[发明专利]一种单芯片三维电场传感器

说明书

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。

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：