本公開(kāi)涉及傳感器，尤其涉及一種模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器及其檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、電場(chǎng)探測(cè)在航空航天、氣象、電力、?；?、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。采用微機(jī)電系統(tǒng)(mems)方式研制的諧振式電場(chǎng)傳感器具有體積小、重量輕、成本低的特點(diǎn)，因此成為了電場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，近年來(lái)得到越來(lái)越多的應(yīng)用和關(guān)注。隨著電場(chǎng)傳感器應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，對(duì)傳感器靈敏度的要求也逐漸提高?；谀B(tài)局域化原理的傳感器在靈敏度提升方面具有重要潛力。然而在微型電場(chǎng)傳感器研究方面尚處在起步探索階段，傳感器靈敏度、分辨力等關(guān)鍵性能參數(shù)仍具有很大的提升空間，并且仍需進(jìn)一步解決電場(chǎng)與模態(tài)局域化輸出的非線性問(wèn)題，減小誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器及其檢測(cè)方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。

2、本公開(kāi)的第一方面提供了一種模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，包括：襯底、諧振器陣列、感應(yīng)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電極、彈性梁、擾動(dòng)電極和檢測(cè)蓋板；所述諧振器陣列通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述襯底上；所述感應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述諧振器陣列兩側(cè)，所述感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)可動(dòng)結(jié)構(gòu)和多個(gè)固定結(jié)構(gòu)，其中，所述固定結(jié)構(gòu)與所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)均平行于所述襯底表面，所述固定結(jié)構(gòu)通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)固定在所述襯底上，所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)所述彈性梁支撐；所述驅(qū)動(dòng)電極設(shè)于所述諧振器陣列中至少一個(gè)諧振器的一側(cè)，用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器陣列帶動(dòng)兩側(cè)的所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，使所述固定結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流；所述彈性梁設(shè)于所述感應(yīng)結(jié)構(gòu)的一側(cè)，與所述感應(yīng)結(jié)構(gòu)處于同一平面；所述擾動(dòng)電極設(shè)置在所述彈性梁的一側(cè)，用于施加電壓擾動(dòng)，使所述諧振器陣列產(chǎn)生模態(tài)局域化現(xiàn)象；所述檢測(cè)蓋板設(shè)于所述諧振器陣列和所述感應(yīng)結(jié)構(gòu)上方，其靠近所述擾動(dòng)電極的一側(cè)用于屏蔽所述擾動(dòng)電極靠近的感應(yīng)結(jié)構(gòu)上方的待測(cè)電場(chǎng)，另一側(cè)用于在遠(yuǎn)離所述擾動(dòng)電極的感應(yīng)結(jié)構(gòu)的上方引入所述待測(cè)電場(chǎng)。

3、可選地，所述諧振器陣列中相鄰諧振器之間電容耦合或機(jī)械耦合。

4、可選地，所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)與所述固定結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，且均為條形結(jié)構(gòu)、梳齒結(jié)構(gòu)或不規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)，垂直于所述諧振器陣列的排列方向交錯(cuò)設(shè)置。

5、可選地，每組對(duì)應(yīng)的所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)與所述固定結(jié)構(gòu)相對(duì)的一側(cè)均設(shè)有梳齒，且所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)與所述固定結(jié)構(gòu)上的梳齒相互交錯(cuò)。

6、可選地，所述驅(qū)動(dòng)電極的一端通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)固定于所述襯底上，另一端為梳齒結(jié)構(gòu)，所述驅(qū)動(dòng)電極的梳齒結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的諧振器上的梳齒電極交錯(cuò)設(shè)置，與所述驅(qū)動(dòng)電極對(duì)應(yīng)的諧振器為所述諧振器陣列的其中一對(duì)對(duì)稱的諧振器。

7、可選地，所述檢測(cè)蓋板至少包括：導(dǎo)電蓋板、導(dǎo)電蓋板延伸層、絕緣層和導(dǎo)電屏蔽層；所述導(dǎo)電蓋板延伸層和所述絕緣層均位于所述導(dǎo)電蓋板的底面，所述絕緣層位于所述擾動(dòng)電極靠近的感應(yīng)結(jié)構(gòu)的上方，所述金屬蓋板延伸層位于遠(yuǎn)離所述擾動(dòng)電極的感應(yīng)結(jié)構(gòu)上方；導(dǎo)電屏蔽層設(shè)于所述絕緣層下方，通過(guò)粘接或鍵合方式固定于所述襯底上。

8、可選地，所述導(dǎo)電蓋板及所述導(dǎo)電蓋板延伸層及導(dǎo)電屏蔽層為金屬導(dǎo)電材料或復(fù)合導(dǎo)體材料。

9、本公開(kāi)第二方面提供了一種模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器的檢測(cè)方法，應(yīng)用于如第一方面所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，包括：在模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器的驅(qū)動(dòng)電極施加驅(qū)動(dòng)電壓，以及，在所述模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器的擾動(dòng)電極施加擾動(dòng)電壓；向所述模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器施加待測(cè)電場(chǎng)，采集所述模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器中兩側(cè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)輸出的電流；計(jì)算所述兩側(cè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)輸出的電流的比值，基于所述比值與待測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的映射關(guān)系，換算得到所述待測(cè)電場(chǎng)的強(qiáng)度值。

10、在本公開(kāi)實(shí)施例采用的上述至少一個(gè)技術(shù)方案能夠達(dá)到以下有益效果：

11、本公開(kāi)實(shí)施例提供了一種基于模態(tài)局域化的感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，該傳感器將模態(tài)局域化放大效應(yīng)與高靈敏電荷感應(yīng)相結(jié)合，電場(chǎng)檢測(cè)輸出信號(hào)形式為諧振器兩端感應(yīng)結(jié)構(gòu)部分所產(chǎn)生的感應(yīng)電流比；該傳感器基于檢測(cè)原理，用多層檢測(cè)蓋板的形式屏蔽一端電場(chǎng)，將電場(chǎng)檢測(cè)區(qū)域置于敏感結(jié)構(gòu)(諧振器陣列和感應(yīng)結(jié)構(gòu))的兩側(cè)，增加兩端感應(yīng)區(qū)的距離，防止電場(chǎng)屏蔽區(qū)域與電場(chǎng)暴露區(qū)域相交部分對(duì)電場(chǎng)檢測(cè)造成的影響；該傳感器在充分利用模態(tài)局域化現(xiàn)象在弱耦合諧振系統(tǒng)中所產(chǎn)生大的振幅比的同時(shí)，避免了模態(tài)局域化傳感器輸出與被測(cè)量之間的非線性關(guān)系，從而減小非線性誤差對(duì)電場(chǎng)檢測(cè)造成的影響，能夠大幅提高電場(chǎng)測(cè)量的靈敏度與分辨率。

技術(shù)特征：

1.一種模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述諧振器陣列(2)中相鄰諧振器之間電容耦合或機(jī)械耦合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)(32)與所述固定結(jié)構(gòu)(31)一一對(duì)應(yīng)，且均為條形結(jié)構(gòu)、梳齒結(jié)構(gòu)或不規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)，垂直于所述諧振器陣列(2)的排列方向交錯(cuò)設(shè)置。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，每組對(duì)應(yīng)的所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)(32)與所述固定結(jié)構(gòu)(31)相對(duì)的一側(cè)均設(shè)有梳齒，且所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)(32)與所述固定結(jié)構(gòu)(31)上的梳齒相互交錯(cuò)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電極(4)的一端通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)固定于所述襯底(1)上，另一端為梳齒結(jié)構(gòu)；所述驅(qū)動(dòng)電極(4)的梳齒結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的諧振器上的梳齒電極交錯(cuò)設(shè)置，與所述驅(qū)動(dòng)電極(4)對(duì)應(yīng)的諧振器為所述諧振器陣列(2)中的一對(duì)對(duì)稱的諧振器。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述檢測(cè)蓋板(5)至少包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)電蓋板(51)及所述導(dǎo)電蓋板延伸層(52)及導(dǎo)電屏蔽層(54)為金屬導(dǎo)電材料或復(fù)合導(dǎo)體材料。

8.一種模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器的檢測(cè)方法，應(yīng)用于如權(quán)利要求1至7所述的模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本公開(kāi)提供了一種模態(tài)局域化感應(yīng)式微型電場(chǎng)傳感器及其檢測(cè)方法，該傳感器包括：襯底；諧振器陣列通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在襯底上；感應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)置在諧振器陣列兩側(cè)，包括可動(dòng)結(jié)構(gòu)與固定結(jié)構(gòu)，固定結(jié)構(gòu)通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)固定在襯底上，可動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)彈性梁支撐；驅(qū)動(dòng)電極設(shè)于至少一個(gè)諧振器的一側(cè)，用于驅(qū)動(dòng)諧振器陣列帶動(dòng)可動(dòng)結(jié)構(gòu)做振動(dòng)；擾動(dòng)電極設(shè)置在彈性梁的一側(cè)，用于施加電壓擾動(dòng)，使諧振器陣列產(chǎn)生模態(tài)局域化現(xiàn)象；檢測(cè)蓋板設(shè)于諧振器陣列和感應(yīng)結(jié)構(gòu)的上方，其靠近擾動(dòng)電極的一側(cè)用于屏蔽擾動(dòng)電極靠近的感應(yīng)結(jié)構(gòu)上方的待測(cè)電場(chǎng)，另一側(cè)用于在遠(yuǎn)離擾動(dòng)電極的感應(yīng)結(jié)構(gòu)的上方引入待測(cè)電場(chǎng)。

技術(shù)研發(fā)人員：彭春榮,劉語(yǔ)斐,毋正偉,任仁
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21