一种绝缘密封结构的MEMS电场传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种绝缘密封结构的mems电场传感器。

背景技术：

大气电场监测与雷电预警在航空航天、气象、电力、石油化工等领域具有重要的应用需求。飞行器在发射升空过程中可能遭到自然雷击或诱发闪击，造成其直接损坏或间接损伤。人类自从开展航天活动以来，相继发生了多次雷击飞行器的重大事故，损失巨大。雷击对电网造成的危害严重，包括线路闪络、雷击跳闸、输变电设备故障及线路非计划停运等，直接影响电网的安全运行和正常供电行为。石化企业在生产过程中需储存、使用大量的易燃物质，容易产生易燃气体、粉尘，一旦遭遇雷击，可能造成重大的经济损失及人员伤亡。因此，通过对大气电场强度大小、极性等变化进行监测和分析，对可能造成雷击危险的大气电场变化加以识别，在灾害来临之前进行预警，对防雷减灾工作具有非常重要的意义。

国内外已商业化的静电场传感器基本上采用传统的机械加工技术，存在易磨损的机械部件，在体积、功耗及其它性能等方面也有一些问题，无法广泛应用。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种绝缘密封结构的mems电场传感器。

根据本发明的一个方面，提供一种绝缘密封结构的mems电场传感器，包括：绝缘密封外壳，其内部为空腔结构；以及mems电场测量模块，设置在所述空腔结构内，用于探测外界电场。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，所述mems电场测量模块包括：mems电场敏感芯片，探测外界电场产生感应电流信号；以及驱动检测电路单元，用于驱动mems电场敏感芯片工作并检测其输出的感应电流信号实现被测电场信息的解算。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，mems电场敏感芯片的封装顶部为金属盖板，所述mems电场测量模块还包括金属探测极板，金属探测极板与所述金属盖板电连接。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，所述绝缘外壳包括，上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体的连接处采用密封胶和/或密封圈密封，形成密封的空腔结构。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，其特征在于，所述下壳体底部设置固定柱，所述固定柱固定支撑容置在所述空腔结构中的mems电场测量模块。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，所述上壳体和下壳体中的至少一个的内表面镀金属层，所述金属层与所述金属探测极板或金属盖板电连接。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，所述空腔结构内还设置有温湿度监测控制单元，用于反馈和/或调整mems电场测量模块周围的温度并监测空腔结构内的湿度变化。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，所述温湿度监测控制单元包括：温度传感器；湿度传感器；a/d转换器，与所述温度传感器和湿度传感器，用于将探测到的模拟信号转换为数字信号；中央处理器，接收a/d转换器发送的数字信号，并发送控制信号和/或报警信号；温度调节装置，基于所述控制信号对空腔结构内的温度进行调节；以及报警装置，基于所述报警信号提醒mems电场传感器的密封状态。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，所述温度调节装置包括加热装置。

根据本发明一种实施例的mems电场传感器，所述下壳体上设置有通孔，用于穿设给mems电场测量模块供电或信号交互的电线，所述电线穿设后该通孔被密封。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

采用低功耗的mems电场敏感芯片技术，无马达易磨损的机械部件，降低了功耗，易批量生产，并提高了产品的可靠性。

芯片封装盖板电连接金属探测极板，增大了电场感应面积，提高了传感器的灵敏度。

采用温控设计，抑制了传感器的温度漂移，提高了零点稳定性。

采用密封结构设计，避免了环境湿度对mems电场敏感芯片封装的影响，提高了电场探测的准确度和长期稳定性。

采用湿度监测设计，监控mems电场传感器的密封状态，提高了电场探测数据的可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种绝缘密封结构的mems电场传感器结构的剖视图；

图2为图1中绝缘外壳的剖视图；

图3为一实施例中绝缘密封结构mems电场传感器的绝缘外壳上壳体的剖视图；

图4为一实施例中绝缘密封结构mems电场传感器的绝缘外壳下壳体的剖视图；

图5为本发明另一实施例中的绝缘密封结构mems电场传感器的温湿度监测控制单元的结构框图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明一实施例提供一种绝缘密封结构的mems电场传感器，图1为本发明一实施例的一种绝缘密封结构的mems电场传感器结构的剖视图，如图1所示，缘密封结构mems电场传感器包括绝缘外壳1其内部为空腔结构；以及mems电场测量模块，设置在所述空腔结构内，用于探测外界电场。

mems电场测量模块包括mems电场敏感芯片2和驱动检测电路单元3，mems电场敏感芯片2用于探测外界电场产生感应电流信号；驱动检测电路单元3驱动mems电场敏感芯片2工作并检测其输出的感应电流信号实现被测电场信息的解算。如图1所示，mems电场敏感芯片2和驱动检测电路单元3堆叠设置，在其他实施例中两者还可以采用其他的排布方式，比如水平布置或并排布置。

mems电场敏感芯片2通过电荷感应原理探测外界电场，其封装的基座为绝缘材料，顶部为金属盖板；mems电场测量模块还可以包括金属探测极板4，其用于增大电场探测的灵敏度，在金属探测极板4中心位置或非中心位置打孔，便于与所述封装金属盖板焊接固定，可替换地，也可以不打孔直接焊接固定或粘接固定等。金属探测极板4的形状可以为圆形、长方形、正方形、规则或不规则的多边形，还可以为弧形、长方体、正方体、球形、其他规则或不规则的立体形状，或不同面和体则组合。

图2为图1中绝缘外壳的剖视图，绝缘外壳1的形状可以为圆柱形、椭圆柱形、长方体形、正方体形或其他规则或不规则的多边体形等，如图2所示，绝缘外壳1，采用绝缘材料制成，包括上壳体11、下壳体12，上壳体11的剖面为凸弧形，当然也可以为平顶形或凹弧形等，下壳体12为顶部开口的筒体，将mems电场测量模块设置在下壳体12内，将上壳体11与下壳体12扣合连接，形成容置mems电场测量模块的空腔结构，如图1所示，下壳体12底部还可以设置有固定柱13，固定柱13固定支撑容置在所述空腔结构中的mems电场测量模块。下壳体12上设置有通孔，用于穿设给mems电场测量模块供电或信号交互的电线，该通孔可以设置在下壳体的底壁或侧壁上，优选设置在底壁的中心位置。上壳体11与下壳体12的连接缝隙处以及下壳体12穿入电线的通孔处旋涂密封胶实现绝缘外壳内部空腔结构的密封，还可以在绝缘外壳内部空腔结构罐装密封胶实现密封，密封胶可以为玻璃胶、硅橡胶、ab胶、环氧胶等。

图3为一实施例中绝缘外壳上壳体的剖视图，图4为一实施例中绝缘外壳下壳体的剖视图，如图3、上壳体11内表面的至少一部分电镀第一金属层111，如图4所示，下壳体12内表面的至少一部分电镀第二金属层121。第一金属层111和/或第二金属层121与金属探测极板4或金属盖板电连接，进一步增大电场探测的灵敏度。

在本发明另一实施例中，如图1所示，绝缘外壳1内的空腔结构内还设置有温湿度监测控制单元5，用于反馈和/或调整mems电场测量模块周围的温度并监测空腔结构内的湿度变化。

图5为本发明另一实施例中的温湿度监测控制单元的结构框图，如图5所示，温湿度监测控制单元包括：温度传感器、湿度传感器、a/d转换器、中央处理器(cpu)、温度调节装置以及报警装置；温度传感器用于监测mems电场敏感芯片2附近的温度；湿度传感器用于监测绝缘外壳内部腔体的湿度变化，用于评价绝缘外壳的密封性能，a/d转换器用于采集温度传感器和湿度传感器数据并转换为数字信号发送到cpu中，cpu确认温度是否位于mems电场测量模块合适的工作温度区间，若否，则控制温度调节装置调节mems电场测量模块的环境温度至上述合适的工作温度区间。例如，当温度传感器探测到温度低于一定值时，cpu控制温度调剂装置，例如加热装置给mems电场测量模块的mems电场敏感芯片加热。cpu还判断所测得的湿度是否在某一范围内变化，若超出该范围，则判断绝缘外壳的密封性能失效，通过报警装置给出密封失效提醒。

在一实施例中，绝缘密封结构的mems电场传感器还可以固定在金属支架上进行大气电场测量。金属支架可以接地，也可以不接地，支架还可以是其它材质支架，比如木头、塑料等，在其他实施例中也可以不采用支架，直接安装在某些装置上或放置在地面上进行电场测量。

本发明实施例中的绝缘密封结构的mems电场传感器除了测量大气电场外，还可应用于雷电预警、工业静电测量、电网直流或交流电场测量以及相关静电场测量装置中。

应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。