[发明专利]一种低轴间耦合的三维电场传感器

说明书

一种低轴间耦合的三维电场传感器，其三组电场敏感单元均采用轴对称差分设计，用于测量垂直于对称轴方向的面内电场分量，并且抵消垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合。每一个电场敏感单元的结构包括：轴对称的基底板；至少一对感应电极和至少一对驱动电极，均对称布置在基底对称轴的两侧；振动板，沿着基底板对称轴对称布置，用于在驱动电极的驱动下做水平或竖直方向的平动，从而调制感应电极的电场分布。本发明实现了对三维电场的测量，并从结构设计上降低了轴间耦合。

技术领域

本公开涉及传感器技术领域，尤其涉及一种低轴间耦合的三维电场传感器。

背景技术

电场传感器是测量电场强度和电势的装置，已广泛应用在国防、航空航天、气象探测、电力系统、地震预报、科学研究和工业生产等多个领域，具有非常重要的作用。对于不同的应用领域，待测电场的性质不尽相同，包括电场频率、电场强度、电场方向和电场持续时间等，因此测量所需的电场传感器种类也不尽相同。根据电场传感器的测量维度，其可分为一维、二维和三维电场传感器。电场作为一种空间矢量，其在空间中的方向是三维的。在电场方向未知的情况下，一维和二维电场传感器并不能完整地提供电场的方向信息，因此研究三维电场传感器具有实际意义。

现有的三维电场传感器为将三个一维的电场传感器芯片置于柔性电路板上，每个芯片均能测量垂直于自身方向的电场；通过折叠柔性电路板使上述三个一维电场传感器芯片的测量方向相互正交。但是由于传感器周围的电场畸变，该类型的三维电场传感器的测量精度会受到轴间耦合的影响。例如，X测量轴的输入电场会被耦合入Y轴方向和Z轴方向的电场分量。

此外，还可将三个测量方向相同的一维的电场传感器芯片置于同一平面，采用算法解耦的形式来测量三维电场。但该方法三维电场的测量依赖解耦算法，且传感器体积较大，集成度较低。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种低轴间耦合的三维电场传感器，用于解决以上技术问题的至少之一。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本公开提出一种低轴间耦合的三维电场传感器，包括三组电场敏感单元，该三组电场敏感单元的测量轴相互垂直，分别用于测量X、Y和Z三个相互垂直方向的电场；其中，电场敏感单元包括：轴对称结构的基底板；以及轴对称差分结构的电场敏感部，该电场敏感部位于基底板表面，且其对称轴与基底板的对称轴重合。

在本公开的一些实施例中，上述电场敏感部包括：相对于其对称轴对称分布的至少一对感应电极；沿其对称轴方向置于感应电极侧边的至少一对驱动电极；以及轴对称结构的振动板，其对称轴与电场敏感部的对称轴重合；感应电极和驱动电极均置于基底板的表面；振动板沿对称轴的两端固定于基底板上，且其与感应电极和驱动电极在各个方向均留有间隙。

在本公开的一些实施例中，上述驱动电极与外部驱动电路连接，以驱动所述振动板相对于感应电极沿对称轴运动或沿垂直于基底面的方向运动；感应电极与外部的差分测量电路连接，从而消除垂直于电场敏感单元的电场分量和平行于对称轴的电场分量的耦合。

在本公开的一些实施例中，上述振动板在面内垂直于对称轴的方向延伸有多个分支结构：该多个分支结构与驱动电极及感应电极位于同一平面，且与感应电极及驱动电极在对称轴方向穿插设置。

在本公开的一些实施例中，上述驱动电极及与其在对称轴方向穿插设置的多个分支结构的相对面均具有梳齿结构。

在本公开的一些实施例中，上述振动板在面内垂直于对称轴的方向延伸有多个分支结构：且该多个分支结构位于驱动电极与感应电极的上方；多个分支结构的一部分与感应电极在对称轴方向间隔设置；多个分支结构的另一部分位于驱动电极的正上方。

在本公开的一些实施例中，上述驱动电极及位于其正上方的多个分支结构的相对面均具有梳齿结构。