[发明专利]旋转谐振式三维电场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及电子行业传感器领域或微机电系统领域，尤其涉及一种单片集成的旋转谐振式三维电场传感器。

背景技术

电场强度的测量在气象、航空航天、智能电网、资源探测、工业生产等诸多领域具有重要的应用，制备出成本低廉、性能优良的电场传感器具有重要的意义。

张星等人在“一种小型三维电场传感器”(仪器仪表学报，2006，27(11)：1433-1436)中报道了一种采用传统机械结构的小型三维电场传感器，其尺寸为5cm×3.2cm，重量为80g。使用传统机械结构可以实现电场的三维测量，这种传感器制备技术较为成熟、精度较高，但是该传感器的体积较大。杨鹏飞等人在“A High Sensitivity SOI Electric-Field Sensor with Novel Comb-Shaped Microelectrodes”(Transducers’11，Beijing，2011，1034-1037)文中报道了一种基于微加工技术的微型电场传感器，分辨率为40V/m。已有的微型电场传感器能够满足一维方向的电场强度测量，并且已经具有较高灵敏度。但是这类传感器在测量电场时，当待测电场矢量的方向与传感器轴向不一致时，会产生一定的测量误差。在某些应用场合中，待测电场强度的方向未知，测量时并不能保证电场强度的方向与传感器轴向一致，因此微型三维电场传感器的制备具有重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种旋转谐振式三维电场传感器，以能够同时测量电场矢量三个分量的大小。

(二)技术方案

本发明公开了一种旋转谐振式三维电场传感器。该传感器包括：衬底；Z方向电场测量单元，位于传感器的中心位置，用于测量电场强度矢量的Z方向分量，包括：屏蔽电极和感应电极，其中：感应电极，固定于衬底上；屏蔽电极，悬空设置，可相对于感应电极做旋转谐振运动，以使感应电极表面电荷量周期性变化，产生感应电流；X方向电场测量单元和Y方向测量单元，位于衬底上Z方向电场测量单元的外围，其对称轴相互成90°设置，分别用于测量电场强度矢量的X方向和Y方向分量，均包括：屏蔽电极和感应电极，其中：感应电极，固定于衬底上；屏蔽电极，其一端与所述Z方向电场测量的屏蔽电极相连接，X方向电场测量单元、Y方向电场测量单元、Z方向电场测量单元中至少其一的屏蔽电极通过梁结构与外围的固定于衬底的锚点相连接；至少一组驱动机构，与X方向电场测量单元和Y方向电场测量单元其中之一的屏蔽电极匹配，用于对该屏蔽电极产生驱动力，使其相对于感应电极产生振动，并且该振动传递至除所在电场测量单元外的其他测量单元的屏蔽电极。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明旋转谐振式三维电场传感器具有以下有益效果：

(1)本发明传感器单片集成三个方向电场测量单元，集成度高，与已有的微型一维电场传感器相比，当待测电场方向与传感器衬底表面不垂直时，本发明传感器也能通过同时测量电场矢量的三个分量大小，实现精确测量；

(2)本发明传感器只需加载一组激励信号，便可驱动三个方向电场测量单元电极的振动，激励信号数量少，对待测电场的干扰小，同时将各电场测量单元的屏蔽电极连接在一起，各屏蔽电极的振动一致，各感应电极输出信号频率相同；

(3)本发明传感器的X方向、Y方向电场测量单元分别成对设置，形成差分结构，有益于减少干扰对测量的影响，提高测量精度；

(4)本发明传感器的Z方向电场测量单元无需与驱动电极耦合，其屏蔽电极在其他电场测量单元屏蔽电极的带动下旋转振动，这样设计减少了驱动电极数量，降低了功耗，缩小了体积；

(5)本发明传感器可由微加工技术制备，与成熟的IC工艺兼容，便于大批量、低成本生产，并且与已有的三维电场传感器相比，本发明传感器体积小、功耗低，有潜力应用于便携式仪器。

附图说明

图1为本发明实施例旋转谐振式三维电场传感器的结构示意图；

图2A和图2B为本发明实施例旋转谐振式三维电场传感器中梁结构的结构示意图；

图3为本发明实施例旋转谐振式三维电场传感器中Z方向电场测量单元的第一种结构示意图；

图4为图3所示Z方向电场测量单元感应原理的示意图；其中：

图4A为弱屏蔽状态的示意图；

图4B为强屏蔽状态的示意图。