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制造技术

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。

Micro Electric Field Sensor Based on Piezoelectric and Piezoresistive Multimodal Coupling

A micro electric field sensor device based on piezoelectric and piezoresistive multimode coupling includes a semiconductor film placed in a horizontal direction. A substrate placed in a horizontal direction is arranged below the semiconductor film. A cavity structure is formed between the semiconductor film and the substrate through an intermediate sandwich support. A piezoresistive material is arranged on the upper surface of the semiconductor film, and the piezoresistive material is arranged on the upper surface of the semiconductor film. The material includes a piezoelectric film in transverse mode, a piezoelectric block in transverse mode, a piezoelectric film on the top of the semiconductor film in transverse mode, and a piezoelectric block on the bottom of the semiconductor film in transverse mode. Its beneficial effects are: small size, high integration, effective reduction of circuit temperature drift, zero drift, improve measurement accuracy, can achieve accurate measurement of electric field in broadband, high field strength and complex environment, can also be carried out under live conditions.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及电场传感领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目为：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，所述压阻材料包括横向-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，对于横向-横向工作模态的结构，所述压电材料为薄膜状，沉积在所述的半导体薄膜的上表面，所述中间夹层的空腔中不放置任何材料。在垂直方向的电场中，压电薄膜产生水平面内显著的伸缩形变，由于压电薄膜与半导体薄膜层合，压电薄膜的面内形变会耦合到半导体薄膜上并带动半导体薄膜面内拉伸。对于横向-纵向工作模态的结构，所述压电材料为块状结构，置于所述中间夹层的空腔中，其上表面与半导体薄膜粘接。在垂直方向的电场中，压电材料产生垂直方向显著的伸缩形变，由于压电材料与半导体薄膜粘接，压电材料的垂直形变会耦合到半导体薄膜上并带动半导体薄膜的上下振动。综合两种模态，无论半导体薄膜上形变为垂直方向还是水平方向，都会使薄膜产生上下振动，因此压电材料对外部电场的响应都会有效地耦合到半导体薄膜上并使所述离子掺杂区的压阻材料的电阻发生改变。所述的离子掺杂区的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，构成四个电阻。电阻通过所述的金属电极连接形成惠斯通桥，由电源和电压测量装置等一起构成所述的测量电路部分。所述压电膜呈片状膜结构，所述压电膜沉积并覆盖与所述半导体薄膜的上表面。所述压电块的水平截面呈矩形条状结构，所述压电块的顶面与所述半导体薄膜粘接连接，所述压电块位于所述中间夹层形成的腔体结构中。考虑到离子掺杂区的特殊要求，半导体薄膜应当选取合适的晶向与基体掺杂类型。掺杂区域离子类型与浓度进一步决定了压阻效应，应使其具备面内横向与纵向压电系数大小相近、方向相反的特点，如选择晶向的N掺杂硅片，并对离子掺杂区域进行P型掺杂，此时面内纵向的压阻系数πl＝+71.8×10-11m2/N，面内横向的压阻系数πt＝-66.3×10-11m2/N。为了保证器件的灵敏度和微型化，半导体薄膜的厚度尽量在几微米到几十微米范围内，但由于该厚度的薄膜无法单独存在，因此需要通过减薄硅片或者使用具有合适器件层厚度的绝缘衬底上硅(SOI)。半导体薄膜下表面空腔部分自由振动，四周与中间夹层固定连接。对于T-T模态，压电薄膜固定贴合在半导体薄膜上，材料应选取具有显著面内压电效应的材料，如通过溶胶凝胶法生长的PZT薄膜，或者压电薄膜PVDF或其多元掺杂或共聚物，等等。由于压电薄膜与半导体薄膜层合，考虑到T-T模态的灵敏度，压电薄膜的厚度应与半导体薄膜厚度大致在一个量级，一般为几十微米较为合适。此时，整个器件的尺寸最小百微米，最大可以毫米量级。对于T-L模态，块状压电材料的上表面与半导体薄膜下表面接触连接，下表面固定在衬底上。块状压电材料应选取具有显著厚度方向压电效应的材料，如铁电弛豫体方向极化的铌镁酸铅钛酸铅晶体PMN-PT、铌锌酸铅钛酸铅晶体PZN-PT，或者具有合适成分配比的锆钛酸铅晶体PZT。块状压电材料的厚度与中间夹层厚度匹配。所述中间夹层为绝缘材料夹层，其材料包括玻璃、无掺杂硅中的一种。所述的中间层夹在半导体薄膜与衬底之间，底部与衬底粘合，根据材料的不同选择胶粘合或者阳极键合，顶部与半导体薄膜阳极键合，保证最大的耦合强度。中间夹层中心处留有空腔，方便薄膜振动。所述的半导体薄膜固定在中间夹层上面，仅空腔区域薄膜自由振动。所述衬底的材料可以为玻璃、硅、印刷板电路中的一种，厚度为百微米到毫米量级。所述的衬底作用是支撑、保护和电极引出。采用上述材料，一方面减小器件对电场的畸变，另一方面减小T-L模态下对并联的压电材料感应电场强度的大小及感应电场的分布的影响。仿真结果表明，当使用一般掺杂的硅片作为中间夹层时，器件只能进行高频区段的测量，对中低频段的电场响应与频率平方成正比，无法实现宽频带的传感测量。相比之下，T-T模态对中间夹层的材料无特殊要求，一般掺杂的硅片、玻璃等都可以使用。中间夹层的厚度一般为百微米量级到毫米量级。中间夹层的空腔形状可以采用四棱台、圆柱体、鸟嘴型等，起到固定块状压电材料的作用，并且与半导体薄膜的离子掺杂电阻区的位置相配合。测量电路部分可由电压发生模块、信号放大模块、电压测量模块等模块组成。通过本专利技术的上述技术方案得到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，其有益效果是：器件的结构设计与材料设计防止了高场强下击穿的发生，器件的原理及材料保证了器件的温度稳定性。因此，该装置可实现宽频带、高场强及复杂环境下的电场准确测量。利用半导体薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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(3)，所述半导体薄膜(3)的下方设有水平方向放置的衬底(6)，所述半导体薄膜(3)与衬底(6)之间通过中间夹层(4)支撑形成腔体结构，其特征在于，所述半导体薄膜(3)的上表面设有离子掺杂区构成压阻材料(2)，，横向‑横向模态下，所述半导体薄膜(3)的顶面设有压电膜(1)，横向‑纵向模态下，所述半导体薄膜(3)的底面设有压电块(5)。

【技术特征摘要】
1.一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(3)，所述半导体薄膜(3)的下方设有水平方向放置的衬底(6)，所述半导体薄膜(3)与衬底(6)之间通过中间夹层(4)支撑形成腔体结构，其特征在于，所述半导体薄膜(3)的上表面设有离子掺杂区构成压阻材料(2)，，横向-横向模态下，所述半导体薄膜(3)的顶面设有压电膜(1)，横向-纵向模态下，所述半导体薄膜(3)的底面设有压电块(5)。2.根据权利要求1中所述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，其特征在于，压阻材料(2)的数量为四个，所述压阻材料(2)的水平截面呈矩形条状结构，所述压阻材料(2)为所述半导体薄膜(3)中的离子掺杂区域，截面深度小于所述半导体薄膜(3)的厚度，上表面为同一表面。3.根据权利要求1中所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：何金良，胡军，韩志飞，薛芬，王善祥，张波，曾嵘，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11