基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置制造方法及图纸

一种基于压电‑磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置，包括压电材料，所述压电材料底面粘附底部金属，顶面粘附铁磁薄膜与金属电极。其有益效果是：具有较大的测量范围及较高的灵敏度，暂态响应速度快，拥有宽频高场强的电场测量范围，并具有很好的温度稳定性，高集成度，体积小，为电力系统、航空航天、气象监测等领域提供了高性能、低成本、安全可靠的电场传感器。

A Piezoelectric-Magneto-Anisotropic Coupled Structure Based Electric Field Measurement MEMS Sensor

A piezoelectric and magnetic anisotropic coupling structure based electric field measurement MEMS sensor device includes piezoelectric materials, the bottom of which adheres to the bottom metal, and the top of which adheres to the ferromagnetic film and the metal electrode. Its beneficial effects are: large measurement range and high sensitivity, fast transient response, wide frequency and high field strength electric field measurement range, good temperature stability, high integration, small size, providing high-performance, low-cost, safe and reliable electric field sensors for power systems, aerospace, meteorological monitoring and other fields.

【技术实现步骤摘要】
基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置
本专利技术涉及先进制造与自动化中高性能智能化仪器仪表-新型传感器领域，特别是一种基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置。
技术介绍
现代社会人们生活对电能的需求日益增加，为了改善电能质量，提高电能利用率，发展智能电网至关重要。建立智能电网的核心技术在于实现对能源供应端、传输端和需求端数据信息的实时反馈与动态调整。构建智能电网传感器网络可以实现对电网发输变电、供配电系统中各个节点的实时监测，不仅可以优化电能资源配置，还能加强电网故障监测，提高电网运行可靠性。现在市场中应用的电场传感器普遍存在体积大、成本高的问题。在航空航天领域中，由于航天器的升空需要准确掌握高空电场分布，以避开雷暴的袭击，体积小、重量轻的电场传感器能够更好地实现多方位检测，更容易装载升空，同时降低系统的功率消耗；环境领域需实时实地监控，因此传感器应具有便携式、高集成度的特点；在高压输电中，需要对电力系统各种稳态及暂态运行特性进行监测，并准确识别各种电网故障，如电晕放电、闪络、雷击及其他各种过电压等，这就要求开发适用于宽频带高场强的电场传感器。因此开发高精度的微型电场传感器具有重要意义。光电电场传感器技术已较成熟，一般采用铌酸锂、钽酸锂等光电材料，与传统传感器相比，光电传感器具有下列优点：1)抗电磁干扰能力强，适用于强电场的测量；2)应用频带宽，适用于电力系统中快速暂态的测量；3)便于集成化，节省空间，降低成本。但是由于热释电效应和材料的热膨胀，光电传感器内部温度稳定性差，温度漂移严重，需要复杂的温度补偿电路，这限制了光电传感器在的复杂多变环境中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置。设计思路为：材料的逆压电效应是指在电场作用下，材料内部电偶极矩极化并旋转或伸缩，使材料发生形变的特性。压电材料是指以偶极子转向极化起主要作用的一类介电材料，压电材料的介电性质与弹性性质间存在一定的线性耦合关系，即可以将电信号转化为一定方向上的形变，用于电场的测量。与其他电场传感材料相比，压电材料具有更广域的电场测量范围，灵敏度高，同时有很好的温度稳定性和环境鲁棒性，测量范围可涵盖电网中各种暂稳态电压，异常电磁环境和各种过电压等。同时，压电传感器便于集成化和微型化。基于压电效应的电场传感器可以取代传统电压互感器，实现对电力系统中各节点电压的实时监测。压磁效应是指材料受到机械力的作用时，其内部产生应变，导致材料的磁导率发生变化。各向异性磁阻(AMR)效应是指铁磁材料的电阻率与磁矩方向和导体电流方向的夹角θ有关；坡莫合金具有很高的弱磁场磁导率，是应用最广泛的AMR材料。具有磁阻效应的铁磁材料的形变可通过改变磁矩的大小和方向，进而改变材料电阻的大小。应用AMR效应的电场传感器的主要优势在于器件结构简单，易于控制。应变耦合是以机械场为媒介的耦合方式。压电材料在电场作用下产生不同方向的形变，通过压电材料与铁磁材料的良好机械耦合，将压电材料的形变转化为铁磁材料的形变，进而导致铁磁材料电阻的变化。相比于界面电荷耦合和交换能耦合，机械耦合方式对界面的耦合度要求不高，成本低，易于加工制备。基于界面应变耦合的微型传感器体积小，结构简单，测量范围大，频响特性好，可取代传统的分压式电压互感器，实现对电力系统中输电配电线路稳态电压、故障及各种过电压暂态的实时监测，也可用于航空航天、气象等各个领域中电场的实时监测。本专利技术的目的为：提出一种基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置，利用压电材料的压电效应，将外电场转化为压电材料的机械形变并耦合传递到铁磁材料界面，通过铁磁材料的压磁效应和磁各向异性现象，铁磁材料的磁化强度方向发生偏转，进而电阻发生改变。通过对铁磁材料电阻的间接测量，实现对外电场的反演计算。具体设计方案为：一种基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置，包括底部金属，所述底部金属上安装有压电材料，所述压电材料的上方安装有铁磁薄膜，所述铁磁薄膜的数量为四个，四个铁磁薄膜围成矩形结构，所述矩形结构的一对对角上各安装一个金属电极源极，另一对对角上分别安装金属电极感应极、金属电极公共极，两个所述金属电极源极通过电桥电源连接，所述金属电极感应极与金属电极公共极与后端数据处理电路电连接。四个所述铁磁薄膜分别为四个电阻，分别为电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4。两个所述金属电极源极、金属电极感应极、金属电极公共极分别为惠斯通桥的四个电极，两个所述金属电极源极作为器件的直流电源供电端；所述金属电极感应极、金属电极公共极，两端口电势差作为器件的输出信号，后端数据处理电路接入感应极与公共极，实现器件传感信号的采集与处理。后端数据处理电路包括信号放大器、锁相放大器、电压测试仪等。所述的压电材料具有面内各向异性，在垂直方向的电场作用下发生电畴偶极子转向与面内尺寸的伸缩形变。所述的四条铁磁薄膜经薄膜微加工工艺直接沉积在压电材料表面，通过所述的四个金属电极相连形成惠斯通桥。压电材料面内形变通过界面机械耦合使铁磁薄膜磁化强度方向旋转，进而改变所述四条铁磁薄膜电阻值及所构成的惠斯通桥的电势差。所述的后端数据处理电路的两个输入端分别与金属电极的感应极和公共极相连。通过本专利技术的上述技术方案得到的基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置，其有益效果是：应用的纳米铁磁薄膜具有显著的压磁效应和磁各向异性效应，因此形变调控电阻的灵敏度高。应用电场调控铁磁材料的磁化强度方向偏转，因此装置动态响应速度快，对有效电场脉冲的响应时间在10ns以内，可以满足电网特快速过暂态、雷电快暂态和操作快暂态等高频电压的监测，实现电力系统的故障监测与预警，是实现智能电网故障自诊断的前提和基础。使用的压电材料为电容型电介质，具有良好的绝缘性与极小的泄漏电流，耐受电压高，电场工作范围可达百kV/cm以上。此外，压电材料具有良好的温度稳定性，相比于光电效应的电场传感装置，具有很好地改善了温度漂移问题。具有集成度高、体积小、成本低等优势，可以批量生产并大规模用于输配电线、发电厂、变电站、换流站等场所，更好地实现了大电网各节点的实时监测。此外，本专利技术装置为不接地非侵入传感方式，对空间电场畸变小，且不影响一次系统的电压、有功、无功等电气量，装置的安装和维护过程也可带电进行。具有可调节的电场传感范围及较低的测量功耗，因此可广泛应用于航空航天、环境监测、工业生产、电力系统等领域，为不同气体介质的环境提供准确的电场测量。此外，本专利技术装置可以用作新型磁数字开关器件，与传统的半导体数字开关器件相比具有高耐压、低能耗等明显优势，解决了目前市场中数字开关产品高能耗的问题，突破了登纳德常电场缩放比例定律。附图说明图1是本专利技术所述基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置的结构示意图；图2是本专利技术所述基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置的铁磁薄膜电阻构成的惠斯通桥电路原理图图中，1、底部金属；2、压电材料；3、铁磁薄膜；4、金属电极源极；5、金属电极感应极；6、金属电极公共极；7、电桥电源；8、后端处理电路。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压电‑磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置，其特征在于，包括压电材料(2)，所述压电材料(2)底面粘附底部金属(1)，顶面粘附铁磁薄膜(3)，所述铁磁薄膜(3)的数量为四个，四个铁磁薄膜(3)由四个金属电极连接围成具有电气连通的矩形结构，所述矩形结构的一对对角上安装所述的一对金属电极源极(4)，另一对对角上分别安装所述的金属电极感应极(5)和金属电极公共极(6)，两个所述金属电极源极(4)通过电桥与电源(7)连接，所述金属电极感应极(5)与金属电极公共极(6)与后端数据处理电路(8)电气连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于压电-磁各向异性耦合结构的电场测量MEMS传感装置，其特征在于，包括压电材料(2)，所述压电材料(2)底面粘附底部金属(1)，顶面粘附铁磁薄膜(3)，所述铁磁薄膜(3)的数量为四个，四个铁磁薄膜(3)由四个金属电极连接围成具有电气连通的矩形结构，所述矩形结构的一对对角上安装所述的一对金属电极源极(4)，另一对对角上分别安装所述的金属电极感应极(5)和金属电极公共极(6)，两个所述金属电极源极(4)通过电桥与电源(7)连接，所述金属电极感应极(5)与金属电极公共极(6)与后端数据处理电路(8)电气连接。2.根据权利要求1中所述的基于压...

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