專利名稱：交錯振動式電場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及交錯振動式電場傳感器。
背景技術(shù)：
電場傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、地學(xué)、環(huán)境檢測和工業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域，具有十分重要的作用。在航空航天領(lǐng)域，為保障飛行器的安全升空，航天部門十分重視飛行器發(fā)射前大氣電場強度的實時探測與監(jiān)測；在地學(xué)與環(huán)境檢測領(lǐng)域，電場檢測被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)流研究、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報、氣象及沙塵的預(yù)報、石油及礦產(chǎn)勘探、大氣污染檢測等方面；在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，過強的電場會使精密電子設(shè)備失靈，或使產(chǎn)品損壞，因而需要監(jiān)測生產(chǎn)環(huán)境或工作環(huán)境中的電場強度，從而進行相應(yīng)的防護。
電場傳感器的種類很多，根據(jù)工作原理，大體上可以劃分為電荷感應(yīng)式和光學(xué)式兩種。早期出現(xiàn)的電荷感應(yīng)式電場傳感器有旋片式、雙球式等，其優(yōu)點是加工技術(shù)成熟，量程大，精度較高，但是存在體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴等缺點。而光學(xué)式電場傳感器響應(yīng)速度快，噪聲較低，但是測量范圍窄，成本高，且不適合靜電場的探測。目前，微機械加工技術(shù)的出現(xiàn)，為傳感器的微型化、集成化以及批量生產(chǎn)的發(fā)展趨勢奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明人曾提出了基于微細加工技術(shù)的垂直振動式微型電場傳感器方案(發(fā)明專利申請?zhí)?2147377.3)和平行振動式微型電場傳感器方案(發(fā)明專利申請?zhí)?3106433.7)。這兩種傳感器都具有體積小、成本低以及易于集成化等優(yōu)點。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上進一步提出交錯振動式電場傳感器。這種傳感器可以制作成較大尺寸的器件，也可以制作成微型器件，其性能較前者有所改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于電荷感應(yīng)原理的交錯振動式電場傳感器。這種傳感器可以制作成較大尺寸的器件，也可以制作成微型器件，有效的提高了電場檢測的靈敏度、信噪比以及輸出信號的穩(wěn)定性。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種交錯振動式微型電場傳感器，其感應(yīng)電極和屏蔽電極邊緣有處于交錯狀態(tài)的梳齒結(jié)構(gòu)，當(dāng)屏蔽電極表面凸出于感應(yīng)電極的表面時，傳感器感應(yīng)電極表面電荷較少，當(dāng)屏蔽電極表面下凹于感應(yīng)電極的表面時，傳感器感應(yīng)電極表面電荷較多；在驅(qū)動結(jié)構(gòu)上施加驅(qū)動力時，屏蔽電極在這兩種位置之間變化，使感應(yīng)電極輸出感應(yīng)電流，測量這個電流的大小可以測量電場強度。
所述的傳感器，其包括基底，感應(yīng)電極，屏蔽電極，驅(qū)動結(jié)構(gòu)和外殼，其中，外殼為有一開口的容腔，基底固接于開口上，與外殼組成一盒體；基底上有通孔，有梳齒結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電極和屏蔽電極位于通孔中，感應(yīng)電極的梳齒與屏蔽電極的梳齒交錯設(shè)置，而暴露于待測電場；感應(yīng)電極固定在基底的內(nèi)表面上，屏蔽電極下表面與驅(qū)動結(jié)構(gòu)的一端固接，驅(qū)動結(jié)構(gòu)另一端固定于基底的內(nèi)表面；感應(yīng)電極、屏蔽電極、驅(qū)動結(jié)構(gòu)置于基底和外殼構(gòu)成的內(nèi)腔里，由基底和外殼保護起來；感應(yīng)電極與測試電路電連接。
所述的傳感器，其所述基底和外殼有屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽結(jié)構(gòu)接地，感應(yīng)電極與屏蔽結(jié)構(gòu)之間保持絕緣連接。
所述的傳感器，其所述基底，由具剛度的材料制成，用來支撐和固定傳感器其它部分。
所述的傳感器，其所述通孔的形狀是圓形、矩形或多邊形，使感應(yīng)電極和屏蔽電極暴露于待測電場中的形狀，通孔的數(shù)量至少為一個。
所述的傳感器，其感應(yīng)電極在工作時由測試電路維持其電壓與屏蔽電極的電壓相同。
所述的傳感器，其所述驅(qū)動結(jié)構(gòu)，為條狀。
所述的傳感器，其所述驅(qū)動結(jié)構(gòu)，采用壓電陶瓷條的片外結(jié)構(gòu)，或采用靜電激勵、電磁激勵、熱激勵的片內(nèi)激勵方式。
所述的傳感器，其所述具剛度的材料，為金屬、玻璃、陶瓷。
相對以往的電場傳感器來說，本發(fā)明采用了完全不同的振動方式，使屏蔽電極上梳齒可凸出于感應(yīng)電極的梳齒，也可以下凹至感應(yīng)電極的梳齒之間。這使交錯振動式電場傳感器與其它微型電場傳感器相比，在單位面積的電場敏感部分表面，可以產(chǎn)生更大的感應(yīng)電荷變化量，從而形成更大的感應(yīng)電流，因此靈敏度大大提高。同時，相對其他類型的振動式微型電場傳感器來說，本傳感器可采用片外的驅(qū)動結(jié)構(gòu)驅(qū)動，因此可以用極低的驅(qū)動電壓達到理想的振動幅度，能夠很好的滿足振動要求。這樣就在增大有效信號的同時降低了噪聲的干擾，從而進一步提高信噪比。另外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在振動幅度大于一定值時，輸出信號大小將幾乎不受振動幅度漂移的影響，僅隨外界電場的大小而變化，因此該傳感器具有更高的穩(wěn)定性。


圖1是交錯振動式電場傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1(a)是傳感器正面部分，圖1(b)是傳感器反面部分；圖2是本發(fā)明交錯振動式電場傳感器原理示意圖，其中圖2(a)是屏蔽電極梳齒凸出于感應(yīng)電極梳齒的示意圖，圖2(b)是屏蔽電極梳齒下凹于感應(yīng)電極梳齒的示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的交錯振動式電場傳感器，由基底1、感應(yīng)電極2、屏蔽電極3、驅(qū)動結(jié)構(gòu)4和外殼5等組成。其中，外殼5為有一開口的容腔，基底1如蓋般固接于開口上，與外殼5組成一盒體?；?上有一通孔，通孔的形狀可以是圓形、矩形、多邊形或其它任何形狀。有梳齒結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電極2和屏蔽電極3位于通孔中，感應(yīng)電極2的梳齒與屏蔽電極3的梳齒交錯設(shè)置，而暴露于待測電場。感應(yīng)電極2固定在基底1的內(nèi)表面上，屏蔽電極3下表面與驅(qū)動結(jié)構(gòu)4的一端固接，驅(qū)動結(jié)構(gòu)4為條狀，其另一端固定于基底1的內(nèi)表面。感應(yīng)電極2、屏蔽電極3、驅(qū)動結(jié)構(gòu)4等結(jié)構(gòu)置于基底1和外殼5構(gòu)成的內(nèi)腔里，由基底1和外殼5保護起來。感應(yīng)電極2與測試電路電連接。通孔的數(shù)量或為任意個。
基底1的作用是支撐和固定傳感器其它部分。它可以用具有一定剛度的材料如金屬、玻璃、陶瓷等制成。在基底1上有通孔，使感應(yīng)電極2和屏蔽電極3可以暴露于外界電場中，并使屏蔽電極有一定的振動空間。
如采用玻璃等絕緣體制作基底1時，可以在基底1表面制作一層電極并接地，這樣有利于提高傳感器的抗干擾能力。如采用金屬等導(dǎo)電材料制作基底1時，可直接使之接地，達到抗干擾目的。如不采用上述抗干擾措施，傳感器仍能工作，只是性能會有一定程度的降低。
感應(yīng)電極2固定在基底1上。如果基底1有接地措施的話，感應(yīng)電極2應(yīng)與基底1表面接地的部分保持絕緣。
感應(yīng)電極2和屏蔽電極3可以采用微加工技術(shù)或機械加工技術(shù)等多種加工方法制作。它們的邊緣處有相互交錯的梳齒結(jié)構(gòu)。在傳感器工作時，感應(yīng)電極2由測試電路保證其電壓與屏蔽電極3相同。當(dāng)在驅(qū)動結(jié)構(gòu)4上加上驅(qū)動電壓時，驅(qū)動結(jié)構(gòu)4固定在基底1上的一端保持靜止，和屏蔽電極3固定的另一端則發(fā)生周期性振動，從而帶動屏蔽電極3相對感應(yīng)電極2產(chǎn)生振動。當(dāng)屏蔽電極3表面凸出于感應(yīng)電極2的表面時，如圖2(a)所示，感應(yīng)電極2表面感應(yīng)電荷較少，當(dāng)達到一定幅度時，感應(yīng)電荷2表面幾乎沒有感應(yīng)電荷；當(dāng)屏蔽電極3表面下凹于感應(yīng)電極2的表面時，如圖2(b)所示，感應(yīng)電極2表面感應(yīng)電荷較多，當(dāng)達到一定幅度時，感應(yīng)電極2表面的感應(yīng)電荷數(shù)達最大值。當(dāng)屏蔽電極3在這兩種狀態(tài)之間振動時，傳感器感應(yīng)電極2表面的感應(yīng)電荷就會發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。由測試電路對此電流進行測量，即可得出外界電場值。
在外界電場相同的條件下，本發(fā)明傳感器輸出電流隨屏蔽電極3的振動幅度的增加而增加。經(jīng)理論分析和模擬計算，當(dāng)屏蔽電極3的振動幅度達到屏蔽電極3上梳齒間距的1.7倍時，傳感器的感應(yīng)電荷變化量可以達到相同感應(yīng)面積的理論最大值的約90％。當(dāng)振幅大于此幅度時，輸出信號幾乎不隨振動幅度的變化而改變。這使傳感器可以有效的避免由于環(huán)境變化對振動幅度產(chǎn)生影響而造成傳感器靈敏度的漂移。
驅(qū)動結(jié)構(gòu)4可選取壓電陶瓷梁或其它可產(chǎn)生振動的片外結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動屏蔽電極3振動的激勵源，這樣可以以較小的驅(qū)動電壓獲得較大的振動幅度。但也可以根據(jù)實際需要，采用靜電激勵、電磁激勵、熱激勵或其它片內(nèi)激勵方式，以達到減小傳感器體積等目的。
外殼5的作用是保護感應(yīng)電極2、屏蔽電極3、驅(qū)動結(jié)構(gòu)4等結(jié)構(gòu)。同基底1上的抗干擾措施一樣，當(dāng)外殼5制作接地電極后，可提高器件的抗干擾能力。
權(quán)利要求
1.一種交錯振動式電場傳感器，其特征在于，感應(yīng)電極和屏蔽電極邊緣有處于交錯狀態(tài)的梳齒結(jié)構(gòu)，當(dāng)屏蔽電極表面凸出于感應(yīng)電極的表面時，傳感器感應(yīng)電極表面電荷較少，當(dāng)屏蔽電極表面下凹于感應(yīng)電極的表面時，傳感器感應(yīng)電極表面電荷較多；在驅(qū)動結(jié)構(gòu)上施加驅(qū)動力時，屏蔽電極在這兩種位置之間變化，使感應(yīng)電極輸出感應(yīng)電流，測量這個電流的大小可以測量電場強度。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，包括基底，感應(yīng)電極，屏蔽電極，驅(qū)動結(jié)構(gòu)和外殼，其中，外殼為有一開口的容腔，基底固接于開口上，與外殼組成一盒體；基底上有通孔，有梳齒結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電極和屏蔽電極位于通孔中，感應(yīng)電極的梳齒與屏蔽電極的梳齒交錯設(shè)置，而暴露于待測電場；感應(yīng)電極固定在基底的內(nèi)表面上，屏蔽電極下表面與驅(qū)動結(jié)構(gòu)的一端固接，驅(qū)動結(jié)構(gòu)另一端固定于基底的內(nèi)表面；感應(yīng)電極、屏蔽電極、驅(qū)動結(jié)構(gòu)置于基底和外殼構(gòu)成的內(nèi)腔里，由基底和外殼保護起來；感應(yīng)電極與測試電路電連接。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述基底和外殼有屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽結(jié)構(gòu)接地，感應(yīng)電極與屏蔽結(jié)構(gòu)之間保持絕緣連接。
4.如權(quán)利要求2或3所述的傳感器，其特征在于，所述基底，由具剛度的材料制成，用來支撐和固定傳感器其它部分。
5.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述通孔的形狀是圓形、矩形或多邊形，使感應(yīng)電極和屏蔽電極暴露于待測電場中的形狀，通孔的數(shù)量至少為一個。
6.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，感應(yīng)電極在工作時由測試電路維持其電壓與屏蔽電極的電壓相同。
7.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述驅(qū)動結(jié)構(gòu)，為條狀。
8.如權(quán)利要求2或7所述的傳感器，其特征在于，所述驅(qū)動結(jié)構(gòu)，采用壓電陶瓷條的片外結(jié)構(gòu)，或采用靜電激勵、電磁激勵、熱激勵的片內(nèi)激勵方式。
9.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于，所述具剛度的材料，為金屬、玻璃、陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明是一種交錯振動式微型電場傳感器，包括基底1，感應(yīng)電極2，屏蔽電極3，驅(qū)動結(jié)構(gòu)4，外殼5。感應(yīng)電極2和屏蔽電極3邊緣有處于交錯狀態(tài)的梳齒。當(dāng)屏蔽電極3表面凸出于感應(yīng)電極2的表面時，感應(yīng)電極2表面感應(yīng)電荷較多；當(dāng)屏蔽電極3表面下凹于感應(yīng)電極2的表面時，感應(yīng)電極表面感應(yīng)電荷較少。在驅(qū)動結(jié)構(gòu)4上施加驅(qū)動電壓時，感應(yīng)電極2和屏蔽電極3的相對位置隨時間發(fā)生變化，輸出感應(yīng)電流。測量這個電流的大小可以測量電場強度。這種振動方式使本發(fā)明傳感器具有感應(yīng)信號大、工作狀態(tài)穩(wěn)定的特點。
文檔編號G01R29/00GK1877349SQ20051001189
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者夏善紅, 龔超, 陶虎, 白強, 陳紹鳳 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所