CN109959826A - 一种平面结构的电场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面结构的电场传感器及其制备方法，电场传感器包括屏蔽盒，在所述屏蔽盒内设置有不导电衬底和非线性介电材料，在非线性介电材料表面设置有若干叉指电极；在相邻的叉指电极间设置有传感电极，传感电极通过导线与位于屏蔽盒外部的电荷收集器连接。其制备方法如下：1)采用绝缘材料制作不导电衬底，并在其表面贴合非线性介电材料；2)在所述非线性介电材料表面设置至少若干组叉指电极；3)在相邻的叉指电极间设置传感电极，采用屏蔽盒将所述的不导电衬底、非线性介电材料、叉指电极、传感电极封装，将传感电极通过导线与位于屏蔽盒外部的电荷收集器连接。

Description

一种平面结构的电场传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及电场传感器领域，具体地说，特别涉及到一种平面结构的电场传感器及其制备方法。

背景技术

非线性介电材料在电场作用下发生极化，极化强度随电场变化，极化和外加电场具有非线性关系，根据这一性质，利用非线性介电材料可以制造电容可调的电容器，还可以实现电场传感。

一般铁电体都是非线性介电材料，其中锆钛酸铅(PZT)和钛酸钡锶(BST) 的应用较广泛。以BST为例说明，优点包括没有疲劳退化的问题；不含铅，符合环境标准；介电常数可达1000到4000，且介电性能可调，介电损耗小 (tanδ＜0.01)。击穿场强高(E_b≈3kV/mm)；居里温度T_c在-233到120℃之间可调，满足常温工作温度等。

铁电材料的高介电性质在用于直接测量电场时存在弊端。将铁电材料直接放置在空间电场E₀中，材料两端产生异号的极化电荷，材料内部形成与原电场方向相反的退极化场E_d，其大小与介电常数成正比，使得作用到材料内部的电场(称为有效场)小于甚至是远小于E₀，因此铁电材料特性对于空间电场的敏感度不显著。有技术提出可增大材料的长宽比，进而减小退极化因子。但只能在一定程度上提高有效场，没有从根本上解决问题。

现有技术测量电场时，采用平行板电容器，其介质材料为铁电材料。上极板分为左右两部分(记为A1、A2)，两者不相连且面积等大。上下极板施加驱动电压V_in，则铁电材料在驱动电压作用下发生极化P₀，方向与上下极板间形成的电场线方向一致。设上极板总面积为A_FE，铁电电容为C_FE，则铁电材料的极化程度与驱动电压的关系为V_in＝A_FEP₀/C_FE。由驱动电压引起的极化，主要集中在A1、A2的正下方。上极板A1、A2的中间区域形成极化敏感区，在两者中心位置形成传感电极，并通过导线与电荷收集器相连。电荷收集器暴露在被测电场E_ext中，电场方向与电荷收集器表面垂直。电荷收集器上产生相应的感应电荷并转移至传感电极，传感电极周围形成电场，使得铁电材料在已有极化基础上产生极化扰动P′。设电荷收集器面积为S₁、传感电极面积为S₂，则P′与被测电场的关系为该极化程度的大小与比值成正比。最终，铁电材料P的极化包括两部分，即P＝P₀+P′，极化P通过后期电荷放大电路的输出信号V_out反应出来。其中由驱动电压V_in产生的极化P₀对输出信号的影响已知，通过滤波等方法，将由被测电场E_ext产生的极化扰动P′对输出信号的影响提取出来，设V′_out，建立关系V′_out-E_ext，测得电场。该技术存在两个不足之处：一是上下平板电极引起铁电材料内竖直方向极化，而传感电极引起的极化集中在靠近传感电极覆盖区域，周围极化较小，即传感电极所在部分的材料原始极化程度较小，传感电场引起的极化扰动也很小；二是在这种情况下要检测到由被测电场引起的介电材料极化扰动，就需要用作电荷收集器的金属板面积较大，不适合传感器件的微小型化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种平面结构的电场传感器及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种平面结构的电场传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用绝缘材料制作不导电衬底，并在所述不导电衬底上贴合一层非线性介电材料；

2)根据预先确定的叉指电极参数，在所述非线性介电材料表面设置至少若干组第一电极导体和第二电极导体，并在所述第一电极导体和第二电极导体上涂覆绝缘层或沉金处理，形成保护层；所述第一电极导体、第二电极导体和保护层组成叉指电极；

3)在相邻的叉指电极的中间位置设置传感电极，采用屏蔽盒将所述的不导电衬底、非线性介电材料、叉指电极、传感电极封装，将传感电极通过导线与位于屏蔽盒外部的电荷收集器连接。

进一步的，所述第一电极导体、第二电极导体和传感电极通过溅射等沉积工艺制作。

一种平面结构的电场传感器，包括屏蔽盒，在所述屏蔽盒内设置有不导电衬底、以及与不导电衬底贴合的非线性介电材料，在所述非线性介电材料表面设置有若干叉指电极，所述叉指电极包括第一电极导体、第二电极导体和保护层；在相邻的叉指电极间设置有传感电极，传感电极通过导线与位于屏蔽盒外部的电荷收集器连接。

进一步的，在所述非线性介电材料上设置有至少一组叉指电极，相邻两个叉指电极之间形成电容，各组电容之间并联。

进一步的，所述非线性介电材料采用锆钛酸铅或钛酸钡锶。

进一步的，所述电荷收集器的面积大于所述传感电极的面积。

进一步的，所述第一电极导体用于输入驱动电压信号，驱动电压信号为有直流偏置或无直流偏置的交流信号；所述第二电极导体与放大器的输入端连接，放大器的输出端用于输出传感信号。

进一步的，所述放大器为电荷放大器，叉指电极和非线性介电材料构成的平面电容为电荷放大器的输入电容。

进一步的，所述放大器为电压放大器，激励电压信号经过叉指电极和非线性介电材料构成的平面电容输入电压放大器。

本发明通过在介电材料表面设置叉指电极，并施加驱动电压，相比于上下极板模式引起竖直方向极化，叉指电极引起的极化区域主要局限在电极之间的一个微小区域且集中在介电材料表面，这样被测电场对叉指电极引起的极化产生的扰动也就更强。这样电荷收集器面积S₁不需要很大，在平方毫米乃至更小面积感应的电荷即可引起较大的扰动极化，达到检测要求，满足器件微型化、集成化需要。适当减小传感电极面积S₂，增大电荷收集器面积S₁，使得由被测电场引起的极化扰动增大，从而增大电荷放大器的信号输出，有利于提高传感器的性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用在非线性介电材料的表面制备叉指电极和传感电极构成电场传感器，在叉指电极上施加低压范围的驱动电压，即可在介电材料表面区域产生强大电场，使得材料工作在非线性区，克服了被测电场在平板电容的介电材料中引起的有效电场小，极化程度小，由被测电场引起极化程度的变化观测不到的问题。借助电荷/电压放大器，由被测电场引起的材料微弱极化扰动能够被检测出。

附图说明

图1为本发明所述的平面结构的电场传感器的结构示意图。

图2为本发明所述的电容反馈放大器示意图。

图3为本发明所述的所述电场传感器产生传感输出原理图。

图4为本发明所述的传感器中叉指电极和传感电极结构示意图。

图5本发明所述的采用多组叉指电极和传感电极结构示意图。

图6本发明所述的实施例3传感电极连接方法示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1至图6，本发明所述的一种平面结构的电场传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用绝缘材料制作不导电衬底1-1，并在所述不导电衬底1-1上贴合一层非线性介电材料1-2；

2)根据预先确定的叉指电极参数，在所述非线性介电材料1-2表面设置至少若干组第一电极导体1-3和第二电极导体1-5，并在所述第一电极导体1-3和第二电极导体1-5上涂覆绝缘层或沉金处理，形成保护层1-4；所述第一电极导体1-3、第二电极导体1-5和保护层1-4组成叉指电极；

3)在相邻的叉指电极间设置传感电极1-6，采用屏蔽盒1-9将所述的不导电衬底1-1、非线性介电材料1-2、叉指电极、传感电极1-6封装，将传感电极1-6 通过导线1-7与位于屏蔽盒1-9外部的电荷收集器1-8连接。

实施例1

如图1所示，在所述不导电衬底1-1上加工非线性介电材料1-2，本实施例中，非线性介电材料1-2为铁电材料，所述铁电材料1-2上设置一组第一电极导体1-3和第二电极导体1-5。在两相邻叉指电机的中心位置放入所述传感电极 1-6，并通过导线1-7与电荷收集器1-8连接。除电荷收集器1-8外，其它结构处于屏蔽盒1-9中。所述叉指电极包括第一电极导体1-3、第二电极导体1-5、保护层1-4。图2为电容反馈放大器2，包含输入端2-1和输出端2-2。图3中，第一电极导体1-3施加有直流偏置或者没有直流偏置的交流驱动信号，使铁电材料的极化进入非线性区，第二电极导体1-5与电容反馈放大器2输入端2-1 相连，输出端输出传感信号，该信号可反应材料的极化状态，该极化由驱动电场与被测电场两部分产生，所以这个输出就是传感输出。

实施例2

如图5，非线性介电材料1-2上设置四组或多组第一电极导体1-3和第二电极导体1-5，传感电极1-6设置在相邻两组电极的中心位置。

实施例3

如图6，传感电极1-6为连续结构，相比于实施例1和2，其优点是：由被测电场引起的极化范围扩大，通过干扰相邻叉指电极的电位影响介电材料的极化程度；只需要通过其上一点连接电荷收集器1-8。

实施例4，

无不导电衬底1-1，直接在块体介电材料1-2上制备第一电极导体1-3、第二电极导体1-5和传感电极1-6。

实施例5

采用铁电材料锆钛酸铅(PZT)作为介电材料。

实施例6

采用铁电材料钛酸钡锶(BST)作为介电材料。

实施例7，

为获得传感输出，将第二电极导体1-5与电压放大器输入端相连。

在非线性介电材料的表面制作叉指电极，形成平面电容器，相邻两叉指上施加驱动电压，两叉指间形成电场E₁，电场线分布为椭圆形并集中在铁电材料表面。传感电极处于相邻叉指电极的中间，传感电极和叉指电极无连接，与置于被测电场中用作电荷收集器的金属板相连，将电荷收集器在被测电场中感应的电荷，传递到介电材料的表面。

传感电极周围形成电场E₂，场强大小为r是到敏感电极的距离，所以越靠近传感电极的位置，场强越大。相比于平行板电容器上下极板引起铁电材料竖直方向极化，叉指电极引起的极化P₀主要局限在电极之间的一个微小区域并集中在介电材料表面，被测电场通过传感电极引起的介电材料极化P′也主要集中在叉指电极之间的表面区域，这样被测电场对叉指电极间的介电材料的极化产生的扰动也就更强，电荷收集器的面积可相应减小。

设叉指宽度为W，相邻叉指之间的间隙距离为G，电极的厚度为H。使用一般的微加工，W和G可达到微米量级，磁控溅射工艺可加工至纳米量级。相同区域内,W或G增加，电极对数减小，相应的电容值减小。叉指电极间的电场线分布为椭圆形，场强为E，仿真表明E与H成近似反比关系，H越大，E越小；E与 G成近似反比关系，G越大，E越小。

本发明中在介电材料表面设置叉指电极，相邻叉指之间的间隙距离可以很小达到微纳米量级，即使在低驱动电压的作用下，内部电场较大，足以使材料的极化程度处于非线性区，由被测电场引起的极化扰动可以通过电荷或者电压放大电路的输出信号观测到。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种平面结构的电场传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用绝缘材料制作不导电衬底(1-1)，并在所述不导电衬底(1-1)上贴合一层非线性介电材料(1-2)；

2)根据预先确定的叉指电极参数，在所述非线性介电材料(1-2)表面设置至少若干组第一电极导体(1-3)和第二电极导体(1-5)，并在所述第一电极导体(1-3)和第二电极导体(1-5)上涂覆绝缘层或沉金处理，形成保护层(1-4)；所述第一电极导体(1-3)、第二电极导体(1-5)和保护层(1-4)组成叉指电极；

3)在相邻的叉指电极间设置传感电极(1-6)，采用屏蔽盒(1-9)将所述的不导电衬底(1-1)、非线性介电材料(1-2)、叉指电极、传感电极(1-6)封装，将传感电极(1-6)通过导线(1-7)与位于屏蔽盒(1-9)外部的电荷收集器(1-8)连接。

2.根据权利要求1所述的平面结构的电场传感器的制备方法，其特征在于，所述第一电极导体(1-3)、第二电极导体(1-5)和传感电极(1-6)通过溅射工艺制作。

3.一种采用权利要求1所述制备方法制造的电场传感器，其特征在于，包括屏蔽盒(1-9)，在所述屏蔽盒(1-9)内设置有不导电衬底(1-1)、以及与不导电衬底(1-1)贴合的非线性介电材料(1-2)，在所述非线性介电材料(1-2)表面设置有若干叉指电极，所述叉指电极包括第一电极导体(1-3)、第二电极导体(1-5)和保护层(1-4)；在相邻的叉指电极的中间位置设置有传感电极(1-6)，传感电极(1-6)通过导线(1-7)与位于屏蔽盒(1-9)外部的电荷收集器(1-8)连接。

4.根据权利要求3所述的电场传感器，其特征在于，在所述非线性介电材料(1-2)上设置有至少一组叉指电极，相邻两个叉指电极之间形成电容，各组电容之间并联。

5.根据权利要求3所述的电场传感器，其特征在于，所述非线性介电材料(1-2)采用锆钛酸铅或钛酸钡锶。

6.根据权利要求3所述的电场传感器，其特征在于，用作电荷收集器的金属板的面积大于所述传感电极的面积。

7.根据权利要求3所述的电场传感器，其特征在于，所述第一电极导体(1-3)用于输入驱动电压信号，驱动电压信号为有直流偏置或无直流偏置的交流信号；所述第二电极导体(1-5)与放大器(2)的输入端连接，放大器的输出端用于输出传感信号。

8.根据权利要求8所述的电场传感器，其特征在于，所述放大器(2)为电荷放大器，叉指电极和非线性介电材料构成的平面电容为电荷放大器的输入电容。

9.根据权利要求8所述的电场传感器，其特征在于，所述放大器(2)为电压放大器，激励电压信号经过叉指电极和非线性介电材料构成的平面电容输入电压放大器。