CN111650447B - 一种声表面波固态电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种声表面波固态电场传感器,包括声表面波延迟线和敏感电极,声表面波延迟线包括衬底、压电元件、叉指换能器和感测区反射栅;压电元件布置于衬底上表面;敏感电极布置在压电元件上表面形成感测区,压电元件上表面还制备有叉指换能器和感测区反射栅,叉指换能器和感测区反射栅相对设置在感测区的两侧,叉指换能器的电端口通过阻抗网络连接到天线。本发明提供的声表面波固态电场传感器内部只有声表面波的传播和变换,不需要任何驱动检测电路,整个感测过程不会对外电场造成任何扰动,可实现对被测电场的无失真感测,且没有任何可动部件,不会受到环境振动的影响。
Description
技术领域
本发明属于电场传感器技术领域,特别是一种可实现无失真感测的声表面波固态电场传感器。
背景技术
自然万象多与电相关,人类的生产生活与电更是息息相关。电场的探测是人类认识和利用电的一种重要手段,特别是在航空航天、气象、石油化工、电力等领域具有重要的应用需求。通过测量并分析电场的时间变化和空间分布,可以更加深入地研究和解释与之相关的各类物理现象,进而更好地为人类社会服务。
随着MEMS(Microelectro Mechanical Systems)技术的快速发展,近年来MEMS电场传感器成为新的研究热点。目前国内外研究机构研究的重心主要集中在场磨式MEMS电场传感器和场驱式MEMS电场传感器两个方面。
场磨式MEMS电场传感器和传统的场磨式电场仪原理类似,只是将传统的机械结构芯片化,即将屏蔽电极的运动结构设计成为微梁支撑的质量块结构,通过静电力、热驱动、压电驱动等方式实现屏蔽电极的振动。如中国发明专利“振动屏蔽式电场传感器”(申请号:CN201110099538.9,公开日:2011.08.31)所述,其包括成对设置的屏蔽电极和感应电极,通过电致伸缩原理推动屏蔽电极作周期性地往复运动,得到感应电荷和电场的关系。再如中国发明专利“一种基于扭转振动的互屏蔽式电场传感器”(申请号:CN201810255986.5,公开日:2018.09.07)所述,在可动扭转电极扭转振动时,固定电极和可动扭转电极之间产生相对运动,两者相互屏蔽,同时在固定电极和可动扭转电极上产生感应电荷的变化,以此测量出电场的大小。
场驱式MEMS电场传感器利用被测电场对微结构的激励(静电力驱动、压电驱动等)而使可动部件运动,再通过电容检测、压阻效应、光电检测等方法检测运动位移,来实现电场感测。如中国发明专利“基于驻极体的MEMS电场传感器”(申请号:CN201410281318.1,公开日:2014.09.03)所述,当外加交流电场时金属细丝会产生相应频率和振幅的振动,通过检测金属细丝和基板上导电细条构成的电容的变化来测量外加交流电场的大小和幅值。
受需求牵引微型电场传感器是目前MEMS传感器领域的研究热点之一,各种各样的传感器结构层出不穷,传感器的性能也得到了很大的提升,有些成果也进行了产品化,实现了小批量生产和应用。然而,也要看到目前MEMS电场传感器本身固有的问题还没有得到很好的解决。①因传感器内部带有可动部件使其受外部振动的影响很大,尽管通过设计高性能的驱动电路可以改善抗振性,但还不能从根本上解决这个问题。②现有微传感器的驱动和检测部件因有电的参与,会对被测电场造成扰动,从而带来感测误差,而不能实现无失真感测。因此,开展微型化电场传感器研究,解决现有传感器抗干扰能力弱,不能无失真感测的问题,实现微传感器的高性能应用充满着机遇与挑战。
发明内容
针对解决现有微型电场传感器抗干扰能力弱,不能无失真感测的问题,本发明基于声表面波技术提出一种可实现电场无失真感测的新型固态电场传感器。
本发明采用以下技术方案,提供一种声表面波固态电场传感器,包括声表面波延迟线和敏感电极,所述声表面波延迟线包括衬底、压电元件、叉指换能器和感测区反射栅;
所述压电元件布置于所述衬底上表面;所述敏感电极布置在压电元件上表面形成感测区,所述压电元件上表面还制备有叉指换能器和感测区反射栅,所述叉指换能器和感测区反射栅相对设置在所述感测区的两侧,所述叉指换能器的电端口通过阻抗网络连接到天线。
进一步地,所述压电元件与所述敏感电极之间设置绝缘层。
进一步地,所述压电元件位于感测区的部分下面也设置敏感电极,其与压电元件位于感测区部分的上面设置的敏感电极位置相对应形成敏感电极对。
再进一步地,所述压电元件上方和下方设置有绝缘层,所述绝缘层位于所述敏感电极之间。
进一步地,所述声表面波固态电场传感器还包括布置于压电元件上表面的补偿区反射栅,所述补偿区反射栅设置在与感测区反射栅相对的叉指换能器的另一侧,所述补偿区反射栅和所述叉指换能器之间形成补偿区(即环境补偿区);所述压电元件布置补偿区反射栅、补偿区和叉指换能器的部分的上方和下方均设置屏蔽电极,所述屏蔽电极通过外电路进行短路连接;所述压电元件上方和下方设置有绝缘层,所述绝缘层位于所述屏蔽电极之间。
再进一步地,所述补偿区反射栅与叉指换能器之间的距离与感测区反射栅和叉指换能器之间的距离不同。
进一步地,所述压电元件为压电薄膜或压电基片。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
①传感器可实现电场的无失真感测。所提出的传感器采用声表面波实现电场的感测,传感器内部只有声表面波的传播和变换,不需要任何驱动检测电路,且由于声表面波比电磁波慢5个数量级,使得电场感测时的电磁波信号早已消失,所以整个感测过程不会对外电场造成任何扰动,可实现对被测电场的无失真感测。
②传感器不会受到环境振动影响。与一般MEMS传感器都带有可动质量块结构不同,本发明所提出的传感器为固态器件,没有任何可动部件,不会受到环境振动的影响,极大地扩展了传感器的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的声表面波固态电场传感器的结构示意图;
图2是本发明实施例二提供的声表面波固态电场传感器的结构示意图。
图3是本发明实施例三提供的声表面波固态电场传感器的结构示意图;
图中标记:1-声表面波延迟线;2-敏感电极;3-衬底;4-压电薄膜;5-叉指换能器;6-感测区反射栅;7-被测电场;8-绝缘层;9-感测区;10-补偿区;11-补偿区反射栅;12-屏蔽电极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“内侧”、“外侧”、“上层”、“顶”、“下层”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“平行”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明传感器包括声表面波延迟线和用于感测外电场的敏感电极。声表面波延迟线上声表面波的传播介质为压电元件(优选地采用压电薄膜,其它实施例中压电元件可根据实际需要选择),即在压电薄膜上制备有叉指换能器和反射栅(即说明书附图中的感测区反射栅)。敏感电极对布置在声表面波传播路径上压电薄膜的上下表面。为了减小敏感电极对对声表面波的损耗,敏感电极与压电薄膜之间可制备绝缘层。叉指换能器的电端口通过阻抗网络连接到天线。
传感器工作时,天线接收外部阅读器发来的脉冲问询信号并传递给叉指换能器,换能器将电信号转换为声表面波信号并沿压电薄膜表面传播,遇到反射栅后反射,反射波再传回到叉指换能器转换成回波电信号,该信号通过天线转换为电磁波反馈给外部阅读器,阅读器通过解析回波信号的幅值和相位变化实现信息感测。当传感器受到外电场的作用,敏感电极对富集外电场,压电薄膜将因逆压电效应而产生内应力,致使声表面波传播速度和传播损耗发生变化,从而导致回波信号产生幅值和相位变化。因此,阅读器通过解析回波信号的幅值和相位变化,实现对外电场的感测。
为了抑制温度等环境因素对电场感测的影响,可在压电薄膜表面叉指换能器两侧都设有反射栅,即双向声表面波延迟线,一侧设置敏感电极对用于电场感测,另一侧设置屏蔽电极来抑制电场的影响,用于温度等环境信息的感测。由于两侧反射栅与叉指换能器之间的距离不同,阅读器接收到的回波信号为两个不重叠的脉冲信号,通过误差补偿的方法来提高电场感测的精度。
实施一、如图1所示,图1示出了本发明的可实现无失真感测的声表面波固态电场传感器的一种实施例。本实施例提供的固态电场传感器,包括声表面波延迟线1和敏感电极2,声表面波延迟线1包括衬底3、压电薄膜4、叉指换能器5和感测区反射栅6。敏感电极2布置在压电薄膜4表面的声表面波传播路径上,在压电元件上表面形成感测区9,压电薄膜4上表面还制备有叉指换能器5和感测区反射栅6,叉指换能器5和感测区反射栅6相对设置在感测区9的两侧,叉指换能器5的电端口通过阻抗网络连接到天线(图中未示出)。工作时,外界被测电场7被敏感电极2富集,使得压电薄膜4因逆压电效应而产生内应力,进而改变了声表面波在压电薄膜4表面传播的波速和损耗,从而通过解析声表面波的回波信号即可实现被测电场7的感测。
本实施例提供的基于声表面波的固态电场传感器可实现电场的无失真感测,所提出的传感器采用声表面波实现电场的感测,传感器内部只有声表面波的传播和变换,不需要任何驱动检测电路,且由于声表面波比电磁波慢5个数量级,使得电场感测时的电磁波信号早已消失,所以整个感测过程不会对外电场造成任何扰动,可实现对被测电场的无失真感测。
本实施例提供的传感器不会受到环境振动影响。与一般MEMS传感器都带有可动质量块结构不同,本发明所提出的传感器为固态器件,没有任何可动部件,不会受到环境振动的影响,极大地扩展了传感器的应用范围。
实施例二、如图2所示,作为本发明的可实现无失真感测的声表面波固态电场传感器的第二种实施例,是在第一种实施例上的改进。上一实施例中敏感电极2的短路特性会增大声表面波的传播损耗,为了减小这个损耗,增强回波信号,利于进行信号检测,本实施例在压电薄膜4与敏感电极2之间制备一层绝缘层8。
在以上实施例的基础上,为了进一步增大传感器的灵敏度,压电元件即图2中的压电薄膜4位于感测区部分的上下面均设置敏感电极2。进一步地,为了提高固态电场传感器的抗干扰能力,在压电薄膜4上下表面均制备绝缘层8和敏感电极2形成敏感电极对,压电薄膜4上方和下方设置有绝缘层8,绝缘层8位于上下敏感电极2之间,从而使得被测电场7高密度均匀穿过感测区9。
实施例三、如图3所示,作为本发明的可实现无失真感测的声表面波固态电场传感器的第三种实施例,是在以上实施例基础上的改进。为了提高传感器的环境适应性,在压电薄膜4表面叉指换能器5的两侧均制备有反射栅,一侧为电场感测区9的感测区反射栅6,另一侧为环境补偿区10的补偿区反射栅11,感测区反射栅6、补偿区反射栅11与叉指换能器5之间的距离不同,实现不同的延时,从而使得两个反射栅的回波信号在时间上分离。补偿区反射栅11和所述叉指换能器5之间形成环境补偿区10,压电薄膜4布置补偿区反射栅11、环境补偿区10和叉指换能器5的部分的上方和下方均设置屏蔽电极12;压电薄膜4在环境补偿区10部分的上下表面通过绝缘层8隔离屏蔽电极12,如图3所示绝缘层8延伸至敏感电极2之间同时隔离敏感电极2。屏蔽电极12通过外电路进行短路连接(图中未示出),用于屏蔽外电场7对环境补偿区10的影响,则补偿区反射栅11的回波信号仅包含环境信息,则该回波信号可为后端环境补偿提供补偿数据,补偿数据包括温度、湿度等。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种声表面波固态电场传感器,其特征在于,包括声表面波延迟线和敏感电极,所述声表面波延迟线包括衬底、压电元件、叉指换能器和感测区反射栅;
所述压电元件布置于所述衬底上表面;所述敏感电极布置在压电元件上表面形成感测区,所述压电元件上表面还制备有叉指换能器和感测区反射栅,所述叉指换能器和感测区反射栅相对设置在所述感测区的两侧,所述叉指换能器的电端口通过阻抗网络连接到天线;所述压电元件与所述敏感电极之间设置绝缘层。
2.根据权利要求1所述的一种声表面波固态电场传感器,其特征在于,所述压电元件位于感测区部分的下面也设置敏感电极,其与压电元件位于感测区部分的上面设置的敏感电极位置相对应形成敏感电极对。
3.根据权利要求2所述的一种声表面波固态电场传感器,其特征在于,所述压电元件上方和下方设置有绝缘层,所述绝缘层位于所述敏感电极之间。
4.根据权利要求1~3任意一项权利要求所述的一种声表面波固态电场传感器,其特征在于,所述声表面波固态电场传感器还包括布置于压电元件上表面的补偿区反射栅,所述补偿区反射栅设置在与感测区反射栅相对的叉指换能器的另一侧,所述补偿区反射栅和所述叉指换能器之间形成环境补偿区;所述压电元件布置补偿区反射栅、环境补偿区和叉指换能器的部分的上方和下方均设置屏蔽电极,所述屏蔽电极通过外电路进行短路连接。
5.根据权利要求4所述的一种声表面波固态电场传感器,其特征在于,所述压电元件上方和下方设置有绝缘层,所述绝缘层位于所述屏蔽电极之间。
6.根据权利要求4所述的一种声表面波固态电场传感器,其特征在于,所述补偿区反射栅与叉指换能器之间的距离与感测区反射栅
和叉指换能器之间的距离不同。
7.根据权利要求1所述的一种声表面波固态电场传感器,其特征在于,所述压电元件为压电薄膜或压电基片。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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