本發(fā)明涉及電場(chǎng)傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件。

背景技術(shù)：

1、電力物聯(lián)網(wǎng)包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電五個(gè)部分。為了獲取更實(shí)時(shí)全面的數(shù)據(jù)，需要部署大量分布式電場(chǎng)傳感器。一方面能收集電網(wǎng)的電氣數(shù)據(jù)，服務(wù)于計(jì)量、控制、測(cè)量和保護(hù)裝置。另一方面布置于變壓器、絕緣子串和避雷器等電氣設(shè)備內(nèi)部，對(duì)人工難以檢測(cè)的故障進(jìn)行診斷。傳統(tǒng)的場(chǎng)磨式電場(chǎng)測(cè)量?jī)x和電流互感器體積大且笨重，應(yīng)用場(chǎng)景嚴(yán)重受限。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(mems，micro?electromechanical?system)技術(shù)和納米加工技術(shù)的發(fā)展，具備智能化、多參數(shù)、微型化、高精度和低功耗等特點(diǎn)的微型傳感器更適合分布式電網(wǎng)。除此之外，微型電場(chǎng)傳感器在氣象監(jiān)測(cè)和閃電預(yù)警、航天發(fā)射以及石油化工行業(yè)的電氣預(yù)警都能發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2、目前的微型電場(chǎng)傳感器根據(jù)工作原理可以分為四種：感應(yīng)電荷原理、逆壓電效應(yīng)原理、電光效應(yīng)原理和靜電力原理，而針對(duì)基于靜電力原理的微型電場(chǎng)傳感器一直面臨的靈敏度低、測(cè)量范圍小、線性度差、加工成品率低以及穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為至少一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一，本發(fā)明的目的在于提供一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的新型結(jié)構(gòu)電場(chǎng)傳感器，在滿足小體積、低成本和低功耗的同時(shí)，具備高靈敏度、高分辨率、寬線性范圍和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，包括水平放置可垂直自由振動(dòng)的半導(dǎo)體薄膜，所述半導(dǎo)體薄膜的第一表面上設(shè)有金屬薄膜；所述半導(dǎo)體薄膜的第二表面通過(guò)埋氧層連接半島端十字梁和弧瓣?duì)顛u嶼結(jié)合的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)以及襯底層；所述半導(dǎo)體薄膜的四周與器件層的固定部分連接；

4、所述器件層上設(shè)有金屬電極區(qū)和四個(gè)弧形短梁，所述金屬薄膜通過(guò)所述弧形短梁連接至金屬電極區(qū)；所述弧形短梁鑲嵌有多個(gè)離子注入?yún)^(qū)域，所述離子注入?yún)^(qū)域之間設(shè)有溝槽結(jié)構(gòu)；所述離子注入?yún)^(qū)域通過(guò)金屬電極區(qū)形成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。

5、進(jìn)一步地，所述金屬薄膜通過(guò)沉積的形式覆蓋于半導(dǎo)體薄膜的頂部。

6、進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體薄膜邊緣和凸臺(tái)結(jié)構(gòu)之間設(shè)有孔洞結(jié)構(gòu)。

7、進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體薄膜為弧瓣?duì)畹陌雽?dǎo)體薄膜，包括四個(gè)外弧狀瓣膜；

8、所述金屬薄膜的形狀與所述半導(dǎo)體薄膜的形狀匹配。

9、進(jìn)一步地，所述半島端十字梁和弧瓣?duì)顛u嶼結(jié)合的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)為四根通過(guò)中心為弧瓣?duì)顛u嶼連接的前端為半島的短梁。

10、進(jìn)一步地，所述離子注入?yún)^(qū)域數(shù)量為四個(gè)，包括兩個(gè)橫向應(yīng)變敏感壓阻區(qū)和兩個(gè)縱向應(yīng)變敏感壓阻區(qū)；所述四個(gè)離子注入?yún)^(qū)域和所述金屬薄膜通過(guò)金屬電極區(qū)和外界電路實(shí)現(xiàn)電氣連接。

11、進(jìn)一步地，所述離子注入?yún)^(qū)域位于半導(dǎo)體薄膜的四周固定區(qū)域和弧形短梁的連接處。

12、進(jìn)一步地，所述離子注入?yún)^(qū)域的形狀為w型(縱向)或干字型(橫向)。

13、進(jìn)一步地，所述離子注入?yún)^(qū)域包括離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重?fù)诫s區(qū)域。

14、進(jìn)一步地，所述離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重?fù)诫s區(qū)域的面積相同；

15、所述溝槽結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、寬度，與所述離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重?fù)诫s區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度相匹配。

16、本發(fā)明的有益效果包括：

17、(1)本發(fā)明的器件利用四周固定的具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體薄膜間接測(cè)量金屬薄膜受到的靜電力，提高了器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具備較強(qiáng)的抗過(guò)載能力，同時(shí)能夠有效減少單方向上的非線性分量。

18、(2)通過(guò)在半導(dǎo)體薄膜上設(shè)置四個(gè)弧形短梁形成應(yīng)力集中區(qū)域，提高了靈敏度和分辨率，同時(shí)離子注入?yún)^(qū)域設(shè)置于短梁上半部分能夠提高輸出的線性度。

19、(3)通過(guò)在半導(dǎo)體薄膜底部設(shè)置半島十字梁和弧瓣?duì)顛u嶼結(jié)合的新結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了半導(dǎo)體薄膜中心區(qū)域剛度的同時(shí)進(jìn)一步提高了傳感器件的靈敏度和分辨率。相較于方形和圓形膜片，弧瓣?duì)畹哪て瑓^(qū)域增加了電場(chǎng)感應(yīng)面積，進(jìn)而增大了離子注入?yún)^(qū)域的等效應(yīng)力，提高了傳感器件的靈敏度。能與微納加工工藝兼容，生產(chǎn)成本低，成品率高，易于大規(guī)模集成?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)交直流電場(chǎng)的非侵入式測(cè)量，自身具備低靜態(tài)功耗和高信噪比，在不影響設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上對(duì)電氣數(shù)據(jù)智能化監(jiān)測(cè)?？膳c多后端模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)級(jí)的集成化設(shè)計(jì)。

技術(shù)特征：

1.一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，包括水平放置可垂直自由振動(dòng)的半導(dǎo)體薄膜，所述半導(dǎo)體薄膜的第一表面上設(shè)有金屬薄膜；所述半導(dǎo)體薄膜的第二表面通過(guò)埋氧層連接半島端十字梁和弧瓣?duì)顛u嶼結(jié)合的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)以及襯底層；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述金屬薄膜通過(guò)沉積的形式覆蓋于半導(dǎo)體薄膜的頂部。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜邊緣和凸臺(tái)結(jié)構(gòu)之間設(shè)有孔洞結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜為弧瓣?duì)畹陌雽?dǎo)體薄膜，包括四個(gè)外弧狀瓣膜；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述半島端十字梁和弧瓣?duì)顛u嶼結(jié)合的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)為四根通過(guò)中心為弧瓣?duì)顛u嶼連接的前端為半島的短梁。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述離子注入?yún)^(qū)域數(shù)量為四個(gè)，包括兩個(gè)橫向應(yīng)變敏感壓阻區(qū)和兩個(gè)縱向應(yīng)變敏感壓阻區(qū)；所述四個(gè)離子注入?yún)^(qū)域和所述金屬薄膜通過(guò)金屬電極區(qū)和外界電路實(shí)現(xiàn)電氣連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述離子注入?yún)^(qū)域位于半導(dǎo)體薄膜的四周固定區(qū)域和弧形短梁的連接處。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述離子注入?yún)^(qū)域的形狀為w型或干字型。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述離子注入?yún)^(qū)域包括離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重?fù)诫s區(qū)域。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，所述離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重?fù)诫s區(qū)域的面積相同；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于靜電力和壓阻效應(yīng)耦合的微型電場(chǎng)傳感器件，其特征在于，包括水平放置可垂直自由振動(dòng)的半導(dǎo)體薄膜，半導(dǎo)體薄膜的第一表面上設(shè)有金屬薄膜；半導(dǎo)體薄膜的第二表面通過(guò)埋氧層連接半島端十字梁和弧瓣?duì)顛u嶼結(jié)合的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)以及襯底層；半導(dǎo)體薄膜的四周與器件層的固定部分連接；器件層上設(shè)有金屬電極區(qū)和四個(gè)弧形短梁，金屬薄膜通過(guò)弧形短梁連接至金屬電極區(qū)；弧形短梁鑲嵌有多個(gè)離子注入?yún)^(qū)域，離子注入?yún)^(qū)域之間設(shè)有溝槽結(jié)構(gòu)；離子注入?yún)^(qū)域通過(guò)金屬電極區(qū)形成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的微型電場(chǎng)傳感器件在滿足小體積、低成本和低功耗的同時(shí)，具備高靈敏度、高分辨率、寬線性范圍和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電場(chǎng)傳感領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：謝從珍,林柏森,王紀(jì)港,余松,黃奕瑯,黃夢(mèng)成
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6