一种电池电压监测微型传感器及电压监测方法技术

本发明专利技术涉及蓄电池电压监测技术领域，具体涉及一种电池电压监测微型传感器及其电压监测方法。电池电压监测微型传感器包括正方形板状基底，基底中心上设置有底面为正方形的长方体状的压电晶体；压电晶体的正方形底面边长为2b，压电晶体的四个侧面周围分别固定设置有玻璃；压电晶体的正方形顶面固定设置有半导体薄膜；半导体薄膜为边长为2a的正方形，半导体薄膜上掺杂有四个电阻区域，分别分布在半导体薄膜的四条边的中间，四个电阻区域连接成惠斯通桥，电阻区域之间通过导线相连并引出四个电极点，用于外电源的施加和中点电势差的测量；本发明专利技术提供的电池电压监测微型传感器无需与电池接触，耗费电池的能量。耗费电池的能量。耗费电池的能量。

【技术实现步骤摘要】
一种电池电压监测微型传感器及电压监测方法


[0001]本专利技术涉及蓄电池电压监测
，具体涉及一种电池电压监测微型传感器及其电压监测方法。

技术介绍

[0002]自铅酸蓄电池专利技术以来，铅酸蓄电池凭借价格低廉、运行稳定、维护简单等优点，得到了广泛的应用。目前，铅酸蓄电池电压的测量均是经过高精度低温漂分压电阻网络分压，蓄电池电压输入单片机的ADC转换接口，ADC进行模数转换，该方法需要耗费电池本身能量，降低电池使用寿命。而且，监测模块体积较大，影响蓄电池安全稳定运行。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种电池电压监测微型传感器及其电压监测方法，具体技术方案如下：
[0004]一种电池电压监测微型传感器，包括正方形板状基底，所述基底中心上设置有底面为正方形的长方体状的压电晶体；压电晶体的正方形底面边长为2b，所述压电晶体的四个侧面周围分别固定设置有玻璃；所述玻璃的截面为五边形，所述五边形划分为一个长方形和一个等腰三角形，等腰三角形的底边与长方形的一条边重合；等腰三角形的顶点顶住压电晶体的对应侧面，并且等腰三角形的底边与压电晶体的侧面平行；所述等腰三角形的顶角的角度为60
°‑
120
°
；所述压电晶体的正方形顶面固定设置有半导体薄膜；所述半导体薄膜为边长为2a的正方形，半导体薄膜的中心与压电晶体顶面的中心重合，且2a大于2b；
[0005]所述半导体薄膜上掺杂有四个电阻区域，分别分布在半导体薄膜的四条边的中间，其中，分布在半导体薄膜的对边上的电阻区域两两形状相同，一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体内侧的直线条状，另一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体的柱状图条状，四个电阻区域连接成惠斯通桥，电阻区域之间通过导线相连并引出四个电极点，用于外电源的施加和中点电势差的测量；所述2b的取值范围为200μm
‑
2000μm，2a
‑
2b的取值范围为172μm
‑
2000μm，薄膜厚度h为10μm
‑
80μm，玻璃的厚度为200μm
‑
2000μm，基底厚度d为200μm
‑
2000μm，其中玻璃的厚度为等腰三角形的顶点到与其相对的长方形的边距离，并且压电晶体的正方形底面边长2b与玻璃的厚度d相同。
[0006]优选地，所述基底的制作材料为玻璃、硅片或硬质有机聚合物材料。
[0007]优选地，所述压电晶体的材料选择PMN
‑
28PT单晶。
[0008]优选地，所述半导体薄膜选择减薄硅片。
[0009]优选地，所述半导体薄膜上电阻区域的掺杂类型选择晶向平面<001>、轴向[110]的P型半导体硅进行N型掺杂，掺杂的浓度为3
×
10
18
‑1×
10
19
cm
‑3。
[0010]优选地，所述基底选择晶向平面<001>、轴向[100]的N型半导体硅，进行P型掺杂，掺杂硼离子的能量设置80keV，掺杂剂量5
×
10
14
cm
‑2。
[0011]优选地，所述基底掺杂的过程如下：
[0012]S1：温度1050℃，进行30min掺杂，实际磷离子剂量7.52x109cm
‑3，硼离子剂量保持2.465
×
10
18
cm
‑3；
[0013]S2：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.735x10
15
cm
‑3，硼离子剂量保持2.535
×
10
18
cm
‑3；
[0014]S3：温度1050℃，进行40min掺杂，湿法氧化模式，实际磷离子剂量保持1.735x10
15
cm
‑3硼离子剂量保持2.535
×
10
18
cm
‑3；
[0015]S4：温度1050℃，进行10min掺杂，干法氧化模式，实际磷离子剂量1.810
×
10
15
cm
‑3，硼离子剂量5
×
10
18
cm
‑3；
[0016]S5：自然冷却，退火激活。
[0017]一种电池电压监测微型传感器的电压监测方法，包括以下步骤：
[0018]S1：将电池的正负极分别采用导线连接至距离为d的正负极板，此时正负极板之间形成一个电场强度为E的均匀电场；
[0019]S2：采用电池电压监测微型传感器测量均匀电场的电场强度，即可得到电池的电压。
[0020]本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的电池电压监测微型传感器无需与电池接触，耗费电池的能量，影响电池的寿命，且芯片的体积小，不影响蓄电池的安全稳定运行，监测精度高，使用方便。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的传感器的截面图；
[0022]图2为本专利技术的传感器的俯视图；
[0023]图3为双极性电场条件下PMN
‑
28％PT的极化
‑
电场曲线与形变电场曲线；
[0024]图4为单极性电场条件下PMN
‑
28％PT的极化
‑
电场曲线与形变电场曲线；
[0025]图5为掺杂后离子浓度与半导体硅导电结深度的关系曲线；
[0026]图6为空气压强下半导体硅压阻薄膜部分的惠斯通桥输出响应曲线；
[0027]图7为三个样品的测试结果图。
具体实施方式
[0028]为了更好的理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明：
[0029]根据半导体硅在一定浓度范围的N型掺杂或P型掺杂下可呈现出压阻效应，即外界应力或应变会改变半导体的电阻值，且灵敏度非常高，适合测量气压、压力、形变等参数，因其极高的灵敏度与可调节的测量范围，半导体压阻薄膜已广泛应用于气压、压力、形变等研究及工业领域测量。压阻效应的本质，就是压力下原子之间的距离发生变化，对应电子轨道和能级简并度发生变化，从而导致能带的变化；选择N型掺杂的<001>晶向(轴向[100])和P型掺杂的<001>晶向(轴向[110])的Si为芯片压电材料，具体参数如下表1所示；根据电流与应力的方向关系，考虑两个典型的压阻效应：轴向(电流与应力平行)与横向(电流与应力垂直)，前者记为π
l
，后者记为π
t
。
[0030]表1芯片压电材料的参数
[0031][0032]应用压阻效应，本专利技术提供了一种电池电压监测微型传感器，如图1
‑
图2所示，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：包括正方形板状基底，所述基底中心上设置有底面为正方形的长方体状的压电晶体；压电晶体的正方形底面边长为2b，所述压电晶体的四个侧面周围分别固定设置有玻璃；所述玻璃的截面为五边形，所述五边形划分为一个长方形和一个等腰三角形，等腰三角形的底边与长方形的一条边重合；等腰三角形的顶点顶住压电晶体的对应侧面，并且等腰三角形的底边与压电晶体的侧面平行；所述等腰三角形的顶角的角度为60
°‑
120
°
；所述压电晶体的正方形顶面固定设置有半导体薄膜；所述半导体薄膜为边长为2a的正方形，半导体薄膜的中心与压电晶体顶面的中心重合，且2a大于2b；所述半导体薄膜上掺杂有四个电阻区域，分别分布在半导体薄膜的四条边的中间，其中，分布在半导体薄膜的对边上的电阻区域两两形状相同，一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体内侧的直线条状，另一组对边上的两个电阻区域掺杂成凸向压电晶体的柱状图条状，四个电阻区域连接成惠斯通桥，电阻区域之间通过导线相连并引出四个电极点，用于外电源的施加和中点电势差的测量；所述2b的取值范围为200μm
‑
2000μm，2a
‑
2b的取值范围为172μm
‑
2000μm，薄膜厚度h为10μm
‑
80μm，玻璃的厚度为200μm
‑
2000μm，基底厚度d为200μm
‑
2000μm，其中玻璃的厚度为等腰三角形的顶点到与其相对的长方形的边距离，并且压电晶体的正方形底面边长2b与玻璃的厚度d相同。2.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述基底的制作材料为玻璃、硅片或硬质有机聚合物材料。3.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述压电晶体的材料选择PMN
‑
28PT单晶。4.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述半导体薄膜选择减薄硅片。5.根据权利要求1所述的一种电池电压监测微型传感器，其特征在于：所述半导体薄膜上电阻区域的掺杂类型选择晶向平面&am...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜珂，黎铭洪，徐开仁，覃剑，黄晓明，黄厚鑫，陶丁涛，唐静，杨长森，耿昌易，罗喜，张光资，梁元清，
申请(专利权)人：广西电网有限责任公司南宁供电局，
类型：发明
国别省市：