CN114002515A - 电场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电场传感器及其制备方法，所示电场传感器包括：一种电场传感器，其特征在于，包括：绝缘基底(110)，所述绝缘基底(110)上设有凹槽；金属层(120)，形成于所述绝缘基底(110)上且悬空形成于所述凹槽上；含电荷介质层(130)，形成于所述金属层(120)上，用于感应电场并形成电场力，以使金属层(120)的谐振频率发生变化。本申请通过电荷感应电场改变金属层的谐振频率，以得到电场的强度，有利于提高电场传感器的灵敏度和可靠性。而且，本申请结构简单，对制作工艺的要求较低，有利于降低封装难度。

Description

电场传感器及其制备方法

技术领域

本申请属于传感器技术领域，具体涉及一种电场传感器及其制备方法。

背景技术

电场的精确测量，对于很多应用都非常重要，例如天气预报、工业设备的过程控制或者是高压电缆工作人员的安全问题等。然而从技术角度来说，精确的电场测量并非易事。

现有的微型电场微传感器的感应原理主要分为动态原理和静态原理。静态原理是利用导体或半导体在电场下产生的电学效应，来测量电场；动态感应的原理是使用谐振结构交替地阻挡感应电场的导体，从而产生感应电流。

静态感应的电场传感器的结构简单、可靠性高，但是灵敏度一般较低；而动态感应的电场微传感器的分辨率不高，而且由于微谐振结构对工艺线要求较高，活动结构的封装较困难，因此使用这种结构的电场微传感器其可靠性较差。

发明内容

本申请的目的是提供一种电场传感器及其制备方法。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种电场传感器，包括：

绝缘基底，所述绝缘基底上设有凹槽；

金属层，形成于所述绝缘基底上且悬空形成于所述凹槽上；

含电荷介质层，形成于所述金属层上，用于感应电场并形成电场力，以使金属层的谐振频率发生变化。

可选的，所述绝缘基底包括：

衬底；

第一绝缘层，形成于所述衬底上；

第二绝缘层，形成于所述第一绝缘层上；

所述凹槽形成在所述第二绝缘层中。

可选的，所述含电荷介质层包括：

第一介质层，形成于所述金属层上；

多个电荷驻留区，均匀分布在所述第一介质层上；

第二介质层，形成于所述第一介质层及所述多个电荷驻留区上。

可选的，所述多个电荷驻留区包括多个注入电荷的介质块，所述介质块的材料不同于所述第一介质层及第二介质层的材料。

可选的，所述电场传感器还包括：

电极层，形成于所述凹槽内，且与所述金属层之间具有间隙；

所述电极层用于通电产生静电吸引力，以改变所述金属层的谐振频率。

可选的，所述电极层还用于通电产生静电吸引力，以使所述金属层向所述电极层偏移。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种电场传感器的制备方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成绝缘层，以及去除部分所述绝缘层形成凹槽，所述凹槽的深度小于所述绝缘层的厚度；

在所述绝缘层上形成金属层，且所述金属层悬空形成于所述凹槽上；

在所述金属层上形成含电荷介质层。

可选的，所述在所述衬底上形成绝缘层，以及去除部分所述绝缘层形成凹槽，包括：

在所述衬底上形成第一绝缘层；

在所述第一绝缘层上形成第二绝缘层；

去除部分所述第二绝缘层，形成凹槽。

可选的，所述在所述金属层上形成含电荷介质层，包括：

在所述金属层上形成第一介质层；

在所述第一介质层上均匀分布多个电荷驻留区；

在所述第一介质层上及所述多个电荷驻留区上形成第二介质层。

可选的，所述在所述绝缘层上形成金属层之前，所述方法还包括：

在所述凹槽内形成电极层，所述电极层与所述金属层之间具有间隙。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种电场检测方法，包括：

获取金属层的初始谐振频率；

利用含电荷介质层感应外界电场形成电场力，该外界电场的电场力可以使金属层的谐振频率发生变化；

获取金属层的当前谐振频率；

根据金属层的当前谐振频率和初始谐振频率，确定金属层的谐振频率变化量，以此可以得到外界电场的强度。

可选的，所述获取金属层的初始谐振频率之前，所述方法还包括：

电极层通过直流偏置电流形成静电吸引力，以使金属层的谐振频率发生变化，从而可以调节金属层的初始谐振频率，以拓宽检测范围。

可选的，所述获取金属层的初始谐振频率之前，所述方法还包括：

电极层通过直流偏置电流形成静电吸引力，以使金属层向所述电极层偏移，根据金属层在外界电场中的偏移变化方向，可以确定外界电场的电场方向。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种电场检测方法，包括：

获取金属层的初始谐振频率；

获取外界电场下所述金属层的当前谐振频率；

根据所述金属层的当前谐振频率和初始谐振频率，确定外界电场的电场强度。

可选的，所述获取金属层的初始谐振频率之前，所述方法还包括：

控制静电吸引力的大小，以改变金属层的初始谐振频率。

可选的，所述电场检测方法还包括：

获取所述金属层的初始偏移方向及初始偏移量；

获取所述金属层的当前偏移方向及当前偏移量；

根据所述金属层的初始偏移方向、初始偏移量、当前偏移方向及当前偏移量，确定外界电场的电场方向。

根据本申请实施例的第五方面，提供一种电场检测装置，包括：

获取模块，用于获取金属层的初始谐振频率；

获取模块还用于获取电场下所述金属层的当前谐振频率；

确定模块，用于根据所述金属层的当前谐振频率和初始谐振频率，确定外界电场的电场强度。

可选的，所述电场检测装置还包括：

控制模块，用于控制静电吸引力的大小，以改变金属层的初始谐振频率。

可选的，所述获取模块还用于获取所述金属层的初始偏移方向及初始偏移量；

所述获取模块还用于获取所述金属层的当前偏移方向及当前偏移量；

所述确定模块还用于根据所述金属层的初始偏移方向、初始偏移量、当前偏移方向及当前偏移量，确定外界电场的电场方向。

根据本申请实施例的第六方面，提供一种电子设备，该电子设备可以包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，处理器被配置为执行指令，以实现如第四方面的任一项实施例中所述的电场检测方法。

根据本申请实施例的第七方面，提供一种存储介质，当存储介质中的指令由信息处理装置或者服务器的处理器执行时，以使信息处理装置或者服务器实现以实现如第四方面的任一项实施例中所述的电场检测方法。

本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本申请实施例的电场传感器置于电场中时，其含电荷介质层的电荷可以形成电场力，该电场力可以改变金属层的谐振频率，进而通过监测金属层的谐振频率变化量，可以得到电场的强度。从而，本实施例的电场传感器可以将电场扰动转化为谐振频率变化，进而采用金属层的谐振频率变化来检测电场的强度大小，有利于提高电场传感器的灵敏度和可靠性。而且，该电场传感器的结构简单，对制作工艺的要求较低，有利于降低封装难度。

附图说明

图 1是本申请示例性实施例中一种电场传感器的结构示意图；

图2是本申请示例性实施例中一种电场传感器的制备方法的流程图；

图3是本申请示例性实施例中一种电场检测方法的流程图；

图4是本申请示例性实施例中另一种电场检测方法的流程图；

图5是本申请示例性实施例中一种电场检测装置的结构示意图；

图6是本申请示例性实施例中一种电子设备的结构示意图；

图中，110、绝缘基底；111、衬底；112、第一绝缘层；113、第二绝缘层；120、金属层；130、含电荷介质层；131、第一介质层；132、电荷驻留区；133、第二介质层；140、电极层；510、获取模块；520、确定模块；600、电子设备；610、处理器；620、存储器。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本申请实施例提供一种电场传感器，包括：绝缘基底110，所述绝缘基底110上设有凹槽；金属层120，形成于所述绝缘基底110上且悬空形成于所述凹槽上；含电荷介质层130，形成于所述金属层120上，用于感应电场并形成电场力，以使金属层120的谐振频率发生变化。

本实施例的电场传感器置于电场中时，其含电荷介质层130的电荷可以形成电场力，该电场力可以改变金属层120的谐振频率，进而通过监测金属层120的谐振频率变化量，可以得到电场的强度。从而，本实施例的电场传感器可以将电场扰动转化为谐振频率变化，进而采用金属层120的谐振频率变化来检测电场的强度大小，有利于提高电场传感器的灵敏度和可靠性。而且，该电场传感器的结构简单，对制作工艺的要求较低，有利于降低封装难度。

具体的，利用该电场传感器检测电场的方法，包括：获取金属层120的初始谐振频率；利用含电荷介质层130感应外界电场形成电场力，该外界电场的电场力可以使金属层120的谐振频率发生变化；获取金属层120的当前谐振频率；根据金属层120的当前谐振频率和初始谐振频率，确定金属层120的谐振频率变化量，以此可以得到外界电场的强度。

要获取金属层120的谐振频率，可以采用频率分析仪，例如，检测单元检测金属层120的频率信号，频率信号经跨阻放大器放大后输出至频率分析仪，频率分析仪分析频率信号，得到金属层120的谐振频率。其中，检测单元至少为一个，且设置在金属层120的至少一侧。检测单元可以包括压阻式的检测单元和电容式的检测单元中的其中之一，压阻式的检测单元通过从阻值变化中测出谐振频率，电容式的检测单元通过从电容变化中测出谐振频率。

在一些实施例中，所述绝缘基底110包括：衬底111；第一绝缘层112，形成于所述衬底111上；第二绝缘层113，形成于所述第一绝缘层112上；所述凹槽形成在所述第二绝缘层113中。其中，第一绝缘层112和第二绝缘层113的材料可以相同，例如，第一绝缘层112和第二绝缘层113的材料氧化硅等绝缘材料。

在一些实施例中，所述含电荷介质层130包括：第一介质层131，形成于所述金属层120上；多个电荷驻留区132，均匀分布在所述第一介质层131上；第二介质层133，形成于所述第一介质层131及所述多个电荷驻留区132上。其中，电荷驻留区132的形状可以是球形、方形或其他形状。

由于第一介质层131和第二介质层133的包裹，预先在电荷驻留区132注入的电荷可以长期保持，当存在外界电场时，驻留区电荷会产生电场力，电场力会使金属梁的等效弹性系数发生变化，从而使其机械谐振频率发生相应变化。

在一些实施例中，所述多个电荷驻留区132包括多个注入电荷的介质块，所述介质块的材料不同于所述第一介质层131及第二介质层133的材料。其中，第一介质层131和第二介质层133的材料可以相同，例如，第一介质层131和第二介质层133的材料是氧化硅，介质块的介质材料是氮化硅。

在一些实施例中，所述电场传感器还包括：电极层140，形成于所述凹槽内，且与所述金属层120之间具有间隙；所述电极层140用于通电产生静电吸引力，以改变所述金属层120的谐振频率。其中，电极层140与金属层120之间的间隙可以保证金属层120有足够的形态变化空间。

具体的，在检测前，还可以使直流偏置电流通过电极层140形成静电吸引力，利用该电场力可以改变金属层120的等效弹性系数，相应的，金属层120的谐振频率也会发生变化。因此，电极层140通过直流偏置电流可以调节金属层120的初始谐振频率，进而可以拓宽传感器的检测范围。

在一些实施例中，所述电极层140还用于通电产生静电吸引力，以使所述金属层120向所述电极层140偏移。

具体的，在检测前，还可以使直流偏置电流通过电极层140形成静电吸引力，电极层140的静电吸引力可以使金属层120悬空部分向下偏移，当外界电场的电场力与该电极层140的静电吸引力方向相同时，金属层120应当继续向下偏移，而当电场的电场力与该电极层140的静电吸引力方向相反时，金属层120应当向上偏移。因此，电极层140除了可以用于拓宽传感器的检测范围，还可以用于识别外界电场的电场方向。例如，静电吸引力使金属层120向下偏移，当外界电场引起的电场力方向与静电吸引力方向相反时，金属层120向上偏移，谐振频率减小；当外界电场引起的电场力方向与静电吸引力方向相同时，金属梁继续向下偏移，谐振频率增大。

如图2所示，本申请实施例还提供一种电场传感器的制备方法，包括：

S210、提供衬底111；

S220、在所述衬底111上形成绝缘层，以及去除部分所述绝缘层形成凹槽，所述凹槽的深度小于所述绝缘层的厚度；

S230、在所述绝缘层上形成金属层120，且所述金属层120悬空形成于所述凹槽上；

S240、在所述金属层120上形成含电荷介质层130。

在一些实施例中，所述在所述衬底111上形成绝缘层，以及去除部分所述绝缘层形成凹槽，包括：

在所述衬底111上形成第一绝缘层112；

在所述第一绝缘层112上形成第二绝缘层113；

去除部分所述第二绝缘层113，形成凹槽。

在一些实施例中，所述在所述金属层120上形成含电荷介质层130，包括：

在所述金属层120上形成第一介质层131；

在所述第一介质层131上均匀分布多个电荷驻留区132；

在所述第一介质层131上及所述多个电荷驻留区132上形成第二介质层133。

在一些实施例中，所述在所述绝缘层上形成金属层120之前，所述方法还包括：在所述凹槽内形成电极层140，所述电极层140与所述金属层120之间具有间隙。

如图3所示，本申请实施例还提供一种电场检测方法，包括：

S310、获取金属层120的初始谐振频率；

S320、获取外界电场下所述金属层120的当前谐振频率；

S330、根据所述金属层120的当前谐振频率和初始谐振频率，确定外界电场的电场强度。

在一些实施例中，所述获取金属层120的初始谐振频率之前，还包括：

控制静电吸引力的大小，以改变金属层120的初始谐振频率。

如图4所示，在一些实施例中，所述电场检测方法还包括：

S410、获取所述金属层120的初始偏移方向及初始偏移量；

S420、获取所述金属层120的当前偏移方向及当前偏移量；

S430、根据所述金属层120的初始偏移方向、初始偏移量、当前偏移方向及当前偏移量，确定外界电场的电场方向。

如图5所示，本申请实施例还提供一种电场检测装置，包括：

获取模块510，用于获取金属层120的初始谐振频率；

获取模块510还用于获取电场下所述金属层120的当前谐振频率；

确定模块520，用于根据所述金属层120的当前谐振频率和初始谐振频率，确定外界电场的电场强度。

在一些实施例中，所述电场检测装置还包括：

控制模块，用于控制静电吸引力的大小，以改变金属层120的初始谐振频率。

在一些实施例中，所述获取模块510还用于获取所述金属层120的初始偏移方向及初始偏移量；

所述获取模块510还用于获取所述金属层120的当前偏移方向及当前偏移量；

所述确定模块520还用于根据所述金属层120的初始偏移方向、初始偏移量、当前偏移方向及当前偏移量，确定外界电场的电场方向。

本申请实施例中的电场检测装置可以是装置，也可以是终端中的部件、集成电路、或芯片。该装置可以是移动电子设备，也可以为非移动电子设备。示例性的，移动电子设备可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、可穿戴设备、超级移动个人计算机（ultra-mobile personal computer，UMPC）、上网本或者个人数字助理（personaldigital assistant，PDA）等，非移动电子设备可以为服务器、网络附属存储器（NetworkAttached Storage，NAS）、个人计算机（personal computer，PC）、电视机（television，TV）、柜员机或者自助机等，本申请实施例不作具体限定。

本申请实施例中的电场检测装置可以为具有操作系统的装置。该操作系统可以为安卓（Android）操作系统，可以为ios操作系统，还可以为其他可能的操作系统，本申请实施例不作具体限定。

本申请实施例提供的电场检测装置能够实现图3、图4的方法实施例实现的各个过程，为避免重复，这里不再赘述。

如图6所示，本申请实施例还提供一种电子设备600，包括处理器610，存储器620，存储在存储器620上并可在所述处理器610上运行的程序或指令，该程序或指令被处理器610执行时实现上述电场检测方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

需要说明的是，本申请实施例中的电子设备包括上述所述的移动电子设备和非移动电子设备。

本申请实施例还提供一种存储介质，当存储介质中的指令由信息处理装置或者服务器的处理器执行时，以使信息处理装置或者服务器实现以实现上述电场检测方法实施例中的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

其中，所述处理器为上述实施例中所述的电子设备中的处理器。所述可读存储介质，包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器（Read-Only Memory， ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory， RAM）、磁碟或者光盘等。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种电场传感器，其特征在于，包括：

绝缘基底(110)，所述绝缘基底(110)上设有凹槽；

金属层(120)，形成于所述绝缘基底(110)上且悬空形成于所述凹槽上；

含电荷介质层(130)，形成于所述金属层(120)上，用于感应电场并形成电场力，以使金属层(120)的谐振频率发生变化。

2.如权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述绝缘基底(110)包括：

衬底(111)；

第一绝缘层(112)，形成于所述衬底(111)上；

第二绝缘层(113)，形成于所述第一绝缘层(112)上；

所述凹槽形成在所述第二绝缘层(113)中。

3.如权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述含电荷介质层(130)包括：

第一介质层(131)，形成于所述金属层(120)上；

多个电荷驻留区(132)，均匀分布在所述第一介质层(131)上；

第二介质层(133)，形成于所述第一介质层(131)及所述多个电荷驻留区(132)上。

4.如权利要求3所述的电场传感器，其特征在于，所述多个电荷驻留区(132)包括多个注入电荷的介质块，所述介质块的材料不同于所述第一介质层(131)及第二介质层(133)的材料。

5.如权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述电场传感器还包括：

电极层(140)，形成于所述凹槽内，且与所述金属层(120)之间具有间隙；

所述电极层(140)用于通电产生静电吸引力，以改变所述金属层(120)的谐振频率。

6.如权利要求5所述的电场传感器，其特征在于，所述电极层(140)还用于通电产生静电吸引力，以使所述金属层(120)向所述电极层(140)偏移。

7.一种电场传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底(111)；

在所述衬底(111)上形成绝缘层，以及去除部分所述绝缘层形成凹槽，所述凹槽的深度小于所述绝缘层的厚度；

在所述绝缘层上形成金属层(120)，且所述金属层(120)悬空形成于所述凹槽上；

在所述金属层(120)上形成含电荷介质层(130)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底(111)上形成绝缘层，以及去除部分所述绝缘层形成凹槽，包括：

在所述衬底(111)上形成第一绝缘层(112)；

在所述第一绝缘层(112)上形成第二绝缘层(113)；

去除部分所述第二绝缘层(113)，形成凹槽。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述金属层(120)上形成含电荷介质层(130)，包括：

在所述金属层(120)上形成第一介质层(131)；

在所述第一介质层(131)上均匀分布多个电荷驻留区(132)；

在所述第一介质层(131)上及所述多个电荷驻留区(132)上形成第二介质层(133)。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述绝缘层上形成金属层(120)之前，所述方法还包括：

在所述凹槽内形成电极层(140)，所述电极层(140)与所述金属层(120)之间具有间隙。

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