一种双振动模式的单芯片MEMS三维电场传感器

本发明涉及微传感器及电场检测，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、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；

4、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；

5、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。

6、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；

7、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。

8、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；

9、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。

10、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；

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

17、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。

18、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。

19、3、通过扭摆振动和垂直振动，实现了对三维电场的测量。

20、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。

21、5、该传感器结构简单，体积小，适用于微加工技术制备。

技术特征：

1.一种双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，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；

2.如权利要求1所述的双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，所述固定感应单元的数量为四个，四个所述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；

3.如权利要求2所述的双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，四个所述压电驱动单元分布于所述衬底的中部区域；

4.如权利要求2所述的双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，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；

5.如权利要求4所述的双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，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。

6.如权利要求4所述的双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，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。

7.如权利要求1所述的双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，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所述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。

8.如权利要求2所述的双振动模式的单芯片mems三维电场传感器，其特征在于，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，则实现所述扭摆谐振，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，则实现所述垂直谐振，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。

技术总结本发明公开了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，包括衬底和设置在衬底上的固定感应单元、可动屏蔽单元以及压电驱动单元；其中，固定感应单元与外部检测电路电连接；可动屏蔽单元与压电驱动单元机械连接，压电驱动单元与外部驱动电路电连接；在驱动电压的控制下，可动屏蔽单元在压电驱动单元的带动下，按照两种振动模式相对于固定感应单元振动，从而将被测三维电场信息以感应电流的方式输出，由外部检测电路根据固定感应单元输出的感应电流，计算得到被测三维电场。本发明可以实现三维电场测量，利于三维电场传感器的微型化。技术研发人员：闻小龙,程颢彬,李建华,张波受保护的技术使用者：北京科技大学技术研发日：技术公布日：2024/1/14