[实用新型]一种微机械振动式电场传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电场传感器，特别是一种微机械振动式电场传感器。

背景技术

电场传感器是测量电场强度的装置,它广泛应用于国防、航空航天、气象探测、电力、地震预报、科学研究以及工业生产等多个领域,具有非常重要的作用。比如,借助电场传感器对地面和空中大气电场变化的监测,可以获取准确的气象信息,从而为导弹、卫星等飞行器发射升空提供安全保障；在工业生产领域,利用静电场传感器监测工业环境中的电势分布和电场分布，有助于我们及时采取有效的措施预防事故的发生；还有通过测量电力系统和电器设备周围电场,可用于故障监测和诊断等等。此外，电场检测在静电防护、电磁环境监测、以及科学研究等方面也具有十分重要的应用。微型电场传感器是基于MEMS技术制备的一类电场传感器，相对于采用传统机械加工技术的加工的电场传感器，是加工方式的改变。微型电场传感器具有体积小、成本低、功耗低、易于集成化、易于批量生产等突出优点，很好地满足了电场传感器的发展趋势和需求，进一步拓宽了其应用领域。

谐振式微型电场传感器是基于谐振工作原理的微型电场传感器,该类传感器是基于获得最大电场感应灵敏度而设计的。由于振动式电场传感器要求时刻屏蔽层中的活动结构处在谐振状态，同时在谐振状态时同样的能量能够获得更大的振动幅度，从而达到大的灵敏度。

专利号为ZL201210426733.2的一种振动式微机械电场传感器，包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层,所述屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁。利用平行板电容器加载静电来对屏蔽层中的活动结构的谐振频率进行调谐，通过振动速度信号的差分式反馈来对针对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐，实现振动式微机械电场传感器的常压封装，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性，解决了现存微机械电场传感器中的制造误差补偿和封装及输出信号稳定性等关键问题。但仍存在以下缺陷：此振动式微机械电场传感器，需要复杂的微机械结构和驱动电路来保证传感器工作。由于静电驱动力较小，支撑梁刚度较大，传感器的灵敏度难以设计成很大。

现有的振动式微机械电场传感器存在支撑梁刚度大，静电驱动力小，灵敏度小的问题。现有振动式微机械电场传感器中微结构和接口电路复杂，同等驱动电压下，静电驱动力较小，支撑梁的等效刚度较大，谐振结构的振动幅度小，限制了传感器灵敏度的提高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种微机械振动式电场传感器，本实用新型通过一级微机械杠杆对静电驱动力进行放大，通过两级回型梁取代典型直梁，交叉耦合小，传感器的灵敏度能大大提高且结构简单。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种微机械振动式电场传感器，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层、溅射在玻璃基座上的金电极层；其特征在于，所述结构层包括第一至第十锚点区、第一至第四支撑梁、矩形框架结构的质量块、第一至第四固定驱动电容极板、第一力放大杠杆、第二力放大杠杆，所述金电极层包括第一至第八电极；其中，

第一至第八电极均溅射在玻璃基座上，第三电极与第四电极构成差分结构，第一、第五、第六电极位于第三电极的左侧，第二、第七、第八电极位于第三电极的右侧；质量块设置在第三电极与第四电极的正上方且与玻璃基座上表面存有间距，在质量块的前后两侧对称各设置两条支撑梁，各侧的两条支撑梁相对于质量块的横向中心线是对称的，第一至第四支撑梁的外侧分别设有第一至第四锚点区，第五、第七、第八锚点区均位于第三电极的左侧，第六、第九、第十锚点区均位于第三电极的右侧，第一至四支撑梁的一端均与质量块连接，第一支撑梁的另一端与第一锚点区连接、第二支撑梁的另一端与第二锚点区连接，第三支撑梁的另一端与第三锚点区连接、第四支撑梁的另一端与第四锚点区连接；

第一力放大杠杆、第二力放大杠杆对称设置在质量块的左右两侧，第一力放大杠杆的一端与质量块的左侧连接，第一力放大杠杆的另一端与第五锚点区连接，第二力放大杠杆的一端与质量块的右侧连接，第二力放大杠杆的另一端与第六锚点区连接，第一力放大杠杆上附着梳齿且分别与第一、第二固定驱动电容极板形成差分电容对，第一、第二固定驱动电容极板依次通过第七、第八锚点区键合在基座上；第二力放大杠杆上附着梳齿且分别与第三、第四固定驱动电容极板形成差分电容对，第三、第四固定驱动电容极板依次通过第九、第十锚点区键合在基座上；