一种自适应型MEMS电场传感器及其结构的制作方法

一种自适应型mems电场传感器及其结构
技术领域
1.本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种自适应型mems电场传感器及其结构。


背景技术：

2.电场传感器作为电场强度测量的关键部件，广泛应用于航空航天、智能电网、静电防护、雷电预警、科学研究等诸多领域。
3.近年来，随着mems和微纳加工技术的发展，基于电荷感应原理的mems电场传感器因其体积小、成本低、易集成、可批量制造等优势，成为了研究和应用的热点方向。然而，mems电场传感器通常工作在其可动结构的谐振状态下，而其谐振频率受到温度、结构应力等外部因素变化的影响很大，进而影响其可动结构的振幅，从而导致其灵敏度等关键参数发生漂移，影响传感器的工作性能、稳定性和测量准确性。
4.因此，如何提高mems传感器的测量精度，是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种自适应型mems电场传感器及其结构，通过设置拾振参考电极，在拾振参考电极上施加一定的钳制电压，当可动接地电极进行周期性振动时，拾振参考电极上产生周期性电流，进而转换为周期性电压信号；将拾振参考电极所输出的电压信号作为反馈信号，控制驱动电极上激励信号的调整，使得可动接地电极4保持处于谐振状态；同时，通过拾振参考电极输出的电压信号持续或间歇性地对可动接地电极的振动幅值进行采样校准，并以其倒数作为修正因子，对感应电极的输出信号进行修正，获得最终传感器输出值，提高传感器测量精度。
6.第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种自适应型mems电场传感器结构，包括可动接地电极、至少一个拾振参考电极、至少一个感应电极、至少一个驱动电极；可动接地电极分别与拾振参考电极、感应电极、驱动电极耦合，驱动电极用于施加激励信号，可动接地电极用于根据激励信号产生振动，拾振参考电极用于耦合可动接地电极的振动，并转化为电信号，感应电极用于感应外部电场，并转化为电信号。
7.本发明进一步设置为：所述可动接地电极分别与拾振参考电极、感应电极、驱动电极之间，形成电容，所述电容结构为平行板、叉指、梳齿、平行弧圈中的至少一种；可动接地电极能够进行任意形式的周期性振动。
8.第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种自适应型mems电场传感器，包括自适应型mems电场传感器结构、数据处理电路，所述数据处理电路分别与所述mems电场传感器结构中的感应电极、驱动电极、拾振参考电极连接，分别用于通过拾振参考电极检测参考电压，通过所述驱动电极施加激励信号，通过感应电极检测外部电场的感应电压信号。
9.本发明进一步设置为：数据处理电路在拾振参考电极上施加一定的钳制电位，对参考电极上的电流信号进行电压转换，获取参考电压，用于检测可动接地电极的振动幅值和相位。
10.本发明进一步设置为：数据处理电路根据参考电压的相位，调整激励信号的频率，使可动接地电极处于谐振状态。
11.本发明进一步设置为：数据处理电路以参考电压幅值的倒数作为修正因子，对感应电压信号进行修正，得到传感器输出数据。
12.本发明进一步设置为：数据处理电路包括激励源电路、钳位电路、反馈电路、解调电路、计算电路，激励源电路与驱动电极连接，用于给驱动电极提供激励信号；钳位电路分别与感应电极、拾振参考电极连接，用于分别给感应电极、拾振参考电极提供钳制电位，反馈电路分别与激励源电路、拾振参考电极钳位电路输出端连接，用于根据参考电压信号调整激励信号，解调电路分别与钳位电路、激励源电路连接，用于对检测到的感应电极和拾振参考电极上的电压信号进行解调，计算电路与解调电路连接，用于根据解调结果，计算传感器输出数据。
13.本发明进一步设置为：钳位电路包括第一钳位电路和第二钳位电路，第一钳位电路与感应电极连接，用于对感应电极提供钳制电位，并将感应电极的感应电流信号转换为感应电压信号；第二钳位电路与拾振参考电极连接，用于对拾振参考电极提供钳制电位，并将拾振参考电极的参考电流信号转换为参考电压信号；反馈电路包括锁相环电路，用于锁定可动接地电极的谐振频率。
14.第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种自适应型mems电场传感器检测方法，包括可动接地电极、至少一个拾振参考电极、至少一个感应电极、至少一个驱动电极；所述拾振参考电极与可动接地电极之间形成电容，用于检测可动接地电极的振动情况；可动接地电极与感应电极相对部分，形成感应电极的屏蔽电极，感应电极用于感应外部电场；在驱动电极上施加激励信号，使可动接地电极处于谐振状态，检测拾振参考电极、感应电极的输出，以感应电极输出的解调感应电压除以拾振参考电极输出的解调参考电压，得到外部电场检测结果。
15.本发明进一步设置为：激励信号为正弦信号、方波信号中的一种，或直流信号与正弦信号的叠加，或直流信号与方波信号的叠加。
16.与现有技术相比，本技术的有益技术效果为：1.本技术通过设置拾振参考电极，检测参考电压，从而调整激励信号和对感应电极的输出进行修正，提高了传感器检测精度；2.进一步地，本技术通过对参考电压的反馈，调整激励信号，保持可动接地电极处于谐振状态，保证测量的基准平稳；3.进一步地，本技术通过用参考电压对感应电极的检测进行修正，消除了外部干扰对测量的影响，提高了测量精度。
附图说明
17.图1是本技术的一个具体实施例的传感器结构示意图；图2是本技术的又一个具体实施例的传感器结构示意图；
图3是本技术的又一个具体实施例的传感器结构示意图；图4是本技术的一个具体实施例的传感器振动方向示意图；图5是本技术的又一个具体实施例的传感器振动方向示意图；图6是本技术的又一个具体实施例的传感器振动方向示意图；图7是本技术的又一个具体实施例的传感器振动方向示意图；图8是本技术的一个具体实施例的数据处理电路结构示意图。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
19.具体实施例一本技术的一种自适应型mems电场传感器结构，如图1所示，包括拾振参考电极1、感应电极2、驱动电极3、可动接地电极4，可动接地电极4分别与拾振参考电极1、感应电极2、驱动电极3耦合，拾振参考电极1与可动接地电极4相对的部分构成电容，用以检测可动接地电极4振动情况；可动接地电极4与感应电极2相对的部分，充当感应电极2对应的屏蔽电极作用，用以在感应电极2上产生外电场的感应输出；驱动电极3与可动接地电极4相对的部分构成驱动电容，在驱动电极3施加激励信号，使得可动接地电极4产生振动。
20.在本具体实施例中，可动接地电极4为叉指形结构，拾振参考电极1、感应电极2分别为梳齿状结构，驱动电极3包括两个，分别为梳齿状结构。
21.拾振参考电极1、感应电极2分别分布在可动接地电极4的两侧，两个驱动电极3分别位于可动接地电极4的一端，并同时位于拾振参考电极1、感应电极2的同一端。拾振参考电极1的梳齿与可动接地电极4一侧的叉指交错，感应电极2的梳齿与可动接地电极4另一侧的叉指交错，驱动电极3的梳齿分别与可动接地电极4两侧的叉指交错。
22.拾振参考电极1、感应电极2的结构相同；或对称分布在可动接地电极4的两侧，或非对称分布在可动接地电极4的两侧。
23.两个驱动电极3，或对称分布在可动接地电极4的两侧，或非对称分布在可动接地电极4的两侧。
24.本技术的又一种自适应型mems电场传感器结构，如图2所示，可动接地电极4只有一个，感应电极2、驱动电极3、拾振参考电极1分别为两个。
25.可动接地电极4为叉指形结构，感应电极2为梳齿状结构，驱动电极3为梳齿状结构，拾振参考电极1为只有一个齿的梳齿状结构。
26.一个驱动电极3、一个拾振参考电极1、一个感应电极2依次设置在可动接地电极4的一侧，与可动接地电极4交错设置。
27.另外一个驱动电极3、另外一个拾振参考电极1、另外一个感应电极2依次设置在可动接地电极4的一侧，同样与可动接地电极4交错设置。
28.可动接地电极4两侧的两个感应电极2有错位，分别起始于可动接地电极4一个叉指的两侧。
29.一个驱动电极3为只有两个齿的梳齿状结构，一个感应电极2是只有多于两个齿的梳齿状结构。
30.本技术的又一种自适应型mems电场传感器结构，如图3所示，可动接地电极4只有
一个，感应电极、驱动电极3、拾振参考电极1分别为4个。
31.可动接地电极4为叉指形结构，感应电极2为3个齿的梳齿状结构，驱动电极3为具有2个齿的梳齿状结构，拾振参考电极1为只有一个齿的梳齿状结构。
32.一个驱动电极3、一个拾振参考电极1、两个感应电极2、一个拾振参考电极1、一个驱动电极3依次设置在可动接地电极4的一侧，与可动接地电极4交错设置。
33.在可动接地电极4的另一侧，也同样布置一个驱动电极3、一个拾振参考电极1、两个感应电极2、一个拾振参考电极1、一个驱动电极3。
34.驱动电极3对称设置在可动接地电极4的两侧，依次类推，拾振参考电极1对称设置在可动接地电极4的两侧，感应电极2对称设置在可动接地电极4的两侧。
35.本具体实施例对各类电极的布置只是所有布置中的其中一部分，所有类推的，包括了拾振参考电极、感应电极、驱动电极，且拾振参考电极、感应电极、驱动电极分别与可动接地电极的对应部分，分别形成了平行板、叉指、梳齿或平行弧圈电容的结构，也属于本技术的范围。
36.本技术的可动接地电极4的振动，分别如图4、5、6、7所示，可动接地电极4能够实现以各种不同方式的周期性振动。
37.在图4中，可动接地电极4的一个齿两侧分别设置拾振参考电极、感应电极，在沿拾振参考电极、感应电极形成的平面上，进行左右方向的水平振动。
38.在图5中，可动接地电极4的一个齿两侧分别设置拾振参考电极、感应电极，在沿拾振参考电极1、感应电极2齿的长度方向上，进行上下振动。
39.在图6中，可动接地电极4的一个齿两侧分别设置拾振参考电极1、感应电极2，可动接地电极4进行扭动振动。
40.在图7中，可动接地电极4的一个齿两侧分别设置拾振参考电极1、感应电极2，拾振参考电极1、感应电极2、可动接地电极4为平行弧圈结构，沿弧圈方向进行旋转振动。
41.具体实施例二本技术的一种自适应型mems电场传感器，如图8所示，包括自适应型mems电场传感器结构、数据处理电路，数据处理电路分别与所述mems电场传感器结构中的感应电极、驱动电极、拾振参考电极连接，分别用于通过拾振参考电极检测参考电压，通过所述驱动电极施加激励信号，通过感应电极检测外部电场的感应电压信号。、数据处理电路包括激励源电路、钳位电路、反馈电路、解调电路、计算电路，激励源电路与驱动电极连接，用于给驱动电极提供激励信号，图中未示出；钳位电路分别与感应电极、拾振参考电极连接，用于分别给感应电极、拾振参考电极提供钳制电位，反馈电路分别与激励源电路、拾振参考电极连接，用于根据参考电压信号调整激励信号，解调电路分别与钳位电路的激励源电路连接，用于对检测到的感应电极和拾振参考电极上的电压信号进行解调，计算电路与解调电路连接，用于根据解调结果，计算传感器输出数据。
42.钳位电路包括第一钳位电路和第二钳位电路，第一钳位电路与感应电极连接，用于对感应电极提供钳制电位，并将感应电极的感应电流信号转换为感应电压信号；第二钳位电路与拾振参考电极连接，用于对拾振参考电极提供钳制电位，并将拾振参考电极的参考电流信号转换为参考电压信号。
43.在本具体实施例中，第一钳位电路提供给感应电极的钳制电位为0电平，经过第一
跨阻r1后，将感应电极上的电流信号转换为电压信号。
44.第一解调电路的输入与激励源电路输出、第一钳位电路的输出端连接，用于根据激励信号，对第一钳位电路的感应电压信号进行解调处理，得到解调感应电压vs。
45.第二钳位电路提供给拾振参考电极的钳制电位为v0电平，经过第二跨阻r2后，将拾振参考电极上的参考电流信号转换为参考电压信号。
46.反馈电路包括锁相环电路，用于锁定可动接地电极的谐振频率。
47.反馈电路的输入连接第二钳位电路的输出，将参考电压信号经过锁相后，自动锁定谐振频率、相位，并根据参考电压信号，对激励信号进行调整。
48.具体地，根据拾振参考电极提供的参考电压相位，调整激励信号的频率，使可动接地电极处于谐振状态。
49.第二解调电路的输入与激励源电路输出、第一钳位电路的输出端连接，用于根据激励信号，对第二钳位电路的参考电压信号进行解调处理，得到解调参考电压vr。
50.解调电路对参考电压信号及感应电压信号的采样，是持续的，或间断的。
51.计算电路分别与第一解调电路的输出、第二解调电路的输出连接，将解调感应电压vs除以解调参考电压vr，得到传感器输出的电场测量结果。
52.将参考电压幅值的倒数作为修改因子，对感应电压信号进行修正，得到传感器输出数据，补偿了传感器谐振频率及振动幅值变化所带来的测量误差。
53.经过自动调整激励信号及对输出进行修正，能够根据环境及结构参数变化进行自适应调整，自主保持谐振状态，并自动校准可动接地电极的振动幅值，实现对传感器输出漂移的补偿，极大提高mems传感器的测量准确性和工作稳定性。
54.在本技术的一个具体实施例中，激励信号为正弦信号、方波信号中的一种，或直流信号与正弦信号的叠加，或直流信号与方波信号中的叠加。
55.本实施例的实施原理为：在驱动电极上施加激励信号，通过驱动电极与可动接地电极之间相对部分形成的电容，将激励信号在可动接地电极上转换为振动，从而使可动接地电极产生谐振。拾振参考电极与可动接地电极上相对的部分构成电容，用以检测可动接地电极振动情况；对拾振参考电极施加钳制电位，利用可动接地电极与感应电极相对部分产生的电容，屏蔽掉外部电场对拾振参考电极的影响，感应电极感应外电场。
56.因为外电场对拾振参考电极的影响可以忽略，将感应电极上检测到的参考电压信号，用于对激励信号进行调整，保证可动接地电极处于谐振状态，将解调参考感应电压用于对解调感应电压进行修正，得到传感器的最终输出值，消除了干扰对检测信号的影响，使传感器的最终输出值与外电场之间形成线性关系，而不受振动幅值的影响，提高检测精度。
57.本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。