專利名稱：免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式微小型電場(chǎng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電場(chǎng)傳感器，詳細(xì)地說(shuō)，涉及一種免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式 小型電場(chǎng)傳感器。
背景技術(shù)：
電場(chǎng)傳感器廣泛應(yīng)用在氣象研究和航空航天領(lǐng)域，如對(duì)雷電等天氣現(xiàn) 象進(jìn)行預(yù)警，為飛行器的安全發(fā)射提供安全保障；還用于對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行 故障檢測(cè)和對(duì)高壓輸電線進(jìn)行電場(chǎng)監(jiān)測(cè)；為靜電敏感的行業(yè)如半導(dǎo)休生產(chǎn) 組裝、化學(xué)藥品生產(chǎn)等提供重要的安全預(yù)警，以避免因靜電放電引發(fā)安全 事故；另外，在森林防火，石油勘探等領(lǐng)域，電場(chǎng)傳感器也有很大的潛在 應(yīng)用價(jià)值。
隨著加工制造技術(shù)迅速發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了體積小，低功耗的基于 MEMS技術(shù)的微型電場(chǎng)傳感器，并且這種傳感器已經(jīng)成為電場(chǎng)傳感器的重 要發(fā)展方向。但是這種傳感器徹底實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，還有很多重要問(wèn)題需要解 決，比如封裝問(wèn)題，是目前公認(rèn)的難點(diǎn)技術(shù)，至今尚未圓滿解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式微小型電場(chǎng)傳感器，這 種傳感器最大的特點(diǎn)在于結(jié)實(shí)耐用，其敏感結(jié)構(gòu)可以直接暴露于空氣中， 從而實(shí)現(xiàn)免封裝。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，由電 磁驅(qū)動(dòng)元件、屏蔽金屬層、感應(yīng)金屬層和絕緣支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成；其中
絕緣支撐結(jié)構(gòu)為一板狀體，其上表面設(shè)置一屏蔽金屬層；絕緣支撐結(jié) 構(gòu)間開(kāi)設(shè)有一帶臺(tái)階的孔，以嵌入安裝電磁驅(qū)動(dòng)元件；
電磁驅(qū)動(dòng)元件的振動(dòng)膜上表面設(shè)置有一層感應(yīng)金屬層；
由上述結(jié)構(gòu)，在電磁驅(qū)動(dòng)元件兩端施加交流電壓時(shí)，其交變的電流通
過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)元件內(nèi)部的線圈，在磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下，線圈發(fā)生振動(dòng)， 驅(qū)動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)元件上的振動(dòng)膜帶動(dòng)感應(yīng)金屬層一起振動(dòng)；
感應(yīng)金屬層在屏蔽金屬層附近振動(dòng)時(shí)，感應(yīng)金屬層上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷 隨著感應(yīng)電荷周期性的變化，感應(yīng)金屬層輸出一個(gè)正比于外電場(chǎng)的交變電 流，通過(guò)外部測(cè)量電路檢測(cè)出該電流的大小，實(shí)現(xiàn)外電場(chǎng)測(cè)量。
所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，電磁驅(qū)動(dòng)元件與絕緣支 撐結(jié)構(gòu)之間采用膠水粘結(jié)或熱融膠粘結(jié)。
所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，感應(yīng)金屬層采用蒸發(fā)或 濺射工藝制作，或噴涂導(dǎo)電膠、導(dǎo)電溶液制作，或粘貼導(dǎo)電的金屬薄片制 作。
所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，屏蔽金屬層采用蒸發(fā)或 濺射工藝制作，或粘貼導(dǎo)的金屬電薄片制作。
所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，導(dǎo)電的金屬薄片為錫箔 紙或?qū)щ娔z帶。
所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，絕緣支撐結(jié)構(gòu)采用具有
剛度的絕緣材料制作。
所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，絕緣材料為塑料或木材。 所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，屏蔽金屬層接地。 本發(fā)明提供的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，與傳統(tǒng)的機(jī)械式電場(chǎng)傳
感器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積變小，重量減輕，成本降低，具有很好的實(shí)用
化前景。


圖1是本發(fā)明免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。 圖3是本發(fā)明表面有金屬層的電磁驅(qū)動(dòng)元件示意圖。 圖4是電磁驅(qū)動(dòng)元件工作原理。 圖5是盒式電場(chǎng)傳感器
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其結(jié)構(gòu)包括電磁驅(qū)動(dòng) 元件、感應(yīng)金屬層、屏蔽金屬層等。傳感器的輸出信號(hào)可感應(yīng)金屬層輸出， 并由外部測(cè)量電路進(jìn)行檢測(cè)。
本發(fā)明所選用的電磁驅(qū)動(dòng)元件為公知技術(shù)，其包括一層絕緣振動(dòng)膜、 一塊磁體以及嵌入磁體的線圈，當(dāng)交變電流通過(guò)線圈時(shí)，磁體會(huì)對(duì)線圈產(chǎn) 生電磁驅(qū)動(dòng)力，由于線圈與振動(dòng)膜直接相連，可以帶動(dòng)振動(dòng)膜產(chǎn)生振動(dòng)。
感應(yīng)金屬層是一層較薄的金屬，直接覆蓋在振動(dòng)膜上，當(dāng)振動(dòng)膜振動(dòng) 時(shí)，感應(yīng)金屬層也隨之發(fā)生振動(dòng)。
屏蔽金屬層位于感應(yīng)金屬層上方，當(dāng)傳感器工作時(shí)，感應(yīng)金屬/3會(huì)發(fā) 生周期性振動(dòng)，與屏蔽金屬層的位置關(guān)系也在周期性改變，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制 外電場(chǎng)的目的。
由于這種電磁驅(qū)動(dòng)元件的振動(dòng)膜結(jié)實(shí)，不易破損，因此感應(yīng)導(dǎo)體不需 要封裝，可直接暴露于空氣中，從而避免了封裝問(wèn)題給傳感器設(shè)計(jì)帶來(lái)的困難。
下面結(jié)合附圖作詳細(xì)描述。
本發(fā)明提供的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所 示，由電磁驅(qū)動(dòng)元件l、屏蔽金屬層2、感應(yīng)金屬層3以及絕緣支撐結(jié)構(gòu)4 構(gòu)成。絕緣支撐結(jié)構(gòu)4中間有個(gè)臺(tái)階孔，電磁驅(qū)動(dòng)元件1可以嵌入其中， 電磁驅(qū)動(dòng)元件1的四周可以固定起來(lái)，比如采用膠水粘結(jié)、熱融膠粘結(jié)等 辦法。
電磁驅(qū)動(dòng)元件1的表面有一層感應(yīng)金屬層3，這層感應(yīng)金屬層3可采 用半導(dǎo)體工藝?yán)锍Ｓ玫恼舭l(fā)或?yàn)R射的方法制備，如圖3所示。采用這種工 藝制備的感應(yīng)金屬層的厚度均勻，對(duì)電場(chǎng)的畸變影響小。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用 中，如果希望能進(jìn)一步降低傳感器的成本，也可以采用在振動(dòng)膜上噴涂導(dǎo) 電溶液、導(dǎo)電膠、甚至直接黏附錫箔紙、導(dǎo)電膠帶等導(dǎo)電材料的辦法制作 感應(yīng)金屬層。
電磁驅(qū)動(dòng)元件1的工作原理如圖4所示，當(dāng)電磁驅(qū)動(dòng)元件兩端施加交 流電壓時(shí)，會(huì)有交變的電流通過(guò)其內(nèi)部的線圈，在磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用 下，線圈會(huì)發(fā)生振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜一起振動(dòng)，從而帶動(dòng)感應(yīng)金屬層3—起振動(dòng)。
當(dāng)傳感器工作時(shí)，感應(yīng)金屬層3會(huì)隨振動(dòng)膜一起發(fā)生周期性振動(dòng)。當(dāng) 感應(yīng)金屬層3在屏蔽金屬層2附近振動(dòng)時(shí)，感應(yīng)金屬層3上產(chǎn)生的感應(yīng)電 荷會(huì)發(fā)生變化，隨著感應(yīng)電荷周期性的變化，感應(yīng)金屬層3會(huì)輸出一個(gè)正 比于外電場(chǎng)E的交變電流，通過(guò)外部測(cè)量電路檢測(cè)出該電流的大小，便可 以實(shí)現(xiàn)外電場(chǎng)測(cè)量。
屏蔽金屬層2的制作相對(duì)容易，可以直接選擇較薄的金屬制作，如薄 薄片，錫箔紙等。當(dāng)然也可以采用濺射和蒸發(fā)的工藝來(lái)制備。
用于固定電磁驅(qū)動(dòng)元件1的絕緣支撐結(jié)構(gòu)4可以采用剛度較好的絕緣 材料制作，比如塑料，木材等。
另外，還可以直接將電磁驅(qū)動(dòng)元件裝在一個(gè)盒子里(參見(jiàn)圖5所示)， 這樣，其它方向的電場(chǎng)耦合小，但是在密閉空間中，空氣會(huì)對(duì)振動(dòng)膜的振 動(dòng)產(chǎn)生影響，從而影響電磁驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)態(tài)特性，因此如果采用這種方式， 要注意更合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，盡可能地減小空氣的影響。但從原理上來(lái)說(shuō)， 這種方式也是可以完成電場(chǎng)測(cè)量的。
權(quán)利要求
1、一種免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，由電磁驅(qū)動(dòng)元件、屏蔽金屬層、感應(yīng)金屬層和絕緣支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成；其中絕緣支撐結(jié)構(gòu)為一板狀體，其上表面設(shè)置一屏蔽金屬層；絕緣支撐結(jié)構(gòu)間開(kāi)設(shè)有一帶臺(tái)階的孔，以嵌入安裝電磁驅(qū)動(dòng)元件；電磁驅(qū)動(dòng)元件的振動(dòng)膜上表面設(shè)置有一層感應(yīng)金屬層；由上述結(jié)構(gòu)，在電磁驅(qū)動(dòng)元件兩端施加交流電壓時(shí)，其交變的電流通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)元件內(nèi)部的線圈，在磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下，線圈發(fā)生振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)元件上的振動(dòng)膜帶動(dòng)感應(yīng)金屬層一起振動(dòng)；感應(yīng)金屬層在屏蔽金屬層附近振動(dòng)時(shí)，感應(yīng)金屬層上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷隨著感應(yīng)電荷周期性的變化，感應(yīng)金屬層輸出一個(gè)正比于外電場(chǎng)的交變電流，通過(guò)外部測(cè)量電路檢測(cè)出該電流的大小，實(shí)現(xiàn)外電場(chǎng)測(cè)量。
2、 如權(quán)利要求1所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，電磁 驅(qū)動(dòng)元件與絕緣支撐結(jié)構(gòu)之間采用膠水粘結(jié)或熱融膠粘結(jié)。
3、 如權(quán)利要求1所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，感應(yīng) 金屬層采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝制作，或噴涂導(dǎo)電膠、導(dǎo)電溶液制作，或粘貼 導(dǎo)電的金屬薄片制作。
4、 如權(quán)利要求1所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，屏蔽 金屬層采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝制作，或粘貼導(dǎo)的金屬電薄片制作。
5、 如權(quán)利要求3或4所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中， 導(dǎo)電的金屬薄片為錫箔紙或?qū)щ娔z帶。
6、 如權(quán)利要求1所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，絕緣 支撐結(jié)構(gòu)采用具有剛度的絕緣材料制作。
7、 如權(quán)利要求6所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，絕緣材料為塑料或木材。
8、 如權(quán)利要求1所述的免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中，屏蔽 金屬層接地。
全文摘要
一種免封裝電磁驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，其中絕緣支撐結(jié)構(gòu)為一板狀體，其上表面設(shè)置一屏蔽金屬層；絕緣支撐結(jié)構(gòu)間開(kāi)設(shè)有一帶臺(tái)階的孔，以嵌入安裝電磁驅(qū)動(dòng)元件；電磁驅(qū)動(dòng)元件的振動(dòng)膜上表面設(shè)置有一層感應(yīng)金屬層。在電磁驅(qū)動(dòng)元件兩端施加交流電壓時(shí)，其交變的電流通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)元件內(nèi)部的線圈發(fā)生振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)元件上的振動(dòng)膜帶動(dòng)感應(yīng)金屬層一起振動(dòng)；感應(yīng)金屬層在屏蔽金屬層附近振動(dòng)時(shí)，感應(yīng)金屬層上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷隨著感應(yīng)電荷周期性的變化，感應(yīng)金屬層輸出一個(gè)正比于外電場(chǎng)的交變電流，通過(guò)外部測(cè)量電路檢測(cè)出該電流的大小，實(shí)現(xiàn)外電場(chǎng)測(cè)量。相比傳統(tǒng)的電場(chǎng)傳感器，本發(fā)明具有體積小、功耗低、免封裝、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R29/12GK101359013SQ20071011983
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2007年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日
發(fā)明者超 葉, 夏善紅, 鄭鳳杰, 陳紹鳳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所