一種扭擺式微型電場傳感器的製造方法
2023-11-05 14:11:12
一種扭擺式微型電場傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種扭擺式微型電場傳感器，其結構主要包括：襯底、驅動電極、感應電極和屏蔽電極。驅動電極和感應電極位於同一平面，屏蔽電極位於另一平面，且屏蔽電極的左右兩部分分別與驅動電極和感應電極的位置正對，形成驅動電極對和感應電極對；以及屏蔽電極的左右兩部分能夠隨驅動電極的電壓變化而相對轉動軸分別進行朝向感應電極平面和遠離感應電極平面的扭擺式振動。本發明的扭擺式微型電場傳感器基於微細加工技術，體積小、製備工藝簡單、成本低廉，有利於批量化生產。
【專利說明】一種扭擺式微型電場傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子行業傳感器領域和微機電系統(Micro-Electro-MechanicalSystem,簡稱MEMS)領域，尤其涉及一種扭擺式微型電場傳感器。
【背景技術】
[0002]電場傳感器是測量電場強度和電勢的裝置，在氣象探測、航空航天、電力電子、智能電網、工業安全、國防、科學研宄等領域具有非常重要的作用。
[0003]根據工作原理，目前電場傳感器可以分為光學式、電荷感應式等種類。光學式電場傳感器響應速度快、噪聲低，但測量範圍較窄，而且設備複雜、成本太高；電荷感應式電場傳感器製備技術很成熟，量程也大，但由於其體積大、組裝工藝複雜，應用受到一定的限制。因此，如何製造出性能優良、成本低廉、體積小、批量化生產的微型電場傳感器具有重要的意義。
【發明內容】
[0004]有鑑於此，本發明的主要目的之一在於提出一種扭擺式微型電場傳感器，以實現體積小、成本低廉、可批量生產的有益技術效果。
[0005]為了實現上述目的，本發明提出了一種扭擺式微型電場傳感器，包括襯底1、驅動電極4、感應電極8和屏蔽電極17，所述驅動電極4和感應電極8位於同一平面，所述屏蔽電極17位於另一平面，且所述屏蔽電極17的左右兩部分分別與所述驅動電極4和所述感應電極8的位置正對，形成驅動電極對和感應電極對；以及
[0006]所述屏蔽電極17的左右兩部分能夠隨所述驅動電極4的電壓變化而相對轉動軸分別進行朝向所述感應電極8平面和遠離所述感應電極8平面的扭擺式振動。
[0007]其中，所述襯底I的材料選自娃、玻璃、陶瓷、有機材料、金屬、金屬合金或金屬氧化物，且所述襯底I與所述驅動電極4、感應電極8絕緣。
[0008]其中，所述屏蔽電極17通過彈性梁12與所述襯底I上的支柱22相連，且所述屏蔽電極17相對轉動軸進行所述扭擺式振動時的所述轉動軸即為所述彈性梁12。
[0009]其中，所述彈性梁12的中心軸與所述屏蔽電極17的中心軸不重合。
[0010]其中，所述彈性梁12為直梁、折梁、雙摺梁、蟹狀梁或蛇形梁。
[0011 ] 其中，所述驅動電極4和感應電極8為一個或多個電極。
[0012]其中，所述驅動電極4、感應電極8和屏蔽電極17的電極結構為平板結構、條狀結構、柵格結構或梳齒結構。
[0013]其中，所述驅動電極4、感應電極8、屏蔽電極17和支柱22的形狀為長方體或圓柱體。
[0014]其中，所述驅動電極4、感應電極8、彈性梁12和屏蔽電極17的材料選自矽基材料、金屬或金屬合金。
[0015]其中，在所述驅動電極4、感應電極8和/或屏蔽電極17上布置有一個或若干個孔，所述孔的形狀為圓形、方形、三角形、扇形或星形。
[0016]基於上述技術方案可知，本發明的扭擺式微型電場傳感器基於微細加工技術，體積小、製備工藝簡單、成本低廉，有利於批量化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的扭擺式微型電場傳感器的一個具體實施例的結構示意圖，其中電極結構為平板結構；
[0018]圖2是驅動電極和屏蔽電極的受力原理圖；
[0019]圖3是感應電極在電場中感應電荷的原理圖，其中，圖3(a)表示驅動電壓為零的狀態，圖3(b)表示驅動電壓大於零的狀態；
[0020]圖4是本發明的扭擺式微型電場傳感器的另一個具體實施例的結構示意圖，其中驅動電極為平板帶孔結構，感應電極為梳齒結構。
【具體實施方式】
[0021]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0022]本發明的扭擺式微型電場傳感器，屬於電荷感應式電場傳感器，其工作原理為:驅動電極和感應電極位於同一平面，屏蔽電極位於另一平面，當驅動電極電壓改變時，屏蔽電極因靜電作用，受到靜電力作用而向上或向下運動，從而導致屏蔽電極和感應電極之間的相對位置發生變化，進而影響感應電極上感應電荷的變化。
[0023]本發明的扭擺式微型電場傳感器，包括襯底、驅動電極、感應電極和屏蔽電極，驅動電極和感應電極位於同一平面，屏蔽電極位於另一平面，且屏蔽電極的左右兩部分分別與驅動電極和感應電極的位置正對，形成驅動電極對和感應電極對；以及屏蔽電極的左右兩部分能夠隨驅動電極的電壓變化而相對轉動軸分別進行朝向感應電極平面和遠離感應電極平面的扭擺式振動。
[0024]圖1是本發明的扭擺式微型電場傳感器的一個具體實施例的結構示意圖，如圖所示，該扭擺式微型電場傳感器包括襯底1、驅動電極4、感應電極8、彈性梁12、屏蔽電極17和支柱22。驅動電極4和感應電極8位於同一平面，彈性梁12和屏蔽電極17位於同一平面，彈性梁12和屏蔽電極17相連，兩者通過支柱22支撐，並且屏蔽電極17以該彈性梁12為軸進行扭擺式振動。驅動電極4與屏蔽電極17的位置正對，形成驅動電極對，感應電極8與屏蔽電極17的位置正對，形成感應電極對。在圖1中，驅動電極4、感應電極8、屏蔽電極17的電極結構都為平板結構。
[0025]作為本發明的一個優選實施例，襯底I的材料例如可以選自娃、玻璃、陶瓷、有機材料、金屬、金屬合金或金屬氧化物等材料，並且襯底I與驅動電極4、感應電極8絕緣。驅動電極4和感應電極8可以為一個或多個電極。彈性梁12的中心軸與屏蔽電極17的中心軸可以重合，也可以不重合。彈性梁12可以為直梁、折梁、雙摺梁、蟹狀梁、蛇形梁或其它形狀梁。
[0026]作為本發明的一個優選實施例，為了增強電場感應效果，可以在驅動電極4、感應電極8或屏蔽電極17上布置一個或多個孔，孔的形狀為圓形、方形、三角形、扇形、星形等形狀。驅動電極4、感應電極8或屏蔽電極17的電極結構可以是平板結構、條狀結構、柵格結構、梳齒結構或其它形狀結構。
[0027]作為本發明的一個優選實施例，驅動電極4、感應電極8、屏蔽電極17和支柱22的外形為長方體、圓柱體或其它形狀。驅動電極4、感應電極8、彈性梁12和屏蔽電極17的材料為矽基材料、金屬、金屬合金或其它導電材料。
[0028]傳感器的主體結構可以採用表面矽工藝或LIGA工藝或MetalMUMPs工藝製備，電極可以採用濺射或電鍍或蒸發金屬的方法製備。也可以使用其它方法製備傳感器主體結構和電極。
[0029]圖2為驅動電極4和屏蔽電極17受力原理圖。其中，屏蔽電極17接地，驅動電極4接零至V伏的交流電壓，電壓V的大小根據彈性梁12的彈性係數以及所期望的扭擺幅度等參數確定。當驅動電極4電壓為零時，由於屏蔽電極17接地，因此無靜電吸引作用；當驅動電極4電壓大於零時，屏蔽電極17因靜電吸引，受到靜電力Fe作用而向下運動，由於屏蔽電極17的合力矩不為零，因此屏蔽電極17發生扭轉，屏蔽電極17和感應電極8之間的相對位置發生變化，形成感應電荷；當驅動電極4電壓再次為零時，由於彈性梁12的扭矩作用，屏蔽電極17因彈性力Fm回復到初始位置。這樣周而復始，屏蔽電極17作周期性扭轉振動，其與感應電極8之間的相對位置發生變化。
[0030]圖3為感應電極8在電場中感應電荷原理圖。圖3(a)表示電壓為零的情況，由於驅動電極4和屏蔽電極17不受力，屏蔽電極17處於初始位置，屏蔽電極17對感應電極8的屏蔽作用較強，外電場到達感應電極8的電場較少，感應電極8上感應的電荷較少。
[0031]圖3(b)表示驅動電極4電壓大於零的情況，此時屏蔽電極17接地，屏蔽電極17受到靜電力Fe作用而向下運動，由於屏蔽電極17的合力矩不為零，因此屏蔽電極17發生扭轉，這樣屏蔽電極17對感應電極8的屏蔽作用較弱，外電場到達感應電極板8的電場較強，感應電極8上感應的電荷較多。驅動電極17作周期性扭擺時，引起感應電極8上電荷量周期變化，產生與被測電場成正比的感應電流。
[0032]圖4是本發明的扭擺式微型電場傳感器的另一個具體優選實施例的結構示意圖，如圖所示，其它結構都與圖1中結構相同，區別在於驅動電極4為帶孔的平板結構，感應電極8為梳齒結構。
[0033]通過實際檢測應用，本發明的扭擺式微型電場傳感器體積小、製備工藝簡單、成本低廉，有利於批量化生產，可廣泛應用於氣象探測、航空航天、電力電子、智能電網、工業安全、國防、科學研宄等領域。
[0034]需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種扭擺式微型電場傳感器，包括襯底(I)、驅動電極⑷、感應電極⑶和屏蔽電極(17)，其特徵在於， 所述驅動電極⑷和感應電極⑶位於同一平面，所述屏蔽電極(17)位於另一平面，且所述屏蔽電極(17)的左右兩部分分別與所述驅動電極(4)和所述感應電極(8)的位置正對，形成驅動電極對和感應電極對；以及 所述屏蔽電極(17)的左右兩部分能夠隨所述驅動電極(4)的電壓變化而相對轉動軸分別進行朝向所述感應電極(8)平面和遠離所述感應電極(8)平面的扭擺式振動。
2.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述襯底(I)的材料選自娃、玻璃、陶瓷、有機材料、金屬、金屬合金或金屬氧化物，且所述襯底(I)與所述驅動電極(4)、感應電極⑶絕緣。
3.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述屏蔽電極(17)通過彈性梁(12)與所述襯底(I)上的支柱(22)相連，且所述屏蔽電極(17)相對轉動軸進行所述扭擺式振動時的所述轉動軸即為所述彈性梁(12)。
4.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述彈性梁(12)的中心軸與所述屏蔽電極(17)的中心軸不重合。
5.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述彈性梁(12)為直梁、折梁、雙摺梁、蟹狀梁或蛇形梁。
6.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述驅動電極(4)和感應電極⑶為一個或多個電極。
7.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述驅動電極(4)、感應電極(8)和屏蔽電極(17)的電極結構為平板結構、條狀結構、柵格結構或梳齒結構。
8.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述驅動電極(4)、感應電極(8)、屏蔽電極(17)和支柱(22)的形狀為長方體或圓柱體。
9.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，所述驅動電極(4)、感應電極(8)、彈性梁(12)和屏蔽電極(17)的材料選自矽基材料、金屬或金屬合金。
10.根據權利要求1所述的扭擺式微型電場傳感器，其特徵在於，在所述驅動電極(4)、感應電極(8)和/或屏蔽電極(17)上布置有一個或若干個孔，所述孔的形狀為圓形、方形、三角形、扇形或星形。
【文檔編號】G01R29/12GK104459351SQ201410771839
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月15日 優先權日:2014年12月15日
【發明者】方東明, 王宇, 方奕庚, 彭春榮, 夏善紅 申請人:中國科學院電子學研究所