电容传感器

技术领域

本技术涉及电容传感器领域。

背景技术

依赖于电容变化的传感器使用在许多重要的电子产品和系统中。旨在检测移动或声音的电容传感器通常使用轻质的可移动电极以及固定电极。在这两个电极之间施加的偏置电压使得能够检测由于其相对运动而引起的电容变化。当检测到微小的运动、流量或声压时，通常会降低移动和固定电极之间的有效刚度，从而提高传感器的性能。在灵敏的麦克风中，可能期望使用质量和刚度尽可能小的高度顺从的移动电极。在这种情况下，在设计电容电极时必须小心，以最大程度地减小静电力的影响。

众所周知，使用平行板电容的电容移动传感器的设计要求移动电极的机械刚度要足够大，以防止在偏置电极上塌陷。这是因为静电力在围绕静态平衡位置的微小运动中充当负刚度。如果偏置电压足够高，则该负刚度的大小可能会超过机械刚度的大小，从而导致不稳定。其他电极设计会导致静电力起到正刚度的作用，随着偏置电压的增加，其会增加整个系统的刚度。在这种情况下，过高的偏置电压会导致响应降低，从而降低灵敏度。响应性测量检测器系统的输入输出增益。无论静电刚度是正还是负，几乎总是正确的是，由于静电力引起的刚度会降低传感器的性能。

如果静电传感器具有两个电极，则移动电极位置的变化通常会导致静电势能的变化。电场施加的有效力将等于该势能相对于移动电极位置的导数。为了使作用在移动电极上的静电力最小化，可以结合附加的固定电极，以使系统的总势能随着移动电极位置的变化而大致保持恒定。虽然总势能几乎恒定——引致较小的静电力和相应的刚度——但两个固定电极将随着移动电极位置的变化而经历不同的电荷。分别感测这两个固定电极为传感器提供了静电力对其运动的大为降低的影响。

除了寻求总静电势能随着电极移动而大致保持恒定的设计之外，还期望实现大运动的绝对稳定性。如果运动电极上的静电力始终起作用以将其恢复到其所有可能运动的标称平衡位置，则可以实现此目的。

极薄的顺应性材料可用于构造这些感应电极，例如石墨烯[1]、[2]。但是，这些结构的弯曲刚度很低，因此很难将它们结合到传统的麦克风设计中，而不会受到静电力的强烈影响；它们在声感测中的使用要求采用新的电极设计方法。

高度顺应性材料已显示出可观的声感测前景。已经发现精细纤维(诸如蜘蛛丝)可以非常准确地表示声场中空气的运动[3]、[4]。整合高度顺应性电极的挑战促进了整合光学感测的麦克风的形成[5]-[7]。虽然光学麦克风确实达到了防止设计人员需要考虑感测机制对施加到机械元件上的力的影响的目标，但尚未证明它们在大容量、低成本设备中具有竞争力。压电材料的使用也显示出有望避免对顺应性麦克风膜片进行电容感测的挑战[8]。还应该提到的是，避免平行板电容感测方案的另一个动机是，由电极之间的流动引起的粘性阻尼是微型麦克风中热噪声的主要来源[9]。

图1A至图1D示出了常规的电容感测方案。图1A示出了由间隙隔开的平行板，该间隙随声压而变化。图1B示出了由间隙隔开的平行板，并且平行于板的平面中的重叠部分随声压而变化。图1C示出了三块一组的平行板，其中，中心板和相应外板之间的距离随声压而变化。图1D示出了三块一组的平行板，其中一个板响应于声压而平行于板的平面移动，这引起其他两个相邻且共面的板的差异化重叠，并被间隙隔开。

当然，静电感应方案中可能存在无数种电极几何形状。取决于用于特定感测应用的移动电极中允许的质量、刚度和阻尼的量，现有方法可以实现变化量的静电力和刚度。图1示出了四种常见配置[10]。图1A和图1B左侧示出的两种配置由两个电极组成，而图1C和图1D右侧示出的配置包含三个电极。在图1A和图1C中，电极横向于其平行平面移动，而在图1B和图1D中，运动平行于电极平面。迄今为止，图1A的配置是声学传感器中最常见的，其移动电极包括压力感测膜片。可以使用众所周知的关于平行板电容的表达式来近似分析其中的每一个。该近似假设平面之间的距离相对于所有其他尺寸都足够小，以使电场由笔直的且与平面正交的场线主导。

考虑了图1A至图1D中所示的四种感测配置中的每一个的静电势能、力和有效刚度的近似表达式。假设所示每个面板中的第二个电极是移动电极，其余电极保持静止。令x为移动电极相对于其标称位置的位移。每个面板示出了横截面，其中，假设电极在尺寸L上具有恒定的横截面，其与图1A至图1D的平面正交。还假设电极2以恒定电压V

图1A的配置的势能为：

其中，ε＝8.854pF/m是介质的介电常数。与坐标x相关的有效静电力将是V

该力始终起到将移动电极拉向固定电极的作用。对于围绕平衡点x的小扰动，该力将与运动成比例，其中，该比例常数的负数是等效的静电刚度k

因此，对于x的可实现值，图1A中的静电力始终为负。这是几乎所有压力感测麦克风的电极配置。

可以采用类似的方法来估算图1B中所示配置的静电能、力和刚度，

有效静电力为：

在该近似值中，力与x无关，并且还起到将移动电极拉向其标称位置的作用。对于该恒定力，有效刚度为零，k

图1C的静电势能为：

该表达式取决于两个项，一个项随x增加，而另一项随x减小。有效静电力为：

并且有效静电刚度为：

在图1D中，当x＝0时，我们假设电极2在两个固定电极的交点上居中，因此与每个固定电极的重叠部分的宽度为W/2。那么，图1D中的三个电极配置的静电势能为：

因为能量与x无关，所以有效的静电力和刚度为零，f

参见3931469；3935397；3941946；3942029；3944756；3946422；3958662；3961202；3980838；3992585；4006317；4014091；4034332；4037062；4046974；4063050；4081626；4085297；4093884；4122302；4149095；4151480；4160882；4170721；4188513；4207442；4215249；4225755；4246448；4246449；4249043；4281221；4288735；4289936；4302634；4311881；4323736；4329547；4360955；4401858；4403117；4409441；4414433；4420790；4429189；4429191；4429192；4429193；4434327；4436648；4439641；4439642；4461931；4489278；4491697；4492825；4515997；4524247；4533795；4541112；4542264；4558184；4567445；4582961；4615105；4621171；4764690；4767973；4790021；4796725；4802227；4849050；4849071；4922471；4977590；4993072；5014322；5038459；5054081；5097224；5161128；5206914；5208789；5214709；5335210；5392358；5452268；5471540；5490220；5570428；5573679；5590212；5600610；5712598；5745438；5802198；5854846；5862239；5870482；5978491；6075867；6125189；6145186；6175636；6178249；6188772；6201874；6218883；6243474；6249075；6304662；6308398；6343129；6357299；6366678；6376971；6393129；6427015；6434245；6441451；6449370；6483924；6493288；6504937；6510231；6535460；6535612；6543110；6545384；6580797；6583533；6584206；6600825；6628791；6630639；6661897；6664718；6667189；6677176；6724058；6731766；6741709；6744896；6756248；6760455；6781284；6785393；6788794；6788795；6804362；6806593；6812620；6812624；6818092；6819769；6829131；6842964；6870938；6870939；6911764；6940211；6944308；6978029；6987859；7003127；7019955；7023066；7034432；7039202；7040173；7049732；7054456；7062055；7064472；7074634；7095864；7107665；7132307；7142684；7146016；7152481；7158646；7193256；7194095；7199501；7208996；7215527；7218742；7221768；7224106；7233097；7233679；7256927；7259503；7269267；7269268；7292700；7295675；7298856；7305096；7317234；7320457；7327851；7329933；7346178；7352876；7359286；7362032；7362873；7368862；7377175；7386136；7394182；7400737；7425749；7447326；7461281；7466835；7468575；7489791；7493821；7570773；7579678；7585743；7595580；7607355；7608989；7620197；7642575；7668323；7697899；7702118；7702124；7710371；7715583；7756279；7761981；7769193；7781249；7804968；7804969；7804971；7805821；7812418；7829366；7835533；7848532；7855095；7856804；7860258；7880565；7884467；7888840；7889882；7894616；7898159；7899196；7903831；7907743；7911115；7912235；7912236；7916879；7923064；7923902；7925033；7925221；7932117；7940944；7948731；7949142；7951636；7953235；7970154；7974430；8000483；8004373；8005242；8009838；8018301；8023667；8036401；8041059；8042264；8045733；8045734；8047995；8054566；8059837；8059838；8059842；8064620；8072010；8073166；8073167；8073179；8080835；8081784；8085956；8085965；8090125；8093783；8094839；8094841；8094844；8098853；8098855；8103039；8104354；8107651；8111847；8111871；8114700；8126166；8126167；8126171；8130986；8134375；8138034；8139762；8139790；8139794；8165323；8170237；8175293；8175294；8183739；8184832；8188557；8194908；8196282；8199939；8218794；8229140；8242840；8243962；8243966；8254598；8259963；8265287；8284967；8295514；8295528；8300858；8300860；8327521；8327711；8335328；8345898；8345910；8369545；8369552；8374363；8379890；8385570；8385586；8389349；8391520；8401217；8401513；8405449；8406437；8411882；8416973；8433084；8438710；8447049；8448326；8456958；8467550；8467559；8468665；8497149；8502329；8503702；8508109；8509459；8515100；8519492；8526656；8542850；8542852；8542853；8546170；8548178；8553913；8559660；8562565；8565452；8565454；8582787；8588433；8588438；8588451；8590136；8594349；8600083；8605919；8611566；8618718；8625809；8625823；8625824；8625825；8630429；8630430；8637945；8638249；8643129；8643382；8644529；8664733；8666094；8666095；8666097；8670581；8673732；8675895；8686519；8692340；8698255；8698256；8699726；8699728；8699740；8705767；8705775；8710601；8718297；8723277；8724832；8731220；8737646；8742517；8744117；8755539；8755541；8755556；8758253；8760031；8767980；8774428；8783113；8787600；8787601；8790567；8792658；8803261；8804982；8811635；8818007；8824706；8824707；8824713；8831246；8836111；8837754；8842858；8847289；8848950；8855335；8855337；8860154；8861764；8873777；8885853；8897465；8913762；8921957；8929584；8942389；8942394；8958574；8958581；8962368；8965008；8965013；8965027；8975791；8975984；8976997；8983090；8983097；8983099；8988911；8995690；9001622；9002037；9002043；9008332；9008336；9008344；9031266；9042578；9056760；9059630；9061318；9071694；9078069；9083286；9083288；9084366；9085012；9094110；9094111；9094112；9094764；9096424；9107008；9111548；9113260；9113263；9124220；9128136；9131319；9133016；9139418；9143869；9143870；9143876；9148712；9148726；9148729；9148730；9154886；9161113；9167354；9170164；9179221；9181080；9181086；9197967；9204224；9210516；9212046；9214151；9215532；9216897；9219963；9221675；9226079；9232317；9236837；9241205；9242275；9247331；9250142；9253579；9258651；9258660；9264815；9266713；9270238；9271067；9277327；9277329；9281744；9282389；9282415；9287834；9288583；9290375；9294847；9301036；9301055；9319765；9319772；9321626；9327967；9332332；9332342；9332345；9337722；9338557；9338559；9340413；9342179；9344805；9344807；9344808；9344809；9344810；9350305；9351062；9351074；9351083；9357294；9357296；9363610；9369804；9369810；9382109；9392359；9402137；9403670；9407991；9408555；9413317；9414175；9419562；9420365；9420380；9420391；9426563；9428379；9438979；9439002；9444928；9445173；9445188；9451359；9455671；9456283；9462364；9462395；9466277；9467774；9470710；9470910；9479875；9488541；9491531；9497552；9499395；950201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发明内容

提供了一种动态电容传感器配置，旨在对移动电极施加最小的力和运动阻力。目的是使得能够使用具有任意水平的顺应性的移动电极而不会遭受对大偏置电压的不利影响，诸如吸合不稳定性。这种配置有助于整合对运动呈现最小的可能阻力的高度顺应性的薄电极材料。这种类型的材料对于感测声音特别有用。测量结果表明，对于此处检查的高度顺应性的声学传感器设计，可以施加400伏特的大偏置电压而不会影响其运动。发现对声音的电灵敏度约为0.5伏特/帕斯卡，比典型的声学传感器大两个数量级。

本技术的一个方面试图提供用于电容传感器的电极设计，该电极设计可以最小化静电刚度对麦克风性能的影响。如果能够实现这一点，则可以将移动电极设计为具有最佳性能，而不受由静电力引起的限制。

本技术的另一方面试图提供在所有操作条件下都稳定的电极设计。本文所述的电极装置实现了保持几乎恒定的势能并保证稳定性的目的。

本技术的另一方面提供了一种麦克风设计，其中，移动的感测电极具有尽可能小的机械刚度和质量，以便适当地响应声场中的微小压力和空气速度波动。

本方法是基于先前关于排斥性静电致动器和传感器的工作[14]、[15]。这些设计使用了一种电极配置，该电极配置允许移动电极和感测电极随着偏置电压增加而移开，而不是像在普遍存在的平行板配置中那样朝向彼此移动。排斥性静电设备可避免吸合不稳定性，但要实现不受静电硬化影响的电极设计仍然存在挑战，这限制了可实现的性能。

在下文中，提供了轻质的顺应性电容电极配置，其旨在容易地响应声压。

优选的实施方式是麦克风，其中，移动元件响应气压或气流的变化，并且感测移动元件的位置。然而，传感器设计不限于麦克风，并且更一般地用作加速度计、MEMS陀螺仪、位移传感器、振动计、震动传感器等。此外，虽然基本设计提供了一对固定电极，这些固定电极通过负反馈跨阻放大器被维持在虚拟地上，但这并不是技术的极限。例如，如果电极表面之一的电势维持在与其他电极表面不同的电压，则被充电移动元件所经历的电场将是不对称的，而不是平行于元件细长轴线起作用的法向力，将存在强制位移。因此，被充电元件将充当致动器，例如数字镜设备，具有对位移的模拟控制以及反馈控制以维持位置。该相同的实现方式还响应于被充电元件从其偏转位置的位移产生输出。由于倾斜元件上的静电力与传感器移动元件的有效刚度相互作用，因此结果是传感器的灵敏度是可控的，取决于电极的不平衡和被充电元件的电势。

在另一个实施方式中，移动元件被电极产生的随时间变化的静电场有意地振荡。例如，如果膜片或纤维涂覆有化学特异性材料，则可以使用化学选择性传感器。随着感兴趣的种类被吸收在移动元件上，其质量发生变化，这又改变了其对振荡电场的响应。

在另一个实施方式中，移动元件是热响应性的，并且例如在机械特性或尺寸上发生变化。这又将改变被充电元件对扰动的频率和/或线性或非线性响应，诸如振荡电场。

移动被充电元件的标称状态的重新定位也可能会影响其他传感器属性，例如，被充电元件可能位于不均匀的介质中，因此，被充电元件的移动将导致不同的操作环境。

在某些情况下，多于三个的电极可能会与单个移动元件相互作用。在膜片的情况下，这可能会引起或感测扭曲。在用于沿着两个轴线移动而悬垂的其他结构的纤维或细丝的情况下，数量更多的电极可以检测到各个移动轴线。

在某些情况下，提供了多于一个的移动元件。它们可以用各种方式与电极以及与彼此相互作用。例如，它们可以感测沿不同的轴线的移动或效果(多轴线传感器)，并检测或处理处于激活条件下的空间变化。

在某些情况下，传感器可以在液体介质中运行。在静电传感器的情况下，这通常意味着高介电液体，在某些情况下，可以采用离子液体或低介电液体，包括水。例如，如果将根据本技术的设备浸入水中，并且电压电势维持在水的水解电势以下，则结果将是由于水的约10

在另一实施方式中，由于相对于电极的电势而导致被充电元件没有伸长的推定不是严格有效的。因此，元件的长度及其与电极的距离将随施加的电压而变化。人们不希望传感器经历吸合，但是在特定的传感器类型中，这正是所寻求的效果，因为它将移动元件锁定在适当的位置。

基本系统的其他修改也是可能的。以下专利和公开的专利申请公开了各种实现技术、应用，并且根据本发明技术的感测技术可以被实现：参见5948981；6104492；6312393；6360601；6480645；6529652；6544193；6549692；6591029；6625399；6642067；6745627；6768181；6784500；6798796；6847036；7041063；7054519；7091715；7100446；7123111；7157712；7159441；7208729；7212487；7214298；7260980；7275433；7282709；7284430；7286743；7294503；7305880；7308827；7351376；7403805；7421898；7448995；7469834；7481111；7482589；7485100；7521257；7622081；7640803；7652752；7654957；7714278；7756559；7791027；7804374；7809417；7818871；7822510；7826629；7827864；7836765；7939021；7990539；8022779；8037756；8051698；8061201；8129176；8136385；8164588；8193869；8220318；8226236；8252539；8257666；8263336；8319177；8322213；8333112；8339014；8367426；8391517；8427249；8427657；8445210；8451068；8461936；8482300；8488973；8556428；8580597；8586918；8592153；8592154；8592215；8627511；8650955；8658367；8658368；8669771；8677821；8686802；8698212；8742469；8742770；8746039；8746048；8748947；8766327；8774885；8776573；8787117；8793811；8800369；8822205；8822906；8844340；8875576；8912580；8914089；8928203；8953414；8994076；8994954；9072429；9146109；9182454；9200887；9209746；9217641；9233395；9238250；9267923；9270281；9372154；9389079；9395317；9411000；9423254；9448069；9515676；9535137；9575089；9611139；9618475；9618533；9638617；9645166；9658247；9668035；9680414；9702992；9719847；9740003；9774276；9778282；9780435；9800019；9804264；9810775；9810786；9812838；9823353；9857468；9864846；9869754；9874635；9905992；9910061；9910062；9915520；9927393；9944981；9958414；9958415；9958545；9966966；20020049389；20020068370；20030033850；20030071686；20030139687；20030142934；20030179791；20030196489；20040039297；20040039298；20040060355；20040237626；20050009197；20050020926；20050068612；20050104675；20050147017；20050167508；20050199047；20050274888；20060032308；20060032309；20060033588；20060158662；20060158666；20060196266；20060233498；20070016074；20070024840；20070034005；20070115440；20070119258；20070142718；20070194239；20070287923；20070289382；20080007693；20080190198；20080190200；20080191132；20090036761；20090064781；20090174885；20090229020；20090289606；20090301193；20100000289；20100024546；20100024560；20100078564；20100137143；20100145180；20100155883；20100194374；20100213791；20100253332；20100267164；20100301398；20100308930；20100313657；20110006196；20110028807；20110040161；20110138891；20110167908；20110170108；20110194711；20110194857；20110227448；20110248320；20110275522；20110281737；20110281741；20120006114；20120009713；20120013392；20120032747；20120068776；20120086307；20120112056；20120168605；20120172256；20120187983；20120192647；20120194107；20120227498；20120261274；20120265474；20120304341；20120325683；20120326213；20120326767；20120327368；20120329043；20120329044；20120329192；20130001653；20130004948；20130004949；20130009214；20130017642；20130025368；20130064035；20130071915；20130119243；20130139285；20130180333；20130201316；20130210128；20130210182；20130217004；20130231870；20130247669；20130271123；20130302932；20140000344；20140028997；20140062619；20140093881；20140104618；20140113828；20140144230；20140147337；20140159748；20140159826；20140176958；20140185054；20140194301；20140194302；20140194303；20140224971；20140230547；20140235452；20140235463；20140251017；20140265720；20140287958；20140301167；20140324376；20140331367；20140360272；20140372057；20150029490；20150043002；20150065837；20150085249；20150091477；20150143905；20150166332；20150168344；20150171595；20150177272；20150293243；20150304741；20150308829；20150377622；20150377623；20150377916；20150377917；20150377918；20160003868；20160006414；20160033448；20160035314；20160054400；20160061772；20160062112；20160069686；20160072472；20160079953；20160087551；20160139176；20160187289；20160223319；20160298963；20160329682；20160341758；20160341761；20160341762；20160341765；20160344368；20160374703；20170003314；20170003316；20170025736；20170059530；20170067856；20170068319；20170074640；20170078400；20170126206；20170146484；20170153319；20170155225；20170164839；20170176596；20170184644；20170185954；20170194985；20170199277；20170201059；20170205223；20170219521；20170219622；20170258320；20170271610；20170272878；20170272886；20170276723；20170277125；20170277138；20170277902；20170278226；20170278447；20170278465；20170278480；20170278733；20170278874；20170278878；20170278973；20170280041；20170280265；20170281083；20170285404；20170285815；20170285871；20170286588；20170287127；20170287228；20170287293；20170287414；20170287943；20170288023；20170288125；20170288670；20170289678；20170289702；20170290097；20170293155；20170293156；20170293171；20170294543；20170295325；20170295434；20170297895；20170297899；20170299494；20170299721；20170300162；20170301391；20170301699；20170308216；20170309856；20170310743；20170316487；20170316713；20170317610；20170318388；20170318394；20170319179；20170320726；20170323481；20170323892；20170323908；20170325025；20170325081；20170328702；20170328931；20170329162；20170329439；20170331899；20170332170；20170334187；20170336205；20170336396；20170336903；20170337888；20170338107；20170338108；20170338353；20170338818；20170340396；20170343874；20170344114；20170347886；20170348095；20170352233；20170352540；20170352746；20170354031；20170355591；20170355599；20170356928；20170357113；20170357144；20170357365；20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已知各种类型的微机电静电致动器。参见：6128122；6164134；6201629；6273544；6309048；6312114；6353492；6360035；6378989；6408878；6424466；6433911；6439689；6439699；6443558；6450628；6474781；6481835；6491362；6508546；6517197；6531668；6538799；6547371；6554410；6572220；6575566；6588882；6592207；6594057；6598964；6623108；6634735；6641273；6644793；6652082；6666548；6698867；6733116；6742873；6746108；6786573；6793328；6793753；6798729；6799835；6805435；6805454；6808253；6824257；6827428；6827429；6832828；6848181；6851796；6860590；6863378；6863384；6866369；6880235；6880922；6883904；6883906；6886915；6890059；6891240；6899137；6899416；6902255；6905195；6905620；6913347；6916087；6916091；6918655；6921150；6922118；6923526；6929030；6929350；6938989；6938991；6938994；6949756；6955428；6974206；6988785；6988789；6988790；6991318；6994424；6994426；6994430；6998278；7001007；7004563；7004577；7006720；7014296；7014298；7014785；7025324；7028474；7032992；7032997；7034854；7040338；7048868；7052114；7052120；7064883；7066579；7070256；7070258；7073881；7080893；7080895；7083262；7086717；7101020；7111924；7132056；7134740；7144519；7144616；7147304；7147307；7152944；7152961；7152967；7155823；7159968；7160475；7168167；7169314；7175775；7178899；7182431；7182437；7183618；7184193；7188935；7188938；7189334；7198346；7207656；7210764；7216671；7216956；7219427；7219982；7226147；7227687；7229154；7233101；7234795；7249830；7250128；7258421；7258774；7264333；7273270；7278713；7282834；7284836；7290859；7293855；7322680；7328975；7331101；7331659；7334874；7338147；7347535；7347697；7350901；7350906；7354787；7359106；7360871；7370942；7375872；7380339；7380906；7380913；7384131；7387365；7387368；7393083；7396108；7399068；7401884；7401895；7401900；7401906；7410243；7410250；7413293；7416275；7419244；7419247；7419250；7431427；7434919；7441867；7442317；7447547；7448728；7457021；7467850；7468997；7472984；7475965；7494555；7506966；7517055；7524029；7524032；7527357；7528691；7537314；7537325；7549726；7553001；7556351；7556352；7556353；7556358；7556361；7562962；7562963；7569926；7578569；7578582；7585047；7585066；7588327；7591539；7591541；7597435；7601270；7611220；7615744；7616367；7625061；7625067；7625068；7628468；7637582；7654628；7654642；7658473；7661793；7661796；7661797；7669950；7669951；7669964；7669971；7673976；7677685；7677686；7699440；7703890；7708372；7708381；7717542；7731334；7731336；7731341；7735963；7735968；7740337；7746538；7748827；7753469；7753487；7753491；7753504；7754010；7758160；7758162；7758166；7758171；7762638；7766055；7771025；7771032；7775634；7780264；7784905；7784910；7794050；7815290；7815291；7835055；7864006；7874644；7891773；7893798；7896468；7896473；7901023；7905574；7905588；7914115；7918540；7918541；7931351；7934797；7934799；7934808；7938524；7939994；7946671；7950771；7950773；7950774；7960208；7967422；7971967；7971972；7971975；7973278；7976131；7987784；7992968；8002933；8011757；8021614；8025355；8047633；8057014；8061795；8066355；8079669；8079688；8087740；8087757；8104497；8104515；8104878；8110813；8124218；8167406；8220487；8226199；8226217；8231207；8251495；8264307；8282181；8282202；8288211；8323982；8336990；8376513；8382258；8382259；8393714；8398210；8398221；8398222；8419176；8440093；8444260；8455570；8459787；8465129；8465142；8468939；8469496；8480224；8485654；8506039；8517516；8523327；8523328；8529021；8530854；8534818；8550119；8562120；8585189；8585971；8602531；8602535；8604411；8629393；8632162；8633955；8641175；8646882；8646883；8651632；8651633；8652409；8656958；8657419；8659631；8668312；8668313；8684483；8695640；8696094；8714676；8717395；8736081；8770722；8783804；8784549；8791971；8802568；8806751；8845914；8846183；8847148；8916395；8929584；8932677；8936353；8936354；8939551；8991986；8992858；9010909；9017537；9103761；9151949；9162878；9174222；9174438；9234797；9508823；9653254；9696375；9799488；9897530；9953787；9956562；20010021058；20010022682；20010029983；20010033796；20010045525；20010054778；20020024569；20020029814；20020033863；20020036674；20020097300；20020101474；20020122102；20020127736；20020130931；20020144738；20020171716；20030016275；20030019833；20030020784；20030020786；20030025758；20030025761；20030042117；20030063166；20030081082；20030103106；20030132824；20030132985；20030132995；20030137567；20030142175；20030146957；20030174190；20030202055；20030202735；20030202738；20040001263；20040031150；20040032440；20040051759；20040056923；20040056924；20040075715；20040075718；20040079724；20040080556；20040085159；20040092121；20040094506；20040095434；20040095441；20040099636；20040100529；20040113983；20040118808；20040119784；20040160495；20040169697；20040169701；20040207687；20040207689；20040207690；20040207691；20040218016；20040218022；20040246305；20040246308；20040246311；20040257400；20040263551；20040263577；20050016951；20050018015；20050018016；20050018017；20050024434；20050024435；20050024436；20050024437；20050024443；20050030338；20050030339；20050030342；20050030343；20050035983；20050036002；20050037532；20050039453；20050041052；20050041055；20050041063；20050046663；20050046673；20050052497；20050052514；20050057628；20050083377；20050093933；20050093934；20050097742；20050099465；20050099466；20050104922；20050109730；20050110832；20050112882；20050116990；20050128247；20050128249；20050131490；20050134648；20050134649；20050140726；20050140728；20050144781；20050144782；20050146559；20050146562；20050146563；20050146566；20050157042；20050157081；20050157082；20050166980；20050167769；20050168532；20050168533；20050174375；20050174394；20050185021；20050189316；20050189317；20050200659；20050206684；20050215089；20050225601；20050225602；20050225604；20050226742；20050231560；20050237743；20050242058；20050243134；20050248620；20050253897；20050264607；20050264612；20050269901；20050270335；20050270338；20050275690；20050275691；20050279090；20050285901；20060007266；20060007514；20060017772；20060018005；20060033785；20060034006；20060054228；20060061628；20060072187；20060077235；20060092220；20060093753；20060098047；20060109310；20060109313；20060119661；20060152551；20060197810；20060202933；20060227156；20060227167；20060227168；20060238571；20060250448；20060268048；20060268064；20060274119；20060274121；20070002009；20070008386；20070008390；20070030315；20070030321；20070046759；20070048887；20070048898；20070052766；20070059494；20070064034；20070064037；20070064066；20070064067；20070070133；20070070161；20070080695；20070081031；20070109345；20070115316；20070120891；20070146432；20070153058；20070176967；20070176968；20070176971；20070182784；20070182785；20070183643；20070188554；20070188556；20070188557；20070188570；20070211102；20070211112；20070222807；20070222819；20070222821；20070222826；20070236313；20070257966；20070257971；20070268327；20070268343；20070291070；20070291091；20070296765；20080012913；20080012923；20080024556；20080030544；20080036821；20080050283；20080079760；20080094432；20080111853；20080111863；20080117258；20080129800；20080129809；20080141884；20080165226；20080173365；20080180778；20080192096；20080204514；20080204518；20080204519；20080210319；20080210320；20080210321；20080210322；20080211876；20080211877；20080211879；20080220216；20080220535；20080231669；20080236669；20080246817；20080252691；20080266341；20080266356；20080266361；20080273059；20080277005；20080277007；20080277258；20080278268；20080278559；20080289710；20080303866；20080303871；20080309693；20080309694；20080309695；20080309696；20080309697；20080309699；20080309720；20080309721；20080309722；20080316240；20080316241；20080316242；20080316262；20080316271；20080316276；20080318349；20090002470；20090027448；20090027459；20090085975；20090091601；20090091603；20090121156；20090122116；20090124029；20090128604；20090151422；20090153619；20090153936；20090160910；20090174014；20090185007；20090189953；20090195598；20090195614；20090201339；20090213186；20090213191；20090237433；20090237450；20090237456；20090237461；20090244193；20090244194；20090256890；20090261244；20090278897；20090289979；20090295861；20090303290；20090303297；20090303303；20090309909；20090322812；20100003772；20100026765；20100039478；20100050415；20100053268；20100053274；20100053275；20100053276；20100073441；20100110129；20100110130；20100118071；20100149268；20100149274；20100175767；20100187105；20100200782；20100201750；20100208000；20100231645；20100242765；20100253745；20100265298；20100276588；20100276606；20100277549；20100295887；20100302292；20110024923；20110025350；20110025780；20110037796；20110037797；20110037809；20110090288；20110109675；20110109677；20110109705；20110155548；20110164081；20110204018；20110205306；20110205319；20110258851；20110261123；20110261124；20110261125；20110261126；20110271857；20120026251；20120026252；20120026253；20120026259；20120026260；20120026261；20120038695；20120045615；20120056952；20120091374；20120105535；20120105548；20120105549；20120105550；20120105553；20120268525；20120268527；20120268528；20120268529；20120268530；20120268531；20120299998；20120299999；20120300000；20120300001；20120307211；20120319303；20120328834；20130059396；20130068131；20130070031；20130072614；20130199730；20130235101；20130235102；20130249982；20130249983；20130249984；20130249985；20130252234；20130257991；20130257992；20130257994；20130257996；20130257997；20130258002；20130278677；20130278689；20130280831；20130286108；20130286109；20130302785；20130328976；20130328977；20130330475；20130342597；20140009523；20140015878；20140015879；20140015880；20140015893；20140015901；20140021343；20140084390；20140126762；20140212917；20140220621；20140262972；20140273408；20140308770；20140322489；20140363678；20150043002；20150183633；20150213996；20150266726；20150276089；20150294838；20160091479；20160103174；20160172197；20160173001；20160202286；20160243827；20160268084；20160324564；20170001195；20170146364；20170303383；20180075994；以及20180079640；其中的每一个通过整体引用被明确地并入本文。

一个目的是提供一种传感器，所述传感器包括：在电场内的至少两个电极；和细长的可移位元件，所述细长的可移位元件被配置为被充电，被设置为靠近所述电场内的所述至少两个电极，并且具有至少10的长宽比，所述元件与所述至少两个电极中的每一个相互作用以在所述元件内产生沿着细长轴线的拉力的至少95％的复合力，使得所述元件在一定条件下的位移引起在所述至少两个电极上的与所述条件的大小相对应的电荷再分布，而基本上不改变所述电荷再分布对所述条件的响应性或吸合不稳定性。

另一个目的是提供一种传感器，所述传感器包括：被配置为被充电的元件，被设置为靠近电场内的至少两个电极，所述元件与所述至少两个电极中的每一个相互作用以在所述元件内产生拉力的至少95％的复合力，使得当所述元件一定条件下从所述标称位置移位时，在所述至少两个电极上引起与所述条件的大小相对应的电荷再分布。所述至少两个电隔离且隔开的电极可以包括一对固定导体，所述一对固定导体由线性间隙隔开，所述一对固定导体中的每一个维持在相应的电势，并且基于电荷再分布感测所述一对固定导体上方的空间中的电场。所述轴线优选地具有在所述线性间隙上指向的矢量分量，其中，响应于感测到的条件，作用在所述被充电元件上的净力对所述被充电元件的位移状态不敏感。

本发明的另一个目的是提供一种用于感测电容差的方法，所述方法包括：在电场中提供被充电元件，所述被充电元件具有响应于感测到的条件的沿轴线的移动；提供至少两个电隔离且隔开的导体，每个导体与所述电场相互作用，并且具有用于电感测所述电场的扰动的相应电极，所述至少两个电隔离且隔开的导体在所述被充电元件上产生的净力垂直于所述轴线；以及响应于所述条件而感测由所述被充电元件沿所述轴线的移动引起的所述电场的扰动，其中，在所述被充电元件的移动的范围内，所述被充电元件在所述电场中的位置基本上不改变所述可移位元件对所述条件的响应性或引起吸合不稳定性。

所述至少两个电隔离且隔开的电极可以包括一对固定导体，所述一对固定导体由线性间隙隔开，所述一对固定导体中的每一个维持在相应的电势，以基于电荷再分布感测所述一对固定导体上方的空间中的电场，并且所述轴线具有在所述间隙上指向的矢量分量，其中，响应于感测到的条件，作用在所述被充电元件上的净力对所述被充电元件的位移状态不敏感。

所述被充电元件可以响应于声振动，并且感测到的扰动定量地表示所述声振动。

所述被充电元件可以具有细长轴线，从一端悬垂，具有恢复力，所述恢复力倾向于使所述被充电元件返回到标称位置，并且在所述标称位置，所述被充电元件的自由端靠近所述至少两个电隔离且隔开的电极。所述被充电元件与所述至少两个电隔离且隔开的电极之间的净力的矢量与所述细长轴线的偏差可以小于5度，例如4度、3度、2度、1度等。

进一步的目的是提供一种电容传感器，所述电容传感器包括：至少两个导体，所述至少两个导体通过至少一个空间间隙彼此隔离，每个相应的导体与静电场相互作用，所述静电场占据所述至少两个导体和所述至少一个空间间隙附近的区域，并且对所述静电场的扰动进行电响应；和可移位元件，所述可移位元件被配置为响应于感测到的条件而沿着具有选择性地越过所述空间间隙的方向分量的位移轴线移动，并且扰动与所述移动相对应的所述静电场，其中，在所述可移位元件的移动范围内，所述静电场不会实质上改变所述可移位元件对所述感测到的条件的响应性或引起吸合不稳定性。

所述至少两个导体可以包括一对固定导体，所述一对固定导体由线性空间间隙隔开，所述一对固定导体中的每一个维持在各自的电势，以取决于所述一对固定导体各自的电势之间的差异在所述一对固定导体上方的空间中生成所述静电场，所述静电场具有指向越过所述线性空间间隙的主场矢量分量，并且所述可移位元件可以包括被充电元件，所述被充电元件配置有位移轴线，所述位移轴线具有指向越过所述线性空间间隙的矢量分量，使得由于所述静电场而施加在所述可移位元件上的力对所述可移位元件响应于所述感测到的条件的位移状态不敏感。

所述可移位元件在至少一个边缘上不被支撑。

所述可移位元件包括厚度小于约10μm的金属或金属化的聚合物膜片；纤维；网；碳纳米管和石墨烯片中的至少一种；和/或驻极体、薄金属片、多晶硅或任何掺杂的半导体。

所述可移位元件可以被配置为沿着两个不同的感测轴线移位，并且所述至少两个导体包括至少三个导体。

所述可移位元件可以包括膜片，并且所述至少两个导体一起被配置为使得所述膜片与所述至少两个固定导体中的任一个之间的电势差的变化不会实质上置换或改变所述膜片相对于移动轴线的有效刚度。

所述电容传感器还可以包括相应的跨阻放大器，所述跨阻放大器被配置为从每个相应的导电表面产生输出信号。

所述可移位元件可以包括具有相反侧的微机械加工的硅膜片，所述相反侧被充分隔离以维持所述膜片上的压差，还包括壳体，所述壳体被配置为选择性地限定从相应的环境端口到所述微机械加工的硅膜片的相应侧的用于流体介质的至少一条路径，以选择性地改变所述微机械加工的硅膜片的相应侧上的压力。

所述可偏转元件可以具有动态地响应于惯性状态变化的移动。所述可偏转元件可以具有动态地响应于空气动力影响的移动。所述可偏转元件可以具有动态地响应于化学或生化过程的移动。

所述可移位元件与所述至少一个导体之间的电势可以是至少1V，例如3V、5V、10V、15V、20V、30V、50V、100V、200V、300V、400V或500V。所述可移位元件与所述至少一个导体之间的电场为至少1V/mm，例如0.5V/mm、1V/mm、2V/mm、3V/mm、4V/mm、5V/mm、10V/mm、25V/mm、50V/mm、75V/mm、100V/mm、200V/mm、300V/mm、400V/mm、500V/mm、750V/mm、1000V/mm、1500V/mm、2000V/mm、2500V/mm等。在某些情况下，电势可以取决于隔离介质的介电强度来建立。例如，空气的介电强度为约3000V/mm。

因此，本发明的目的是提供一种电容传感器，其包括：由间隙隔开的一对共面表面；膜片，设置在垂直于共面表面的平面中，并配置为沿垂直于间隙并平行于共面表面的轴线移动，所述膜片和所述一对共面表面一起被配置为使得导电膜片与所述一对共面导电表面之间的电压差基本上不会偏转或改变膜片的有效刚度；以及一组电极，其与所述一对共面表面和所述膜片中的每一个电连通，被配置为确定由所述膜片的电势在所述一对共面表面之间感应的差分电荷。

本发明的目的还在于提供一种感测振动或声音的方法，所述方法包括：提供一对被间隙隔开的共面表面，以及膜片，所述膜片设置在垂直于所述共面表面的平面中，并且被配置为沿着与所述间隙垂直且与所述共面表面平行的轴线挠曲；相对于所述对一对共面表面在所述膜片上感应出电势；以及感测由所述膜片沿着垂直轴线的挠曲引起的在所述一对共面表面上的感应电荷的变化，其中，所述膜片和所述一对共面表面一起被配置为使得电压电势基本上不会偏转或改变所述膜片的有效刚度。

所述传感器还可以包括被配置为放大差分电荷的跨阻放大器。每个共面表面处的电势可以通过相应的跨阻放大器被维持在地电势，而通过膜片的移动来在相应的共面表面上感应出电荷的变化。

所述膜片可以包括金属化的聚合物膜或微机械加工的硅，例如，其厚度为例如<10μm、<7.5μm、<5μm、<3μm、<2μm、<1μm。

膜片优选地被配置为例如响应于声振动(例如由人类语音产生的声音)或电场变化而振荡，然而其可以充当静电计、加速度计、震动传感器、流量传感器或其他类型的电气或机械传感器。

所述传感器还可以包括壳体，所述壳体被配置为选择性地将声振动从环境端口引导到膜片的一侧，或者从一对环境端口中的每一个引导到所述膜片的相应侧，或者提供从环境端口到所述可偏转元件的一侧的用于流体介质的限定路径。

所述膜片可以具有与声场内的空气移动近似的移动。

所述膜片具有最低的移动共振移动频率，并且可以被配置为响应于空气在声场内的移动而具有移动速度，该声场的频率高于与声波的声速大致同相的最低共振频率。例如，最低共振频率可以为<250Hz、<200Hz、<150Hz、<100Hz、<80Hz、<50Hz、<35Hz、<24Hz、<20Hz、<15Hz或<10Hz。

例如，所述膜片和所述共面表面中的至少一个之间的电势可以为>400V、>200V、>100V、>50V、>24V、>12V、>10V、>6V或>5V。

本发明的又一个目的是提供一种电容传感器，所述电容传感器包括：至少两个固定导电表面，其被至少一个非导电间隙隔开，每个导电表面具有相关的静电场，并共同引起复合力矢量；以及可偏转元件，其被配置为沿着垂直于所述复合力矢量的轴线移动，具有与感测到的条件相对应的移动幅度，所述元件被配置为具有与所述一对固定导电表面的每一个的相关静电场的静电相互作用，其中，在所述元件的沿轴线的移动范围内，复合力矢量基本上不会改变可偏转元件的偏转。电容传感器可以是麦克风，并且所述感测到的条件包括声波。

可偏转元件可以包括膜片，例如，悬臂支撑膜片、支撑在相反边缘上的膜片或梁(并且在支撑件之间自由挠曲)、穿孔膜片、固体膜片或金属化聚合物膜片。可偏转元件可以包括纤维、纤维网、纤维垫或金属化的电纺纤维。可偏转元件可以具有实心边缘，例如机械膜片的固有部分，或具有实心边界元件的纤维网。元素可以包括碳纳米管、石墨烯、硅、微机械加工的硅或其他材料和/或氮化硅。可偏转元件可以是金属化的、掺杂的半导体或驻极体。可以使用增材制造工艺、减材制造工艺或每个的方面来制造传感器。例如，半导体制造通常采用沉积和蚀刻。可以定制制造过程以生产单个传感器或传感器阵列。

可以提供移动电极，该电极代表支撑在相反端的带有两个自由边缘的梁或板。这两个边缘可以与成对的固定电极相邻，类似于图2所示的那样。该配置看起来很像带式麦克风，允许电容转导而不是如所有带式麦克风那样是电动转导。使用电容转导可以实现小型化，这对于电动转导是极其困难的。

可偏转元件可以被配置为响应于声振动而振荡。

可偏转元件可以被配置为响应于沿着单个轴线、沿着两个轴线、或者具有更大数量的自由度的振动或声波而偏转(例如，旋转、内部振动和谐波、挠曲等)。

所述至少两个固定导电表面可以是共面的或位于不同的平面中。所述至少两个固定导电表面可以包括至少三个导电表面。

所述可偏转元件可以包括膜片，并且所述至少两个固定导电表面被一起配置为使得所述膜片与所述至少两个固定导电表面中的任一个之间的电压差基本上不会偏转或改变所述膜片的有效刚度。

所述电容传感器还可以包括与所述至少两对导电表面中的每一个电连通的一组电极，其被配置为确定在可偏转元件的移动之间引起的电荷再分布。

可以提供相应的跨阻放大器，其被配置为从每个相应的导电表面产生输出信号。

所述电容传感器可以具有壳体，所述壳体被配置为选择性地将声振动从环境端口引导到所述可偏转元件的一侧，或者选择性地将声振动从一对环境端口中的每一个引导到所述可偏转元件的相应侧。所述壳体可以被配置为选择性地提供从一对环境端口中的每一个到所述可偏转元件的相应侧的用于流体介质的一组限定路径。

所述可偏转元件可以具有与围绕所述可偏转元件的声场内的空气移动近似的移动。所述可偏转元件可以具有与所述可偏转元件的惯性状态相对应的移动，即，加速、角旋转等。

所述可偏转元件可以包括厚度小于约10μm、7.5μm、5μm、3μm或1μm的膜片。所述可偏转元件可以包括直径为约1μm、小于800nm、750nm、700nm、600nm、550nm、500nm、400nm、300nm、250nm、225nm、200nm、175nm、150nm、125nm、100nm、80nm、75nm、60nm或50nm的纤维。膜片或纤维可以被金属化，例如具有<100nm、90nm、80nm、75nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、25nm、20nm、15nm或10nm的金涂层。

所述可偏转元件具有最低的共振移动频率，例如，小于250Hz、200Hz、175Hz、150Hz、125Hz、100Hz、80Hz、75Hz、70Hz、65Hz、60Hz、55Hz、50Hz、45Hz、40Hz、35Hz、30Hz、25Hz、20Hz、15Hz或10Hz。所述可偏转元件可以被配置为响应于与声场内的声波相对应的气压变化而移动，该声场的频率高于其与声波的声速同相的最低共振频率。

所述可偏转元件与所述导电表面中的至少一个之间的电势可以为至少400V、300V、240V、200V、150V、120V、100V、75V、48V、24V、12V、10V、6V、5V、3.3V、3V、2.5V、2V、1.5V、1V或0.5V。

所述可偏转元件可以具有小于250Hz的移动的最低共振频率，并且被配置为具有这样的速度，所述速度具有小于空气移动90度的相位滞后，以响应具有高于所述最低共振频率的频率的声场内的声波。所述可偏转元件可以具有小于150Hz的移动的最低共振频率，并且被配置为具有这样的速度，所述速度具有小于空气移动90度的相位滞后，以响应具有高于所述最低共振频率的频率的声场内的声波。所述可偏转元件可以具有小于80Hz的移动的最低共振频率，并且被配置为具有这样的速度，所述速度具有小于空气移动90度的相位滞后，以响应具有高于所述最低共振频率的频率的声场内的声波。所述可偏转元件可以具有小于50Hz的移动的最低共振频率，并且被配置为具有这样的速度，所述速度具有小于空气移动90度的相位滞后，以响应具有高于所述最低共振频率的频率的声场内的声波。所述可偏转元件可以具有小于25Hz的移动的最低共振频率，并且被配置为具有这样的速度，所述速度具有小于空气移动90度的相位滞后，以响应具有高于所述最低共振频率的频率的声场内的声波。所述可偏转元件可以具有最低共振频率，并且以小于90度的相位滞后移动，以响应具有高于所述最低共振频率的频率的空气的压力变化。

可以通过相应的跨阻放大器将每个导电表面上的电势维持在地电势，同时通过所述可偏转元件的移动在相应的导电表面上感应出电荷的变化。

另一个目的是提供一种感测振动的方法，所述方法包括：提供至少两个分开的导电表面以及可偏转元件，所述可偏转元件的偏转轴线垂直于由所述至少两个隔开的导电表面在所述可偏转元件上生成的力；相对于所述至少两个导电表面在所述可偏转元件上感应出电势；以及感测由于所述可偏转元件沿着所述偏转轴线的偏转而引起的所述至少两个导电表面上的感应电荷的变化，其中，由所述至少两个隔开的导电表面在所述可偏转元件上生成的力基本上不会改变所述可偏转元件的偏转。感应电荷的变化可以通过至少一个跨阻放大器来感测。所述可偏转元件可以响应于标准温度和压力并且相对湿度为20％的空气中的声波而移动，这近似于围绕可偏转元件的声场内的空气移动。

所述可偏转元件可以具有最低共振频率，并且以小于90度的相位滞后移动，以响应具有高于所述最低共振频率的频率的空气中的声波。所述最低共振频率是例如250Hz。所述可偏转元件的移动可以对应于外力、粘性阻力、压差等。所述可偏转元件的移动可以对应于外力，例如可偏转元件的应力或应变、膨胀、收缩、溶胀、加热、冷却等的变化。

可以通过相应的跨阻放大器将每个导电表面上的电势维持在地电势，同时所述偏转引起所述可偏转元件的移动以引起相应导电表面上的电荷变化。

进一步的目的是提供一种电容感测方法，所述方法包括：提供传感器，所述传感器包括至少两个具有相关电场的电隔离电极，以及在所述相关电场内的被充电元件，其具有响应于感测到的条件的移动轴线，所述移动轴线正交于所述被充电元件与所述至少两个电隔离电极之间的静电力，并且对所述被充电元件与所述至少两个电隔离电极之间的所述静电力的大小没有机械响应；引起所述被充电元件相对于所述至少两个电隔离电极沿着所述移动轴线的移动；感测由于所述被充电元件的移动而引起的所述至少两个电隔离电极中的每一个上的感应电荷；以及生成对应于所述移动的信号。感测到的条件可以是声音。

所述被充电元件从一端悬垂并且具有细长轴线并且具有恢复力，所述恢复力倾向于使所述被充电元件返回到标称位置，并且在所述标称位置，所述被充电元件的自由端靠近所述至少两个电隔离电极，并且所述被充电元件与所述至少两个电隔离电极之间的所述静电力平行于所述细长轴线。

所述被充电元件具有细长轴线并且由弹性悬臂支撑，所述细长轴线平行于所述静电力并且指向所述至少两个电隔离电极之间的间隙。

所述至少两个电隔离电极中的每一个沿着所述移动轴线对所述被充电元件施加力分量，并且其中，沿着所述移动轴线对所述被充电元件施加的所述力分量的叠加消除了沿着所述移动轴线的净力。

所述被充电元件包括直径小于约1微米的细丝。所述被充电元件包括直径小于约550nm的细丝或导电丝。空气中的移动可以是对以粘性阻力为主导的高于250Hz的频率处的声振动的响应。

所述被充电元件可以包括具有悬臂支撑的导电穿孔板，所述悬臂支撑仅沿所述移动轴线支撑所述导电穿孔板的移动。所述被充电元件可以响应于由粘性阻力主导的高于100Hz的频率的声振动而在空气中移动。

所述被充电元件可以具有细长轮廓和细长轴线，所述细长轴线具有相对于所述静电力的矢量的小于约3度、小于2度、小于1度或小于0.5度的角度。

所述被充电元件可以具有细长轮廓和垂直于所述移动轴线的细长轴线，并且所述静电力沿着所述移动轴线的力分量比所述静电力沿着细长轴线的力分量低-18dB、-20dB、-24dB、-28dB、-30dB、-33dB、-36dB或-40dB。

所述被充电元件可以具有平行于所述静电力的细长轴线，并且具有抗拉刚度，并且其中，在所述静电力超过所述抗拉刚度之前，所述被充电元件不受所述静电力的吸合。

所述至少两个电隔离电极可以相对于所述被充电元件对称，并且通过以下操作生成信号：为每个相应的电极提供跨阻放大器，并且基于相应所述跨阻放大器的输出的电压差来确定所述被充电元件的移动。

另一个目的是提供一种方向麦克风或传感器，包括：至少两个电隔离电极，所述至少两个电隔离电极具有相关电场；被充电元件，所述被充电元件在所述相关电场内，具有围绕固定位置的移动轴线，所述被充电元件被配置为沿着与所述被充电元件和所述至少两个电隔离电极之间的静电力正交的移动轴线移动；和电子电路，所述电子电路被配置为产生取决于所述移动的输出(例如，响应于声音)，并且在所述被充电元件上产生偏转力，从而改变所述被充电元件的所述移动轴线。输入可以接收对所述被充电元件的期望移动轴线进行定义的信号。

本发明的另一个目的是提供一种确定波(例如声音或振动)的传播矢量的方法，包括：提供至少两个具有相关电场的电隔离电极；以及在所述相关电场内的被充电元件，所述被充电元件具有围绕固定位置的移动轴线，所述被充电元件被配置为围绕移动轴线移动，所述移动轴线与所述被充电元件和所述至少两个电隔离电极之间的静电力正交；取决于沿着所述轴线的移动产生第一输出；接收用于改变所述相关电场并由此使所述被充电元件偏转的信号，从而将所述移动轴线改变为第二移动轴线；取决于沿着所述第二轴线的移动产生第二输出；以及分析所述第一输出和所述第二输出以确定所述振动的矢量传播特性。

另一个目的是提供一种传感器，包括被配置为置于具有至少两个电极的电场内的被充电(或可充电)的元件，所述被充电或可充电的元件与所述至少两个电极中的每一个相互作用以在所述被充电元件内产生仅拉伸的复合力，并且没有从被充电元件的标称位置偏转的趋势，使得所述被充电元件从所述标称位置偏转时在所述至少两个电极上引起可以被感测到的电荷再分布。

偏转可以由各种影响引起。例如，在麦克风实施方式中，声音可以作用在被充电元件上，以使其以与压力变化或整体流动模式(例如，粘性阻力)相对应的移动模式来移位。

在加速度计的实施方式中，被充电元件可以是或者可以具有与检验质量或惯性质量相对应的移动。

在震动传感器中，惯性质量具有随时间的机械积分，或者输出随时间电积分，以确定脉冲幅度。

类似地，在陀螺仪(例如，MEMS陀螺仪)中，被充电元件可以直接或间接响应科里奥利力或陀螺仪反作用力。

被充电元件可以是微悬臂梁，例如可以感测不对称的弯曲效应。例如，如果梁的一侧涂有化学响应材料，而另一侧没有，或者一侧选择性暴露于其会做出响应的化学品，则可以测量偏转。通常，设备的低频响应(<1Hz或0.1Hz)可能很低或容易受噪声影响，因此被充电元件可能会发生振动。在这种情况下，振动将充当被充电元件偏移位置的频率调制。

微悬臂也可以涂有选择性化学吸附剂，其作用是基于特定类型化学物质的暴露量来改变被充电元件的质量。在这种情况下，通常非常有用的是通过振动微悬臂梁并感测动态特性来感测质量变化。例如，微悬臂具有弹性安装件，被充电元件移动的共振频率将取决于其质量。在非共振系统中，响应于限定的力而感应的被充电元件将随被充电元件的质量而变化。

在某些情况下，被充电元件的安装件具有随感测到的条件而变化的相关物理属性。例如，安装件可以是热响应材料。因此，随着安装件温度的变化，也可以感测到被充电元件的安装件的机械性能。这可以是偏转、阻尼系数、弹力等。

被充电元件还可以充当其所浸入介质的流体动力学特性的传感器。例如，取代提供以流体阻力为响应于整体流的主导因素的纤维(例如亚微米纤维)，在过渡区域范围内提供较大的纤维。因此，基于介质的特性，纤维在介质中响应标准振动的移动将发生变化。如果介质是均匀的且温度和压力恒定，质量和/或粘度的变化将反映在被充电元件的响应中。

在某些情况下，可以提供传感器阵列。例如，该阵列可以感测到的条件(例如声波)中的空间或体积差异。应当注意，被充电元件可能是方向性的，因此空间和体积传感器可以产生与传播矢量、散射和其他影响有关的信息。在其他情况下，将传感器阵列配置或处理为使不期望的信号分量无效或消除，并选择或响应期望的信号分量。

另一个目的是提供一种传感器，所述传感器包括被配置为被置于具有至少两个电极的电场内的被充电的元件，所述元件与所述至少两个电极中的每一个相互作用以在所述元件内产生仅拉伸的复合力，而没有从标称位置发生偏转的趋势，使得所述元件在从所述标称位置偏转时在所述至少两个电极上引起电荷再分布。

所述元件可以具有响应于加速、科里奥利力、不对称弯曲力、介质和所述元件的表面的化学相互作用、介质和所述元件的表面的生物相互作用或者介质和所述元件的表面的化学吸附相互作用的移动或偏转。例如，传感器还可以包括机械积分器，其中，所述元件具有响应于冲击的移动。

所述复合力可以是振荡的，并且所述元件具有响应于至少振荡的复合力的偏转。

所述传感器还可以包括电子放大器，所述电子放大器被配置为产生与所述元件的偏转相对应的信号。

所述传感器还可以包括电子设备，所述电子设备被配置为确定分析所述元件的偏转的时间响应。

所述时间响应可以包括振动频率、共振频率或相位延迟。

例如，所述元件的偏转可以响应于围绕所述元件的流体的温度、压力、照明和/或粘度。

所述传感器还可以包括用于所述元件的弹性安装件，所述弹性安装件可枢转地支撑所述元件。所述元件的偏转可以响应于所述弹性安装件的物理性质的变化。所述元件的偏转可以响应于具有周围介质的弹性安装件的化学相互作用。

所述元件可以具有相关催化剂，其中，所述元件的偏转响应于所述相关催化剂的衬底的量。

另一个目的是提供一种传感器阵列，其包括布置成空间阵列的多个元件，所述多个元件被配置为被充电，所述空间的每个相应元件被设置在由至少两个相应的电极控制的电场内，相应的元件与所述至少两个相应的电极中的每一个相互作用，以在相应的元件内产生复合拉力，由于复合力，基本上没有从标称位置偏转的趋势，使得相应的元件在偏转时引起所述至少两个相应电极上的电荷再分布。所述空间阵列可以提供所述多个元件的三维阵列。所述传感器阵列还可以包括围绕所述多个元件的外部条件梯度。所述传感器阵列还可以包括热控制件，所述热控制件被配置为在所述多个元件中形成热梯度。所述传感器阵列还可以包括光学系统，所述光学系统被配置为将图像投影到所述空间阵列上。相应元件可以具有多个相应的不同的选择性化学响应。

还可以提供一种阵列，其中，控制所述传感器的环境以提供差异条件，通常在一定范围内逐渐增加的变化的状态。例如，可以提供传感器的线性阵列，将其维持在不同的温度下。简单的方法是在所述阵列的一端提供由热源引起的温度梯度。然后，所述阵列可以感测温度范围内介质的特性。类似地，可以施加其他梯度，例如照明或其他电磁辐射、视场、距旋转轴线的距离等。

如上所述，可以采用化学传感器，并且所述阵列可以具有传感器、感测的环境或要感测的介质的递增(或其他方式)的变化的特性。

所述传感器可以包括例如与介质中的分析物选择性相互作用的催化剂(无机、有机、酶等)。这可能会产生各种影响，但通常会产生热(热能)或氧化还原电势变化。为了感测热量，可以测量静态特性(偏转位置)或动态特性(振动频率、振动幅度等)。

氧化还原变化尤为有趣，因为它们可用于改变被充电元件的电压(电荷)，并因此产生依赖于调制电荷的输出。氧化还原变化还可以改变电导率和其他特性。例如，可以使用比色氧化还原指示剂测量氧化还原变化，该指示剂可以与光学系统相互作用，例如激光或发光二极管(半导体或有机半导体)。结果可能是温度变化。然而，在脉冲照明系统中，被充电元件与脉冲的耦合可能会根据其光吸收而变化，因此可以测量在整体温度没有明显变化的情况下的动态响应。

在某些情况下，传感器可以提供流体感测。通常，在感测电极和被充电元件之间存在液体是有问题的，因为许多液体是导电的，并且会渗出被充电元件上的电荷，尽管有些液体是介电的和非导电的。然而，考虑到水溶液和生物分析物，通常禁止在其中感测相关电场的空间，并且即使在该区域中的高湿度也可能对可靠的感测造成问题。一个解决方案是制造在<1.23V(水的水解电势)下工作的传感器，并向被充电元件提供电流以补充排出的电荷。应当注意，该传感器可以用作导电传感器，其中电流在电极之间分配取决于位置。但是，在某些情况下，电极和被充电元件之间的吸引力可能仍然是相关的，因为无论电流如何，力取决于电荷和距离。

另一种替代方案是在带有壁的流体空间中提供分析物，并在壁的相反侧将被充电元件安装在流体空间的外部。改变电气或热力学因子的流体空间中的变化可以通过壁来感测，并且反映在被充电元件的电气(电荷)或机械特性的变化中。例如，葡萄糖传感器可以通过固定在流体空间中的葡萄糖氧化酶来实现。葡萄糖氧化酶催化葡萄糖转化成葡萄糖酸内酯后，FAD被还原为FADH2，其被氧化还原介体氧化回FAD，然后被电极反应氧化。(当然可以直接测量该电势)。电极在该情况下耦合到被充电元件，并且被充电元件上的电荷取决于葡萄糖氧化。如果被充电元件被感应移动，则信号的幅度将取决于被充电元件上通过葡萄糖氧化感应的电荷。可以类似地感测其他酶偶联反应。该实施方式的一个优点是，它实现了水介质和电子器件的电隔离。另一个优点是，它可能对中间条件和叠加效应产生响应。例如，如果两种酶参与竞争或平行反应，则它们的反应输出可加或减。

被充电元件可以通过感测效果直接感应运动，或者与另一个机械元件耦合并间接感应移动。同样，由感测效果引起的对运动的调制可以是感测相互作用的直接效果，或间接地通过中间元件。

可以实现：成像传感器，例如元件的空间阵列，其位移或振动通过紫外线、可见光、红外光、远红外光、太赫兹辐射等的照射来调制；以及光学系统，其可以在阵列上投射图像以进行感测。在半导体CCD或光电二极管成像器中相对较困难的长波长感测是特别有吸引力的应用。应注意的是，感测电极被设计为具有与移动元件的细长轴线在其移动范围内对准的电场，从而避免了吸合效应；然而，这可以实现为允许“背侧”照明，即，图像通过设备的电极侧被投射到阵列(或单个元件传感器)上。可以通过提供在移动元件周围的随时间变化的电场来感应移动元件的振动，例如，可以调制感测电极或提供附加的“驱动”电极系统。在任何情况下，如果电场被调制，则电子器件通常会对调制进行滤波或补偿，同时解调施加的信号。

采用所述传感器的系统可以是手机(智能电话)或其他消费电子设备、汽车或其部件、飞行物体或无人驾驶机、电话、计算机、显示设备、军火、玩具等。所述传感器可以在各种应用中替代传统类型的传感器，并且其优点是允许新的应用。

可以被修改以采用本发明技术的各种传感器以及这样的传感器的使用是已知的。参见6199575；6621134；6670809；6749568；6848317；6889555；6926670；6935165；6994672；7036372；7046002；7073397；7077010；7078796；7093494；7109859；7143652；7164117；7169106；7204162；7205173；7260980；7260993；7340941；7368312；7397421；7402449；7425749；7451647；7474872；7518493；7518504；7539532；7539533；7543502；7558622；7562573；7663502；7677099；7689159；7694346；7732302；7733224；7748272；7775215；7775966；7784344；7786738；7795695；7810394；7849745；7878075；7915891；7923999；7950281；7977635；7984648；8000789；8016744；8020440；8037757；8061201；8103333；8108036；8118751；8121673；8121687；8129802；8130986；8136385；8143576；8146424；8171794；8187795；8215168；8235055；8268630；8278919；8323188；8323189；8328718；8338896；8344322；8347717；8352030；8368154；8371166；8390916；8397579；8418556；8425415；8427177；8434160；8434161；8449471；8461988；8464571；8467133；8472120；8475368；8477425；8477983；8482859；8488246；8500636；8516905；8525673；8525687；8531291；8534127；8542365；8578775；8615374；8646308；8652038；8669814；8677821；8680991；8684253；8684900；8684922；8708903；8713711；8717046；8719960；8727978；8742944；8747313；8747336；8750971；8764651；8787600；8814691；8831705；8833171；8833175；8845557；8848197；8850893；8875578；8878528；8924166；8939154；8963262；8964298；8968195；9000833；9007119；9020766；9028405；9034764；9046547；9052194；9052335；9060683；9074985；9086302；9094027；9096424；9097890；9097891；9107586；9118338；9128136；9128281；9129295；9134534；9151723；9159710；9182596；9190937；9194704；9199201；9204796；9215980；9222867；9223134；9228916；9229227；9237211；9238580；9250113；9252707；9285589；9291638；9307319；9322685；9329689；9335271；9341843；9351640；9359188；9364362；9366862；9389077；9389215；9400233；9404954；9423254；9441940；9444404；9459100；9459673；9465064；9473831；9476975；9494477；9518886；9522276；9528831；9534974；9541464；9549691；9557345；9568461；9575089；9582072；9584931；9588190；9596988；9628919；9631996；9644963；9651538；9658179；9683844；9689889；9695038；9696222；9708176；9722561；9733230；9733268；9759917；9775520；9778302；9781521；9801542；9814425；9820657；9820658；9835647；9838767；9839103；9843858；9843862；9844335；9846097；9856133；9863769；9865176；9866066；9867263；9875406；9897460；9897504；9901252；9903718；9907473；9910061；9910062；9938133；9945746；9945884；9958348；9970958；9976924；20020151816；20020177768；20020193674；20040007051；20040119591；20040207808；20040260470；20050001316；20050001324；20050046584；20050066728；20050072231；20050104207；20050139871；20050199071；20050199072；20050265124；20060056860；20060081054；20060081057；20060107768；20060178586；20060205106；20060208169；20060211912；20060211913；20060211914；20060248950；20070023851；20070029629；20070089512；20070089513；20070125161；20070129623；20070209437；20070230721；20070241635；20070265533；20070273504；20070276270；20080001735；20080004904；20080021336；20080079444；20080081958；20080149832；20080163687；20080169921；20080188059；20080202237；20080281212；20080294019；20090022505；20090024042；20090049911；20090064781；20090064785；20090072840；20090078044；20090114016；20090133508；20090140356；20090227876；20090227877；20090255336；20090282916；20090318779；20090320591；20100039106；20100049063；20100083756；20100100079；20100132466；20100147073；20100186510；20100238454；20100242606；20100244160；20100251800；20100271003；20100275675；20100308690；20110010107；20110049653；20110061460；20110062956；20110073447；20110089324；20110100126；20110115624；20110120221；20110138902；20110181422；20110192226；20110192229；20110226065；20110254107；20110267212；20110295270；20110317245；20120004564；20120025277；20120032286；20120034954；20120043203；20120075168；20120092156；20120092157；20120095352；20120095357；20120133245；20120192647；20120194418；20120194419；20120194420；20120194549；20120194550；20120194551；20120194552；20120194553；20120200488；20120200499；20120200601；20120206134；20120206322；20120206323；20120206334；20120206335；20120206485；20120212398；20120212399；20120212400；20120212406；20120212414；20120212484；20120212499；20120218172；20120218301；20120235847；20120235883；20120235884；20120235885；20120235886；20120235887；20120235900；20120235969；20120236030；20120236031；20120242501；20120242678；20120242697；20120242698；20120245464；20120249797；20120291549；20120313711；20120330109；20130002244；20130009783；20130023794；20130023795；20130047746；20130050155；20130050226；20130050227；20130050228；20130069780；20130072807；20130080085；20130095459；20130104656；20130127980；20130133396；20130156615；20130170681；20130172691；20130172869；20130178718；20130186171；20130191513；20130197322；20130201316；20130204488；20130211291；20130215931；20130221457；20130226034；20130226035；20130226036；20130231574；20130263665；20130276510；20130278631；20130279717；20130297330；20130314303；20130317753；20130328109；20130330232；20130340524；20140011697；20140026686；20140031263；20140041452；20140047921；20140049256；20140053651；20140055284；20140063054；20140063055；20140077946；20140090469；20140094715；20140104059；20140111019；20140111154；20140121476；20140130587；20140142398；20140143064；20140163425；20140176251；20140188404；20140188407；20140192061；20140192836；20140194702；20140217929；20140225250；20140235965；20140249429；20140250969；20140253219；20140257141；20140260608；2014026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移动元件可以在致动模式下使用，例如以定义载体激励，基于该载体激励，通过改变限定频率的幅度或改变频率或时间延迟(相位)特征来调制感测到的效果。这在将基带(DC)信号移至传感器显示更好的特性(例如更高的灵敏度、更低的噪声等)的范围内时特别有用。

通过改变移动元件周围的电场，移动元件的有意移动可用于各种目的。在一种情况下，可能期望采用吸合响应来保护传感器免受恶劣的环境条件的影响，因此，有意地使移动元件移出有害的路径。在另一种情况下，移动元件运行的空间可能是不均匀，并且移动元件的移动允许探索该空间。

如上所述，传感器可以具有较高的方向性，例如具有心形响应模式。通过使移动元件从其标称位置偏转，可以确定有关效果的矢量方向的信息。进一步地，该偏转可以区分具有方向性分量激励和非方向性的激励或噪声。偏转不必是二进制的，并且在光纤传感器的情况下，可以使用3个或更多个电极来感测两个轴线。也可以存在具有较大数量的电极的其他配置。例如，代替使移动元件的细长轴线指向电极之间的间隙(双电极对称传感器中的标称设计)，设置在两个侧向电极之间的第三电极可以在所述两个侧向电极维持在不同电势并且中心电极维持在中间电势时使梯度平滑(即，线性化过渡，从而使移动电极的响应线性化)。

对于元件周围的介质，移动元件可以充当阀或流量控制叶片，其位置由电极上的电势控制。

在流体接近湍流阈值的介质中，一个或多个元件的位置

移动元件的偏转，尤其是明显的偏转，可以改变传感器的有效刚度，从而改变响应的幅度和共振频率。其中的每一种在各种类型的传感器中都可以是有用的。

附图说明

图1A至图1D示出了常规的电容感测方案。

图2示出了兼容的静电传感器。

图3示出了根据图2的物理设置的照片。

图4A至图4C示出了对于图2的电极配置，势能和电荷灵敏度的估计的一阶和二阶导数作为移动电极的尖端位移的函数。

图5示出了表征设置的示意图。

图6A至图6D示出了图2的电极配置的测量结果。

图7A至图7B示出了图2的电极配置的测量结果与频率。

图8A示出了本发明的穿孔板膜片实施方式。

图8B示出了本发明的纤维网移动元件实施方式。

具体实施方式

图2示出了根据本发明技术的顺应性静电传感器。

根据本文研究的优选实施方式的移动电极由在垂直于其平面的方向上极易挠曲的材料的薄片构成。其沿一个边缘被支撑，因此其可以轻松地围绕该支撑线旋转或弯曲，如图2所示。该图表示系统的二维横截面，该横截面在垂直于此部分的整个尺寸上均保持不变。移动电极由长度为L

固定电极被定向成使得其形成与移动电极的平面正交的平面表面。将固定和移动电极定向成使得其表面正交，这有助于最大程度地减小移动电极上的净静电力，因为电场将始终垂直于导体表面。通过适当地布置这些电极的位置和定向，可以使作用在移动电极平面表面上的静电力有效地抵消，而将相对较小的力垂直施加到自由边缘上。

根据示例性实施方式，移动电极由长度为L

通过将固定电极分成两个表面，分别用电极1和3表示，两个电极都保持在相同的电压，从而实现感测移动电极的位置。这两个固定电极上的电荷将随移动电极的位置而变化。对于具有实际尺寸的电极，发现与关联于电极的弹性特性的那些相比，静电力可以忽略不计。

在图2中，长度为L

制成的设备的照片如图3所示。三个电极被支撑在绝缘块上，绝缘块附接到微型操纵器上，从而使电极2靠近分隔电极1和3的线。电极与整个尺寸之间的距离使用显微镜以光学方式确定。

为了非常粗略地估计可实现的移动电极的机械刚度，可以考虑由固定边界支撑的悬臂梁的刚度。假设该电极由杨氏弹性模量E＝2×10

图3示出了用于实现图2中所示概念的物理设置的照片。电极1和3是使用垂直于电极2左侧自由端附近对准的薄铜带条形成的。电极2固定在其右侧被夹持。如图所示，从垂直于电极2的平面的方向入射声场。

虽然图2的电极配置不像平行板电容传感器那样适合通过简单的设计方程式进行分析，但可以针对给定的一组施加的电极电压以数字方式估算电荷分布。这里使用边界元方法，它为以下积分方程提供了数值解：

其中

是

将表面离散成有限数量的区域，可以解决任何给定电极几何形状的电荷分布。已知移动电极的各种位置的电荷密度使得能够根据电极位置来计算静电势能。然后可以对这些数据进行数值微分，以估计提供与给定运动相关的静电力和有效刚度的一阶和二阶导数。

图4A至图4C示出了对于图2的电极配置，势能的估计的一阶和二阶导数作为移动电极的尖端位移的函数。有效静电力与图4A所示的势能的一阶导数成比例，并且静电刚度与图4B所示的二阶导数的负值成比例。估计的力始终有吸引力且变硬，因为其始终起到使电极返回x＝0的平衡位置的作用。假定施加到移动电极的偏置电压为V＝400伏特，并且两个固定电极处于零伏特。图4C中所示的电荷灵敏度的最大幅值为大约4×10

因为该域是二维的，所以结果是沿垂直于图2的平面的方向的单位长度。图2显示该力始终具有吸引力，将电极恢复到x＝0时的单个平衡位置。静电能的二阶导数在平衡位置提供有效的静电刚度。可以将该静电刚度与如上所述的悬臂梁的机械刚度的估计进行比较。发现静电刚度为大约0.4N/m

已知所有表面S

传感器的输出将被视为电极1和3之间的电荷差。

图4C示出了该设备的预测电荷灵敏度，该电荷灵敏度是在移动电极2的位移范围内已知Q

然后计算该电荷差相对于电极2的尖端的位移的导数，给出以库仑/米为单位的灵敏度，如图4C所示。

整体传感器灵敏度可以表示为电荷灵敏度(以库仑/米为单位的S

S＝S

在下面显示的实验结果中，跨阻或电荷放大器用于获得电子输出。这是使用通用运算放大器完成的，其中，增益主要通过有效反馈电容C

当然，机械灵敏度S

为了获得图2的电极系统的实验结果，将5μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(用铝薄层金属化)用于制成电极2(Goodfellow.com零件号ES301855)。固定电极1和3使用两条2.5mm宽的铜带条构成。该组件被支撑在微操纵器上，以能够调节移动电极相对于固定电极的标称位置。放置在大约1米外的扬声器以声学方式驱动移动的电极。在消声室中进行测量。图5示出了表征设置的示意图。

通过使用连接到电极1和3的跨阻电路获得电子输出。这些电路未针对性能进行优化且使用具有1GΩ反馈电阻器的通用TL074四通道运算放大器。应当注意，与电阻器并联的寄生电容通常会严重影响这样的高值电阻器的阻抗，寄生电容通常为约C

图5示出了表征设置的示意图。使用激光振动计检测电极运动。扬声器形成的声场是使用Bruel和Kjaer 4138参考麦克风测量的。使用电荷/跨阻放大器测量电子输出。所有信号均使用National Instruments PXI-1033数据获取系统记录。

还使用由Polytec OFV-534紧凑型传感器头和Polytec OFV-5000振动计控制器组成的Polytec激光振动计测量移动电极的速度。使用直径为1/8英寸的压力感应膜片的Bruel和Kjaer 4138精密麦克风测量移动电极附近的声压。使用American Power Designs的M5-1000 DC-DC转换器，将V

图6A至图6D示出了图2的电极配置的测量结果。施加到移动电极的偏置电压为V＝400伏特，并且两个固定电极为零伏。移动电极由声场驱动，该声场由振幅约为1帕斯卡的扬声器产生的250Hz音调组成。图6A示出了由Bruel和Kjaer 4138参考麦克风测量的在移动电极的位置处的测量声压(帕斯卡)。图6B示出了使用激光振动计获得的在移动电极的夹持端和自由端之间的中途测得的速度(mm/s)。当声场以平面波传播时，速度几乎与压力成正比，并且与压力同相。可以使用高于其第一共振频率的光束响应来采用这种设计。因为光束然后是“高度顺应性”的，即质量主导而不是刚度主导，所以期望光束速度与声速同相。

图6C和6D示出了由检测电路产生的输出电压，该检测电路采用简单的跨阻放大器，对电极1和3上的电荷作出响应。如所期望的，如果当移动电极向固定电极之一移动时其从另一个移开，可以看到这些信号彼此大致异相。然后可以将两个输出相减以获得灵敏度提高的改进检测。输出电压的幅度约为250mV，因此差输出的灵敏度为大约0.5伏特/帕斯卡。对于图6A至图6D所示的数据，施加到电极2的DC偏置电压为400伏特。

对于大约1帕斯卡的声压，对应于图6A至图6D所示的速度的位移大约为2.5微米。应当注意，该位移是在电极的夹持端和自由端之间的中点测得的。然后我们可以估计，对于1帕斯卡声场，自由端的位移将约为5微米。然后可以将有效机械灵敏度视为S

图4C中所示的估计电荷灵敏度约为S

S＝S

可以将测得的电输出视为图6C和6D中所示信号的差，即对于1帕斯卡声场，测得的信号峰值电压约为0.5伏，该峰值大于0.12伏粗略近似值但在接近其的合理范围内。

图6A至图6D中的数据表明，由于声激励，该传感器能够产生可观的电子输出。这是由于使用了施加到移动电极上的400伏特的大偏压。通常可以预期在高顺应性电极上使用如此大的偏置电压对其移动会有明显的影响。

图7A和图7B示出了图2电极配置的测量结果与频率。这些结果表明，偏置电压对电极的移动影响可忽略不计，而电灵敏度在根据图7A的很大的频率范围内大致与偏置电压成比例。对于零、200伏特和400伏特的偏置电压，所测量的电极位移幅度作为频率的函数与偏置电压无关。还示出了1帕斯卡平面声波的预计空气位移幅度。这表明，根据图7B，电极在平面波中的移动至少与空气一样多。电灵敏度被认为是从电极1和3获得的输出电压相对于移动电极处的声压幅度的差。这表明，如预期的那样，对于双倍的偏置电压，灵敏度大约翻倍。

尽管使用了相当大的偏置电压，但图7A至图7B所示的结果表明，电场不会导致移动电极的运动变硬(或变软)。该图示出了测得的电极位移幅度与频率的关系(图7A)以及测得的电灵敏度，其被定义为从电极1和3(如图2所示)获取的输出电压相对于入射声压的差(图7B)。显示了零、200伏特和400伏特偏置电压的结果。尽管由于固定装置和移动电极的共振引起的声音反射的影响，作为频率函数的响应不是理想的(即不是平坦的)，但很明显，测量的电极速度基本上不受偏置电压的显著变化的影响。这表明静电力相对于作用在电极上的其他机械力可忽略不计，如从图4A至图4C的数据所预期的那样。

图7A至图7B还示出了在平面波声场中空气流动位移的预测幅度。这表明由于声音而测得的电极位移通常高于平面声波的预测值。这也表明该电极是高度顺应的，并且其运动不受静电或机械力或刚度的影响。

这种薄电极可以在声场中以与空气类似的位移移动的观察结果与薄的柔性壁的声感应运动的预测一致[18]。尽管有许多其他效应会影响此处研究的电极的运动，并且与预测通过壁的声音传输的问题并不十分相似，但很显然，薄而轻的膜可以在声场中随空气移动。如果我们认为入射声音是在频率ω上垂直于膜平面传播的谐波，则可以计算出传输穿过膜的声波的复振幅p

其中ρ

其中，u

因为速度U

电极高度顺应性这一事实，当然是通过此电容式感应方案轻松检测其移动的主要原因。只要感应配置本身不会引入会影响移动的显著静电力，就可以使用高度顺应的电极。

测得的电灵敏度在图7B中示出。同样，由于机械共振，频率响应也不理想，但是在所示的较低频率范围内，灵敏度在0.1至1伏特/帕斯卡的范围内。优化的电极设计和更完善的读出电路无疑会在这些测量结果上提供改进的结果。

比较图7A和7B表明，偏置电压的增加与偏置电压的变化成比例地增加了几乎所有频率的灵敏度，而对测量的移动没有明显的影响。因此，此处研究的电极配置可实现传感方法与电极机械设计的脱钩；无需设计电极即可承受电场施加的力。设计者可以自由地构造所需的移动电极以达到给定的灵敏度，而无需担心静电力会引起不稳定或阻碍移动。

在上文中，假设移动电极由平坦的平面构件组成。但是，在某些情况下，其自由边缘是弯曲的可能是有益的。此外，移动构件的平面也可以定向为使得其不平行于固定电极之间的间隙。在这种情况下，电极的运动将导致其与一个固定电极的重叠面积增加，而与另一固定电极的重叠面积减少。这将导致其功能类似于图1D所示的实施方式，其中固定电极上的电荷取决于重叠区域而不是如图1C中的距离。然而，在这种情况下，重叠区域仅由移动电极的自由边缘而不是其平面表面形成。运动发生的方向通常与固定电极正交，而不是如图1D所示平行。如先前所述，在其他情况下，较大的运动会导致减小的力回到平衡位置，使系统整体稳定。也可以通过使用平坦的平面移动电极并使固定电极之间的间隙不平行于该电极或在与图2的平面垂直的方向上不笔直来达到这一效果。

回顾图3，电极2的原型实施方式的自由端不是完全笔直，这可能导致数据中缺乏静电刚度。

在许多感测应用中，非常希望移动元件以较小的力驱动，因此必须尽可能轻巧和顺应，以便提供最小的可能阻力并随后以最大的可能位移响应。如果移动元件是电容传感器中的电极，则必须小心以确保与电场相关的力不会对运动和随后的传感器性能产生不利影响。目前的电极几何形状可最大程度地减小在运动方向上起作用的静电力。

在此处研究的电极设计中，静电势能被视为电极移动的函数。如果当电极移动时势能大致恒定，则该力将趋于较小，因为对于该保守力，该力等于势能的导数。通过将固定电极分为两个部分，可以保持势能对电极位移的不敏感性，同时使人能够感测到两个固定电极上的电荷差异。结果是能够在不施加影响运动的显著静电力的情况下感测运动的能力。

除了将传感器设计为在感兴趣的移动范围内保持几乎恒定的势能外，因为电场与导体的表面正交，所以移动的电极很薄并且与固定的电极正交，这导致了这一事实。他们之间的力量要小。通过保持围绕移动电极标称位置的几何对称性，垂直施加到其表面的静电力将大致抵消。这使得能够设计移动电极在其主要移动方向上具有完全可忽略的机械刚度。可以通过实际上没有旋转阻力的铰链来支撑移动电极，或者通过用对弯曲具有微弱抵抗力的极薄材料制成移动电极，来实现可忽略不计的刚度。如果材料足够薄，则可以将其配置为类似于悬臂梁，该悬臂梁完全固定在支撑结构上，并且在另一端自由。机械恢复刚度仅需要足以抵抗可能作用在其上的任何其他环境力，例如重力。

由于静电力不会影响移动，因此可以将施加到移动电极上的偏置电压设置为较高的值，从而提高总体电灵敏度。在此处提供的结果中，使用了高度顺应的移动电极，该电极可响应声压而轻松移动。电极配置可以使用相对较大的400伏特偏压，同时对电极移动的影响可以忽略不计。这样产生的输出电灵敏度约为0.5伏/帕。

电容传感器的另一个理想特性是在可能的移动和偏置电压的整个范围内确保稳定性。如图4A至图4C所示，当移动电极经受大的移动时，尽管对来自平衡位置的小偏移具有很小的抵抗力，但是恢复力将总是起作用以使其恢复到平衡位置，从而确保整体稳定性。

移动电极的移动基本上不受偏置电压变化的影响，同时对声音的总体电输出灵敏度如预期的那样提高。

传感器可以设计为麦克风，可实现20dBA的等效声压本底噪声，在20Hz至20kHz的频率范围内，频率响应将保持±3分贝不变。

尽管以上已经描述了悬臂板状元件作为空气中声波对装药的机械移动的换能元件，但是也可以使用一种或多种纤维，其具有高空气动力学质量阻力的优点。根据本技术，由于感测板和移动元件的静电相互作用不会使元件实质上偏转，也不会实质性地改变其刚度，因此该技术允许通过粘性阻力感测纤维周围空气中的近似粒子移动。与更通常地测量的由压力差引起的板的挠曲相比，传感器不限于单根光纤，因此可以提供多根光纤，或者是独立移动的平行元件，每一个均与玻璃纤维相互作用。感应电极，或形成松散的垫子或网格，使所有纤维一起移动。参见[4、30、41、42、3]。例如，纤维可以是涂有80nm金的蜘蛛丝，也可以是电纺聚甲基丙烯酸甲酯。

可以根据作用在其两个平面上的平面行进声波的压力差来分析粘性阻力移动元件的操作，可以通过将移动元件视为弹性梁来构建近似定性模型。在单个频率ω上的响应下，可以通过求解以下标准偏微分方程来计算在时间t处沿其长度x的点处的光束偏转w(x,t)，

其中E是杨氏弹性模量，I是面积惯性矩，ρ是材料的密度，b是宽度，h是厚度，P是平面波声压幅值，k＝ω/c是波数，c是波的传播速度，d是声音在光束的两个平面之间传播的有效距离，C是粘性阻尼系数。U是声粒子速度的复振幅。

随着光束变得足够细(即，当h和b变小时)，与粘性阻尼力

极薄的顺应性材料可广泛用于构造这些感应电极，例如石墨烯[1、2]和碳纳米管或纳米管纱线。静电纺丝聚合物纤维也可以实现流量感应[41]。这些非常薄的结构具有极低的弯曲刚度，但是，如果不使其移动受到垂直于其长轴线的静电力的强烈影响，则不可能将它们结合到常规电容式麦克风设计中。图8A显示了平面振动膜该设计感测到空气通过膜片的阻力，但这种设计具有显著的刚度，因此通常不能满足方程式(21)的所有项完全由粘性阻力项主导的假设。但是，在某些情况下，多孔膜片是可以接受的传感器。在一个示例中，膜片可以由多层石墨烯制成，在微机电系统(MEMS)设计中，该膜片也可以由多晶硅或氮化硅形成。膜可以本质上是导电的或金属化的，例如具有一层金。膜片，或更一般地，移动元件可以由驻极体材料形成。

形成薄的速度感测膜的典型硅微加工工艺始于裸露的硅片，其上通过湿式氧化生长出一微米的氧化物。该氧化膜为晶圆穿透蚀刻提供了一个蚀刻停止层，用于在薄膜后面形成一个开放的空气空间。然后使用低压化学气相沉积(LPCVD)炉沉积厚度约为0.5微米的氮化硅膜。通过光学光刻对氮化硅进行图案化，以限定用于实现孔隙率的孔并限定电极边缘。通过使用LPCVD工艺沉积并图案化磷掺杂的硅的薄层(约80nm)，使氮化膜的一部分导电。然后将膜退火以形成多晶硅。进行晶圆背面反应离子蚀刻(RIE)，以暴露硅电极的背面。通过使用缓冲氢氟酸去除热氧化物来释放电极。感测电极的制造是通过在移动电极的周围沉积导电膜来完成的。

图8B示出了纤维网元件，该纤维网元件形成松散的板，该松散的板通常通过移动的空气对纤维的粘性拖曳而整体移动。网格被设计成由于施加在网格平面上的力而具有高刚度，而在施加平面外力(例如由于声流引起的力)时具有高柔度。由于网格由大量松散排列的单个纤维组成，因此难以确保最靠近传感电极的边缘处的尺寸精度和面内刚度，以确保靠近传感电极的纤维是否自由。反过来，这削弱了对平面内静电吸引力的可重复灵敏度和抵抗力。因此，可以在靠近传感电极的边缘处将薄的实心框架或装订带连接到网格上。合适的纤维包括金属化的电纺PMMA和碳纳米管，或两者结合。

纤维可以小于1μ，并且例如可以为约500nm直径。

根据本技术的装置不仅可以用作传感器，还可以用作致动器。在这种情况下，例如，我们可以向电极施加较小的时变差分电压，这将有效地调节系统的平衡位置。可以将施加到移动元件电极的电压设置为将静电刚度调整到几乎任何所需值的值，而使移动仅受移动电极的机械刚度和质量限制。

使用极顺应且重量轻的移动电极材料(例如石墨烯)将能够以非常小的驱动电压进行驱动。这种配置允许根据驱动电压的微小变化在很大范围内调节平衡位置。移动电极对电压变化的响应是线性的，而不是平方的，这对于平行板致动器可能是期望的。此外，在四电极的实施方式中，也可以使用三个静态电极代替上述两个静态电极。在这种情况下，附加电极提供了额外的能力来调节移动电极的有效静电刚度。如以上各种实施方式中所讨论的，“排斥”可能是排斥的而不是吸引的。

可以将上述各种实施方式组合以提供其他实施方式。可以根据以上详细描述对实施方式进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求书中，所使用的术语不应解释为将权利要求书限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施方式，而是应解释为包括所有可能的实施方式以及等同物的全部范围。索赔是有权的。因此，权利要求不受公开内容的限制。

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以下文献中的每一个通过整体引用被明确地并入本文：

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