CN211954508U - 一种贴片式mems输电导线监测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电气一次主设备绝缘性能检测领域，具体涉及一种贴片式MEMS输电导线监测传感器；包括玻璃基底、焊盘、压敏电阻和硅薄膜，其特征在于：所述硅薄膜上设置有一个压敏电阻和两个焊盘，所述焊盘对称安装于压敏电阻的两侧；本装置实现了压敏电阻与外界恶劣环境的隔离，极大地提高了压敏电阻阻值在覆冰、油污、粉尘颗粒等恶劣环境下的稳定性，同时有效降低了传感器在脉动冲击和振动环境下的故障率。

Description

一种贴片式MEMS输电导线监测传感器

技术领域

本实用新型属于电气一次主设备绝缘性能检测领域，具体涉及一种贴片式 MEMS输电导线监测传感器。

背景技术

高压输电导线一般采用钢芯铝绞线，在风载和导线自激振动时，尤其是在冬天导线覆冰时所产生的舞动，使导线承受交变载荷而有可能导致断丝断股，从而严重威胁着导线本身及其送变电设备和人身生命安全，因此系统地研究开发输电线路的监测诊断仪器，已成为近几年研究的一个热点。传统的传感器芯片通常是将压敏电阻制作在敏感膜片的上表面，电阻器直接与外界接触，其检测性能极易受到外界杂质的影响，无法保证其工作的稳定性。传统的压力传感器芯片在封装时因其焊盘尺寸小，一般都是通过压焊铝丝与外电路连接，但压焊铝丝直径极细，在振动或气压脉动的冲击下，铝丝容易脱落或断裂，导致传感器的失效，难以有效保证其工作的可靠性。

实用新型内容

针对输电导线断股散股的监测需求，基于半导体压阻效应原理，提出了一种贴片式MEMS输电导线监测传感器，压敏电阻由传统的暴露型改为隐藏型，无需进行复杂的封装处理，就能实现压敏电阻与外界恶劣环境的隔离，极大地提高了压敏电阻阻值在覆冰、油污、粉尘颗粒等恶劣环境下的稳定性。在此基础上，为了解决芯片与外部电路连接的铝丝易断裂或脱落的难题，将传统的小焊盘改成大焊盘，并用锡焊(或钎焊)技术代替传统的压焊铝丝技术来实现与外部电路的连接，提高了传感器的电气连接强度，有效降低了传感器在脉动冲击和振动环境下的故障率。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：

一种贴片式MEMS输电导线监测传感器,包括玻璃基底1、焊盘2、压敏电阻 3和硅薄膜4，其特征在于：所述硅薄膜4上设置有一个压敏电阻3和两个焊盘 2，所述焊盘2对称安装于压敏电阻3的两侧。

所述硅薄膜4形状选为方形。

所述压敏电阻3的拐角处区域加宽，并重掺杂，为重掺杂区。

所述硅薄膜4的边缘增加过渡区域，所述过渡区域使用离子注入代替浓硼扩散实现电连接。

本实用新型的有益效果为：为了满足传感器集成设计的需求，提出了一种单电阻贴片式MEMS输电导线监测传感器芯片结构设计方案，解决了传感器在恶劣环境下的小型化和可靠性的问题。通过对铁磁性金属屑末和非铁磁性金属屑末通过全流量滑油在线屑末传感器时引起的测试线圈感应电压进行理论推导和计算，并借助ANSYS Electric软件建立二维有限元仿真分析模型。通过求解有限元方程可知铁磁性金属屑末和非铁磁性金属屑末的相位相反。金属屑末引起的感应电压与金属屑末半径的幂成正比，铁磁性金属屑末引起的感应电压的峰值与它的半径成三次方关系，非铁磁性金属屑末引起的感应电压的峰值与它的半径及电导率相关。通过以上研究获取传感器感应特性，并根据标准金属颗粒与测试线圈感应电压之间的对应关系，建立传感器标定曲线，为传感器的标定建立了理论依据。

附图说明

图1为传感器结构示意图；

图2为传感器电路连接图；

图3为压敏电阻及内部连接电路在方形薄膜上的布局图；

图中所示：玻璃基底1、焊盘2、压敏电阻3、硅薄膜4。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本实用新型的技术方案：

实施例1

为了解决锡焊(或钎焊)连接技术与芯片尺寸变大的矛盾，将传统的全桥型压力传感器改成单电阻型压力传感器，在敏感薄膜上只制作有一个压敏电阻和两个大焊盘，使得芯片既能满足探针与传感器一体化设计的小型化需求，又具有较高的可靠性和一定的灵敏度。芯片的总体结构如图1所示，传感器主要玻璃基底1、焊盘2、压敏电阻3和硅薄膜4，在硅薄膜4上设置有一个压敏电阻3和两个焊盘2，所述焊盘2对称安装于压敏电阻3的两侧。该传感器的工作原理图如图2所示，利用恒流源给压力传感器压敏电阻供电，在外界压力作用下，敏感薄膜发生变形，硅薄膜的压阻效应使得压敏电阻阻值发生变化，通过测量电阻两端的电压变化即可反映出压力的变化量。

薄膜的形状通常有方形和圆形两种，在相同的条件下，由于方形薄膜灵敏度比圆形薄膜高，因此芯片敏感薄膜的形状改选为方形。方形薄膜的尺寸设计主要包括：薄膜的边长和薄膜厚度。参照传感器行业的参数标准，满量程电阻变化率不小于2％。电阻变化率的计算方法为

其中π₄₄为压阻系数，在P型硅中π₄₄＝138.1×10^{- 11}Pa^-1，p为传感器量程的最大值；a为薄膜的边长，h为薄膜的厚度。要使压力传感器具有较好的线性度，薄膜压力作用下需处于小变形状态下。根据小挠度理论，在均布压力作用下方形薄膜的最大挠度W_max计算方法为

其中E为杨氏模量，单晶硅材料的杨氏模量为 180GPa，ν为泊松比，单晶硅材料的泊松比为0.28.此外，根据强度设计要求，薄膜最大应力不大于单晶硅材料屈服应力的30％。方形薄膜的最大应力计算方法为

其中σ_m为屈服应力，单晶硅的屈服应力为2.0GPa。根据上述三式中可得出方形薄膜边长与厚度的比值a/h的范围为13.6-43.7.综合考虑传感器的灵敏度和线性度的要求，并在制作工艺条件满足的情况下，尽量减小传感器的整体尺寸，最终将传感器方形薄膜的尺寸确定为：边长a＝400um，厚度h＝15um。

压敏电阻形状一般采用窄条形结构，为了降低压敏电阻自身的发热量，单位面积功耗P_c需控制在5×10^-5W/μm²以下。

式中I为恒流源，R_P为压敏电阻阻值，W、L分别为条形压敏电阻宽度和长度，R_s为方块电阻。

为尽量降低温度变化对压敏电阻的影响，并综合考虑掺杂浓度对压敏系数的影响，最终确定压敏电阻区域的掺杂浓度为8×10¹⁸cm^-3，通过试验测定得到，在该掺杂浓度下，方块电阻R_s约为200Ω。根据上式可以计算出，条形压敏电阻的宽度大于7μm.因此，将压敏电阻条宽设计为8μm，压敏电阻的阻值R_p一般设计为5kΩ，结合方块电阻值计算得到压敏电阻条长度为200μm。

为了提高压力传感器灵敏度，压敏电阻布置在晶面为(100)，晶向为＜110 ＞的N型硅基底上，并使压敏电阻尽可能地布置在最大应力区域(即薄膜边缘中心区域)，将压敏电阻设计为5折，每折的长度为40μm。此外，为减小压敏电阻拐角处负阻效应的影响，对拐角处区域加宽，并进行重掺杂。由于浓硼扩散会使硅表面变得不平整，为了使密闭压力腔中的电信号与外界形成良好的电连接，又不破坏压力腔的密封性，在薄膜边缘设计了过渡区域，该区域使用离子注入代替浓硼扩散实现电连接。其他用于电信号引出区域将进行浓硼扩散，使扩散区域电阻率降低，用于制作连接导线和欧姆接触的连接锚点。压敏电阻及内部连接电路在方形薄膜上的布局如图3所示。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种贴片式MEMS输电导线监测传感器,包括玻璃基底、焊盘、压敏电阻和硅薄膜，其特征在于：所述硅薄膜上设置有一个压敏电阻和两个焊盘，所述焊盘对称安装于压敏电阻的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种贴片式MEMS输电导线监测传感器，其特征在于：所述硅薄膜形状选为方形。

3.根据权利要求1所述的一种贴片式MEMS输电导线监测传感器，其特征在于：所述压敏电阻的拐角处区域加宽，并重掺杂，为重掺杂区。

4.根据权利要求1所述的一种贴片式MEMS输电导线监测传感器，其特征在于：所述硅薄膜的边缘增加过渡区域，所述过渡区域使用离子注入代替浓硼扩散实现电连接。

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