一种压电驱动的旋转式微型电场传感器及其工作方法

1.本发明涉及电场传感器领域和mems领域，特别涉及一种压电驱动的旋转式微型电场传感器及其工作方法。


背景技术：

2.随着电力系统传输容量的不断增大，其额定工作电压、额定工作电流和短路电流也随之增大，为保障电力系统的安全、经济和稳定运行，需要对其进行在线监测，以便实时掌握系统运行情况，快速实现故障定位，并对其进行必要的计量和保护，电场传感器便是电力系统在线监测中至关重要的手段。
3.传统机电式场磨电场传感器经过数十年发展，技术与测试精度已相对成熟，但其尺寸较大，直径一般为厘米至米尺寸，难以在电力设备及输配电线路中广泛安装应用。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种压电驱动的旋转式微型电场传感器及其工作方法，本发明压电驱动的旋转式微型电场传感器是一种压电驱动式场磨电场传感器，其体积相对较小，能够应用于电力设备及输配电线路中。
5.本发明采用的技术方案如下：一种压电驱动的旋转式微型电场传感器，包括基板、环形压电行波执行模块、感应电极、屏蔽电极和盖板，基板上开设有第一圆孔，感应电极设置于基板上并位于第一圆孔的外周，感应电极包括数量相同的第一感应电极和第二感应电极，第二感应电极与第一感应电极在第一圆孔的外周依次交错间隔排列；环形压电行波执行模块设置于第一圆孔中；环形压电行波执行模块包括环形支撑板、若干个压电驱动单元以及支撑梁，环形支撑板同轴设置于所述第一圆孔中，若干个压电驱动单元设置于环形支撑板表面并沿环形支撑板的周向均匀分布；环形支撑板的外缘和所述第一圆孔的内缘之间在每个压电驱动单元正对的位置设有所述支撑梁，支撑梁的一端与环形支撑板的外缘连接，支撑梁的另一端与所述第一圆孔的内缘连接；屏蔽电极设置于基板的一侧，屏蔽电极包括摩擦部和与摩擦部相连的屏蔽部，摩擦部与所有压电驱动单元相接触，屏蔽部设置于摩擦部的外围，屏蔽部用于对第一感应电极和第二感应电极进行周期性屏蔽；盖板与基板连接，屏蔽电极位于盖板与基板之间并与盖板相抵，盖板用于限制屏蔽电极在垂直于环形支撑板方向上的位移，盖板能够使所述摩擦部与所有压电驱动单元相接触。
6.优选的，压电驱动单元包括依次堆叠设置的第一电极、第一绝缘层、第二电极、压电薄膜、第三电极和第二绝缘层，所述第二绝缘层设置于环形支撑板表面。
7.优选的，所述压电驱动单元的形状为扇环形，压电驱动单元的较短的弧边向环形支撑板中心孔一侧延伸，压电驱动单元的较长的弧边向环形支撑板的外缘一侧延伸，相邻
各压电驱动单元之间留有间隙。
8.优选的，所述支撑梁的结构采用直梁、蛇形梁或蟹形梁。
9.优选的，所述环形支撑板、支撑梁和基板采用一体式结构。
10.优选的，摩擦部的中心设有转轴，环形支撑板的中心设有安装所述转轴中心孔，转轴插入环形支撑板的中心孔中。
11.优选的，基板的表面设有内凹的安装腔，所述第一圆孔开设于安装腔的底部，感应电极设置于安装腔的底部并位于第一圆孔的外周，屏蔽电极嵌入所述安装腔内，盖板盖在安装腔的口部。
12.优选的，所述第一感应电极的数量至少为一个；所述压电驱动单元的数量为八个的整数倍或十二个的整数倍。
13.本发明如上所述压电驱动的旋转式微型电场传感器的工作方法，包括如下过程：对各压电驱动单元分别施加交流激励信号，环形压电行波执行模块在所述交流激励信号作用下产生两列正交、同频率、同振型的b
13
模态驻波，这两列b
13
模态驻波相互叠加形成行波；所述行波传播时，通过压电驱动单元与屏蔽电极的摩擦部之间的摩擦力驱动屏蔽电极旋转；屏蔽电极旋转过程中，第一感应电极和第二感应电极分别周期性地被屏蔽电极的屏蔽部遮挡或暴露于待测电场中，第一感应电极和第二感应电极上产生与待测电场强度相关的感应电流，利用所述感应电流获取待测电场的强度。
14.优选的，压电驱动单元包括依次堆叠设置的第一电极、第一绝缘层、第二电极、压电薄膜、第三电极、第二绝缘层和弹性层，所述弹性层设置于环形支撑板表面；对各压电驱动单元分别施加交流激励信号时，将第一电极和屏蔽电极接地，通过各压电驱动单元的第三电极和第二电极对压电薄膜施加交流激励信号。
15.本发明具有如下有益效果：本发明压电驱动的旋转式微型电场传感器采用环形压电行波执行模块能够驱动屏蔽电极进行旋转，相比于传统的机电式场磨电场传感器，环形压电行波执行模块可通过现有的mems工艺进行加工，能够使本发明整个压电驱动的旋转式微型电场传感器体积会比较小，同时采用压电驱动，本发明整个压电驱动的旋转式微型电场传感器的驱动电压低会比较低、同时功耗也相对较低。因此本发明压电驱动的旋转式微型电场传感器能够应用于电力设备及输配电线路中。
附图说明
16.图1为本发明实施例的压电驱动的旋转式微型电场传感器的分解结构示意图。
17.图2为本发明实施例的环形压电行波执行模块的结构示意图。
18.图3为本发明实施例的环形压电行波执行模块在压电驱动单元处的垂直结构示意图。
19.图4为本发明实施例的环形压电行波执行模块的振动及行波传播示意图。
20.图5为本发明实施例的电场测量原理示意图。
21.图中：1-基板；1-1-第一圆孔；2-环形压电行波执行模块；2-1-环形支撑板；3-第一感应电极；4-第二感应电极；5-屏蔽电极；5-1-摩擦部；5-2-屏蔽部；5-2-1-屏蔽条，5-2-2-连接圆环；5-2-3-镂空空间；5-3-转轴；6-盖板；7-支撑梁；8-压电驱动单元；9-第一电极；
10-第一绝缘层；11-第二电极；12-压电薄膜；13-第三电极；14-第二绝缘层；15-弹性层；16-差分放大电路。
22.附图中所标注x轴、y轴及z轴的正方向符合右手规则，构成空间直角坐标系，仅用以标示本发明所公开的压电驱动的旋转式微型电场传感器中各结构的相对空间位置及旋转方向。在本说明书的描述中，术语“水平”、“水平面内”等用以指代附图中xoy平面；术语“垂直”用以指代附图中z轴方向；术语“上”、“上表面”、“上侧”、“正上方”等用以指代附图中z轴正方向。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案及优点更加易于理解，结合附图和以下实施例，对本发明进行进一步说明。
24.参照图1、图2和图5，本发明压电驱动的旋转式微型电场传感器，包括基板1、环形压电行波执行模块2、感应电极、屏蔽电极5和盖板6，环形压电行波执行模块2与屏蔽电极5同轴布置；基板1上开设有第一圆孔1-1，感应电极设置于基板1上并位于第一圆孔1-1的外周，感应电极包括数量相同的第一感应电极3和第二感应电极4，第一感应电极3和第二感应电极4的形状采用大小相同的扇环形，第一感应电极3和第二感应电极4之间有间隙且是相互独立的，第二感应电极4与第一感应电极3在第一圆孔1-1的外周依次交错间隔排列，第一感应电极3和第二感应电极4整体的分布形状呈辐条状分布在第一圆孔1-1的外周，第一感应电极3和第二感应电极4的数量至少为一个；环形压电行波执行模块2设置于第一圆孔1-1中；环形压电行波执行模块2包括环形支撑板2-1、若干个压电驱动单元8以及支撑梁7，环形支撑板2-1同轴设置于所述第一圆孔1-1中，若干个压电驱动单元8设置于环形支撑板2-1表面并沿环形支撑板2-1的周向均匀分布；环形支撑板2-1的外缘和所述第一圆孔1-1的内缘之间在每个压电驱动单元8正对的位置设有所述支撑梁7，支撑梁7的一端与环形支撑板2-1的外缘连接，支撑梁7的另一端与所述第一圆孔1-1的内缘连接；屏蔽电极5设置于基板1的一侧，屏蔽电极5包括摩擦部5-1和与摩擦部5-1相连的屏蔽部5-2，摩擦部5-1与所有压电驱动单元8相接触但不连接，屏蔽部5-2设置于摩擦部5-1的外围，屏蔽部5-2与第一感应电极3以及第二感应电极4之间不接触且不存在电连接，屏蔽部5-2用于对第一感应电极3和第二感应电极4进行周期性屏蔽；盖板6与基板1连接，屏蔽电极5位于盖板6与基板1之间，盖板6用于限制屏蔽电极5在垂直于环形支撑板2-1方向上的位移，盖板6能够使所述摩擦部5-1与所有压电驱动单元8相接触。
25.参见图4以及图5，本发明上述压电驱动的旋转式微型电场传感器在工作时，驱动方式为压电驱动，工作模式为旋转屏蔽模式，具体过程如下：对各压电驱动单元8分别施加交流激励信号，环形压电行波执行模块2在所述交流激励信号作用下产生两列正交、同频率、同振型的b
13
模态驻波，这两列b
13
模态驻波相互叠加形成行波；所述行波传播时，通过压电驱动单元8与屏蔽电极5的摩擦部5-1之间的摩擦力驱动屏蔽电极5旋转，屏蔽电极旋转方向与行波传播方向相反；屏蔽电极5旋转过程中，第一感应电极3和第二感应电极4分别周期性地被屏蔽电极5的屏蔽部5-2遮挡或暴露于待测电场中，进而在第一感应电极3和第二感应电极4上产生与待测电场强度相关的感应电流，将
第一感应电极3和第二感应电极4上产生的感应电流以差分形式输出，利用第一感应电极3和第二感应电极4上产生的感应电流能够计算得到待测电场的强度。
26.参见图3，本发明的压电驱动单元8包括依次堆叠设置的第一电极9、第一绝缘层10、第二电极11、压电薄膜12、第三电极13和第二绝缘层14，所述第二绝缘层14设置于环形支撑板2-1表面。环形支撑板2-1应当具有弹性，可以作为弹性层15被压电驱动单元8驱动来进行变形，实现行波的产生和传播；本发明上述压电驱动的旋转式微型电场传感器在工作时，对各压电驱动单元8分别施加交流激励信号时，将第一电极9和屏蔽电极5接地，通过各压电驱动单元8的第三电极13和第二电极11对压电薄膜12施加交流激励信号。此外，该结构的压电驱动单元8可以用mems工艺在基板上制作得到。
27.参见图1、图2和图4，本发明压电驱动单元8的形状可以采用扇环形，所有的压电驱动单元8在环形支撑板2-1上呈辐条状分布，具体的：压电驱动单元8的较短的弧边向环形支撑板2-1中心孔一侧延伸，压电驱动单元8的较长的弧边向环形支撑板2-1的外缘一侧延伸；扇环形的压电驱动单元8能够较为充分地利用环形支撑板2-1的面积；此外为了进一步充分利用环形支撑板2-1的面积，压电驱动单元8较短的弧边可尽量向环形支撑板2-1中心孔边缘延伸，压电驱动单元8较长的弧边可尽量向环形支撑板2-1的外缘延伸；相邻各压电驱动单元8之间留有间隙，该间隙可以保证本发明各压电驱动单元8之间是相互独立的，能够被单独驱动。
28.参见图2，支撑梁7的结构采用直梁、蛇形梁或蟹形梁。支撑梁7一方面需要一定的强度实现对环形支撑板2-1形成支撑，另一方面还需要具有一定的弹性，使得环形支撑板2-1与压电驱动单元8一起变形，实现行波传播。
29.参见2，本发明的环形支撑板2-1、支撑梁7和基板1采用一体式结构，这样有利于一体使加工，更方便于mems工艺的应用。
30.参见图2，每一个扇环形的压电驱动单元8对应一个支撑梁7，支撑梁7与环形支撑板2-1的连接点以及与基板1的连接点位于压电驱动单元8对应圆心角的角平分线上。压电驱动单元8的数量为八个或十二个，通过对不同压电驱动单元施加幅值相同、依次存在π/2相位差的激励信号，激发出圆环薄板的两个同频率、相位相差π/2、振型在空间上相差四分之一个波长的驻波模态，并叠加形成行波。其中，压电驱动单元8的数量为八个时，所激发出的驻波模态为b
12
模态；压电驱动单元8的数量为十二个时，所激发出的驻波模态为b
13
模态。
31.参见图1和图5，屏蔽电极5的整体形状为圆形，摩擦部5-1采用一圆盘结构，屏蔽部5-2采用若干条呈辐条状分布于摩擦部5-1外缘四周的屏蔽条5-2-1，屏蔽条5-2-1的数量是第一感应电极3和第二感应电极4数量之和，屏蔽条5-2-1的形状为与第一感应电极3以及第二感应电极4形状、大小均相同的扇环形，所有的屏蔽条5-2-1内接于一连接圆环5-2-2上，相邻的屏蔽条5-2-1之间具有形状、大小均与屏蔽条5-2-1相同的镂空空间5-2-3，这样在整个屏蔽电极5转动过程中，能够使第一感应电极3和第二感应电极4周期性地暴露于待测电场中或者被屏蔽。摩擦部5-1的中心设有转轴5-3，环形支撑板2-1的中心设有安装所述转轴5-3中心孔，转轴5-3插入环形支撑板2-1的中心孔中，通过转轴5-3与环形支撑板2-1中心孔的配合，能够保证屏蔽电极5与环形支撑板2-1的同轴度，进一步保证屏蔽电极5的屏蔽部5-2能够稳定、有效地对第一感应电极3和第二感应电极4进行周期性的屏蔽。本发明利用盖板6对屏蔽电极5进行轴向（如图1所示的z方向）限位即可，保证屏蔽电极5在转动过程中位置
的稳定。
32.本发明基板1、环形压电行波执行模块2、感应电极、屏蔽电极5和盖板6的一种典型的装配方式如下：参见图1，基板1的表面设有内凹的安装腔，该安装腔的形状采用圆形、结构为采用沉孔结构，第一圆孔1-1开设于安装腔的底部，感应电极设置于安装腔的底部并位于第一圆孔1-1的外周，优选的，压电驱动单元8的上表面（z向）、感应电极的上表面（z向）平齐，屏蔽电极5嵌入所述安装腔内，屏蔽电极5的上表面不突出于安装腔的上端口，盖板6盖在安装腔的口部，将屏蔽电极5限制在安装腔内，通过盖板6对屏蔽电极5的轴向（z向）限位，以及通过转轴5-3对屏蔽电极5的x向以及y向限位，使得屏蔽电极5能够与电驱动单元8上表面保持良好的接触，使得整个屏蔽电极5按照预设的转速转动。同时利用盖板6封住安装腔口部后能够保护整个器件免受外界损害。
33.本发明的第一感应电极采用铝、铜、钛、银、铂、金和半导体硅中的一种或多种材料制成，第二感应电极采用铝、铜、钛、银、铂、金和半导体硅中的一种或多种材料制成，屏蔽电极采用铝、铜、钛、银、铂、金和半导体硅中的一种或多种材料制成。
34.实施例参照图1所示，本实施例压电驱动的旋转式微型电场传感器的结构上包括基板1、环形压电行波执行模块2、第一感应电极3、第二感应电极4、屏蔽电极5和盖板6。基板1的表面设有内凹的安装腔，该安装腔的形状采用圆形、结构为采用沉孔结构，盖板6将环形压电行波执行模块2、第一感应电极3、第二感应电极4、屏蔽电极5封装在安装腔内。
35.本实施例的环形压电行波执行模块2采用图2所示的结构，环形压电行波执行模块2通过mems工艺在所述基板1上制作得到；第一感应电极3由金属铂制成，第一感应电极3采用溅射方法镀制于所述基板的安装腔底部表面，数量为8个，第一感应电极3与屏蔽电极构5成第一组敏感结构；第二感应电极4由金属铂制成，第二感应电极4采用溅射方法镀制于的安装腔底部表面，第二感应电极4的数量与第一感应电极3的数量相同，第二感应电极4与所述第一感应电极3在水平面（即xoy平面）内绕圆周依次交错间隔排列，第二感应电极4与屏蔽电极构成第二组敏感结构；屏蔽电极5由半导体硅制成，屏蔽电极5的摩擦部5-1的中心设有转轴5-3，采用微组装技术置于环形压电行波执行模块上（即z向）表面，摩擦部5-1与压电驱动单元8两者表面相接触但不连接，屏蔽电极5与所述第一感应电极3或第二感应电极4间不接触且不存在电连接；盖板6由聚合物材料制成，盖板6与基板1的上表面相连接，盖板6的作用为限制屏蔽电极5在垂直方向的位移和保护整个器件结构。本实施例的环形压电行波执行模块2与屏蔽电极5同轴布置。
36.参照图2-图3所示，本实施例的支撑梁7包括两个大小相同的第一矩形框和第二矩形框，第一矩形框和第二矩形框的长轴平行，沿着环形支撑板2-1的径向，第一矩形框内侧（靠近沿着环形支撑板2-1圆心的一侧）长边的中部通过第一直梁接于环形支撑板2-1的外缘，第一矩形框外侧（远离沿着环形支撑板2-1圆心的一侧）长边的中部通过第二直梁与第二矩形框内侧长边的中部连接，第二矩形框外侧长边的中部通过第三直梁与基板1的第一圆孔1-1的内缘部位连接，第一直梁、第二直梁和第三直梁同轴。支撑梁7的数量为十二个；压电驱动单元8的数量为十二个，8个压电驱动单元8绕环形支撑板2-1的圆周依次间隔排列。参见图3，环形压电行波执行模块2在垂直（即z向）结构上，自上至下依次包括第一电极9、第一绝缘层10、第二电极11、压电薄膜12、第三电极13、第二绝缘层14和弹性层15，其中第
一电极9由金属铂制成，第一电极9接地，第一电极9与所述屏蔽电极5电连接，从而实现屏蔽电极接地；第一绝缘层10由二氧化硅薄膜制成；第二电极11由金属铂制成；压电薄膜12由锆钛酸铅薄膜制成；第三电极13由金属铂制成，通过所述第三电极13和第二电极11可对压电薄膜12施加激励；第一绝缘层14由二氧化硅薄膜制成；弹性层15由单晶硅制成，环形支撑板2-1上位于每个压电驱动单元8下方的部分作为弹性层15。
37.参照图4-图5，本实施例所提供的压电驱动的旋转式微型电场传感器工作原理如下：对各压电驱动单元8分别施加频率、幅值相同、相位依次相差90度的交流激励信号，所述环形压电行波执行模块2交流激励信号作用下产生两列正交、同频率、同振型的b
13
模态驻波，这两列驻波相互叠加形成行波。行波传播时，通过压电驱动单元8与屏蔽电极5摩擦部5-1之间的摩擦力驱动屏蔽电极5旋转，旋转方向与行波传播方向相反，使所述第一感应电极3和第二感应电极4分别周期性地被屏蔽电极5遮挡或暴露于待测电场中，进而在第一感应电极3和第二感应电极4上感应出周期性变化的电荷，将第一感应电极3和第二感应电极4上的感应电流以差分形式输出，通过检测输出电流的大小，即可检测待测空间电场强度。
38.从上述方案可以看出，本发明压电驱动的旋转式微型电场传感器是一种基于mems工艺和场磨式电场传感器的电场测量原理的压电驱动的旋转式微型电场传感器，相较于传统技术中的机电式场磨电场传感器，可以将体积做的更小、并且驱动电压低、功耗低、可集成和易于批量生产；本发明设置了两组敏感结构，结构紧凑，充分利用了器件面积，有利于进一步减小器件尺寸。本发明压电驱动的旋转式微型电场传感器的工作模式为旋转屏蔽模式，通过对输出信号进行滤波，滤除与驱动信号同频的信号，可以有效降低驱动信号对输出信号的干扰。本发明设置了第一感应电极3和第二感应电极4两组敏感结构，充分利用了器件面积，结构紧凑，有利于进一步减小器件尺寸；两组感应电极的感应信号能够以差分形式输出，有利于提高输出信号的信噪比。