[发明专利]一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静场电探测系统及其探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统及其探测方法，属于静电探测技术领域。

背景技术

非接触式静电探测装置是进行静电场或静电探测的基本器件，广泛应用于人体静电、物体表面静电荷空间静电场的探测中。

目前旋叶式静电探测器未使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺，需要旋转电机驱动探测器旋转，功耗和体积大，不适合未来微型化和低功耗的探测技术发展趋势。目前成熟的振动电容式静电传感器体积大，需要额外供电装置起振，虽部分采用了MEMS工艺，但缩小体积的同时降低了探测的灵敏度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统及其探测方法，具有自激励、灵敏度高、集成度高、线性度高、体积微小等特点。

本发明首先提供一种用于静电场探测的静电传感器，包括自驱动单元和静电感应探针，所述自驱动单元与所述静电感应探针相连；所述自驱动单元包括压电驱动薄膜和压电感应薄膜，所述压电驱动薄膜与所述压电感应薄膜之间电连接。

进一步地，所述自驱动单元包括图形化的压电驱动薄膜和图形化的压电感应薄膜。

进一步地，所述自驱动单元为悬臂梁结构，所述静电感应探针为平行板结构。

进一步地，所述自驱动单元使用任意压电材料，所述静电感应探针使用任意金属电极材料；所述自驱动单元和所述静电感应探针均使用标准MEMS工艺制作。

本发明还提供一种基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统，包括上述静电传感器、放大电路、滤波电路、微控制器、显示装置；所述静电传感器包括自驱动单元和静电感应探针，所述自驱动单元与所述静电感应探针相连，所述自驱动单元包括压电驱动薄膜以及压电感应薄膜，所述压电驱动薄膜与所述压电感应薄膜之间电连接；所述静电感应探针与所述放大电路电连接，所述放大电路通过所述滤波电路与所述微控制器相连接，所述显示装置与所述微控制器相连接；所述微控制器用于处理经过放大和滤波的静电传感器的电信号，并控制显示装置输出测量结果。

本发明还提供一种采用上述系统的基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测方法，包括以下步骤：

1)静电感应传感器中的自驱动单元驱动静电感应探针振动，所述自驱动单元中压电感应薄膜的输出反馈给压电驱动薄膜，实现自激励效果；

2)静电传感器的输出经过放大电路与滤波电路进入微控制器，微控制器利用模数转换芯片得到数字信号，并对该数字信号进行存储、分析与判断，之后控制显示装置输出测量结果。

进一步地，通过所述微控制器控制所述自激励效果的强弱，以改变静电场探测的灵敏度。

本发明与现有技术相比较所具有的优点：

1、本发明是一种新原理静电探测技术，静电感应传感器由静电感应探针和自驱动单元组成，由自驱动单元驱动静电感应探针振动，图形化的压电感应薄膜的输出反馈给图形化的压电驱动薄膜，实现自激励效果。

2、自驱动单元和静电感应探针使用MEMS工艺制作，可以大规模批量生产，极大地缩小静电探测系统的体积和功耗，使体积控制在毫米级别。

3、静电感应探针输出的电信号经过放大电路和滤波电路进入微控制器，可以提高整体电路的抗干扰性，提高输出的准确性。

附图说明

图1为本发明的静电场探测系统的结构图。

图2为静电感应探针的示意图。

图3为一个实施例的静电场探测系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。

本发明的基于静电感应原理的非接触式MEMS自激励静电场探测系统如图1所示，包括：静电传感器、放大电路、滤波电路、微控制器、显示装置。

所述静电传感器如图2所示，包括自驱动单元和静电感应探针。自驱动单元使用压电陶瓷材料，静电感应探针使用金属材料，为一金属电极。自驱动单元和静电感应探针均使用标准MEMS工艺制作，使用真空磁控溅射工艺将所需压电材料和金属材料沉积在绝缘基板上，再利用干法或湿法刻蚀工艺形成具有图形化的压电自驱动单元和静电感应探针金属电极。

探测系统的输出电压与被测静电场具有线性数学关系，从而实现探测的目的。静电感应探针输出的电信号经过放大电路与滤波电路后连接到微控制器，显示装置也与微控制器相连接。