[发明专利]一种微型三维电场传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种电场传感器。

背景技术

现有的电场传感器根据工作原理主要分为电荷感应式和光学式两类。传统的机械结构电荷感应式电场传感器的制作技术较为成熟、精度高、量程较大，但这种传感器体积较大、结构较复杂、价格也比较昂贵。光学式电场传感器响应速度快、噪声较低，但是测量范围窄、成本高、且不适合静电场的探测。随着微加工技术的迅速发展，电场传感器日益向体积小、功耗低、成本低、易于批量化生产的方向发展。

本发明人曾申请了采用机械结构的三维电场传感器专利(发明专利申请号200510012178.9)以及采用微加工技术制备的一维微型电场传感器专利(专利号ZL03106433.7)。

一维微型电场传感器(专利号ZL03106433.7)只能测量与基底表面垂直的电场或电场分量，不能测量与基底平行的电场或电场分量，因此，在实际测量中，由于待测电场的方向通常不确定，测量数据仅能反映电场三维矢量某一个方向分量的大小，容易造成测量误差。

发明内容

现有的微型电场传感器仅能测量电场三维矢量某一个方向分量的大小，当待测电场方向与传感器基底表面不垂直时，会产生测量误差，本发明的目的是为了解决现有技术的问题，提出一种实现三维电场检测的微型电场传感器。

为了实现本发明的目的，本发明提出微型三维电场传感器的技术方案如下：X向电场测量单元、Y向电场测量单元、Z向电场测量单元均位于基底上，并且X向电场测量单元、Y向电场测量单元、Z向电场测量单元分别用于测量电场矢量的X向、Y向、Z向分量。

传感器的敏感结构由一对X向电场测量单元、一对Y向电场测量单元、Z向电场测量单元以及基底构成，且这些测量单元均位于基底上。

根据本发明的实施例，采用一对X向电场测量单元，形成差分结构，用于有效地抵消Z向电场分量的耦合，从而准确地测量X向电场分量。

根据本发明的实施例，采用一对Y向电场测量单元，形成差分结构，用于准确地测量Y向电场分量。

根据本发明的实施例，采用一个Z向电场测量单元用于测量电场矢量的Z向电场分量。

根据本发明的实施例，所述每个方向的电场测量单元均包括驱动电极、驱动结构、屏蔽电极和感应电极，其中：

驱动电极固接于基底上，并与外部驱动电路连接；驱动结构的与驱动电极相连，驱动结构与屏蔽电极相连；屏蔽电极悬空放置，感应电极固定在基底上；屏蔽电极在驱动结构的驱动下，与感应电极发生相对运动，从而调制外电场，使得感应电极上产生交变的电流，通过测量电流的大小实现外电场测量。

根据本发明的实施例，包含提供驱动力的驱动结构，用于驱动屏蔽电极。

所述的驱动结构采用热驱动结构，或采用静电驱动，或采用电磁驱动，或采用压电驱动方式，或采用形状记忆合金等可以产生驱动力的结构。

本发明的传感器可由微加工技术制备。由于电场探测方向覆盖了三维方向，因此无论电场方向相对电场传感器探测方向如何变化，其采集的信号都能反映三维电场的大小。

与已有的三维电场传感器相比，本发明所提出的传感器具有体积小、功耗低等优点。与一维微型电场传感器相比，本发明的传感器测量准确度更高。这是因为在实际测量中，待测电场的方向通常不确定，一维电场传感器的测量数据仅能反映电场三维矢量某一个方向分量的大小，当待测电场的方向与传感器基底表面不垂直时，会造成测量误差，而本发明传感器可以同时测量电场矢量的三个分量的大小，从而使得测量结果更加准确。

电场传感器广泛应用于气象、航空航天、电力、地震预测、安全生产等领域。

附图说明

图1是本发明三维微型电场传感器结构示意图。

图2是本发明的Z向电场测量单元结构及原理示意图。

图3是本发明的X向、Y向电场测量单元结构及原理示意图。

图4是一种V型梁热驱动结构示意图。

图5是方波电压波形图。

图6是采用静电驱动的电场单元部分结构示意图，其中(a)为静电驱动结构示意图；(b)为静电驱动结构与Z向测量单元屏蔽电极连接后的情况；(c)为静电驱动结构与X向或Y向测量单元屏蔽电极连接后的情况。

图7是静电梳齿驱动结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。