基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件的制作方法

本发明涉及电场传感领域，特别是一种针对空间电场测量的高灵敏度、低成本、小体积的基于压电效应的电容-悬臂梁式微型电场传感器件。

背景技术：

泛在能源物联网是当前能源与信息行业的重要发展方向。在能源互联网的基础上，泛在能源物联网通过无线传感、智能控制等技术，构建一种新型的能源信息交互网络，实现能源经济的最优化。传感器网络是泛在能源物联网的重要组成部分。通过对能源物联网中数据的实时采集与监测，传感器可以提供大量数据，并通过对数据进行学习与分析，构建支撑泛在能源物联网的信息网络。

电压是电力行业中最重要的物理量之一。电压谐波中蕴含的信息对电力网络故障预测与诊断、运行状态监测有着重要的意义。想要实现电网中节点电压的广域监测，并兼顾测量的经济性，必须使用低成本微型化的测量手段。根据相应理论，对三个或以上的电场进行测量可以反推出相应节点电压，所以微型化的电场测量传感器件成为了网络电压监测的最佳解决方案。

网络中对电场的测量有以下要求：测量设备体积小、成本低；测量需要为非接触式测量；测量分辨率与灵敏度高；测量设备在不同环境下应具有一定稳定性。目前，微型电场传感器件主要包括基于电光效应的光学传感器、基于微机电系统的mems传感器件、基于静电力的传感器件以及基于逆压电效应的传感器件。其中，光学电场传感器件设备成本很高，激光源与激光测量装置占据体积也很大，同时温度稳定性较差。基于微机电系统的电场传感器具有微型化的优点，但此类传感器一般功耗较高，且测量电场低。基于逆压电效应的传感器件具有成本低、稳定性高、测量线性度高等优点，能够满足泛在能源物联网中电压/电场的监测需求。

技术实现要素：

本发明的目的为：

提出一种基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件，通过测量器件在电场下电容的变化，对电场进行测量。

为了实现上述发明目的，本发明的设计思路为：

逆压电效应是压电材料在电场作用下发生形变的现象。通过压电材料，可以将对电场的测量转化为对机械形变的测量。压电材料具有稳定性高、工作频带宽等特点，在传感器领域被广泛应用。

悬臂梁结构是一种广泛应用于传感器中的结构，双层结构的悬臂梁设有主动层与被动层，当主动层发生横向形变时，由于机械耦合，会带动与主动层耦合的被动层发生纵向弯折。在主动层发生相同形变的条件下，悬臂梁结构可以使被动层发生较大的弯折，从而提高传感器件的灵敏度。

设置压电材料为主动层，半导体薄膜为被动层。压电材料在电场作用下会发生形变，进而带动悬臂梁结构发生纵向弯折。电容测量是传感器件中被广泛使用的测量手段，其优点是灵敏度高、线性度好。可以将悬臂梁的弯折转化为电容的变化，通过对电容的变化对电场进行反推。

基于上述发明目的与设计思路，设计出一种基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件：

一种基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件,包括衬底，所述衬底可以由玻璃、硅等材料制备。所述衬底与半导体薄膜一端连接固定，所述衬底上覆盖有半导体薄膜，所述半导体薄膜的顶面设有上电极、压电层，所述衬底的顶面中部设有矩形的腔体，所述腔体内部设有下电极，所述压电层沿所述腔体的边缘设有“c”形结构的缝隙，所述腔体通过所述缝隙与外接连通。

所述压电层包括面内方向压电系数较大的半导体材料，所述上电极嵌入所述压电层中，优先包括旋涂法制备的聚偏氟乙烯(pvdf)及其共聚物、溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅(pzt)，压电薄膜厚度根据器件大小进行调整，调整范围包括在10um-100um。

所述半导体薄膜考虑到工艺的可行性，为硅材料构成的矩形片状结构，优先为高参杂硅材料，由于半导体薄膜需要作为待测电容的一个电极，所以半导体薄膜要具备较好的导电性，选用硅做薄膜材料时，需要选择高掺杂硅，以保证材料较低的电阻率，考虑到两层薄膜耦合的灵敏度问题，半导体薄膜厚度应该与压电薄膜厚度相近。

所述腔体上方的半导体薄膜、上电极、压电层整体构成悬臂，为获得更高灵敏度，悬臂梁方向应当沿着压电材料面内压电系数较高的方向，所述空腔保证悬臂梁能够自由振动，下电极与衬底之间设有绝缘层，以防止衬底与金属层导通。

所述半导体薄膜的水平面积与所述衬底耦合，所述半导体薄膜与衬底之间设有绝缘层，所述绝缘层的作用是防止衬底与半导体薄膜导通。

通过本发明的上述技术方案得到的基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件，其有益效果是：

压电材料作为主动层，其在电场下由于逆压电效应发生形变，从而带动被动层弯折，将电场信号转化为机械信号，并利用悬臂梁结构放大了压电材料的机械形变，提高了器件的灵敏度。

利用测量电容的方式测量机械形变，电场大小影响压电材料形变量，进而影响悬臂梁弯折的大小，从而改变电容上下两极板的距离。利用电容对微小形变进行测量能够提高测量灵敏度以及响应线性度。

测量方法为非接触式，因此对电场畸变影响小，绝缘水平要求低。同时，器件体积小、成本低，适用于设备及线路上大量安装。结构与微加工方式兼容，可以进行工业化大批量生产。

器件温度稳定性高、适用于不同电场测量环境。

附图说明

图1是本发明所述基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件的结构示意图；

图2是发明所述基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件的a-a向的剖面结构示意图；

图3是发明所述基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件在电场下的响应示意图。

1、衬底；2、半导体薄膜；3、上电极；4、压电层；5、腔体；6、下电极；7、缝隙；8、绝缘层；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

图1是本发明所述基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件的结构示意图；图2是发明所述基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件的a-a向的剖面结构示意图，如图1、图2所示，一种基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件,包括衬底1，所述衬底可以由玻璃、硅等材料制备。所述衬底与半导体薄膜一端连接固定，所述衬底1上覆盖有半导体薄膜2，所述半导体薄膜2的顶面设有上电极3、压电层4，所述衬底1的顶面中部设有矩形的腔体5，所述腔体内部设有下电极6，所述压电层4沿所述腔体5的边缘设有“c”形结构的缝隙7，所述腔体5通过所述缝隙7与外接连通。

所述压电层4包括面内方向压电系数较大的半导体材料，所述上电极3嵌入所述压电层4中，优先包括旋涂法制备的聚偏氟乙烯(pvdf)及其共聚物、溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅(pzt)，压电薄膜2厚度根据器件大小进行调整，调整范围包括在10um-100um。

所述半导体薄膜2考虑到工艺的可行性，为硅材料构成的矩形片状结构，优先为高参杂硅材料，由于半导体薄膜2需要作为待测电容的一个电极，所以半导体薄膜要具备较好的导电性，选用硅做薄膜材料时，需要选择高掺杂硅，以保证材料较低的电阻率，考虑到两层薄膜耦合的灵敏度问题，半导体薄膜厚度应该与压电薄膜厚度相近。

所述腔体5上方的半导体薄膜2、上电极3、压电层4整体构成悬臂，为获得更高灵敏度，悬臂梁方向应当沿着压电材料面内压电系数较高的方向，所述空腔保证悬臂梁能够自由振动，下电极6与衬底1之间设有绝缘层8，以防止衬底与金属层导通。

所述半导体薄膜2的水平面积与所述衬底1耦合，所述半导体薄膜2与衬底1之间设有绝缘层8，所述绝缘层的作用是防止衬底1与半导体薄膜2导通。

实施例1

图3是发明所述基于逆压电效应的电容-悬臂梁微型式电场测量传感器件在电场下的响应示意图，如图3所示，电容上电极与电容下电极通过打线，与外接测量设备相连接。外接测量设备可以使用b1500a半导体参数测试仪或hp4284介电谱仪等。

本发明电场测量传感器件利用压电材料的逆压电效应，使压电材料在电场下发生形变，并带动半导体薄膜悬臂梁纵向弯折。悬臂梁的弯折转换为电容值的变化。

本发明器件具备较高的灵敏度和温度稳定性，同时具有较宽的电场测量范围，能够满足电气设备及电网中不同情况下的电场测量。同时，本发明器件体积小、成本低，适合微加工技术，可以基于晶圆，利用光刻、刻蚀等微加工工艺进行低成本大批量制备，能够满足泛在能源物联网中对电压/电场测量的需求。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。