本發(fā)明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種mems地面大氣電場傳感器。

背景技術：

雷電災害是聯合國公布的十大自然災害之一，雷電也是直接影響航天發(fā)射成敗的重要天氣因素，在航天器發(fā)射規(guī)范中，已經將大氣電場強度列為航天器能否發(fā)射的主要條件之一。雷擊可對電網造成嚴重的危害，包括線路跳閘、輸變電設備故障、線路非計劃停運等，都直接影響了電網的安全穩(wěn)定運行和供電用電的安全可靠性。石油化工行業(yè)除采用大量對雷電非常敏感的電氣電子設備及輔助設施外，生產過程中物料及成品儲運很大部分都具有易燃易爆特點，是雷電災害事故多發(fā)的敏感行業(yè)之一。采用靜電場傳感器對大氣電場強度大小、極性等變化進行監(jiān)測和分析，對可能造成雷擊危險的大氣電場變化加以識別，在災害來臨之前進行預警，對防雷減災具有非常重要的意義，也是未來氣象部門進行雷電等災害性天氣預報的發(fā)展趨勢。然而，國內外已商業(yè)化的靜電場傳感器基本上采用傳統(tǒng)的機械加工技術，存在易磨損的機械部件，在體積、功耗及其它性能等方面也有一些問題，無法廣泛應用。

技術實現要素：

鑒于上述技術問題，為了克服上述現有技術的不足，本發(fā)明提出了一種mems地面大氣電場傳感器。

根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種mems地面大氣電場傳感器，包括：弧頂探測結構，包括：導電弧頂防雨外殼，頂部為弧形，底部設置有朝向頂部的凹槽，導電連接柱，設置在所述凹槽頂部，與所述弧頂防雨外殼電連接；固支腔體上部，為頂部封閉、底部開口的筒體，設置在所述凹槽內，所述連接柱貫穿固支腔體上部頂部，且與所述固支腔體上部電性絕緣；以及固支腔體下部，封閉固支腔體上部的底部開口，用于形成固支腔體，以及mems電場測量模塊，設置在所述固支腔體內，用于通過所述導電連接柱及導電弧頂防雨外殼來探測外界電場。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，還包括：腔體結構，設置在所述弧頂探測結構下方，包括：主殼，為頂部封閉、底部開口的筒體，頂部設置第一開孔；以及后蓋，所述后蓋用于封閉主殼的底部開口，所述mems電場測量模塊設置在所述腔體結構內。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述mems電場測量模塊包括：mems電場敏感芯片，探測外界電場產生感應電流；前置放大電路，將電流信號轉換為電壓信號；以及驅動解調電路，為所述mems電場敏感芯片提供工作信號，并對所述電壓信號進行電場信息解算，所述mems電場敏感芯片的封裝頂部為金屬蓋板。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述金屬蓋板與所述導電連接柱通過導線電連接。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述固支腔體下部設有第二開孔，所述第一開孔和第二開孔用于所述導線穿過。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述mems電場測量模塊還包括：絕緣密封盒，用于容置順序堆疊設置的所述mems電場敏感芯片、前置放大電路，以及金屬感應板，設置在絕緣密封盒靠近所述mems電場敏感芯片的金屬蓋板的盒壁外側。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述金屬感應板與所述導電連接柱通過導線電連接。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述絕緣密封盒容置順序堆疊設置的所述mems電場敏感芯片、前置放大電路及驅動解調電路。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述主殼和后蓋中的至少一個包括密封槽和/或灌膠槽，用于使得所述主殼和后蓋密封連接。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述絕緣密封盒內設有干燥劑。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述固支腔體上部和固支腔體下部為金屬材料或絕緣材質表面電鍍金屬層制成。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述主殼和后蓋為金屬材料或絕緣材質表面電鍍金屬層制成。

根據本發(fā)明一種實施例的mems地面大氣電場傳感器，所述腔體結構內設置固定裝置，用于固定所述mems電場測量模塊。

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

采用低功耗的mems電場敏感芯片技術，無馬達易磨損的機械部件，降低了功耗，易批量生產，并提高了產品的可靠性。

采用弧頂防雨外殼，其頂部和四周都可以感應電場，增大了電場感應面積，提高了傳感器的靈敏度。

采用金屬腔壁結構，提高了傳感器抗靜電及電磁干擾性能，也降低了空氣中灰塵對電場測量的影響。

采用密封結構設計，避免了環(huán)境濕度對mems電場敏感芯片封裝的影響，提高了電場探測的準確度和長期穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的一種mems地面大氣電場傳感器的結構示意圖。

圖2為圖1中弧頂探測結構的剖面示意圖。

圖3為圖1中腔體結構的剖面示意圖。

圖4為本發(fā)明一實施例中的mems電場測量模塊的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明再一實施例中的mems電場測量模塊的結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明某些實施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實施例將被示出。實際上，本發(fā)明的各種實施例可以許多不同形式實現，而不應被解釋為限于此處所闡述的實施例；相對地，提供這些實施例使得本發(fā)明滿足適用的法律要求。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

本發(fā)明一實施例提供一種mems地面大氣電場傳感器，可以具有金屬密封結構，圖1為本發(fā)明一實施例的一種mems地面大氣電場傳感器的結構示意圖。如圖1所示，mems地面大氣電場傳感器包括弧頂探測結構1和mems電場測量模塊3。圖2為圖1中弧頂探測結構的剖面示意圖，如圖2所示，弧頂探測結構1形狀可以為圓柱形、橢圓柱形、長方體形、正方體形或其他規(guī)則或不規(guī)則的多邊體形等，包括導電弧頂防雨外殼11、導電連接柱12、固支腔體上部13以及固支腔體下部14，導電弧頂防雨外殼11頂部為弧形，底部設置有朝向頂部的凹槽，導電連接柱12設置在所述凹槽頂部，與所述弧頂防雨外殼11電連接，固支腔體上部13為頂部封閉、底部開口的筒體，設置在所述凹槽內，所述連接柱12貫穿固支腔體上部13頂部，且與所述固支腔體上部13電性絕緣，固支腔體下部14封閉固支腔體上部13的底部開口，用于形成固支腔體，mems電場測量模塊可以設置在所述固支腔體內，用于通過所述導電連接柱12及導電弧頂防雨外殼11來探測外界電場。導電弧頂防雨外殼11、導電連接柱12、弧頂固支腔體上部13、弧頂固支腔體下部14均具有導電性，可以為金屬材質，也可以是絕緣材質內表面或外表面或內外表面電鍍金屬。導電弧頂防雨外殼11與導電連接柱12電連接，為孤立導體，導電連接柱12與固支腔體上部13通過絕緣隔離結構實現電隔離，絕緣隔離結構材料可以為無機絕緣材料、有機絕緣材料或混合絕緣材料。連接柱12與固支腔體上部13之間，固支腔體上部13與固支腔體下部14之間可以通過螺絲固定，也可以采用其他固定方式，如焊接、粘接等。

在另一實施例中，如圖1所示，mems地面大氣電場傳感器還可以包括腔體結構2，所述mems電場測量模塊3設置在所述腔體結構2內，通過所述導電連接柱12及導電弧頂防雨外殼11來探測外界電場。圖3為圖1中腔體結構的剖面示意圖，如圖3所示，所述腔體結構2主要包括主殼21、后蓋22，腔體結構2形狀可以為圓柱形、橢圓柱形、長方體形、正方體形或其他規(guī)則或不規(guī)則的多邊體形等。其中主殼21為頂部封閉、底部開口的筒體，頂部設置第一開孔211，該第一開孔211可以位于頂部中心位置211，也可以在非中心位置，用于向腔體結構2中引入與導電連接柱電連接的導線，此時封閉固支腔體上部13的底部開口并且固支腔體下部14頂部同樣設置第二開孔141，位于中心位置或非中心位置，與導電連接柱電連接的導線依次穿過第二開孔141和第一開孔211。后蓋用于封閉主殼21的底部開口。腔體結構2可以設計有密封槽24和/或灌膠槽25，分別用于放置密封圈和灌裝密封膠，密封槽24和/或灌膠槽25可以設置在主殼21和后蓋22中的至少一個上，用于使得所述主殼21和后蓋22密封連接，當然也可以不設計密封槽24或灌膠槽25，直接在密封腔體主殼21與后蓋22的接觸部位涂膠密封或者在腔體結構2內部罐裝密封膠，密封圈材質可以為氟橡膠、硅橡膠、丁晴膠等，密封膠可以為玻璃膠、硅橡膠、ab膠、環(huán)氧膠等。密封腔體主殼21與后蓋22之間還可以通過螺絲固定。另外弧頂探測結構1與腔體結構2之間通過螺絲固定，此時固支腔體下部14可以設置螺絲穿過孔142，弧頂探測結構1與腔體結構2也可以采用其他固定方式，如焊接、粘接等。

腔體結構2內還可以設置固定柱23，用于固定支撐位于腔體結構2內的mems電場測量模塊3，在一實施例中，固定柱23固接于后蓋22，腔體的主殼21、后蓋22與固定柱23均具有導電性，可以為金屬材質，也可以是絕緣材質內表面或外表面或內外表面電鍍金屬。

圖4為本發(fā)明一實施例中的mems電場測量模塊的結構示意圖，如圖4所示，設置于固支腔體或腔體結構2內的mems電場測量模塊3主要包括mems電場敏感芯片31、前置放大電路32以及驅動解調電路33，其形狀可以為圓形、橢圓形、長方形、正方形或多邊形等，mems電場測量模塊3在固支腔體或腔體結構2內可以安裝一個，也可以安裝多個。所述mems電場敏感芯片31中的屏蔽電極周期性振動調制感應電極產生感應電流，mems電場敏感芯片31封裝基座為絕緣材料，頂部為金屬蓋板；前置放大電路32實現電場電流信號轉換為電壓信號；驅動解調電路33產生mems電場敏感芯片31正常工作所需的雙路差分信號并對前置放大電路32輸出的電壓信號實現電場信息的解算。在一實施例中，mems電場敏感芯片31、前置放大電路32與驅動解調電路33堆疊布置，固定在腔體結構2的固定柱23上，在其他實施例中也可以水平布置或垂直并排布置等。所述mems電場敏感芯片31封裝頂部的金屬蓋板通過導線與弧頂探測結構1的導電連接柱12電連接，最終實現與弧頂防雨外殼11電連接，所述導線可以為普通導線、屏蔽導線、高頻射頻線、半鋼半柔射頻線等。采用該種mems電場測量模塊，mems地面大氣電場傳感器的工作原理如下：由于傳感器弧頂防雨外殼11與mems電場敏感芯片31芯片的金屬蓋板之間電連接，當外界存在直流電場e時，傳感器弧頂防雨外殼11與金屬蓋板產生感應電荷并與直流電場e線性相關，金屬蓋板的感應電荷產生電場eg，則eg與直流電場e線性相關，mems電場敏感芯片31通過測量電場eg實現間接測量外界直流電場e的大小。

結合圖2所示，mems電場測量模塊3設置在腔體結構2中時，其供電線纜和信號傳輸線纜通過封腔體結構后蓋22設置的第三開孔222引出，第三開孔222可以是中心孔，也可是非中心孔。采用上述結構的mems電場測量模塊3時，用于容置mems電場測量模塊3的腔體結構2采用前述的密封圈或密封膠進行密封，并且后蓋22的第三開孔222穿過線纜后需要旋涂密封膠實現腔體密封，與導電連接柱12電連接的導線穿過密封腔體主殼21頂部的第一開孔211和固支腔體下部14的第二開孔141后需要旋涂密封膠實現腔體結構2整體密封。

在一實施例中，上述的mems電場測量模塊3設置在固支腔體內時，固支腔體上部13與固支腔體下部14構成的固支腔體同樣需要密封設置，可以在兩者觸處旋涂密封膠，或者在固支腔體內直接罐裝密封膠，密封膠可以為玻璃膠、硅橡膠、ab膠、環(huán)氧膠等，此時由于導電連接柱12與mems電場敏感芯片31芯片的金屬蓋板距離較近，可以在金屬蓋板上相應導電連接柱12感應出電荷，導電連接柱12與mems電場敏感芯片31芯片的金屬蓋板可以電連接，也可以不電連接。

圖5為本發(fā)明再一實施例中的mems電場測量模塊的結構示意圖，具體為：如圖5所示，與圖4所示的實施例相比，mems電場測量模塊3還包括一絕緣密封盒34，堆疊布置的mems電場敏感芯片31與前置放大電路32先放入一個絕緣密封盒34內，密封盒體341頂部有一金屬感應板342，金屬感應板342與密封盒體341固定連接，絕緣密封盒34的形狀可以為圓柱形、橢圓柱形、長方體形、正方體形或其他規(guī)則或不規(guī)則的多邊體形等，密封盒體341可以為無機絕緣材料、有機絕緣材料或混合絕緣材料制成；絕緣密封盒34與驅動解調電路33堆疊布置，驅動解調電路33與前置放大電路32的信號連接線穿出緣密封盒34的信號輸出接口后對該信號輸出口旋涂密封膠來實現密封，驅動解調電路33也可以與電場敏感芯片31與前置放大電路32一起布置在絕緣密封盒34內。不同于圖4中的mems電場敏感芯片31金屬蓋板與弧頂防雨外殼11電連接方案，該方案只需要金屬感應板342與弧頂防雨外殼11通過導線電連接即可。所述導線可以為普通導線、屏蔽導線、高頻射頻線、半鋼半柔射頻線等。

采用該種mems電場測量模塊，mems地面大氣電場傳感器的工作原理如下：由于傳感器弧頂防雨外殼11與密封盒體341上方的金屬感應板342電連接，而金屬感應板342與芯片mems電場敏感芯片的金屬蓋板之間又形成了電容結構，那么當外界存在直流電場e時，金屬蓋板也將產生感應電荷，該感應電荷產生電場ed，ed與直流電場e線性相關，mems電場敏感芯片31通過測量電場ed實現間接測量外界直流電場e的大小。

采用該種mems電場測量模塊3，容置該mems電場測量模塊3的固支腔體或腔體結構2可以不密封。

在一實施例中的mems地面大氣電場傳感器中，所述密封的腔體結構2內部、絕緣密封盒34內部或密封的固支腔體內部可以放置干燥劑或其它種類的吸濕材料來保證密封環(huán)境的干燥，保護mems電場測量模塊的組件不被腐蝕，保障其工作性能。

在一實施例中，mems地面大氣電場傳感器還可以固定在金屬支架上進行大氣電場測量，例如通過腔體結構2底部的安裝孔223安裝在金屬支架上，金屬支架與腔體結構2電連接，金屬支架可以接地，避免腔體結構2集聚過多電荷。金屬支架還可以不接地，支架也可以是其它材質支架，比如木頭、塑料等，在其他實施例中也可以不采用支架，直接安裝在某些裝置上或放置在地面上進行電場測量。

本發(fā)明實施例中的mems地面大氣電場傳感器除了測量大氣電場外，還可應用于雷電預警、工業(yè)靜電測量、電網直流電場測量以及相關靜電場測量裝置中。

應注意，附圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實大小和比例，而僅示意本發(fā)明實施例的內容。

實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。并且上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。