CN113109636B - 一种单芯片三维电场传感器 - Google Patents
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Abstract
一种单芯片微型三维电场传感器，以静电驱动和压电驱动交替进行的方式实现电场敏感单元电极的水平振动和垂直振动，可实现对X、Y、Z三维电场的测量。传感器主要包括：衬底、固定端、感应电极、屏蔽电极、静电驱动结构、压电驱动结构、绝缘层；两组电场敏感单元在同一平面上相互垂直放置，各自采用轴对称设计。通过静电驱动结构，使两组屏蔽电极分别相对于各自的感应电极水平振动，分别测量垂直于对称轴的面内X、Y电场分量；在压电驱动下，感应电极相对于屏蔽电极垂直振动，测量垂直于电场敏感单元的Z电场分量。本发明可实现三维电场测量，有利于传感器的微型化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域和微机电(MEMS)系统领域，具体涉及一种单芯片的三维电场传感器。
背景技术
电场作为一个基础的电学特性参量，其探测技术的发展具有重要的意义。电场传感器广泛应用于气象、航天航空、环境检测、工业生产等诸多领域。
基于微机电系统(MEMS)技术的微型电场传感器，凭借体积小、重量轻、功耗低、成本低、集成度高和可批量生产等优点，成为了电场传感器的一个重要发展方向。目前，大部分的MEMS电场传感器只能测量垂直于芯片上表面的一维电场分量。但是在很多应用场合电场的方向未知。一维电场测量只能反映三维电场中某一方向分量的大小，并不能反映三维电场的全部信息。
现有的MEMS三维电场传感器大多为组件式，即将三个一维电场敏感芯片布置在立方体相互正交的三个面上，容易引起测量误差，且体积较大。此外，还可将三个测量方向相同的一维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，且同样存在传感器体积较大、集成度较低等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对以上问题，本发明的主要目的在于提出一种单芯片的三维电场传感器，以解决上述技术问题的至少之一。
(二)技术方案
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出了一种单芯片微型三维电场传感器，由两组(两个或四个)结构一致的对称电场敏感单元两两相互垂直放置。传感器包括衬底、固定端、感应电极、屏蔽电极、静电驱动结构、压电驱动结构、绝缘层；其中：
衬底，支撑电场敏感芯片结构；
固定端，固定在衬底上，与衬底之间电气绝缘；
感应电极，相对于对称轴对称分布，通过对称轴两侧的固定端固定在衬底上，感应电极的数量至少为一组，并且与外部检测电路相连接。静电驱动时，感应电极与屏蔽电极在同一平面，保持静止不动，经过外部检测电路检测到的两组电场敏感单元输出信号经过差分后仅与X轴电场分量、Y轴电场分量有关；在压电驱动下，感应电极相对于屏蔽电极沿垂直于衬底的方向运动，输出信号仅与Z轴电场分量有关。
屏蔽电极，沿着对称轴分布并通过对称轴两端的固定端固定在衬底上。数量至少为一组，与感应电极数量对应相同，在静电梳齿驱动结构下相对于感应电极沿对称轴方向运动。
静电驱动结构，驱动电极为梳齿状；与屏蔽电极相连，同时连接外部驱动电路，在外部驱动电路作用下驱动屏蔽电极相对于感应电极沿对称轴方向运动。
压电驱动结构，由压电材料和金属电极构成，相对于对称轴对称分布。驱动电极选自Ti、Pt、Al、Ag、Cr、Cu和Au中的一种或多种；压电材料，为以下材料的一种或多种组合：锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性钛酸铅。
绝缘层，实现压电驱动结构和感应电极之间的电绝缘。
(三)有益效果
基于上述技术方案可知，本发明的单芯片三维电场传感器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)通过单芯片上两组(两个或四个)结构一致的对称电场敏感单元两两相互垂直放置，以及静电驱动、压电驱动交替进行的形式，实现对三维电场的测量。
(2)通过对称的结构设计，经过差分电路后所得到的输出信号仅与单轴电场分量有关，消除三轴电场分量的轴间耦合干扰。
(3)在静电驱动下，屏蔽电极周期性地屏蔽感应电极，在压电驱动下，感应电极周期性的被暴露、被屏蔽，实现对X、Y、Z三轴电场分量的调制。
(4)静电驱动结构采用梳齿状结构，提高驱动电极的驱动效果。
(5)该单芯片微型三维电场传感器的结构简单且体积小，适用于微加工技术制备，易于集成和批量化制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图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设计。
图1为根据本发明实施例1的单芯片微型三维电场传感器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例1的单个电场敏感单元结构示意图；
图3为根据本发明实施例1的压电驱动的驱动原理示意图；
图4为根据本发明实施例2的单芯片微型三维电场传感器的结构平面示意图；
其中，附图标记含义如下：
1：衬底；2：固定端；3：感应电极；
4：屏蔽电极；5：静电驱动结构；6：压电驱动结构；
7：绝缘层。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书中，不同实施例所示的相同或相似的结构采用相同的附图标记进行表示。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中技术人员所熟知的形式。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在解释本发明的总体构思，而不应当理解为对本发明的一种限制。
参照图1所示，本发明提出的单芯片的微型三维电场传感器，包括：衬底1，固定端2，感应电极3，屏蔽电极4，静电驱动结构5，压电驱动结构6，绝缘层7；其中，感应电极3与屏蔽电极4在静止状态下位于同一水平面，相对于对称轴对称布置，并且相互交叉设置，其数量设置为至少一组；感应电极3和屏蔽电极4分别通过固定端2固定在衬底上；固定端2固定在衬底1上，与衬底1之间电气绝缘；静电驱动结构5通过固定端固定在衬底上，相对于对称轴对称布置，并连接外部驱动电路，通过施加电压驱动屏蔽电极4相对于感应电极3沿着对称轴方向运动；压电驱动结构6通过绝缘层7连接在感应电极3上，由压电材料和金属电极组成，并且压电驱动结构6连接外部驱动电路，通过施加电压驱动感应电极3相对于屏蔽电极4沿着垂直于衬底的方向运动；绝缘层7实现压电驱动结构6与感应电极3之间的电绝缘。
本发明提出的单芯片的微型三维电场传感器的工作原理为：两组(两个或四个)对称电场敏感单元两两相互垂直放置，先在静电驱动结构上施加电压，让屏蔽电极相对于感应电极沿着对称轴的方向运动，周期性的屏蔽感应电极，则在对称轴两侧的感应电极上产生交流电流，经过差分电路，得到的输出信号仅与垂直于对称面方向的单轴电场分量有关，则两组电场敏感单元得出的输出信号仅与X轴电场分量、Y轴电场分量有关；随后在压电驱动结构上施加电压，让感应电极相对于屏蔽电极沿着垂直于衬底的方向运动，感应电极周期性的被暴露、被屏蔽，在感应电极上产生交流电流，经过差分后，得到的输出信号仅与Z轴电场分量有关；静电驱动与压电驱动交替进行，通过X、Y、Z三轴电场分量合成计算被测三维电场。
下面结合实施例，具体介绍本发明的单芯片的微型三维电场传感器的各个部分。
实施例1
实施例1介绍了基于单芯片的微型三维电场传感器，如图1所示为通过设置两组(两个)相互垂直的电场敏感单元的结构实例，每个电场敏感单元的结构完全一致，单个电场敏感单元的结构示意图参照图2所示。其中感应电极3，屏蔽电极4均固定在固定端2上，由导体硅刻蚀而成，感应电极与屏蔽电极均相对于对称轴对称，并在静止状态下位于同一平面。固定端2固定在衬底1上，与衬底1之间电气绝缘。本实施例1可行的方式中，感应电极3与屏蔽电极4的数量均至少为一组，且相互交叉设置，具体的感应电极与屏蔽电极的数量，长宽高等本发明不做限制。
在图1所示的本实施例1可行的方式中，本发明的单芯片微型三维电场传感器，采用静电驱动与压电驱动交替进行的方式。
静电驱动结构5在本实施例中采用推挽梳齿状结构，能够有效提高驱动电极的驱动效果。静电驱动结构固定在固定端2上，并且连接外部驱动电路，在施加电压的情况下，驱动屏蔽电极相对于感应电极沿着对称轴方向运动，周期性的屏蔽感应电极。
图3为根据本发明实施例1的压电驱动的驱动原理示意图，如图3所示压电驱动结构6在本实施例中由压电材料和金属电极构成，通过绝缘层7固定在感应电极3上，此时，绝缘层7实现压电驱动结构与感应电极之间的电气绝缘。电极上施加电压，可以驱动感应电极相对于屏蔽电极在垂直于衬底的方向运动，使得感应电极周期性的被暴露、被屏蔽。采用高压电系数的压电材料，例如：锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸铅、钛酸钡、改性钛酸铅，可以有效提高压电驱动的驱动效率，降低压电驱动的电压，并进一步减小耦合干扰，有利于提高传感器的信噪比。
实施例2
实施例2介绍了基于单芯片的微型三维电场传感器，通过设置两组(四个)两两相互垂直的电场敏感单元的结构示例，每个电场敏感单元的结构完全一致。参照图4所示，本实施例2与实施例1的工作原理一致，当第一组(相互垂直的两个)电场敏感单元进行静电驱动时，第二组(相互垂直的另外两个)电场敏感单元进行压电驱动；反之，则第一组电场敏感单元进行压电驱动时，第二组电场敏感单元进行静电驱动，则可以同时获取X、Y、Z三轴电场分量合成计算被测三维电场。
综上所述，本发明提供了一种单芯片的微型三维电场传感器，通过两组(两个或四个)对称电场敏感单元两两相互垂直设置，并且压电驱动与静电驱动交替进行的方式，实现对三维电场的测量，单芯片的结构设计降低了三维电场传感器的体积，功耗。同时对称的结构设计有效降低轴间耦合干扰，提高电场测量的准确度。此外，三个方向上实现全差分结构有效抑制共模噪声，提高传感器的信噪比。该单芯片的微型三维电场传感器，具有微型化、低功耗、低成本、高精度的特点。适用于微机械技术制备，易于组装、集成、批量化和规模化生产。
应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种单芯片三维电场传感器，包括相互垂直的两组对称设置的电场敏感单元，在静电驱动下，分别测量X、Y方向电场分量，在压电驱动下，测量Z方向电场分量；
每组所述电场敏感单元包括：衬底、固定端、感应电极、屏蔽电极、静电驱动结构、压电驱动结构、绝缘层，其特征在于：
衬底，支撑电场敏感芯片结构；
固定端，固定在衬底上，与衬底之间电气绝缘；
感应电极，通过固定端固定在衬底上，相对于对称轴对称分布；
屏蔽电极，沿着对称轴分布并通过对称轴两端的固定端固定在衬底上；
静电驱动结构，驱动电极为梳齿状；
压电驱动结构，由压电材料和金属电极构成，相对于对称轴对称分布；
绝缘层，实现压电驱动结构和感应电极之间的电绝缘；
所述静电驱动与压电驱动交替进行，分别实现屏蔽电极的水平振动和感应电极的垂直振动；
所述静电驱动结构与外部驱动电路相连接，以驱动所述屏蔽电极相对于所述感应电极沿对称轴方向运动；
所述压电驱动结构与外部电路相连接，以驱动所述感应电极相对于所述屏蔽电极在垂直于衬底的方向运动。
2.根据权利要求1所述的单芯片三维电场传感器，其特征在于， 单芯片上两组结构相同的电场敏感单元相互垂直放置。
3.根据权利要求1所述的单芯片三维电场传感器，其特征在于，通过单芯片上两组电场敏感单元实现X、Y、Z三维电场的测量。
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