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

背景技術：

1、電力物聯(lián)網包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電五個部分。為了獲取更實時全面的數(shù)據(jù)，需要部署大量分布式電場傳感器。一方面能收集電網的電氣數(shù)據(jù)，服務于計量、控制、測量和保護裝置。另一方面布置于變壓器、絕緣子串和避雷器等電氣設備內部，對人工難以檢測的故障進行診斷。傳統(tǒng)的場磨式電場測量儀和電流互感器體積大且笨重，應用場景嚴重受限。隨著微機電系統(tǒng)(mems，micro?electromechanical?system)技術和納米加工技術的發(fā)展，具備智能化、多參數(shù)、微型化、高精度和低功耗等特點的微型傳感器更適合分布式電網。除此之外，微型電場傳感器在氣象監(jiān)測和閃電預警、航天發(fā)射以及石油化工行業(yè)的電氣預警都能發(fā)揮關鍵作用。

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

技術實現(xiàn)思路

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

2、本發(fā)明所采用的技術方案是：

3、一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，包括水平放置可垂直自由振動的半導體薄膜，所述半導體薄膜的第一表面上設有金屬薄膜；所述半導體薄膜的第二表面通過埋氧層連接半島端十字梁和弧瓣狀島嶼結合的凸臺結構以及襯底層；所述半導體薄膜的四周與器件層的固定部分連接；

4、所述器件層上設有金屬電極區(qū)和四個弧形短梁，所述金屬薄膜通過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離子注入區(qū)域，所述離子注入區(qū)域之間設有溝槽結構；所述離子注入區(qū)域通過金屬電極區(qū)形成惠斯通電橋結構。

5、進一步地，所述金屬薄膜通過沉積的形式覆蓋于半導體薄膜的頂部。

6、進一步地，所述半導體薄膜邊緣和凸臺結構之間設有孔洞結構。

7、進一步地，所述半導體薄膜為弧瓣狀的半導體薄膜，包括四個外弧狀瓣膜；

8、所述金屬薄膜的形狀與所述半導體薄膜的形狀匹配。

9、進一步地，所述半島端十字梁和弧瓣狀島嶼結合的凸臺結構為四根通過中心為弧瓣狀島嶼連接的前端為半島的短梁。

10、進一步地，所述離子注入區(qū)域數(shù)量為四個，包括兩個橫向應變敏感壓阻區(qū)和兩個縱向應變敏感壓阻區(qū)；所述四個離子注入區(qū)域和所述金屬薄膜通過金屬電極區(qū)和外界電路實現(xiàn)電氣連接。

11、進一步地，所述離子注入區(qū)域位于半導體薄膜的四周固定區(qū)域和弧形短梁的連接處。

12、進一步地，所述離子注入區(qū)域的形狀為w型(縱向)或干字型(橫向)。

13、進一步地，所述離子注入區(qū)域包括離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重摻雜區(qū)域。

14、進一步地，所述離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重摻雜區(qū)域的面積相同；

15、所述溝槽結構長度、寬度，與所述離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重摻雜區(qū)域的長度、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的半導體薄膜間接測量金屬薄膜受到的靜電力，提高了器件結構穩(wěn)定性，具備較強的抗過載能力，同時能夠有效減少單方向上的非線性分量。

18、(2)通過在半導體薄膜上設置四個弧形短梁形成應力集中區(qū)域，提高了靈敏度和分辨率，同時離子注入區(qū)域設置于短梁上半部分能夠提高輸出的線性度。

19、(3)通過在半導體薄膜底部設置半島十字梁和弧瓣狀島嶼結合的新結構，增強了半導體薄膜中心區(qū)域剛度的同時進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，弧瓣狀的膜片區(qū)域增加了電場感應面積，進而增大了離子注入區(qū)域的等效應力，提高了傳感器件的靈敏度。能與微納加工工藝兼容，生產成本低，成品率高，易于大規(guī)模集成。可實現(xiàn)對交直流電場的非侵入式測量，自身具備低靜態(tài)功耗和高信噪比，在不影響設備正常運行的基礎上對電氣數(shù)據(jù)智能化監(jiān)測?？膳c多后端模塊結合，實現(xiàn)傳感節(jié)點級的集成化設計。

技術特征：

1.一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，其特征在于，包括水平放置可垂直自由振動的半導體薄膜，所述半導體薄膜的第一表面上設有金屬薄膜；所述半導體薄膜的第二表面通過埋氧層連接半島端十字梁和弧瓣狀島嶼結合的凸臺結構以及襯底層；

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

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，其特征在于，所述半導體薄膜邊緣和凸臺結構之間設有孔洞結構。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，其特征在于，所述半導體薄膜為弧瓣狀的半導體薄膜，包括四個外弧狀瓣膜；

5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，其特征在于，所述半島端十字梁和弧瓣狀島嶼結合的凸臺結構為四根通過中心為弧瓣狀島嶼連接的前端為半島的短梁。

6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，其特征在于，所述離子注入區(qū)域數(shù)量為四個，包括兩個橫向應變敏感壓阻區(qū)和兩個縱向應變敏感壓阻區(qū)；所述四個離子注入區(qū)域和所述金屬薄膜通過金屬電極區(qū)和外界電路實現(xiàn)電氣連接。

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

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

9.根據(jù)權利要求1所述的一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，其特征在于，所述離子注入區(qū)域包括離子注入輕摻雜區(qū)域和離子注入重摻雜區(qū)域。

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

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于靜電力和壓阻效應耦合的微型電場傳感器件，其特征在于，包括水平放置可垂直自由振動的半導體薄膜，半導體薄膜的第一表面上設有金屬薄膜；半導體薄膜的第二表面通過埋氧層連接半島端十字梁和弧瓣狀島嶼結合的凸臺結構以及襯底層；半導體薄膜的四周與器件層的固定部分連接；器件層上設有金屬電極區(qū)和四個弧形短梁，金屬薄膜通過弧形短梁連接至金屬電極區(qū)；弧形短梁鑲嵌有多個離子注入區(qū)域，離子注入區(qū)域之間設有溝槽結構；離子注入區(qū)域通過金屬電極區(qū)形成惠斯通電橋結構。本發(fā)明的微型電場傳感器件在滿足小體積、低成本和低功耗的同時，具備高靈敏度、高分辨率、寬線性范圍和高結構穩(wěn)定性等特點，可廣泛應用于電場傳感領域。

技術研發(fā)人員：謝從珍,林柏森,王紀港,余松,黃奕瑯,黃夢成
受保護的技術使用者：華南理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6