快、驱动信号与感应信号间相互干扰小、驱动电压低（可低至1vp-p）和功耗低的特点。
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
附图说明
16.图1为本发明压电驱动的水平谐振式微型电场传感器的俯视结构示意图。
17.图2为本发明实施例中所采用的屏蔽电极的平面结构示意图。
18.图3为本发明实施例中第一感应电极组、第二感应电极组以及支撑层的平面结构布置示意图。
19.图4为图1沿a-b处的截面结构及驱动信号示意图，对第一上驱动电极组和第二上驱动电极组施加幅值相等、极性相反的交流电压。
20.图5为本发明实施例中压电驱动梁的分布式激励区域示意图。
21.图6为本发明实施例中屏蔽电极位于初始位置时，图1沿c-d处的截面结构及工作原理示意图。
22.图7为本发明实施例中施加图4所示驱动信号时，压电驱动梁沿x轴负方向的弯曲振动示意图。
23.图8为本发明实施例中屏蔽电极沿x轴负方向振动时，图1沿c-d处的截面结构及工作原理示意图。
24.附图中本发明公开的实施例的主要元件结构符号说明如下：1-基板；2-1-第一支撑梁，2-2-第二支撑梁；3-1-第一压电驱动梁，3-2-第二压电驱动梁；4-支撑层；5-屏蔽电极，5-1-屏蔽电极条，5-2-1-第一栅条，5-2-2-第二栅条；6-第一感应电极组，6-1-第一感应电极，6-2-第一条状连接带；7-第二感应电极组，7-1-第二感应电极，7-2-第二条状连接带；8-第一上驱动电极组，8-1-第一上驱动电极；9-第二上驱动电极组，9-1-第二上驱动电极；10-压电薄膜；11-下驱动电极；12-绝缘层；13-弹性梁；14-前置放大电路；15-差分放大电路。
25.附图中所标注x轴、y轴及z轴的正方向符合右手规则，构成空间直角坐标系，仅用以标示本发明所公开的压电驱动的水平谐振式微型电场传感器中各结构的相对空间位置
及振动方向。
26.在本说明书的描述中，术语“水平谐振”、“水平振动”、“水平方向”、“左”、“右”等用以指代压电驱动梁或屏蔽电极沿附图中x轴的正方向或负方向振动；术语“上表面”、“上侧”、“正上方”等用以指代附图中z轴正方向。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案及优点更加易于理解，结合附图和以下实施例，对本发明进行进一步说明。
28.参照图1-图8，本发明压电驱动的水平谐振式微型电场传感器包括基板1，基板1的形状为矩形框，该矩形框的形状可以为长方形或者正方形，以图1所示方位为例，基板1的上下的这一组对边之间连接有支撑层4，支撑层4上设有第一感应电极组6和第二感应电极组7，第一感应电极组6包括若干条状的并联的第一感应电极6-1，第二感应电极组7包括若干条状的并联的第二感应电极7-1，详见图3，第一感应电极6-1和第二感应电极7-1的数量均为12条，12条第一感应电极6-1和12条第二感应电极7-1相间、平行设置于支撑层4的表面，第一感应电极6-1和第二感应电极7-1均与基板1的另一组对边（即左右两侧的对边）平行；具体的，参照图1和图3，以图3所示方位为例，本发明第一感应电极组6和第二感应电极组7的形状均采用梳齿状，第一感应电极组6和第二感应电极组7均包括梳柄部分和梳齿部分，第一感应电极组6和第二感应电极组7的梳齿部分在平面内依次交错排列且互不连接。12条条状的第一感应电极6-1间隔设置且上端与第一条状连接带6-2连接，12条第一感应电极6-1构成第一感应电极组6的梳齿部分，相邻第一感应电极6-1之间的间距大于第二感应电极7-1的宽度；第二感应电极组7的梳柄部分包括第二条状连接带7-2；12条条状的第二感应电极7-1间隔设置且下端与第二条状连接带7-2连接，12条第二感应电极7-1构成第二感应电极组7的梳齿部分，相邻第二感应电极7-1之间的间距大于第一感应电极6-1的宽度。第一感应电极组6与第二感应电极组7的形状、梳齿数完全相同，可通过平移、旋转操作后完全重合。
29.参见图1、图2，结合图6和图8，支撑层4上在第一感应电极组6和第二感应电极组7的上方设有屏蔽电极5，屏蔽电极5悬空在第一感应电极组6和第二感应电极组7的上方，屏蔽电极5采用梯子状的栅格结构，包括间隔设置的若干条状且相互平行的屏蔽电极条5-1、以及分别设置于若干条状且相互平行的屏蔽电极条5-1上下两端（以图2所示方位为例）的第一栅条5-2-1和第二栅条5-2-2，屏蔽电极条5-1的上下两端分别与第一栅条5-2-1和第二栅条5-2-2垂直连接；屏蔽电极条5-1的长度不小于第一感应电极6-1以及第二感应电极7-1的长度，屏蔽电极条5-1能够全覆盖于第一感应电极6-1或第二感应电极7-1的正上方，相邻的屏蔽电极条5-1之间的间隙不小于屏蔽电极条5-1的宽度，屏蔽电极条5-1、第一感应电极6-1和第二感应电极7-1的数量相同。参见图1，屏蔽电极5的第一栅条5-2-1和第二栅条5-2-2刚好分别遮挡在第一感应电极组6的第一条状连接带6-2以及第二感应电极组7的第二条状连接带7-2的正上方。
30.参见图1，基板1上在屏蔽电极5左右两端的中部正对的位置均设有支撑梁，支撑梁上对称连接有压电驱动梁，其中左右两侧的支撑梁分别记为第一支撑梁2-1和第二支撑梁
2-2，第一支撑梁2-1的上下两侧对称连接有第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2，第一压电驱动梁3-1的下端与第一支撑梁2-1连接，第一压电驱动梁3-1的上端与第一栅条5-2-1的左端连接，第二压电驱动梁3-2的上端与第一支撑梁2-1连接，第二压电驱动梁3-2的下端与第二栅条5-2-2的左端连接；第二支撑梁2-2的上下两侧对称连接有第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2，第一压电驱动梁3-1的下端与第二支撑梁2-2连接，第一压电驱动梁3-1的上端与第一栅条5-2-1的右端连接；第二压电驱动梁3-2的上端与第二支撑梁2-2连接，第二压电驱动梁3-2的下端与第二栅条5-2-2的右端连接；第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2的结构相同且均与屏蔽电极条5-1平行；参见图4、图5以及图7，第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2沿它们的厚度方向包括依次设置的驱动电极组层、压电薄膜10、下驱动电极11、绝缘层12和弹性梁13，驱动电极组层与屏蔽电极5所在平面平行，所述驱动电极组层包括第一上驱动电极组8和第二上驱动电极组9，第一上驱动电极组8和第二上驱动电极组9的材质相同，可采用金属或重掺杂硅的导电材料。参见图5和图7，第一上驱动电极组8包括设置在压电薄膜10一组对角位置的两块第一上驱动电极8-1，第二上驱动电极组9包括设置在压电薄膜10另一组对角位置的两块第二上驱动电极9-1，第一上驱动电8-1和第二上驱动电极9-1的形状相同且均为条状；所有第一上驱动电极8-1并联，所有第二上驱动电极9-1并联，第一上驱动电极8-1和第二上驱动电极9-1互不相连；以图1所示方位为例，第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2关于第一支撑梁2-1上下对称，两个第一压电驱动梁3-1左右对称，两个第二压电驱动梁3-2左右对称。参见图7，过第一上驱动电极组8、第二上驱动电极组9和下驱动电极11对第二压电驱动梁3-2施加驱动信号；其中，下驱动电极11接地，对所述第一上驱动电极组8和第二上驱动电极组9分别施加幅值相等、极性相反的交流驱动电压，从而使由同一侧的第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2构成的压电驱动梁产生水平方向的弯曲振动。
31.因此，利用第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2在交流驱动信号的作用下产生水平方向的弯曲振动，带动屏蔽电极5在水平方向上进行周期性的往复运动，使第一感应电极组6和第二感应电极组7上分别产生与待测电场强度相关的感应电流，并以差分形式输出。因此通过本发明第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2能够驱动屏蔽电极5沿平行于第一感应电极组6和第二感应电极组7的平面振动，振动方向为垂直于第一感应电极6-1和第二感应电极7-1的方向（即图1所示的左右方向）。
32.参见图1、图6和图8，本发明的上述方案中，屏蔽电极条5-1、第一感应电极6-1和第二感应电极7-1的数量相同，相邻的第一感应电极6-1和第二感应电极7-1的上方对应一个屏蔽电极条5-1。参见图8，当所述压电驱动的水平谐振式微型电场传感器在非工作状态下时（即未施加驱动信号时），相邻的第一感应电极6-1和第二感应电极7-1上方对应的屏蔽电极条5-1位于所述相邻的第一感应电极6-1和第二感应电极7-1交界位置的正上方，对第一感应电极组6和第二感应电极组7起到等效的屏蔽作用，差分形式输出的电流为零。
33.本发明的上述压电驱动的水平谐振式微型电场传感器驱动方式为压电驱动，工作模式为水平谐振模式。
34.参照图6所示，屏蔽电极5的梳齿（即屏蔽电极条5-1）、第一感应电极组6的梳齿（即第一感应电极6-1）和第二感应电极组7的梳齿（即第二感应电极7-1）的宽度相等，均为w；屏
蔽电极5的相邻梳齿间距（即相邻屏蔽电极条5-1之间的间距）为d1；相邻的第一感应电极组6的梳齿与第二感应电极组7放热梳齿之间的间距为d2。其中，上述各尺寸参数符合如下关系：d1=w+2d2。
35.参照图6-图8所示，本实施例的压电驱动微型电场传感器工作原理如下：非工作状态下，第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2均不发生弯曲，屏蔽电极5位于图6所示的初始位置，即屏蔽电极条5-1位于第一感应电极6-1和第二感应电极7-1交接处的正上方，每个屏蔽电极条5-1对其下方的第一感应电极6-1和第二感应电极7-1起到等效的屏蔽作用，如图6所示。理想状态下，此时第一感应电极组6与第二感应电极组7上的感应电荷量相等。
36.工作状态下，通过第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2上的第一上驱动电极组8和第二上驱动电极组9施加幅值相同、极性相反的交流驱动电压，由于逆压电效应，不同区域的压电薄膜将分别发生沿y轴方向的伸长或缩短，进而使由同一侧的第一压电驱动梁3-1和第二压电驱动梁3-2构成的压电驱动梁以d
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模式进行水平方向的弯曲振动（如图7所示），并带动屏蔽电极5进行周期性水平振动。
37.在本实施例电场传感器的一种工作模式下，屏蔽电极5的振幅为（w2+d2）/2。如图8所示，屏蔽电极5自初始位置向左移动时，对第一感应电极6-1的屏蔽面积增大，从而第一感应电极组6上的感应电荷量减少，直至振动位移为（w2+d2）/2时，第一感应电极组6上的感应电荷量达到最少；对第二感应电极7-1的屏蔽面积减小，从而第二感应电极组7上的感应电荷量增多，直至振动位移为（w2+d2）时，第二感应电极组7上的感应电荷量达到最大。反之，屏蔽电极5自初始位置向右移动时，对第一感应电极6-1的屏蔽面积减小，第一感应电极组6上的感应电荷量增多；对第二感应电极7-2的屏蔽面积增大，第二感应电极组7上的感应电荷量减少。随屏蔽电极5的周期性水平振动，第一感应电极组6和第二感应电极组7上的电荷产生周期性变化，将第一感应电极组6和第二感应电极组7的感应电流以差分形式输出，通过检测输出电流的大小，即可检测待测空间电场强度。该种工作模式下，输出信号与驱动信号频率相同。
38.在本实施例电场传感器的另一种工作模式下，屏蔽电极5的振幅为（w2+d2）/2的n倍（n为正整数），该种工作模式下，感应信号的频率为驱动信号的n倍，可以降低驱动信号对输出信号的干扰。例如：n为2时，屏蔽电极5自初始位置向左移动，振动位移小于（w2+d2）/2时，第一感应电极组6上的感应电荷量减少，第二感应电极组7上的感应电荷量增多；振动位移大于（w2+d2）/2且小于（w2+d2）时，第一感应电极组6上的感应电荷量增多，第二感应电极组7上的感应电荷量减少，此时感应信号的频率为驱动信号的2倍，对输出信号进行滤波，滤除与驱动信号同频的信号，即可有效降低驱动信号对输出信号的干扰。
39.本发明压电驱动的水平谐振式微型电场传感器具有以下特点：（1）本发明通过设置分布式驱动，实现了压电驱动梁的水平弯曲振动，并带动屏蔽电极5进行水平振动，解决了现有技术中压电驱动方式无法用于水平谐振式电场传感器的问题；使用压电驱动作为水平谐振式电场传感器的驱动方式，兼具响应速度快、稳定性好、驱动电压低(可低至1vp-p）、功耗低等优点。
40.（2）本发明屏蔽电极5采用水平谐振的工作模式，其驱动信号可以不同于感应信号频率，可以降低驱动信号对感应信号的干扰。
41.（3）本发明通过设置第一感应电极组6和第二感应电极组7这两组敏感结构，结构紧凑，充分利用了器件面积；第一感应电极组6和第二感应电极组7这两组感应电极的感应信号以差分形式输出，有利于提高输出信号的信噪比。
42.（4）本发明的电场传感器可以与标准coms集成电路兼容，且易于批量生产。
43.综上可以看出，本发明提出了一种切实可行的压电驱动方式，解决了现有技术中压电驱动方式无法用于水平谐振式电场传感器的问题；兼具驱动信号与感应信号间相互干扰小、响应速度快、稳定性好、驱动电压低、功耗低等优点，可以与标准coms集成电路兼容，且易于批量生产。