一种双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器

技术领域

本发明涉及微传感器及电场检测技术领域，特别涉及一种双振动模式的单芯片MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)三维电场传感器。

背景技术

在气象领域，电场传感器用于探测太阳辐射、雷雨、台风、海啸等气象的强烈电磁场变化，为气象预测提供参考数据；在静电防护领域，电场传感器可以通过测量被测物体附近空间的电场分布并通过算法反演来实现非接触静电压及静电荷量的测量；在电力领域，电场传感器可用于非接触的输电线电压的测量，也用来检测线路上绝缘子缺陷或损坏；在航空航天领域，电场传感器用来检测空间电磁场的干扰，保证其他电子器件的精密性与可靠性。

传统的场磨式电场传感器通过电机转动扇叶调制感应电荷为交变电流信号，不仅体积庞大、机械结构易损坏，还对被测电场有较大的畸变影响。光学式电场传感器利用电光晶体的Pockels效应、Kerr效应等进行检测，对高频电场有较好的灵敏度，但需要激光源。

随着微传感器技术的发展，集成光波导电场传感器、谐振式MEMS电场传感器等微型化传感器成为电场传感器的重要发展方向。现有的集成光波导电场传感器，缩小了光学式电场传感器的敏感元件，但同样需要激光源。现有的MEMS三维电场传感器一般是多个芯片组合而成，例如三个电场敏感芯片共面放置，通过解耦算法实现三维电场测量。此外也有将三个一维电场敏感芯片放置在立方体的正交面上，可降低电场分量的耦合串扰，但立方体的结构不利于集成。因此，现有的单芯片MEMS三维电场传感器，相当于三个一维芯片的结构集成在一个芯片上，存在结构复杂、电场Z轴分量的耦合串扰较大的问题。

发明内容

本发明提供了一种双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器，以解决或者至少部分缓解现有技术所存在的上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器，其包括衬底和设置在所述衬底上的固定感应单元、可动屏蔽单元以及压电驱动单元；

所述固定感应单元与外部检测电路电连接；所述可动屏蔽单元与所述压电驱动单元机械连接，所述压电驱动单元与外部驱动电路电连接；

在所述外部驱动电路输出的驱动电压的控制下，所述可动屏蔽单元在所述压电驱动单元的带动下，按照两种振动模式相对于所述固定感应单元振动，从而将被测三维电场信息以感应电流的方式输出，由所述外部检测电路通过预设检测算法，根据所述固定感应单元输出的感应电流，计算得到被测三维电场。

进一步地，所述固定感应单元的数量为四个，四个固定感应单元在所述衬底上呈两两对称分布，所述可动屏蔽单元设置在所述固定感应单元之间的对称轴上；所述可动屏蔽单元与每一所述固定感应单元分别组成一电场敏感单元；

所述压电驱动单元的数量也为四个，且四个所述压电驱动单元在所述衬底上呈两两对称分布。

进一步地，四个所述压电驱动单元分布于所述衬底的中部区域；

四个所述固定感应单元分布于所述压电驱动单元所在区域的外围。

进一步地，每一所述固定感应单元分别包括至少一个固定感应电极，所述固定感应电极固定设置在所述衬底上，并与所述外部检测电路电连接；

所述可动屏蔽单元包括多个可动屏蔽电极，所述可动屏蔽电极的数量与所述固定感应电极的数量相匹配，在每一所述电场敏感单元中，所述可动屏蔽电极与所述固定感应电极交错分布，且在驱动电压的控制下，所述可动屏蔽电极可在所述压电驱动单元的带动下，相对于所述固定感应电极振动。

进一步地，在每一所述电场敏感单元中，所述可动屏蔽电极与所述固定感应电极在横向上交错分布。

进一步地，在每一所述电场敏感单元中，所述可动屏蔽电极与所述固定感应电极在纵向上交错分布。

进一步地，所述压电驱动单元包括驱动上电极、驱动下电极以及设置在所述驱动上电极与所述驱动下电极之间的压电层；其中，所述驱动下电极使所述可动屏蔽单元和所述压电层的下表面接地；所述驱动上电极通过外部驱动电路对压电层的上表面施加驱动电压，使其发生振动，以带动可动屏蔽单元振动。

进一步地，所述振动模式包括扭摆谐振和垂直谐振两种模式；其中，在施加驱动电压时，若以传感器的对称轴为扭转轴，扭转轴其中一侧的两个压电驱动单元的驱动电压的相位比扭转轴另一侧的两个压电驱动单元的驱动电压的相位差半个周期，则实现扭摆谐振，用于测量X、Z轴电场分量；若给四个压电驱动单元施加完全相同的驱动电压，则实现垂直谐振，用于测量X、Y轴电场分量；在控制所述可动屏蔽单元振动时，扭摆谐振模式和垂直谐振模式交替进行，所述外部检测电路通过对两种振动模式下测量的电场分量进行合成，计算得到被测三维电场。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1、通过可动屏蔽电极垂直振动和扭摆振动，提升了传感器电场灵敏度。

2、利用四个电场敏感单元进行共模和差模的组合，解算各轴电场分量，进一步提升了传感器的灵敏度。

3、通过扭摆振动和垂直振动，实现了对三维电场的测量。

4、通过四个电场敏感单元的两两对称分布，实现结构上的差分，再用特定的信号运算方式，可消除三轴电场分量的耦合串扰。

5、该传感器结构简单，体积小，适用于微加工技术制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器的微结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的电场敏感单元和压电驱动单元在同一平面的分布示意图；

图3是本发明第一实施例提供的压电驱动单元的结构示意图；

图4是本发明第二实施例提供的双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器的微结构示意图；

图5是本发明第二实施例提供的电场敏感单元和压电驱动单元在同一平面的分布示意图。

附图标记说明：

1、衬底；

2、固定感应单元；

3、可动屏蔽单元；

4、压电驱动单元；

5、金属焊盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。其中，需要说明的是，在附图或说明书描述中，不同实施例所示的相似或相同的结构都使用相同的附图标记。附图中未绘制或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

第一实施例

本实施例提供了一种双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器，如图1和图2所示，本实施例的双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器包括：衬底1、四个固定感应单元2、可动屏蔽单元3以及四个压电驱动单元4；其中，衬底1是支撑传感器的结构，固定感应单元2、可动屏蔽单元3以及压电驱动单元4均设置在衬底1上。固定感应单元2与外部检测电路电连接；可动屏蔽单元3与压电驱动单元4机械连接，压电驱动单元4与外部驱动电路电连接。

在外部驱动电路输出的驱动电压的控制下，可动屏蔽单元3在压电驱动单元4的带动下，按照两种振动模式，相对于固定感应单元2振动，从而将被测三维电场信息以感应电流的方式输出，然后由外部检测电路通过预设检测算法，根据固定感应单元2输出的感应电流，计算得到被测三维电场。

具体地，四个固定感应单元2在衬底1上呈两两对称分布，组成一个矩形结构，四个固定感应单元2分别位于矩形结构的四个角上，各固定感应单元2之间存在横向和纵向两条对称轴。而可动屏蔽单元3就设置在固定感应单元2之间的对称轴上；通过这种设置方式，可动屏蔽单元3与每一固定感应单元1分别组成一电场敏感单元，用于X、Y、Z轴电场分量的测量。

每一固定感应单元2分别包括至少一个固定感应电极，各固定感应电极的结构完全一致，由导体硅刻蚀而成，与衬底1之间电气绝缘，彼此互不接触，位于同一平面。每一固定感应电极分别通过金属焊盘5与外部检测电路电连接；可动屏蔽单元3包括多个可动屏蔽电极，可动屏蔽电极的数量与固定感应电极的数量相匹配，可动屏蔽电极与固定感应电极进行配对，并可相对固定感应电极振动，使固定感应电极上产生感应电流，从而将电场信息以感应电流的方式输出；如图2所示，在每一电场敏感单元中，固定感应电极数量至少为一，可动电极与之配对，形成叉指结构，固定感应电极和可动屏蔽电极之间不存在接触导电，它们都放置在绝缘衬底上。在同一电场敏感单元中固定感应电极可视为并联，可动屏蔽电极之间可以视为并联；在不同敏感单元中的固定感应电极之间互不关联。所有的可动屏蔽电极均接地。电极的具体数量由制作工艺和电极的长宽厚决定，本实施例不对具体的电极数量作限制。静止时，可动屏蔽电极与固定感应电极在同一平面，通过衬底1使结构互不接触；在驱动电压的控制下，可动屏蔽电极可在压电驱动单元4的带动下，相对于固定感应电极振动。

相应地，压电驱动单元4的数量也为四个，且四个压电驱动单元4结构完全一致，通过悬臂梁结构固定在衬底1上，并在衬底上1呈两两对称分布，同时压电驱动单元4通过悬臂结构连接在可动屏蔽单元3上。其中，四个压电驱动单元4分布于衬底1的中部区域；四个固定感应单元2分布于压电驱动单元4所在区域的外围。

具体地，如图3所示，压电驱动单元4包括：驱动上电极、驱动下电极和设置在驱动上电极与驱动下电极之间的压电层；其中，压电层通过悬臂梁连接可动屏蔽电极，在其上下表面施加交变驱动电压可使其发生振动；驱动下电极在可动屏蔽电极和压电层之间，使可动屏蔽单元和压电层的下表面接地；驱动上电极通过金属焊盘5与外部驱动电路连接，对压电层的上表面施加驱动电压，使其发生振动，从而带动可动屏蔽单元3振动。其中，对驱动下电极施加不同的驱动电压可以改变压电驱动单元4的振动模态。金属电极可选用Ti、Pt、Al、Ag、Cr、Cu、Au中的一种或多种所制备的金属薄膜刻蚀而成；压电层采用高电压系数的材料，例如：PZT、AlN、ZnO、PbTiO

进一步地，本实施例采用四个压电驱动单元4实现双振动方式，即扭摆振动与垂直振动交替进行的方式，扭摆振动下，可动屏蔽电极以固定感应电极所在平面的对称轴为扭转轴，相对固定感应电极做扭转运动；在垂直振动下，可动屏蔽电极相对固定感应电极所在平面做垂直往复运动。其中，在施加驱动电压时，以不同驱动电压控制四个压电驱动单元4带动可动屏蔽电极实现扭摆谐振和垂直谐振的方式，可实现对正交轴X、Y、Z轴电场分量的测量，再通过分量合成即可计算被测三维电场。具体地，若扭转轴一侧的两个压电驱动单元的驱动电压的相位比扭转轴另一侧的差半个周期，则实现扭摆谐振，用于测量X、Z轴电场分量；若给四个压电驱动单元施加完全相同的驱动电压，则实现垂直谐振，用于测量X、Y轴电场分量；理论上，两种振动模式解算的X轴电场分量应一致，可以对比扭摆振动和垂直振动解算的X轴电场分量值，有利于提高最终计算的空间三维电场的准确性。在控制所述可动屏蔽单元振动时，扭摆谐振模式和垂直谐振模式交替进行，所述外部检测电路通过对两种振动模式下测量的电场分量进行合成，计算得到被测三维电场。

基于上述，本实施例的双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器的工作原理为：通过给四个压电驱动单元4施加不同的交变驱动电压，四个压电驱动单元4独立振动，使可动屏蔽电极相对固定感应电极所在平面发生扭摆振动或垂直振动，则在四组固定感应单元2上将产生四种不同的感应电流信号。感应电流信号的幅值与被测量的空间三维电场的强度有关，通过将四组固定感应单元2上的电信号进行特定的共模和差模的组合，可以得到只与电场某一轴正交分量相关的输出电信号，若换一种共模和差模的组合，则可以得到只与另一轴正交分量相关的输出电信号。

扭摆振动和垂直振动会交替进行。在此，基于本实施例给出一种解算三维电场的方案，定义四个电场敏感单元输出的交变电流信号分别为I

在扭转振动下电场分量的计算式为：

在垂直振动下电场分量的计算式为：

其中，λ

最终三维电场的计算式为：

通过①②③④式可以修正电场灵敏度差异带来的误差。适用本实施例的其它解算方案在本实施中不做限制。

第二实施例

本实施例提供了一种双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器，其结构如图4和图5所示。其与上述第一实施例的传感器的不同之处在于：固定感应电极与可动屏蔽电极之间的排布方式不同，其他结构与工作原理均相同。采用本实施例的双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器，扭摆振动的模式下可以解算Y、Z轴电场分量；垂直振动的模式下可以解算X、Y轴电场分量。

综上，本发明提供了一种双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器，通过四个电场敏感单元两两对称分布，并且使用四个压电驱动单元交替实现扭摆振动和垂直振动的方式，实现对空间三维电场的测量。设计简单且能减小或消除耦合干扰，提高空间三维电场测量的准确度，同时压电驱动又可以降低功耗和串扰噪声。此外，特殊的共模和差分算法，也能降低共模噪声，提高传感器的信噪比。基于此，本发明的传感器具有体积小，功耗低、精度高等特点。适用于为MEMS工艺制造，易于集成、封装、批量化和规模化生产。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。