一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件

本发明涉及电场传感领域，尤其涉及一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件。

背景技术：

1、电力物联网包括发电、输电、变电、配电和用电五个部分。为了获取更实时全面的数据，需要部署大量分布式电场传感器。一方面能收集电网的电气数据，服务于计量、控制、测量和保护装置。另一方面布置于变压器、绝缘子串和避雷器等电气设备内部，对人工难以检测的故障进行诊断。传统的场磨式电场测量仪和电流互感器体积大且笨重，应用场景严重受限。随着微机电系统(mems，micro electromechanical system)技术和纳米加工技术的发展，具备智能化、多参数、微型化、高精度和低功耗等特点的微型传感器更适合分布式电网。除此之外，微型电场传感器在气象监测和闪电预警、航天发射以及石油化工行业的电气预警都能发挥关键作用。

2、目前的微型电场传感器根据工作原理可以分为四种：感应电荷原理、逆压电效应原理、电光效应原理和静电力原理，而针对基于静电力原理的微型电场传感器一直面临的灵敏度低、测量范围小、线性度差、加工成品率低以及稳定性差等问题。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于静电力和压阻效应耦合的新型结构电场传感器，在满足小体积、低成本和低功耗的同时，具备高灵敏度、高分辨率、宽线性范围和高结构稳定性等特点。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，包括水平放置可垂直自由振动的半导体薄膜，所述半导体薄膜的第一表面上设有金属薄膜；所述半导体薄膜的第二表面通过埋氧层连接半岛端十字梁和弧瓣状岛屿结合的凸台结构以及衬底层；所述半导体薄膜的四周与器件层的固定部分连接；

4、所述器件层上设有金属电极区和四个弧形短梁，所述金属薄膜通过所述弧形短梁连接至金属电极区；所述弧形短梁镶嵌有多个离子注入区域，所述离子注入区域之间设有沟槽结构；所述离子注入区域通过金属电极区形成惠斯通电桥结构。

5、进一步地，所述金属薄膜通过沉积的形式覆盖于半导体薄膜的顶部。

6、进一步地，所述半导体薄膜边缘和凸台结构之间设有孔洞结构。

7、进一步地，所述半导体薄膜为弧瓣状的半导体薄膜，包括四个外弧状瓣膜；

8、所述金属薄膜的形状与所述半导体薄膜的形状匹配。

9、进一步地，所述半岛端十字梁和弧瓣状岛屿结合的凸台结构为四根通过中心为弧瓣状岛屿连接的前端为半岛的短梁。

10、进一步地，所述离子注入区域数量为四个，包括两个横向应变敏感压阻区和两个纵向应变敏感压阻区；所述四个离子注入区域和所述金属薄膜通过金属电极区和外界电路实现电气连接。

11、进一步地，所述离子注入区域位于半导体薄膜的四周固定区域和弧形短梁的连接处。

12、进一步地，所述离子注入区域的形状为w型(纵向)或干字型(横向)。

13、进一步地，所述离子注入区域包括离子注入轻掺杂区域和离子注入重掺杂区域。

14、进一步地，所述离子注入轻掺杂区域和离子注入重掺杂区域的面积相同；

15、所述沟槽结构长度、宽度，与所述离子注入轻掺杂区域和离子注入重掺杂区域的长度、宽度相匹配。

16、本发明的有益效果包括：

17、(1)本发明的器件利用四周固定的具有压阻效应的半导体薄膜间接测量金属薄膜受到的静电力，提高了器件结构稳定性，具备较强的抗过载能力，同时能够有效减少单方向上的非线性分量。

18、(2)通过在半导体薄膜上设置四个弧形短梁形成应力集中区域，提高了灵敏度和分辨率，同时离子注入区域设置于短梁上半部分能够提高输出的线性度。

19、(3)通过在半导体薄膜底部设置半岛十字梁和弧瓣状岛屿结合的新结构，增强了半导体薄膜中心区域刚度的同时进一步提高了传感器件的灵敏度和分辨率。相较于方形和圆形膜片，弧瓣状的膜片区域增加了电场感应面积，进而增大了离子注入区域的等效应力，提高了传感器件的灵敏度。能与微纳加工工艺兼容，生产成本低，成品率高，易于大规模集成。可实现对交直流电场的非侵入式测量，自身具备低静态功耗和高信噪比，在不影响设备正常运行的基础上对电气数据智能化监测。可与多后端模块结合，实现传感节点级的集成化设计。

技术特征：

1.一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，包括水平放置可垂直自由振动的半导体薄膜，所述半导体薄膜的第一表面上设有金属薄膜；所述半导体薄膜的第二表面通过埋氧层连接半岛端十字梁和弧瓣状岛屿结合的凸台结构以及衬底层；

2.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述金属薄膜通过沉积的形式覆盖于半导体薄膜的顶部。

3.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述半导体薄膜边缘和凸台结构之间设有孔洞结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述半导体薄膜为弧瓣状的半导体薄膜，包括四个外弧状瓣膜；

5.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述半岛端十字梁和弧瓣状岛屿结合的凸台结构为四根通过中心为弧瓣状岛屿连接的前端为半岛的短梁。

6.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述离子注入区域数量为四个，包括两个横向应变敏感压阻区和两个纵向应变敏感压阻区；所述四个离子注入区域和所述金属薄膜通过金属电极区和外界电路实现电气连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述离子注入区域位于半导体薄膜的四周固定区域和弧形短梁的连接处。

8.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述离子注入区域的形状为w型或干字型。

9.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述离子注入区域包括离子注入轻掺杂区域和离子注入重掺杂区域。

10.根据权利要求9所述的一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，所述离子注入轻掺杂区域和离子注入重掺杂区域的面积相同；

技术总结本发明公开了一种基于静电力和压阻效应耦合的微型电场传感器件，其特征在于，包括水平放置可垂直自由振动的半导体薄膜，半导体薄膜的第一表面上设有金属薄膜；半导体薄膜的第二表面通过埋氧层连接半岛端十字梁和弧瓣状岛屿结合的凸台结构以及衬底层；半导体薄膜的四周与器件层的固定部分连接；器件层上设有金属电极区和四个弧形短梁，金属薄膜通过弧形短梁连接至金属电极区；弧形短梁镶嵌有多个离子注入区域，离子注入区域之间设有沟槽结构；离子注入区域通过金属电极区形成惠斯通电桥结构。本发明的微型电场传感器件在满足小体积、低成本和低功耗的同时，具备高灵敏度、高分辨率、宽线性范围和高结构稳定性等特点，可广泛应用于电场传感领域。技术研发人员：谢从珍,林柏森,王纪港,余松,黄奕琅,黄梦成受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6