CN113640591B - 一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可自由振动的压电薄膜，压电薄膜两侧附着电极，电极两侧设绝缘层，绝缘层和电极间留有空隙，下导电层附着在绝缘层远离压电薄膜的一侧，电极两侧的两端分别形成有绝缘支撑结构，压电薄膜、电极、绝缘层、绝缘支撑结构、下导电层形成空腔；在压电薄膜两侧的相同端的绝缘支撑结构中引出有导电柱，导电柱与电极相连；压电薄膜的两侧结构以压电薄膜对称分布，形成两个电容，两个电容形成并联结构；下导电层和导电柱分别与外部电容测量设备连接，用于对电容进行测量。本发明的器件，体积小、制造成本低，具有良好的线性度和较高的灵敏度，能够满足电网及设备内部的电场测量需求。
Description
技术领域
本发明涉及电场测量领域，特别是一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件。
背景技术
泛在电力物联网的核心是构建一个与能源网络相配套的信息网络，在信息层面实现对能源网络的管理与控制。泛在电力物联网的构建能够实现能源网络的智能化、坚强化，提升能源网络的稳定性与经济性。传感器是构建信息网络的关键组成部分，通过各类传感器构成的传感节点，人们可以实现对不同物理量的实时感知，从而实现网络与设备信息的动态监测。
在诸多物理量中，电场是电力网络中重要的物理量。一方面电场测量可以用于电网电磁环境监测、近电警告、雷电预警等应用，同时在航天发射、石油化工等领域也有广泛应用。另一方面，通过电场测量进行电压反演则可以实现电压的非侵入式测量。电压信号的指纹信息中包含大量信息，能够反映电网的运行状态，同时实现故障预测和故障诊断，对于电网安全性具有重要意义。
传统的电场测量设备，如场磨，体积大、精度低，无法实现高性能的电场测量。微型电场传感器是一类基于微加工工艺制备的传感器，这类传感器往往成本低、分辨率高、体积小，适用于批量生产和广域布置，能够实现信息的广域监测。目前，较为成熟的电场传感器是基于电光效应的传感器，这类传感器通过电光晶体在电场下折射率的变化来测量电场。这类电场传感器频率响应高、精度高，目前已被用于多种场合。但这类传感器温度稳定性低、光发射和接受装置成本高，无法实现大范围的布置。另一类传感器是MEMS传感器，这类传感器利用静电感应原理对电场进行测量。但这类传感器功耗较大，截止频率低，在很多应用场景无法使用。压电材料在施加电场时能够产生形变，同时这种响应频率响应高，动态范围大，能够实现电场测量。利用压电材料，可以设计一种低成本、高性能的电场测量设备，用于泛在电力物联网中电压和电场的测量。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，通过对电容的测量，实现测量电场的目的。
为了实现上述发明目的，本发明提出一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以自由振动的压电薄膜，所述压电薄膜两侧附着电极，所述电极两侧设有绝缘层，所述绝缘层和所述电极之间留有空隙，下导电层附着在所述绝缘层远离所述压电薄膜的一侧，所述电极的两侧的两端分别形成有绝缘支撑结构，所述压电薄膜、电极、绝缘层、绝缘支撑结构、下导电层形成空腔；在所述压电薄膜两侧的相同端的所述绝缘支撑结构中引出有导电柱，所述导电柱与所述电极相连；所述压电薄膜的两侧结构以所述压电薄膜对称分布，形成两个电容，两个电容形成并联结构；所述下导电层和导电柱分别与外部电容测量设备连接，用于对电容进行测量。
优选地，压电薄膜采用介电常数较小，压电系数d31和d32较大的压电材料。
优选地，压电薄膜由两层极化方向相反的压电膜组成。
优选地，压电薄膜厚度取1微米至30微米，尺寸取100微米至毫米量级。
优选地，电极为金属材料。
优选地，下导电层采用高掺杂的低电阻率硅材料。
优选地，绝缘层为氧化硅。
优选地，空腔采用密封结构。
优选地，空腔内可填充绝缘介质。
优选地，空隙高度取1um-20um。
本发明的有益效果是：利用压电薄膜在电场下的响应对电场进行测量，薄膜四周固定，将薄膜的横向形变转化为薄膜的纵向振动，实现了薄膜响应的放大，提升了传感器的灵敏度。同时，压电材料具有击穿场强高、频率响应高等优点，适用于宽频高电场测量。同时，压电材料温度稳定性高，能够使传感器受环境影响小。利用电容结构对电场进行测量，将压电薄膜形变转化为电容上下电极的距离变化，从而转化为电容值的变化。通过将两个电容并联，同时将压电薄膜作为两个电容的公共电极，组成差动结构，实现了电容变化的高线性度。导电柱结构的设计保证了电容空腔的绝压特点，电容上电极不需要通过开腔来进行引出。这样便于在空腔中设置不同介质，如气体、绝缘油等。
附图说明
图1是本发明所述基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件结构截面图。
图中，1、压电薄膜；2、电极；3、空腔；4、绝缘层；5、绝缘支撑结构；6、下导电层；7、导电柱；8、电容测量设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
压电材料在电场作用下会产生形变，这种效应称为逆压电效应。
在垂直于薄膜电场作用下，压电薄膜由于逆压电效应产生水平方向形变，由两层极化方向相反的压电膜组成的压电薄膜，由于两层压电膜形变方向相反，且压电薄膜四周固定，薄膜会上下振动。将薄膜作为电容上电极，取另一个固定电极作为电容下电极，当薄膜上下振动时，电容电极之间距离发生变化，从而导致电容发生变化。通过测量电容变化就可以实现电场测量。
当压电薄膜位移为d时，单个电容的电容值C为
其中ε为介质介电常数，S为电容电极面积。电容变化为：
将两个电容对称放置，将压电薄膜作为其公共电极，则可以实现高线性度的电场测量。
当设置两个电容时，设两电容分别为C1、C2，则当Δd/d＜＜1时：
当两个电容并联时，电容变化值为二者相加，此时奇次项相消，输出线性度增加。
根据上述设计思路，本发明提出一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以自由振动的压电薄膜1，压电薄膜1由两层极化方向相反的压电膜组成，压电薄膜1两侧附着电极2，电极2两侧设有绝缘层4，绝缘层4和电极之间留有空隙，空隙高度一般取1um-20um，下导电层6附着在绝缘层4远离压电薄膜的一侧，电极2的两侧的两端分别形成有绝缘支撑结构5，压电薄膜1、电极2、绝缘层4、绝缘支撑结构5、下导电层6形成空腔3。支撑结构5通过玻璃浇筑及微加工工艺制备与下导电层和绝缘层连接。在压电薄膜1两侧的相同端的绝缘支撑结构5中引出有导电柱7，导电柱7与电极2相连。压电薄膜1的两侧结构以压电薄膜1对称分布，形成两个电容，两个电容形成并联结构。下导电层6和导电柱7分别与外部电容测量设备8连接，用于对电容进行测量。压电薄膜1两侧设置对称的两个电容结构，当压电薄膜1振动时，两个电容极板间距一个增加，一个减小，将两电容连接成并联结构，可以实现电场的高线性度测量。
压电薄膜1的形状可以为圆形或方形。压电薄膜1的材料选取压电系数d31和d32较大的材料，可以是材料在电场下的形变更大，同时选取介电常数较小的材料，这样在相同外电场下，材料内部可以感应更大电场。压电薄膜1的材料优选有机压电材料，如PVDF等。薄膜厚度取1微米至30微米，薄膜长宽尺寸取100微米至毫米量级。
电极2为导电材料，如金属，其作为电容的上电极，厚度一般取100nm-1um。
绝缘支撑结构材料采用绝缘材料，为了与微加工工艺相适应，一般采用玻璃作为材料。绝缘支撑结构的作用是将压电薄膜四周固定，同时绝缘支撑结构中间设有空腔，以保证压电薄膜自由振动。
下导电层6作为电容下电极，可以采用高掺杂的低电阻率硅作为材料，厚度一般取100um-300um。
绝缘层4设置在下导电层6表面，用于防止当压电薄膜1形变过大时，电极2与下导电层1导通。绝缘层4的材料可以选用氧化硅，利用在硅上生长氧化硅的方式制备，厚度一般取20nm-100nm。
空腔采用密封结构，作为电容介质，其内部可以根据需求填充不同类型的绝缘介质，如空气、绝缘油等。
导电柱7设置在绝缘支撑结构中，与电极2相连接，实现电容上电极的密封引出。
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。
Claims (10)
1.一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以自由振动的压电薄膜，所述压电薄膜两侧附着电极，所述电极两侧设有绝缘层，所述绝缘层和所述电极之间留有空隙，下导电层附着在所述绝缘层远离所述压电薄膜的一侧，所述电极的两侧的两端分别形成有绝缘支撑结构，所述压电薄膜、电极、绝缘层、绝缘支撑结构、下导电层形成空腔；在所述压电薄膜两侧的相同端的所述绝缘支撑结构中引出有导电柱，所述导电柱与所述电极相连；所述压电薄膜的两侧结构以所述压电薄膜对称分布，形成两个电容，两个电容形成并联结构；所述下导电层和导电柱分别与外部电容测量设备连接，用于对电容进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述压电薄膜采用介电常数较小，压电系数d31和d32较大的压电材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述压电薄膜由两层极化方向相反的压电膜组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述压电薄膜厚度取1微米至30微米，长宽尺寸取100微米至毫米量级。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述电极为金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述下导电层采用高掺杂的低电阻率硅材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述绝缘层为氧化硅。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述空腔采用密封结构。
9.根据权利要求1或7所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述空腔内可填充绝缘介质。
10.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述空隙高度取1um-20um。
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