CN109212327B - 具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件 - Google Patents

Abstract

一种具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，包括底座，所述底座上通过固定件安装有半导体薄膜，所述半导体薄膜掺杂内镶嵌所述离子掺杂电阻区，所述压电薄膜沉积在半导体薄膜顶面。其有益效果是：保证了电场传感器具有灵敏度高、动态范围广、频率范围宽的应用目标。半导体薄膜离子掺杂区响应幅值大，器件灵敏度高。采集电力系统的稳定运行特征量外，可监测故障及各种过电压的特征，为电网故障诊断及绝缘配合等研究提供精确的大数据。易于微型化，集成化程度高，成本低，适合批量生产，因而适用于大电网线路及电气设备的密集型布置，以全面采集电气信息，反映电力系统的特征。

Description

具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件

技术领域

本发明涉及先进制造与自动化中新型电场传感器领域，特别是一种具有悬臂梁结构的高灵敏微型电场传感器件。

背景技术

智能电网已成为全球能源发展和变革的重大研究课题。为了满足智能电网多样性的能源结构、电网形态、负荷种类、用户需求等，实现各节点实时监测的传感网络对电网的可靠、安全、经济、高效运行具有重要的意义。传感网络需要的传感器种类繁多，包括气敏传感器、湿敏传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器、形变传感器等。其中，作为电网最基本的信号，电压，其测量技术手段仍然相对落后。现有的电压互感器分为电磁感应式和电容分压式两类，其中电磁感应式电压互感器的测量原理与变压器相同，通过电磁感应将一次侧高电压转化到二次侧低电压，电容分压式的测量原理是通过电容串联进行分压，通过测量低压推算高压。两者均仅适用于工频交流信号，对直流、暂态以及高次谐波等信号无法测量。由于互感器体积大、成本高、安装难度大，无法广泛使用到输配电线路及电站电气设备的监测中。

相比之下，基于光电效应的非接触式电场传感器分辨率高、动态范围广，适用于交流稳态及快速暂态的宽频域范围测量。当前光电效应的电场传感器处于推广试验运行阶段，到目前为止，温度稳定性问题仍难解决，成为影响光电传感器测量精度最大的挑战；另外，光电传感器由于对高质量光源的需求无法实现微型化，成本很高，不利于广泛应用与开展。

随着基础材料的不断发展，新型功能材料具有更优的性能参数，如压电材料。压电晶体或压电薄膜在一定电压范围内的高灵敏度线性压电效应使其具有作为传感器感应材料的基础，可被考虑用于电场的感应与测量中。由电场引起的压电材料的极化强度及形状应变的改变，可以直接测量，也可以通过界面耦合的方式间接测量其它物理量来反推电场数值。随着微型传感器种类与原理的多样化，电场下压电材料变化量的测量方法技术也越来越成熟，为创新性实用化的微型电场传感器件的发明提供了足够的技术基础。因此，以压电材料作为基础材料，通过界面耦合机理间接测量及推算电场的方法将取代传统电压互感器的传感器，为智能电网的发展提供广泛的信息采集基础。

发明内容

本发明的目的为：

提出一种具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件。利用压电薄膜显著的压电效应在水平方向产生应力形变，该拉伸或压缩形变耦合到半导体薄膜上，薄膜具有压阻效应的掺杂区域的电阻值发生改变，利用惠斯通桥通过测量薄膜掺杂区域电阻的变化来实现电场强度的测量。本发明中，压电材料与半导体薄膜采用悬臂梁结构，电场作用下，压电材料的悬臂梁产生弯折振动，该机械波通过界面耦合到半导体薄膜，悬臂梁连接端应变较大，自由端形变较大。在半导体薄膜上选择合理的离子掺杂区，以最大化电阻灵敏度和实现电阻的对称变化

为了实现上述发明目的，本发明的设计思路为：

本发明利用具有压阻效应的半导体薄膜离子掺杂区进行压电材料形变的间接测量。通过界面机械耦合，半导体薄膜产生形变，导致薄膜的禁带宽度及载流子浓度发生改变，进而影响半导体薄膜的电阻值。半导体薄膜的压阻效应相对于压电材料的压电效应，具有线性的I-V整流曲线，无极化现象，属于一种体效应。半导体薄膜显著的压阻效应与薄膜晶向、温度和离子掺杂种类、浓度相关，用于形变传感时对制备条件具有一定的要求。

基于上述设计思路，设计了一种高灵敏度微型电场传感器件。具体设计方案为：

一种具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，包括底座，所述底座上通过固定件安装有半导体薄膜，所述半导体薄膜上镶嵌有离子掺杂电阻区，所述压电薄膜沉积于所述半导体薄膜顶面。

所述掺杂电阻区的数量为四个，包括两个横向离子掺杂电电阻、两个纵向离子掺杂电电阻，所述的两个横向离子掺杂电电阻、两个纵向离子掺杂电电阻通过金属电极与外部电路电连接。

掺杂区域的形状可以多样化，如直线型、折线形等等，目的是最大化有效的应变传感区域。离子掺杂区域的电阻构成对称的惠斯通桥，因此电阻测量可以转化为电路差分电压的测试。惠斯通桥要求电阻的变化具有对称性，即两个相对的电阻(横向离子掺杂区电阻)变化大小和方向完全相同，而与另外两个电阻(纵向离子掺杂区电阻)的变化应当大小相等方向相反。因此，惠斯通桥的电阻区域布置应遵循对称原则

所述半导体薄膜中的离子掺杂区域的离子类型可以为P型或者N型离子。

利用压电薄膜显著的压电效应在水平方向产生应力形变，该拉伸或压缩形变耦合到半导体薄膜上，薄膜具有压阻效应的掺杂区域的电阻值发生改变，通过惠斯通桥测量薄膜掺杂区域电阻的变化来实现电场强度的测量。

由于半导体薄膜存在一定厚度，其与压电薄膜耦合的表面受到较大驱动，而相对的另一表面驱动小，因此存在半导体薄膜上下表面受力不均匀的情况。在半导体薄膜一端固定、另一端自由的悬臂梁结构下，半导体薄膜出现弯折振动现象：当压电薄膜拉伸时，薄膜自由端向下弯折；当压电薄膜压缩时，薄膜自由端向上弯折。此时，薄膜自由端形变最大，薄膜的固定端附近应变最大。

所述半导体薄膜贴敷于所述压电薄膜的底面与所述压电薄膜进行界面耦合。

所述半导体薄膜与压电薄膜呈十字形的悬臂梁结构，四个所述离子掺杂区域分别位于所述压电薄膜的十字形悬臂梁结构的四个悬臂连接处。

一个器件由四个垂直方向的悬臂梁组成，目的是使固定件与悬臂梁的连接端形成四个完全对称的边界区域，以方便惠斯通桥的四个电阻的对称布置。这里，悬臂梁的个数可以不局限于四个，从实现电场传感器功能的角度，也可以仅选择两个悬臂梁组成一个器件(两个悬臂梁在一条直线上)，或者设计成其它对称分布的多悬臂梁结构。

所述的离子掺杂电阻区存在位置选择、形状设计等问题。为了最大化器件灵敏度，离子掺杂电阻区应选择薄膜应变最大的区域，一般位于悬臂梁与固定件的连接边界处，但不一定局限于此区域，如当测量电场频率较高时也可以选择悬臂梁的长边界附近。

通过本发明的上述技术方案得到的高灵敏度微型电场传感器件，其有益效果是：

利用线性的压电压阻耦合系统，传感机理具有极大的创新性和实用性，保证了电场传感器具有灵敏度高、动态范围广、频率范围宽的应用目标。

悬臂梁结构具有形变大的优点，因此半导体薄膜离子掺杂区响应幅值大，器件灵敏度高。此外，悬臂梁结构易于微型化加工，可实现芯片尺度的微型电场传感器件。

适用于各种电压等级电网线路及变电站电气设备的电场强度测量，适用于直流到百兆Hz的频率范围，因此除了采集电力系统的稳定运行特征量外，还可监测故障及各种过电压的特征，为电网故障诊断及绝缘配合等研究提供精确的大数据。

易于微型化，集成化程度高，成本低，适合批量生产，因而适用于大电网线路及电气设备的密集型布置，以全面采集电气信息，反映电力系统的特征。

附图说明

图1是本发明所述高灵敏度微型电场传感器件的结构示意图；

图2是本发明所述离子掺杂电阻区的结构示意图；

图3是本发明所述高灵敏度微型电场传感器件的压电薄膜在电场施加前后的极化及形变示意图；

图4是本发明所述高灵敏度微型电场传感器件的惠斯通桥结构图；

图中，1、离子掺杂电阻区，1_a横向离子掺杂电电阻；1_b纵向离子掺杂电电阻；2、压电薄膜；3、半导体薄膜；4、金属电极；5、固定件；6、底座；7、直流电源；8、电压测试电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

一种具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，包括底座6，所述底座6上通过固定件5安装有半导体薄膜3，所述半导体薄膜3上镶嵌有离子掺杂电阻区1，所述压电薄膜2沉积于所述半导体薄膜3顶面。

所述掺杂电阻区1的数量为四个，包括两个横向离子掺杂电电阻1_a、两个纵向离子掺杂电电阻1_b，所述的两个横向离子掺杂电电阻1_a、两个纵向离子掺杂电电阻1_b通过金属电极4与外部电路电连接。

所述半导体薄膜3中掺杂有P型或N型离子形成离子掺杂区1。

利用压电薄膜显著的压电效应在水平方向产生应力形变，该拉伸或压缩拉伸或压缩形变耦合到半导体薄膜上，薄膜具有压阻效应的掺杂区域的电阻值发生改变，利用惠斯通桥测量薄膜掺杂区域电阻的变化来实现电场强度的测量。

所述半导体薄膜3贴敷于所述压电薄膜2的底面与所述压电薄膜进行界面耦合。

所述压电薄膜2呈“X”形的悬臂梁结构，四个所述掺杂单元分别位于所述压电薄膜2的“X”形悬臂梁结构的四个悬臂中。

所述压电薄膜2呈“X”形的悬臂梁结构，四个所述掺杂单元位于所述压电薄膜2的“X”形悬臂梁结构的同一悬臂中。

实施例1

在压电材料中，电介质极化方向受到电场作用时，电介质会发生相应的形变，根据这一原理，该发明装置所使用的压电薄膜2经过厚度方向的预极化，同时具有面内各向异性。当压电薄膜受到垂直方向的电场作用时，压电薄膜在水平方向上产生的伸缩形变通过机械耦合传递到与之相邻的半导体薄膜上，由于薄膜为一端固定一端自由的悬臂梁结构，半导体薄膜出现弯折现象，以一支悬臂梁为例，如图3所示。

满足本发明装置需求的压电薄膜需要具有显著的压电效应，因此可选择铁电弛豫体如PMN-PT、PZN-PT，或者铁电晶体PZT，或者压电薄膜PVDF或其多元掺杂或共聚物，等等。由于面内压电效应对本发明装置的灵敏度尤其重要，因此对压电晶体的切割方向及极化方向选取也需特别考虑，比如铁电弛豫体PMN-PT应当进行<011>方向的切割及预极化。本发明装置为微型化装置(器件尺寸在1mm以下)，为了保证悬臂梁结构较高的形变与较长的使用周期，压电薄膜厚度应在大约10μm-100μm范围内。

半导体压阻材料发生形变时，禁带宽度与载流子密度发生变化，电阻率改变，并且存在压阻效应面内横向与纵向的各异性。选取合适的半导体晶向与掺杂类型，使压阻效应的面内横向与纵向的参数尽量大。在四个悬臂梁结构下，四个连接端边界应力应变对称分布，因此采用惠斯通桥的设计思路，如图4，横向离子掺杂区电阻1_a利用横向压阻效应，纵向离子掺杂区电阻1_b利用纵向压阻效应，设计合理的掺杂电阻区长宽比使静态时横向离子掺杂区电阻1_a与纵向离子掺杂区电阻1_b的电阻相同，为R₀。在四个边界完全对称分布的应力σ作用下，前者电阻R_a表示为R₀(1+σπ_t)，后者电阻R_b表示为R₀(1+σπ_l)。惠斯通桥施加直流驱动电源电压U_S，电压输出U_o可表示为：

在离子掺杂形成电阻区的微加工过程中，尽量选择压阻系数π_l与π_t高且绝对值相近的掺杂条件，比如，在<001>晶向的半导体硅中进行P型掺杂，[110]方向为轴向，π_l＝+71.8×10-11m²/N，[1-10]方向为横向，π_t＝-66.3×10-11m²/N，此时公示(1)的分母可近似为2。在简化的压电材料模型中，应力σ与压阻材料内部电场E之间满足线性关系，σ＝kEe，其中k表示压电材料与压阻薄膜的机电耦合系数，e为压电材料压电系数(常量)，则公式(1)可进一步表达为惠斯通桥输出电压Uo与压电材料电场E的关系式：

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，包括底座（6），压电薄膜（2），所述底座（6）上通过固定件（5）安装有半导体薄膜（3），其特征在于，所述半导体薄膜（3）上镶嵌有离子掺杂电阻区（1），所述压电薄膜（2）沉积于所述半导体薄膜（3）顶面，

所述掺杂电阻区（1）的数量为四个，包括两个横向离子掺杂电电阻（1_a）、两个纵向离子掺杂电电阻（1_b），所述的两个横向离子掺杂电电阻（1_a）、两个纵向离子掺杂电电阻（1_b）通过金属电极（4）与外部电路电连接，

所述半导体薄膜（3）与压电薄膜（2）呈十字形的悬臂梁结构，四个所述离子掺杂区域分别位于所述压电薄膜（2）的十字形悬臂梁结构的四个悬臂连接处。

2.根据权利要求1中所述的具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，其特征在于，所述半导体薄膜（3）中掺杂有P型或N型离子形成离子掺杂区（1）。

3.根据权利要求1中所述的具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，其特征在于，利用压电薄膜显著的压电效应在水平方向产生应力形变，该形变耦合到半导体薄膜上，薄膜具有压阻效应的掺杂区域的电阻值发生改变，利用惠斯通桥测量薄膜掺杂区域电阻的变化来实现电场强度的测量。

4.根据权利要求1中所述的具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，其特征在于，所述半导体薄膜（3）贴敷于所述压电薄膜（2）的底面与所述压电薄膜进行界面耦合。

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