[发明专利]具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件

说明书

一种具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件，包括底座，所述底座上通过固定件安装有半导体薄膜，所述半导体薄膜掺杂内镶嵌所述离子掺杂电阻区，所述压电薄膜沉积在半导体薄膜顶面。其有益效果是：保证了电场传感器具有灵敏度高、动态范围广、频率范围宽的应用目标。半导体薄膜离子掺杂区响应幅值大，器件灵敏度高。采集电力系统的稳定运行特征量外，可监测故障及各种过电压的特征，为电网故障诊断及绝缘配合等研究提供精确的大数据。易于微型化，集成化程度高，成本低，适合批量生产，因而适用于大电网线路及电气设备的密集型布置，以全面采集电气信息，反映电力系统的特征。

技术领域

本发明涉及先进制造与自动化中新型电场传感器领域，特别是一种具有悬臂梁结构的高灵敏微型电场传感器件。

背景技术

智能电网已成为全球能源发展和变革的重大研究课题。为了满足智能电网多样性的能源结构、电网形态、负荷种类、用户需求等，实现各节点实时监测的传感网络对电网的可靠、安全、经济、高效运行具有重要的意义。传感网络需要的传感器种类繁多，包括气敏传感器、湿敏传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器、形变传感器等。其中，作为电网最基本的信号，电压，其测量技术手段仍然相对落后。现有的电压互感器分为电磁感应式和电容分压式两类，其中电磁感应式电压互感器的测量原理与变压器相同，通过电磁感应将一次侧高电压转化到二次侧低电压，电容分压式的测量原理是通过电容串联进行分压，通过测量低压推算高压。两者均仅适用于工频交流信号，对直流、暂态以及高次谐波等信号无法测量。由于互感器体积大、成本高、安装难度大，无法广泛使用到输配电线路及电站电气设备的监测中。

相比之下，基于光电效应的非接触式电场传感器分辨率高、动态范围广，适用于交流稳态及快速暂态的宽频域范围测量。当前光电效应的电场传感器处于推广试验运行阶段，到目前为止，温度稳定性问题仍难解决，成为影响光电传感器测量精度最大的挑战；另外，光电传感器由于对高质量光源的需求无法实现微型化，成本很高，不利于广泛应用与开展。

随着基础材料的不断发展，新型功能材料具有更优的性能参数，如压电材料。压电晶体或压电薄膜在一定电压范围内的高灵敏度线性压电效应使其具有作为传感器感应材料的基础，可被考虑用于电场的感应与测量中。由电场引起的压电材料的极化强度及形状应变的改变，可以直接测量，也可以通过界面耦合的方式间接测量其它物理量来反推电场数值。随着微型传感器种类与原理的多样化，电场下压电材料变化量的测量方法技术也越来越成熟，为创新性实用化的微型电场传感器件的发明提供了足够的技术基础。因此，以压电材料作为基础材料，通过界面耦合机理间接测量及推算电场的方法将取代传统电压互感器的传感器，为智能电网的发展提供广泛的信息采集基础。

发明内容

本发明的目的为：

提出一种具有悬臂梁结构的高灵敏度微型电场传感器件。利用压电薄膜显著的压电效应在水平方向产生应力形变，该拉伸或压缩形变耦合到半导体薄膜上，薄膜具有压阻效应的掺杂区域的电阻值发生改变，利用惠斯通桥通过测量薄膜掺杂区域电阻的变化来实现电场强度的测量。本发明中，压电材料与半导体薄膜采用悬臂梁结构，电场作用下，压电材料的悬臂梁产生弯折振动，该机械波通过界面耦合到半导体薄膜，悬臂梁连接端应变较大，自由端形变较大。在半导体薄膜上选择合理的离子掺杂区，以最大化电阻灵敏度和实现电阻的对称变化

为了实现上述发明目的，本发明的设计思路为：

本发明利用具有压阻效应的半导体薄膜离子掺杂区进行压电材料形变的间接测量。通过界面机械耦合，半导体薄膜产生形变，导致薄膜的禁带宽度及载流子浓度发生改变，进而影响半导体薄膜的电阻值。半导体薄膜的压阻效应相对于压电材料的压电效应，具有线性的I-V整流曲线，无极化现象，属于一种体效应。半导体薄膜显著的压阻效应与薄膜晶向、温度和离子掺杂种类、浓度相关，用于形变传感时对制备条件具有一定的要求。

基于上述设计思路，设计了一种高灵敏度微型电场传感器件。具体设计方案为：