CN106093605A - 一种扭转式电场传感器 - Google Patents
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Abstract
一种扭转式电场传感器，其中，屏蔽电极(3)位于衬底(1)之外的平面上，且屏蔽电极(3)其中相对的两端分别与转动弹性梁(5)连接，转动弹性梁(5)各自通过固定描点(6)固定在衬底(1)上，该设置使屏蔽电极(3)能沿着转动弹性梁(5)进行扭转振动；感应电极(4)也在衬底(1)之外的平面上，且其与未扭转振动的屏蔽电极(3)的侧壁位置正对，并通过固定锚点(6)与衬底(1)固定连接；以及驱动结构(2)用于驱动屏蔽电极(3)进行所述扭转振动。所述传感器能实现往复屏蔽感应电极，具有体积小、感应效率高、制造简单、成本低的优势，有利于批量化生产、封装和集成。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域和微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)领域，尤其涉及一种扭转式电场传感器。
背景技术
电场传感器是一种用来测量电场强度的器件，在气象探测、航空航天、工业生产、智能电网、国防军事和科学研究方面具有十分重要的作用。
依据工作原理的不同，电场传感器可以分为光学式与电荷感应式两大类。早期的基于电荷感应原理的传统电场传感器，比如双球式、火箭式、旋片式等，最突出的问题在于体积较大、成本较高；随着MEMS技术的发展，基于MEMS技术的电场传感器纷纷被提出，以其中性能出色的基于SOI(Silicon-On-Insulator)工艺静电梳齿激励式电场传感器为例，相对传统电场传感器体积减小、更易制造和集成，但受限于芯片面积和工作方式，也带来灵敏度不够高的缺点。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种扭转式电场传感器。
为实现上述目的，本发明提供一种扭转式电场传感器，包括衬底(1)，驱动结构，屏蔽电极，感应电极，多个转动弹性梁和多个固定锚点，其中：
所述的屏蔽电极位于衬底之外的平面上，且屏蔽电极其中相对的两端分别与转动弹性梁连接，转动弹性梁各自通过固定描点固定在衬底上，该设置使屏蔽电极能沿着转动弹性梁进行扭转振动；
所述的感应电极也在衬底之外的平面上，且其与未扭转振动的屏蔽电极的侧壁位置正对，并通过固定锚点与衬底固定连接；以及
所述的驱动结构用于驱动屏蔽电极进行所述扭转振动。
优选的，所述衬底与所述屏蔽电极、感应电极之间绝缘。
优选的，所述的驱动结构为静电驱动结构、压电驱动结构、热驱动结构和/或磁力驱动结构。
优选的，所述驱动结构包括可动部分和不可动部分，不可动部分固定于所述衬底上，可动部分与所述屏蔽电极和转动弹性梁连接；所述可动部分和不可动部分之间通过静电驱动、压电驱动、热驱动和/或磁力驱动，经驱动后的可动部分带动所述屏蔽电极运动。
优选的，所述驱动结构包括一对或者多对可动和不可动部分。
优选的，固定锚点设置为多组，在屏蔽电极、感应电极与衬底之间起支撑和连接作用。
优选的，所述的转动弹性梁为直梁、折梁、双折梁、蟹状梁和/或蛇形梁的弹性梁结构。
优选的，所述的屏蔽电极与感应电极组成的感应电极对布置一组或者多组。
通过上述技术方案，本发明的扭转式电场传感器的有益效果在于：
(1)通过屏蔽电极扭转式设计，能够提高单根感应电极上电荷变化量的幅值，从而提高传感器测量的灵敏度。
(2)由于扭转式振动属于上下离面振动，因而感应电极和屏蔽电极可以在平面上实现小宽度、小间距、高密度的布置，从而提高平面利用率，可以实现传感器面积和体积的缩小。
(3)通过使用MEMS技术进行制造，有益于实现批量化制造和***集成，同时降低成本。
附图说明
图1是本发明的扭转式电场传感器的一个具体实施例的结构示意图；
图2是图1所示具体实施例中，驱动结构带动屏蔽电极发生整体扭转的驱动原理图；
图3a和3b是图1所示具体实施例中，感应电极在电场中感应电荷的原理图，其中图3a为屏蔽电极发生偏转的实体图，图3b为对应剖面图下感应电极在电场中感应电荷的示意图；
图4是本发明的扭转式电场传感器的另一个具体实施例的结构示意图；
图5是本发明的扭转式电场传感器的另一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明中提出的扭转式电场传感器是一种基于电荷感应原理的电场传感器，其工作原理是：
由于驱动结构可对屏蔽电极进行驱动，所以当对驱动结构施加激励时，会带动屏蔽电极发生整体扭转，从而导致屏蔽电极与感应电极之间位置的改变，进而导致感应电极上的感应电荷发生改变。
本发明中提出的扭转式电场传感器，包括衬底，驱动结构，屏蔽电极，感应电极，转动弹性梁和固定锚点，其中：
所述的屏蔽电极位于衬底之外的平面上，且屏蔽电极其中相对的两端分别与转动弹性梁相连(两者连接方式可以是直接连接也可以是通过其它部件间接连接)，转动弹性梁各自通过固定描点固定在衬底上，该设置使屏蔽电极能沿着转动弹性梁进行扭转振动；
所述的感应电极也在衬底之外的平面上，且其与未扭转振动的屏蔽电极的侧壁位置正对，并通过固定锚点与衬底固定连接；以及
所述的驱动结构用于驱动屏蔽电极进行所述扭转振动。
优选的，所述的衬底与所述的屏蔽电极、感应电极之间绝缘。
所述的驱动结构可以为现有技术中所采用的各种驱动结构，优选的为静电驱动结构、压电驱动结构、热驱动结构和/或磁力驱动结构。
所述驱动结构包括彼此分离的可动部分和不可动部分，不可动部分固定于所述衬底上，可动部分固定于所述屏蔽电极上。
优选的，所述可动部分和不可动部分之间可以通过现有技术中所采用的各种驱动方式，优选的通过静电驱动、压电驱动、热驱动和/或磁力驱动，经驱动后的可动部分带动所述屏蔽电极运动。
所述的驱动结构布置一对或者多对可动和不可动部分。
固定锚点设置为多组，在屏蔽电极、感应电极与衬底之间起支撑和连接作用。
所述的转动弹性梁为直梁、折梁、双折梁、蟹状梁和/或蛇形梁，并且具有形变能力的弹性梁结构。
所述的屏蔽电极与感应电极组成的感应电极对布置一组或者多组。
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1是本发明的扭转式电场传感器的一个具体实施例的结构示意图，其中包括四组驱动结构、两组感应电极对。
如图所示，实施例中包括衬底1，驱动结构2，屏蔽电极3，感应电极4，转动弹性梁5，固定锚点6，其中驱动结构2采用静电驱动，由上驱动电极与下驱动电极组成，且上驱动电极为可动部分、下驱动电极为不可动部分。
本实施例中，屏蔽电极3、上驱动电极、转动弹性梁5相连，且通过固定锚点6与衬底1连接；感应电极4与屏蔽电极3侧壁正对，且与衬底1之间通过固定锚点6连接。
本实施例中，屏蔽电极3及感应电极4为条状结构；转动弹性梁5为直梁；驱动结构中的上驱动电极和下驱动电极为平板结构。
图2为在图1的实施例中，上驱动电极带动屏蔽电极3发生整体扭转的驱动原理图，图中对上驱动电极两侧的受力情况进行了示意性标注。
其中，左右两侧独立的下驱动电极分别施加不同的交变电压Va1、Va2，因而对上驱动电极的左右两部分分别产生对应大小的静电力Fe1、Fe2，如图所示为Fe1＞Fe2的情况下，上驱动电极左侧靠近下驱动电极、右侧远离下驱动电极而逆时针扭转；扭转发生的同时，由转动弹性梁5的扭矩作用而施加在上驱动电极两侧上的弹性力Fm产生，且大小相同、方向相反，随着扭转角度的变化，弹性力也增大，最终与静电力的合力平衡，达到最大扭转角度；随后，由于电压Va1、Va2的变化，静电力Fe1、Fe2的强弱关系随之改变，从而使得上驱动电极往初始位置恢复，然后进行顺时针相反的扭转；这样周而复始的扭转振动带来屏蔽电极3与感应电极4之间相对位置的不断变化。
图3a和图3b是感应电极4在电场中感应电荷的原理图。
图3a为屏蔽电极3发生偏转的实体图。因在下驱动电极上施加不同的交变电压，使得上驱动电极平面扭转，导致屏蔽电极3与感应电极4之间相对位置发生改变，从而引起感应电极4所产生感应电荷量的变化。
图3b为对应剖面图下感应电极4在电场中感应电荷的示意图。如图所示，因屏蔽电极3始终接地，在逆时针扭转的状态下，左侧的感应电极4因更多的外电场到达且集中，将产生较多的感应电荷；右侧的感应电极4因屏蔽电极的遮挡屏蔽作用，到达的外电场大量减弱，所以感应的电荷较少。当屏蔽电极3做周期性扭转振动时，左、右两侧的感应电极4所感应的电荷量也将产生周期性变化，从而形成与待测电场E强度成正比的感应电流。
图4是本发明的扭转式电场传感器的另一个具体实施例的结构示意图，其包括四组静电驱动结构、两组感应电极对，与图1实施例的工作原理相同，但区别在于，其驱动结构中的上驱动电极设计为带方形孔的平板结构，意在减小实际工作状态下的空气阻尼，能降低非真空状态下传感器的驱动电压。
图5是本发明的扭转式电场传感器的另一个具体实施例的结构示意图，包括两组静电驱动结构、两组感应电极对，该实施例中的传感器由于采用的依然是静电驱动结构，因而动力学原理与图1、图4中的实施例一致，但区别在于以下两点：
(1)该实施例中驱动结构位于感应电极对中间而靠近扭转轴，欲使其屏蔽电极发生与前两个实施例同等的离面位移，其驱动结构中可动结构需要发生的离面位移更小，因而可以降低驱动电压；
(2)该实施例中的转动弹性梁采用的是折梁，相对于前两个实施例中的直梁结构，其更易发生扭转且扭转角度可以更大。
综上所述，考虑电场传感器实际应用的情况，本发明中提出的扭转式电场传感器具有体积小、感应效率高、制造简单、成本低的优势，有利于批量化生产、封装和集成，有利于电场传感器在气象探测、航空航天、工业生产、智能电网、国防军事和科学研究等方面的广泛应用。
另外需要说明的是，本专利中权利要求书、附图、说明书中相似、相同部分使用相同标号，附图中未标示或描述的部分，亦应为所属技术领域内普通技术人员所知的形式。且以上所述的实施例并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种扭转式电场传感器，其特征在于，包括衬底(1)，驱动结构(2)，屏蔽电极(3)，感应电极(4)，多个转动弹性梁(5)和多个固定锚点(6)，其中：
所述的屏蔽电极(3)位于衬底(1)之外的平面上，且屏蔽电极(3)其中相对的两端分别与转动弹性梁(5)连接，转动弹性梁(5)各自通过固定描点(6)固定在衬底(1)上，该设置使屏蔽电极(3)能沿着转动弹性梁(5)进行扭转振动；
所述的感应电极(4)也在衬底(1)之外的平面上，且其与未扭转振动的屏蔽电极(3)的侧壁位置正对，并通过固定锚点(6)与衬底(1)固定连接；以及
所述的驱动结构(2)用于驱动屏蔽电极(3)进行所述扭转振动。
2.根据权利要求1所述的扭转式电场传感器，其特征在于，所述的衬底(1)与所述的屏蔽电极(3)、感应电极(4)之间绝缘。
3.根据权利要求1所述的扭转式电场传感器，其特征在于，所述的驱动结构(2)为静电驱动结构、压电驱动结构、热驱动结构和/或磁力驱动结构。
4.根据权利要求1所述的扭转式电场传感器，其特征在于，所述驱动结构(2)包括可动部分和不可动部分，不可动部分固定于所述衬底上，可动部分与所述屏蔽电极(3)和转动弹性梁(5)连接；所述可动部分和不可动部分之间通过静电驱动、压电驱动、热驱动和/或磁力驱动，经驱动后的可动部分带动所述屏蔽电极(3)运动。
5.根据权利要求4所述的扭转式电场传感器，其特征在于，所述的驱动结构(2)包括一对或者多对可动和不可动部分。
6.根据权利要求1所述的扭转式电场传感器，其特征在于，固定锚点(6)设置为多组，在屏蔽电极(3)、感应电极(4)与衬底(1)之间起支撑和连接作用。
7.根据权利要求1所述的扭转式电场传感器，其特征在于，所述的转动弹性梁(5)为直梁、折梁、双折梁、蟹状梁和/或蛇形梁的弹性梁结构。
8.根据权利要求1所述的扭转式电场传感器，其特征在于，所述的屏蔽电极(3)与感应电极(4)组成的感应电极对布置一组或者多组。
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