CN112505438B

CN112505438B - 基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件

Info

Publication number: CN112505438B
Application number: CN202011366740.9A
Authority: CN
Inventors: 何金良; 胡军; 韩志飞; 余占清
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2040-11-26
Also published as: CN112505438A

Abstract

一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以沿垂直方向自由振动的半导体薄膜，所述半导体薄膜下方设有衬底，所述半导体薄膜和衬底之间通过绝缘层连接，所述半导体薄膜中间区域覆盖有金属薄膜，所述半导体薄膜周边区域设有金属电极，所述金属薄膜通过金属电极接地或接电源，所述半导体薄膜的中间区域通过半导体弹簧与周围固定部分连接，所述半导体弹簧上设有压阻材料，所述压阻材料通过所述金属电极连接形成惠斯通桥结构。其有益效果是：本发明的微型电场传感器件体积小，集成度高，分辨率高，响应大，测量幅值范围广，能够实现不同测试环境中直流电场和时变电场的非侵入式测量。

Description

基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件

技术领域

本发明涉及电场传感领域，特别是一种小体积、高集成度的用于电场测量的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，实现电压的非侵入式测量。

背景技术

泛在电力物联网和数字电网的发展成为了当今能源行业，特别是电力行业发展的重要方向。泛在电力物联网通过在已有电力网络的基础上搭建与之配套的信息网络，实现对电力系统运行状态的实时监测和对电力设备及网络的故障预测和诊断，从而实现电力能源网络的智能化、透明化。对于信息网络的构架，高性能传感节点是信息感知网络的重要基石。通过广域布置针对不同物理量的传感节点，就可以实现网络中不同物理量的测量。

对于电力网络，电压是最重要的物理量之一。电压信号蕴藏着丰富信息，能够帮助人们实现故障预测、状态监测、雷电预警、设备故障定位等目标。但目前的电压测量设备一般采用侵入式的电压互感器。电压互感器体积大、价格高，并且只能测量工频电压，同时无法实现广域分布式布置。另外，光学电场传感系统可以实现电场的有效测量，很难实现在电网的布置。通过电场传感器对电场进行测量，进而反推电压是一种新型的非侵入式电压测量方法，能够有效解决电压测量设备体积大的问题，同时节约绝缘成本，提升测量精度。

目前，较为成熟的微型电场传感器件是基于电光效应的电场测量器件。但这类器件往往易受环境影响，如温度稳定性不高，同时光学模块成本高，很难实现大规模的广域分布式应用。另外，激光源与光接收系统体积大，设备维护困难也是这类传感器存在的问题。因此，需要设计一种低成本、高性能的电场测量设备，用于泛在电力物联网中电压和电场的测量。

发明内容

本发明的目为：

提出一种基于静电力和压阻效应的高分辨率、宽测量范围的用于直流电场和时变电场(交流电场、瞬态电场)测量的微型电场传感器件结构。

基于上述目的，设计了一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件。

设计思路为：

金属在电场中会产生感应电荷，相反电荷之间会产生力的作用，称为静电力。

在时变电场作用下，接地金属薄膜受到静电力作用，带动半导体薄膜沿垂直方向振动，进而使得半导体弹簧发生形变。同样，在直流电场作用下，接地金属薄膜受到静电力作用，带动半导体薄膜产生垂直方向位移，也会带动半导体弹簧发生形变。位于半导体弹簧上的压阻材料在应变作用下电阻值发生改变。压阻材料由金属电极连接形成惠斯通桥结构，通过对压阻材料掺杂区域的设计使得四个桥臂电阻值对称变化。通过测量惠斯通桥输出端口电势差即可实现对电场的测量。

具体设计方案为：

一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以沿垂直方向自由振动的半导体薄膜，所述半导体薄膜下方设有衬底，所述半导体薄膜和衬底之间通过绝缘层连接，其特征在于，所述半导体薄膜中间区域蒸镀有金属薄膜，所述半导体薄膜周边区域设有金属电极，所述金属薄膜通过金属电极接地或接电源，所述半导体薄膜的中间区域通过半导体弹簧与半导体薄膜周边区域连接，所述半导体弹簧上设有压阻材料，所述压阻材料通过所述金属电极连接形成惠斯通桥结构。

所述半导体薄膜一般采用硅做材料，其形状可以为正方形或长方形。所述半导体薄膜厚度较薄，考虑其机械强度和器件灵敏度，厚度一般取1微米至30微米，所述半导体薄膜尺寸可以在百微米到毫米量级。

所述半导体薄膜上覆盖金属薄膜层，金属可选用蒸镀的铝、金等材料。所述金属薄膜尺寸与半导体薄膜相仿，其厚度一般取百纳米量级。所述金属薄膜通过金属电极接地，也可以根据实际需要接交流或直流电压源。在测量直流电场时，可以通过接交流电压源提升分辨率；在测量交流电场时，可以通过接直流电压源提升分辨率。

所述半导体弹簧的数量一般为四个，位于半导体薄膜四周，也可以只保留三个或一个。所述半导体弹簧一般通过刻蚀硅得到，其形状可以设置为弯折状、方形、条状等。

所述压阻材料的数量为四个，其位置位于所述半导体弹簧上，通过在所述半导体弹簧上进行离子掺杂制备得到，所述压阻材料呈弯折的条状结构，截面深度小于所述半导体薄膜的厚度，上表面为同一表面。压阻材料可以通过P型掺杂或N型掺杂得到。

传感器件表面制备有所述金属电极，其作用是连接压阻材料，构成惠斯通桥结构，同时将所述金属薄膜引出接电源或接地。

所述半导体薄膜通过半导体弹簧连接至周围固定部分。周围固定部分分为三层：衬底层、绝缘层和半导体薄膜层。所述半导体薄膜层与半导体弹簧直接相连，所述衬底层起支撑作用，所述绝缘层一般采用氧化硅做材料，其作用为隔绝所述半导体薄膜层与衬底层的电气连接。

通过本发明的上述技术方案得到的基于压电效应和压阻效应多模态耦合的微型电场传感器件，其有益效果是：

所设计的传感器件既可以用于直流电场的测量，也可以用于时变电场的测量，能够实现小体积、高分辨率、小畸变、非侵入式的电场测量。

利用静电力对电场进行测量，可以有效提升电场测量的灵敏度，通过调整薄膜大小可以对传感器件的分辨率和频带进行调节。

利用半导体弹簧对半导体薄膜进行支撑，可以有效减小半导体薄膜自由振动的阻尼，提升传感器件的响应，同时为压阻材料的设置提供掺杂基底。

利用半导体弹簧的离子掺杂区形成压阻材料，使薄膜形变转化为电阻变化。将压阻材料连接成为惠斯通桥结构，使电阻测量更加方便准确。通过对惠斯通桥臂的合理布局、对掺杂区域参数的合理设计、调整供电形式，可以有效降低电路温漂和零点漂移，提升测量精度。

本结构设计与微加工工艺兼容，可以通过微加工工艺对该器件进行大规模批量加工，有效降低器件生产成本，减小器件体积。同时，该器件集成化程度高，易于与数据处理、通信、I/O模块集成成为高性能传感节点。

本发明装置可以对直流电场和时变电场(交流电场、瞬态电场)进行非接触式测量，对一次侧设备无影响，绝缘成本低、生产成本低、安装方便，适用于泛在电力物联网中的大规模节点设置。

附图说明

图1是本发明所述基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的剖面结构示意图；

图2是本发明所述基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的俯视结构示意图；

图3是本发明所述基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件工作时的位移分布示意图。

图中，1、半导体薄膜；2、金属薄膜；3、金属电极；4、半导体弹簧；5、压阻材料；6、衬底；7、绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

如图1－2所示，一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以沿垂直方向自由振动的半导体薄膜1，所述半导体薄膜1下方设有衬底6，所述半导体薄膜1和衬底6之间通过绝缘层7连接；所述半导体薄膜1中间区域蒸镀有金属薄膜2，所述半导体薄膜1周边区域设有金属电极3，所述金属薄膜2通过金属电极3接地或接电源，所述半导体薄膜1的中间区域通过半导体弹簧4与周围固定部分连接，所述半导体弹簧4上设有压阻材料5，所述压阻材料5通过所述金属电极3连接形成惠斯通桥结构。

其中，半导体薄膜1形状可以为正方形或长方形，其厚度较薄。半导体薄膜1上覆盖有金属薄膜2，金属薄膜2的尺寸与半导体薄膜1相仿，其厚度比半导体薄膜1更薄。金属薄膜2通过金属电极3接地，也可以根据实际需要接交流或直流电压源。在测量直流电场时，可以通过接交流电压源提升分辨率；在测量交流电场时，可以通过接直流电压源提升分辨率。

半导体薄膜1通过半导体弹簧4与固定部分相连。半导体弹簧4的数量一般为四个，位于半导体薄膜1的四周，也可以只保留三个或一个。半导体弹簧4可以通过刻蚀硅得到，其形状可以设置为弯折状、方形、条状等。

压阻材料5的数量为四个，位于半导体弹簧4上，以保证最大化响应。压阻材料5呈弯折的条状结构，截面深度小于所述半导体薄膜1的厚度，上表面为同一表面。压阻材料5可以通过P型掺杂或N型掺杂得到。为保证压阻材料5电阻变化的对称性，在进行掺杂时，应当根据单晶硅的取向以及横纵两方向的压阻系数对掺杂剂量、掺杂类型、掺杂区域大小等进行设计。

半导体薄膜1通过半导体弹簧4连接至周围固定部分。周围固定部分分为三层：衬底6、绝缘层7和半导体薄膜1。半导体薄膜1与半导体弹簧4直接相连，衬底6起支撑作用，采用中空结构，以保证半导体弹簧4和半导体薄膜1的自由振动。绝缘层7一般采用氧化硅做材料，其作用为隔绝半导体薄膜1与衬底6的电气连接。

传感器件表面制备有金属电极3，其作用是连接压阻材料5，构成惠斯通桥结构，同时将金属薄膜2引出接电源或接地。压阻材料5在电极的连接下形成惠斯通桥结构，4个压阻材料5为惠斯通桥的四个悬臂。通过打线，可以将金属电极与PCB板相连。在惠斯通桥输入端施加直流电压或直流电流，在惠斯通桥输出端利用示波器对输出进行测试，从而对电场进行测量。

本发明器件能够在交流和直流电场环境下对电场进行测试，具有非接触式测量、体积小、成本低、易于批量生产、分辨率高且可调控等特点，能够满足泛在电力物联网中对电压/电场测量的大部分需求。

实施例1

在电场环境下，金属薄膜2内部产生感应电荷，在静电力的作用下连同半导体薄膜1一起上下自由振动，薄膜所受静电力大小为：

其中，F_e为静电力大小，A为薄膜面积，E为电场大小。薄膜运动方程为：

其中，m为薄膜质量，g为重力加速度，k为弹簧劲度系数，C为空气阻力系数，ρ为空气密度。根据运动方程，可以求得薄膜位移随时间变化情况，从而得到压阻材料5应变以及压阻材料5电阻变化。

在有限元数据平台仿真分析，得到在电场作用下薄膜位移如图3所示。

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

1.一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，包括半导体薄膜（1），所述半导体薄膜（1）下方设有衬底（6），所述半导体薄膜（1）和衬底（6）之间通过绝缘层（7）连接，其特征在于，所述半导体薄膜（1）中间区域蒸镀有金属薄膜（2），所述半导体薄膜（1）周边区域设有金属电极（3），所述金属电极（3）连接形成电路，所述金属薄膜（2）通过金属电极（3）接地或接电源，所述半导体薄膜（1）的中间区域通过半导体弹簧（4）与半导体薄膜（1）的周边区域连接，所述半导体弹簧（4）上设有压阻材料（5），所述压阻材料（5）通过所述金属电极（3）连接；所述半导体弹簧（4）个数为4个，位于所述半导体薄膜（1）中间区域的四周。

2.根据权利要求1中所述的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，其特征在于，所述衬底（6）采用中空结构。

3.根据权利要求1中所述的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，其特征在于，所述半导体薄膜（1）为方形或长方形结构，所述半导体薄膜（1）上覆盖的金属薄膜（2）的厚度小于所述半导体薄膜（1）的厚度。

4.根据权利要求1中所述的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，其特征在于，所述半导体弹簧（4）形状设置为弯折状、方形、条状中的一种。

5.根据权利要求1中所述的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，其特征在于，所述压阻材料（5）末端通过所述金属电极（3）连接形成惠斯通桥结构。

6.根据权利要求1中所述的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，其特征在于，所述压阻材料（5）的数量为4个，所述压阻材料（5）的形状呈弯折的条状结构。

7.根据权利要求1中所述的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，其特征在于，所述压阻材料（5）通过在所述半导体弹簧（4）上进行离子掺杂制备得到，截面深度小于所述半导体弹簧（4）的厚度。

8.根据权利要求1中所述的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，其特征在于，所述电源为交流或直流电压源，在测量直流电场时，通过接交流电压源提升分辨率；在测量时变电场时，通过接直流电压源提升分辨率。