[发明专利]基于压电效应和压阻效应多模态耦合的微型电场传感器件

说明书

一种基于压电效应和压阻效应多模态耦合的微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的半导体薄膜，所述半导体薄膜的下方设有水平方向放置的衬底，所述半导体薄膜与衬底之间通过中间夹层支撑形成腔体结构，所述半导体薄膜的上表面均设有压阻材料，所述压阻材料包括横向‑横向模态的压电膜、横向‑纵向模态的压电块，横向‑横向模态中，所述半导体薄膜的顶面设有压电膜；横向‑纵向模态中，所述半导体薄膜的底面设有压电块。其有益效果是：体积小、集成程度高，有效降低电路温漂、降低零点漂移、提升测量精度，可实现宽频带、高场强及复杂环境下的电场准确测量，在带电情况下也可进行。

技术领域

本发明涉及电场传感领域，特别是一种兼顾电场测量频域广、动态范围宽的特点的基于压电效应和压阻效应多模态耦合的微型电场传感器件。

背景技术

智能电网已成为当前全球范围内能源行业变革与发展的重大方向。智能电网的基础核心在于构建一个与之相配套的信息网络，实现电力网络中关键节点信息的透明化与实时化。对大量数据进行深度学习及大数据分析，可以有效提高电力网络的自诊断与自恢复，实现高效、安全、稳定、高价值与低成本的灵活运行。

电压作为电力系统的基础电气量，对整个系统的运行评估起着关键的作用。传统电压传感器体积大、成本高、测量功能单一、测量精度低，无法满足网络信息广域分布式测量的需求。当前被广泛研究的集成化微型电场传感器，具有体积小及非接触的优势，对测量环境的电场畸变影响小、测量精度高，并且易于批量生产成本低，因此将在电力系统的电压信息监测中发挥重要作用。

目前，实用性的微型电场传感器主要应用光电效应或微机电系统(MEMS)传感技术。基于光电效应的电场传感器部分已投入使用，进行变电站高压母线侧的电场实时监测。但是光学原理及器件对温度稳定性要求极高，对激光源质量需求苛刻，这是目前基于光学效应的所有传感器需要解决的难题，另外从激光发射系统到检测系统整体占用空间大，设备造价高，安装维护技术要求高，因此无法实现智能电网的分布式监测。基于MEMS技术的电场传感器属于参考地测量计，使用时需接地，因而适合应用在地面或杆塔附件的空气电场监测中。MEMS电场传感器的优点是分辨率高、易微型化，而原理的局限性导致其测量电场低、测量带宽窄、能耗较高等。

发明内容

本发明的目为：

提出一种基于压电效应和压阻效应的应变耦合结构的多工作模态、宽频带、高幅值的电场传感器件，包括横向－横向(T-T)模态和横向－纵向(T-L)模态。

基于上述目的，设计了一种基于压电效应和压阻效应多模态耦合的微型电场传感器件。

设计思路为：

应变耦合结构的作用是将电场下压电材料的形变机械传递到压阻材料上并通过压阻效应引起电阻的变化。惠斯通桥的电阻由具有压阻效应的半导体薄膜离子掺杂区域构成，电阻区域选择在应变对称分布的区域，因此电阻阻值对称变化，通过测量惠斯通桥的电势差可实现对电场的测量。

具体设计方案为：

一种基于压电效应和压阻效应多模态耦合的微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的半导体薄膜，所述半导体薄膜的下方设有水平方向放置的衬底，所述半导体薄膜与衬底之间通过中间夹层支撑形成腔体结构，所述半导体薄膜的上表面设有压阻材料，所述压电材料包括横向-横向(T-T)模态工作下的压电膜，位于所述半导体薄膜的顶面；及横向-纵向(T-L)模态工作下的压电块，位于所述半导体薄膜的底面。

压阻材料的数量为四个，所述压阻材料的水平截面呈矩形条状结构，所述压阻材料为所述半导体薄膜中的离子掺杂区域，截面深度小于所述半导体薄膜的厚度，上表面为同一表面，