CN113567869B - 一种电池电压监测微型传感器及电压监测方法 - Google Patents

一种电池电压监测微型传感器及电压监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及蓄电池电压监测技术领域，具体涉及一种电池电压监测微型传感器及其电压监测方法。电池电压监测微型传感器包括正方形板状基底，基底中心上设置有底面为正方形的长方体状的压电晶体；压电晶体的正方形底面边长为2b，压电晶体的四个侧面周围分别固定设置有玻璃；压电晶体的正方形顶面固定设置有半导体薄膜；半导体薄膜为边长为2a的正方形，半导体薄膜上掺杂有四个电阻区域，分别分布在半导体薄膜的四条边的中间，四个电阻区域连接成惠斯通桥，电阻区域之间通过导线相连并引出四个电极点，用于外电源的施加和中点电势差的测量；本发明提供的电池电压监测微型传感器无需与电池接触，耗费电池的能量。

Description

一种电池电压监测微型传感器及电压监测方法
技术领域
本发明涉及蓄电池电压监测技术领域，具体涉及一种电池电压监测微型传感器及其电压监测方法。
背景技术
自铅酸蓄电池发明以来，铅酸蓄电池凭借价格低廉、运行稳定、维护简单等优点，得到了广泛的应用。目前，铅酸蓄电池电压的测量均是经过高精度低温漂分压电阻网络分压，蓄电池电压输入单片机的ADC转换接口，ADC进行模数转换，该方法需要耗费电池本身能量，降低电池使用寿命。而且，监测模块体积较大，影响蓄电池安全稳定运行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种电池电压监测微型传感器及其电压监测方法，具体技术方案如下：
一种电池电压监测微型传感器，包括正方形板状基底，所述基底中心上设置有底面为正方形的长方体状的压电晶体；压电晶体的正方形底面边长为2b，所述压电晶体的四个侧面周围分别固定设置有玻璃；所述玻璃的截面为五边形，所述五边形划分为一个长方形和一个等腰三角形，等腰三角形的底边与长方形的一条边重合；等腰三角形的顶点顶住压电晶体的对应侧面，并且等腰三角形的底边与压电晶体的侧面平行；所述等腰三角形的顶角的角度为60°-120°；所述压电晶体的正方形顶面固定设置有半导体薄膜；所述半导体薄膜为边长为2a的正方形，半导体薄膜的中心与压电晶体顶面的中心重合，且2a大于2b；
所述半导体薄膜上掺杂有四个电阻区域，分别分布在半导体薄膜的四条边的中间，其中，分布在半导体薄膜的对边上的电阻区域两两形状相同，一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体内侧的直线条状，另一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体的柱状图条状，四个电阻区域连接成惠斯通桥，电阻区域之间通过导线相连并引出四个电极点，用于外电源的施加和中点电势差的测量；所述2b的取值范围为200μm-2000μm，2a-2b的取值范围为172μm-2000μm，薄膜厚度h为10μm-80μm，玻璃的厚度为200μm-2000μm，基底厚度d为200μm-2000μm，其中玻璃的厚度为等腰三角形的顶点到与其相对的长方形的边距离，并且压电晶体的正方形底面边长2b与玻璃的厚度d相同。
优选地，所述基底的制作材料为玻璃、硅片或硬质有机聚合物材料。
优选地，所述压电晶体的材料选择PMN-28PT单晶。
优选地，所述半导体薄膜选择减薄硅片。
优选地，所述半导体薄膜上电阻区域的掺杂类型选择晶向平面<001>、轴向[110]的P型半导体硅进行N型掺杂，掺杂的浓度为3×1018-1×1019cm-3。
优选地，所述基底选择晶向平面<001>、轴向[100]的N型半导体硅，进行P型掺杂，掺杂硼离子的能量设置80keV，掺杂剂量5×1014cm-2。
优选地，所述基底掺杂的过程如下：
S1：温度1050℃，进行30min掺杂，实际磷离子剂量7.52x109cm-3，硼离子剂量保持2.465×1018cm-3；
S2：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.735x1015cm-3，硼离子剂量保持2.535×1018cm-3；
S3：温度1050℃，进行40min掺杂，湿法氧化模式，实际磷离子剂量保持1.735x1015cm-3硼离子剂量保持2.535×1018cm-3；
S4：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.810×1015cm-3，硼离子剂量5×1018cm-3；
S5：自然冷却，退火激活。
一种电池电压监测微型传感器的电压监测方法，包括以下步骤：
S1：将电池的正负极分别采用导线连接至距离为d的正负极板，此时正负极板之间形成一个电场强度为E的均匀电场；
S2：采用电池电压监测微型传感器测量均匀电场的电场强度，即可得到电池的电压。
本发明的有益效果为：本发明提供的电池电压监测微型传感器无需与电池接触，耗费电池的能量，影响电池的寿命，且芯片的体积小，不影响蓄电池的安全稳定运行，监测精度高，使用方便。
附图说明
图1为本发明的传感器的截面图；
图2为本发明的传感器的俯视图；
图3为双极性电场条件下PMN-28％PT的极化-电场曲线与形变电场曲线；
图4为单极性电场条件下PMN-28％PT的极化-电场曲线与形变电场曲线；
图5为掺杂后离子浓度与半导体硅导电结深度的关系曲线；
图6为空气压强下半导体硅压阻薄膜部分的惠斯通桥输出响应曲线；
图7为三个样品的测试结果图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
根据半导体硅在一定浓度范围的N型掺杂或P型掺杂下可呈现出压阻效应，即外界应力或应变会改变半导体的电阻值，且灵敏度非常高，适合测量气压、压力、形变等参数，因其极高的灵敏度与可调节的测量范围，半导体压阻薄膜已广泛应用于气压、压力、形变等研究及工业领域测量。压阻效应的本质，就是压力下原子之间的距离发生变化，对应电子轨道和能级简并度发生变化，从而导致能带的变化；选择N型掺杂的<001>晶向(轴向[100])和P型掺杂的<001>晶向(轴向[110])的Si为芯片压电材料，具体参数如下表1所示；根据电流与应力的方向关系，考虑两个典型的压阻效应：轴向(电流与应力平行)与横向(电流与应力垂直)，前者记为πl，后者记为πt。
表1芯片压电材料的参数
应用压阻效应，本发明提供了一种电池电压监测微型传感器，如图1-图2所示，包括正方形板状基底，所述基底中心上设置有底面为正方形的长方体状的压电晶体；压电晶体的正方形底面边长为2b，所述压电晶体的四个侧面周围分别固定设置有玻璃；所述玻璃的截面为五边形，所述五边形划分为一个长方形和一个等腰三角形，等腰三角形的底边与长方形的一条边重合；等腰三角形的顶点顶住压电晶体的对应侧面，并且等腰三角形的底边与压电晶体的侧面平行；所述等腰三角形的顶角的角度为60°-120°；所述压电晶体的正方形顶面固定设置有半导体薄膜；所述半导体薄膜为边长为2a的正方形，半导体薄膜的中心与压电晶体顶面的中心重合，且2a大于2b。
利用压阻效应测量应力应变的方法是：对半导体硅薄膜进行图形化掺杂，形成四个电阻区域，并连接成惠斯通桥，测试两中点电势差。惠斯通桥能够应用于此处电阻变化测量主要源于压阻系数πl与πt符号相反，因此当掺杂电阻的形状、位置与尺寸设计合理时，可以保证在相同的外力作用下，相邻电阻的变化方向相反。外力来自于固体、液体或气体，或者外力方向为垂直薄膜方向或薄膜平面方向，都会使薄膜产生形变，这里的关键是保持薄膜的自由振动状态。
所述半导体薄膜上掺杂有四个电阻区域，分别分布在半导体薄膜的四条边的中间，其中，分布在半导体薄膜的对边上的电阻区域两两形状相同，一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体内侧的直线条状，另一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体的柱状图条状，四个电阻区域连接成惠斯通桥。如图2所示，半导体掺杂区分布于半导体薄膜2a×2a的四个边界附近，R1、R3掺杂区成凸向压电晶体的柱状图条状，目的是增加它在轴向(边界中心指向正方形中心)上的分布，充分利用压阻系数πl而能忽略轴向(平行于边界方向)应变对电阻变化的贡献；R2、R4掺杂区成凸向压电晶体内侧的直线条状，目的是增加它在横向上的分布，充分利用压阻系数πt而能忽略轴向应变对电阻变化的贡献。为保证半导体掺杂区与金属电极的良好欧姆接触，接触区域尽量面积大、电阻小，且位于固定不振动的半导体区域。
图1-2中边长2a的正方形区域内薄膜可自由振动，薄膜厚度h。如图显示了x-y平面上半导体薄膜结构及电路。整个方形区域代表半导体薄膜，其中，R1、R2、R3、R4表示掺杂形成的四个电阻区域，都进行离子掺杂，形成惠斯通桥。
压电压阻耦合属于机械耦合，即两种材料之间通过应力应变进行能量的传递。图1显示了本传感器的横切面视图x-z平面。半导体薄膜与玻璃层高强度耦合，对半导体薄膜四周起到固定作用；玻璃中有穿孔，穿孔区域使半导体薄膜自由振动。压电晶体与玻璃厚度相同，恰好埋在玻璃穿孔中，其边长2b小于半导体薄膜边长2a，如此在边长为2b的面接触同时，也可保证半导体薄膜有自由振动的空间。玻璃穿孔固定了压电晶体在空腔中的位置及垂直放置状态，实际操作中也对空腔与块状材料的尺寸匹配降低了容差要求。
为了利用压电材料显著的压电系数，图1中边长为2b的正方形区域即为压电晶体与半导体压阻薄膜的接触区域。半导体压阻薄膜通过厚度方向上的拉伸与压缩，使半导体压阻薄膜在厚度方向(即z方向)上存在振动，薄膜产生平面及垂直方向的应变。
电阻区域之间通过导线相连并引出四个电极点，用于外电源的施加和中点电势差的测量，如图2中的极点1-4；所述2b的取值范围为200μm-2000μm，2a-2b的取值范围为172μm-2000μm，薄膜厚度h为10μm-80μm，玻璃的厚度为200μm-2000μm，基底厚度d为200μm-2000μm，其中玻璃的厚度为等腰三角形的顶点到与其相对的长方形的边距离，并且压电晶体的正方形底面边长2b与玻璃的厚度d相同。
基底的制作材料为玻璃、硅片或硬质有机聚合物材料，使用不同基底可以用不同的键合方式完成，以确保最大键合强度。
压电晶体的材料选择PMN-28PT单晶。用aixACCTTF分析仪，得到了双极性和单极性两种电场施加条件下PMN-28PT的极化-电场曲线(P-E)和应变-电场曲线(S-E)，如图3-4，从应变-电场曲线可以看出，压电晶体的滞回曲线非常窄，剩余极化很小，且在0-16kV/cm的测试范围内线性度为0.995，在大约16kV/cm时形变量已达到0.16％；在大约17kV/cm处存在斜方六面体到四方相的相态过渡，形变响应的灵敏度也稍有下降。
半导体薄膜上电阻区域的掺杂类型选择晶向平面<001>、轴向[110]的P型半导体硅进行N型掺杂，掺杂的浓度为3×1018-1×1019cm-3。采用comsol有限元仿真软甲计算得知，室温25℃下，压电系数的校准系数P(x,y)＝0.9，轴向压阻系数πl＝+71.8×10-11m2/N，横向压阻系数πt＝-66.3×10-11m2/N。半导体薄膜的机械参数基本不随掺杂浓度等影响，泊松比v＝0.278，杨氏模量Y＝125GPa。压电系数e33＝21.72c/m2,压电材料的弹性劲度系数
所述基底选择晶向平面<001>、轴向[100]的N型半导体硅，进行P型掺杂，掺杂硼离子的能量设置80keV，掺杂剂量5×1018cm-3。所述基底掺杂的过程如下：
S1：温度1050℃，进行30min掺杂，实际磷离子剂量7.52x109cm-3，硼离子剂量保持2.465×1018cm-3；
S2：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.735x1015cm-3，硼离子剂量保持2.535×1018cm-3；
S3：温度1050℃，进行40min掺杂，湿法氧化模式，实际磷离子剂量保持1.735x1015cm-3硼离子剂量保持2.535×1018cm-3；
S4：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.810×1015cm-3，硼离子剂量5×1018cm-3；
S5：自然冷却，退火激活。
图5为该离子掺杂后离子浓度与半导体硅深度的关系，由于掺杂前表面有高温氧化得到的氧化硅进行晶格保护，在深度0-0.4291μm范围内为SiO2。掺杂后形成PN结，冶金结深度1.341μm，导电结深度1.498μm，载流子耗尽区估计范围为1.353um-2.861um，表面电阻率达到231.1Ω/cm2。
半导体薄膜选择减薄硅片。根据一般的压阻型气压传感器件的制备工艺，单独测试了压阻薄膜在气压下的输出响应，如图6所示，输入为空气压强，输出为惠斯通桥在5V直流电源激励下的输出电势差。
一种电池电压监测微型传感器的电压监测方法，包括以下步骤：
S1：将电池的正负极分别采用导线连接至距离为d的正负极板，此时正负极板之间形成一个电场强度为E的均匀电场；
S2：采用电池电压监测微型传感器测量均匀电场的电场强度，即可得到电池的电压。
本发明提供的微型传感器存在两个独立效应及一个耦合机械场,通过简化模型可以假设这三个过程的输入输出量都满足线性关系，并且微型传感器可看作两部分构成的级联系统，即压电-机械系统(系统I)和压阻系统(系统II)。系统I中，压电与机械存在相互因果关系而达到整体的平衡状态，因此该微型传感器应考虑压电晶体材料的压电效应和机械效应、压阻薄膜的机械效应。系统I处于电场E和机械场应变σ中，压电晶体材料与压阻薄膜接触部分沿z方向压强P的表达式如公式(1)。
P＝C33 Eσ-e33E (1)
其中为压电晶体材料的弹性劲度系数(单位：N/m2),e33是压电系数(单位：C/m2)，σ指电场单独作用下压电晶体材料的厚度方向应变,取值2.31。
系统II中，薄膜压强计算模型为面压强模型。由于薄膜的形变总是中间大而接近边缘时逐渐减小，我们可以将该模型简化为薄膜上四顶点(边长为2b的正方形四个顶角)支撑的压强模型。该简化模型和点压强模型的区别类似于输电导线中四分裂与单根导线的区别。由导线分裂理论可知，从横截面角度来看，对于分裂导线组成的圆形区域以外的部分的电磁场分布情况，分裂与单根导线没有区别，只要总电流相等即可。将该理论对偶到薄膜压力的情形中，在半径的圆范围以外，四点支撑的压强模型可等效为单点压强模型。以薄膜的中心为x-y坐标系的原点，在x2+y2≥2b2的区域内，点(x,y)处形变u近似表达如公式(2)。
其中w0是薄膜中心的形变，取1。
根据四点支撑压强假设，压电材料的四个接触顶角处u(±b,±b)＝stpe其中tpe为压电晶体材料厚度，s为垂直方向的应力。根据薄膜的弹性变形理论可知，中心点形变w0可推导出单点压强P的表达式如公式(3)。
其中Y表示半导体薄膜的杨氏模量，常数g1＝4.13(1-v2)-1，
g2＝19(1-v)-1(1-0.585)仅依赖于泊松比v。
膜表面应力应变对称分布，因此电阻区域R1和R3的电阻变化相同，定义为ΔR1,3；电阻区域R2和R4电阻变化相同，定义为ΔR2,4，ΔR1,3与ΔR2,4符号相反。四个电阻区域R1-R4置于正方形半导体薄膜边界中心区域，并且不考虑形状效应，则电阻变化率可表示为公式(4)。
惠斯通桥的端口1、3上施加直流电源Us，R0是四个电阻区域的静态电阻，在没有薄膜应力应变时，惠斯通桥平衡，输出端口2与4之间电势差为0，惠斯通桥输出电压U0表达式如公式(5)。
其中，k为掺杂电阻的有效区域比例系数。在每个电压值下，将由公式(1)-(4)解得的压强P带入公式(5)中，即可得到惠斯通桥输出U0的数值，得到一组对应的(E,U0)。
本实施例对以下三个芯片样品进行测试。
三个样品的半导体薄膜边长2a分别为1270μm、1120μm和970μm，厚度h为12μm，压电晶体的边长2b为350μm，比例系数k设定为0.35。根据数学表达式(5)，计算得出的三种不同尺寸在Us＝5V直流电源激励下的静态电压输出U0及对应薄膜压强P与电场E之间的关系曲线，计算结果如图7所示。图7中放大的区域为1kV/cm-30kV/cm范围，可见具有极高的线性度。以样品1(2a＝1270μm)为例，拟合直线的斜率(即传感器灵敏度)为3.99mV/(kV/cm)，截距(即零点漂移量)为9.34μV。由于半导体硅薄膜的崩裂压强大约7GPa，可计算出对应的崩裂电场为300MV/m。负数项ΔR2,4的绝对值小于1，则对应电场强度应小于100.2MV/m。因此，传感器具有较大的动态范围(1kV/m-100.2MV/m)、较高的灵敏度(3.99mV/(kV/cm))、线性度(电场强度小于100MV/m时)以及性能调节的可控性(尺寸变化可调节器件响应性能)等优点。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：包括正方形板状基底，所述基底中心上设置有底面为正方形的长方体状的压电晶体；压电晶体的正方形底面边长为2b，所述压电晶体的四个侧面周围分别固定设置有玻璃；所述玻璃的截面为五边形，所述五边形划分为一个长方形和一个等腰三角形，等腰三角形的底边与长方形的一条边重合；等腰三角形的顶点顶住压电晶体的对应侧面，并且等腰三角形的底边与压电晶体的侧面平行；所述等腰三角形的顶角的角度为60°-120°；所述压电晶体的正方形顶面固定设置有半导体薄膜；所述半导体薄膜为边长为2a的正方形，半导体薄膜的中心与压电晶体顶面的中心重合，且2a大于2b；
所述半导体薄膜上掺杂有四个电阻区域，分别分布在半导体薄膜的四条边的中间，其中，分布在半导体薄膜的对边上的电阻区域两两形状相同，一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体内侧的直线条状，另一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体的柱状图条状，四个电阻区域连接成惠斯通桥，电阻区域之间通过导线相连并引出四个电极点，用于外电源的施加和中点电势差的测量；所述2b的取值范围为200μm-2000μm，2a-2b的取值范围为172μm-2000μm，薄膜厚度h为10μm-80μm，玻璃的厚度为200μm-2000μm，基底厚度d为200μm-2000μm，其中玻璃的厚度为等腰三角形的顶点到与其相对的长方形的边距离，并且压电晶体的正方形底面边长2b与玻璃的厚度d相同。
2.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述基底的制作材料为玻璃、硅片或硬质有机聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述压电晶体的材料选择PMN-28PT单晶。
4.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述半导体薄膜选择减薄硅片。
5.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述半导体薄膜上电阻区域的掺杂类型选择晶向平面<001>、轴向[110]的P 型半导体硅进行N型掺杂，掺杂的浓度为N=3×1018-1×1019 cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述基底选择晶向平面<001>、轴向[100]的N型半导体硅，进行P型掺杂，掺杂硼离子的能量设置 80keV，掺杂剂量 5×1014 cm-2。
7.根据权利要求6所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述基底掺杂的过程如下：
S1：温度1050℃，进行30min掺杂，实际磷离子剂量7.52x109cm-3，硼离子剂量保持2.465×1018cm-3；
S2：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.735x1015cm-3，硼离子剂量保持2.535×1018cm-3；
S3：温度1050℃，进行40min掺杂，湿法氧化模式，实际磷离子剂量保持 1.735x1015cm-3硼离子剂量保持2.535×1018cm-3；
S4：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.810×1015cm-3，硼离子剂量5×1018cm-3；
S5：自然冷却，退火激活。
8.一种电池电压监测微型传感器的电压监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将电池的正负极分别采用导线连接至距离为d的正负极板，此时正负极板之间形成一个电场强度为E的均匀电场；
S2：采用权利要求1-7任一所述的电池电压监测微型传感器测量均匀电场的电场强度，即可得到电池的电压。
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