【技術實現步驟摘要】
本公開涉及電場傳感器，更具體地涉及一種壓電自反饋激勵式微型電場傳感器、電場檢測方法及傳感器。
技術介紹
1、電場探測技術被廣泛的應用于航空航天、氣象、電力、危化、工業生產等各種領域。由于基于微機電系統（mems）方式研制的電場傳感器具有體積小、重量輕和成本低的優點，從而被用來對電場進行探測。現有的基于微機電系統方式研制的電場傳感器普遍采用靜電驅動的方式調制電場，然而，靜電驅動的驅動能力弱，對待測電場干擾大。導致無法滿足對現有的電場傳感器的高要求。
2、在實現上述專利技術構思的過程中，專利技術人發現：相關技術中由于現有的電場傳感器受驅動方式的影響，導致電場傳感器的輸出靈敏度和輸出分辨率的穩定性較低，對待測電場的進行檢測的穩定性較低的技術問題。
技術實現思路
1、鑒于上述問題，本公開提供了一種壓電自反饋激勵式微型電場傳感器、電場檢測方法及傳感器。
2、根據本公開的第一個方面，提供了一種壓電自反饋激勵式微型電場傳感器，包括：襯底，用于支撐拾振參考結構、壓電驅動結構、互屏蔽電場感應結構和彈性梁；壓電驅動結構，通過彈性梁固定在襯底上的拾振參考結構的兩側，用于在對壓電驅動結構施加驅動電壓的情況下，壓電驅動結構發生形變，以使彈性梁產生振動；互屏蔽電場感應結構，設置在襯底的上方，用于響應于彈性梁振動，互屏蔽電場感應結構輸出差分形式的感應電流信號，以便于抑制共模噪聲并檢測待測電場的幅值強度；拾振參考結構，設置在互屏蔽電場感應結構的兩側，用于響應于彈性梁振動，拾振參考結構輸出參
3、根據本公開的實施例，互屏蔽電場感應結構包括電場感應可動電極和電場感應固定電極；電場感應可動電極通過彈性梁支撐懸空于襯底上，用于響應于彈性梁振動，基于電荷感應原理，電場感應可動電極產生相對于襯底的垂直方向的振動，以使電場感應可動電極與電場感應固定電極之間產生位置的相對變化，輸出差分形式的感應電流信號；電場感應固定電極位于襯底的上方，并與電場感應可動電極相對設置，用于在電場感應可動電極振動的情況下，提供與電場感應可動電極的位置相對應的參考位置，與電場感應可動電極共同輸出差分形式的感應電流信號。
4、根據本公開的實施例，拾振參考結構包括可動參考電極和拾振固定電極；可動參考電極通過彈性梁支撐懸空于襯底上，并位于互屏蔽電場感應結構的兩側，用于響應于彈性梁振動，可動參考電極產生相對于襯底的垂直方向的振動，以使可動參考電極與拾振固定電極之間產生位置的相對變化，改變可動參考電極與拾振固定電極之間的電容；拾振固定電極固定在襯底的上方，并與可動參考電極相對設置，用于在可動參考電極振動的情況下，提供與可動參考電極的位置相對應的參考位置，根據可動參考電極與拾振固定電極之間的電容變化量，輸出參考電流信號。
5、根據本公開的實施例，在襯底中，與互屏蔽電場感應結構和拾振參考結構對應的區域為鏤空結構；電場感應固定電極位于襯底的上方，包括：電場感應固定電極的一端與襯底相連接，并接受由襯底提供的支撐力，以使電場感應固定電極除與襯底連接的一端以外的結構懸空；拾振固定電極固定在襯底的上方，包括：拾振固定電極的一端與襯底相連接，并接受由襯底提供的支撐力，以使拾振固定電極除與襯底連接的一端以外的結構懸空。
6、根據本公開的實施例，壓電驅動結構包括驅動電極層和壓電層，諧振器由電場感應可動電極和可動參考電極構成；驅動電極層包括第一子驅動電極層和第二子驅動電極層，第二子驅動電極層通過絕緣層固定在彈性梁上，驅動電極層用于響應于接收到的驅動電壓，驅動壓電層發生形變；壓電層設置在第一子驅動電極層和第二子驅動電極層之間，用于響應于驅動電極層使壓電層中的壓電材料發生形變，以使彈性梁產生振動，從而帶動諧振器振動。
7、根據本公開的實施例，用于制備絕緣層的材料包括以下至少之一：二氧化硅、氮化硅；驅動電極層為導體，用于制備驅動電極層的導體材料包括以下至少之一：鉑、金、銀、鋁、銅；壓電層通過濺射法或溶膠-凝膠法沉積得到，用于制備壓電層的材料包括以下至少之一：具有高壓電系數的氮化鋁、氧化鋅、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮摻雜鈦酸鍶、鈮摻雜二氧化鈦。
8、根據本公開的實施例，用于制備襯底的材料包括以下至少之一：硅、陶瓷、玻璃、其他有機材料。
9、本公開的第二方面提供了一種電場檢測方法，包括：將壓電自反饋激勵式微型電場傳感器放置在待測電場中；向壓電自反饋激勵式微型電場傳感器的驅動電極層施加驅動電壓，以使彈性梁振動；響應于彈性梁振動，基于電容變化量，可動參考電極與拾振固定電極之間產生位置的相對變化，拾振固定電極輸出參考電流信號；將參考電流信號輸入反饋電路；基于參考電流信號，反饋電路調整驅動電壓的電壓大小；向壓電自反饋激勵式微型電場傳感器的驅動電極層施加調整后的驅動電壓，以得到靈敏度恒定的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器；響應于靈敏度恒定的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器的彈性梁振動，基于電荷感應原理，利用電場感應可動電極與電場感應固定電極之間產生位置的相對變化，輸出差分形式的感應電流信號；根據差分形式的感應電流信號，得到待測電場的幅值強度。
10、本公開的第三方面提供了一種電場傳感器，包括：如上述結構的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器或如上述制備方法獲得的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器。
11、根據本公開的實施例，電場傳感器還包括由多個傳感器敏感結構構成的二維或三維電場傳感器，用于測量二維或者三維電場或電壓。
12、根據本公開的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器、電場檢測方法及傳感器，壓電自反饋激勵式微型電場傳感器包括襯底、壓電驅動結構、互屏蔽電場感應結構和拾振參考結構，壓電驅動結構、互屏蔽電場感應結構和拾振參考結構均設置在襯底的上方，壓電驅動結構設置在襯底的兩側，互屏蔽電場感應結構和拾振參考結構位于兩個壓電驅動結構之間，互屏蔽電場感應結構位于襯底中心的上方，拾振參考結構位于互屏蔽電場感應結構的兩側，通過僅對壓電驅動結構施加驅動電壓，壓電驅動結構的內部材料發生形變，從而使與壓電驅動結構相連接的彈性梁產生振動，在降低驅動電壓以及減小耦合噪聲干擾的同時，帶動與彈性梁相連接的互屏蔽電場感應結構和拾振參考結構產生垂直于襯底方向的振動，以便于提高對電場的調制能力。
13、根據本公開的實施例，進一步的，基于電荷感應原理，互屏蔽電場感應結構輸出差分形式的感應電流信號，以便于根據感應電流信號的電流大小，對待測電場的幅值強度進行檢測，同時根據差分形式的感應電流信號消除由于外部環境影響帶來的共模噪聲，提高電荷感應效率，對待測電場可以進行精準的檢測，基于電容變化量，拾振參考結構輸出參考電流信號，以便于將參考電流信號輸入至反饋電路，降低壓電自反饋激勵式微型電場傳感器的靈敏度漂移，減少環境溫度對諧振的影響。從而可以根據參考電流信號調整施加在壓電驅動結構上驅動電壓，提高壓電自反饋激勵式微型電場傳感器的輸出靈敏度的穩定性的同時，保本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種壓電自反饋激勵式微型電場傳感器，包括：
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述互屏蔽電場感應結構包括電場感應可動電極和電場感應固定電極；
3.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述拾振參考結構包括可動參考電極和拾振固定電極；
4.根據權利要求2或3所述的傳感器，其特征在于，在所述襯底中，與所述互屏蔽電場感應結構和所述拾振參考結構對應的區域為鏤空結構；
5.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述壓電驅動結構包括驅動電極層和壓電層，諧振器由所述電場感應可動電極和所述可動參考電極構成；
6.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，用于制備所述絕緣層的材料包括以下至少之一：二氧化硅、氮化硅；所述驅動電極層為導體，用于制備所述驅動電極層的導體材料包括以下至少之一：鉑、金、銀、鋁、銅；所述壓電層通過濺射法或溶膠-凝膠法沉積得到，用于制備所述壓電層的材料包括以下至少之一：具有高壓電系數的氮化鋁、氧化鋅、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮摻雜鈦酸鍶、鈮摻雜二氧化鈦。
7.根據權利要求1所述的傳感器，其
8.一種利用權利要求1~7中任一項所述的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器的電場檢測方法，包括：
9.一種電場傳感器，包括：如權利要求1至7中任一項所述的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器或如權利要求7所述制備方法獲得的壓電自反饋激勵式微型電場傳感器。
10.根據權利要求9所述的電場傳感器，其特征在于，所述電場傳感器還包括由多個傳感器敏感結構構成的二維或三維電場傳感器，用于測量二維或者三維電場或電壓。
...【技術特征摘要】
1.一種壓電自反饋激勵式微型電場傳感器，包括：
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述互屏蔽電場感應結構包括電場感應可動電極和電場感應固定電極；
3.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述拾振參考結構包括可動參考電極和拾振固定電極；
4.根據權利要求2或3所述的傳感器，其特征在于，在所述襯底中，與所述互屏蔽電場感應結構和所述拾振參考結構對應的區域為鏤空結構；
5.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述壓電驅動結構包括驅動電極層和壓電層，諧振器由所述電場感應可動電極和所述可動參考電極構成；
6.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，用于制備所述絕緣層的材料包括以下至少之一：二氧化硅、氮化硅；所述驅動電極層為導體，用于制備所述驅動電極層的導體材料包括以下至少之一：鉑...
【專利技術屬性】
技術研發人員：彭春榮，劉文杰，毋正偉，
申請(專利權)人：中國科學院空天信息創新研究院，
類型：發明
國別省市：
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