压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器技术

一种压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器，其中压阻式微型电场传感器包括：衬底；设置在衬底顶部的锚区；与锚区连接的压阻拾振元件，用于将电场强度转化为电阻值变化；以及悬空设置在衬底上方的振动薄膜，振动薄膜通过支撑梁与压阻拾振元件连接，用于感应电场的变化；振动薄膜在电场力作用下产生位移，从而导致压阻拾振结构的阻值发生改变。本发明专利技术公开的压阻式微型电场传感器不需要额外引入驱动电压，具有功耗低、可实现交直流宽频带电场测量的特点，并且压阻检测得到的信号更强，信噪比高，同时体积小、结构简单，有益于实现批量化制造和系统集成。现批量化制造和系统集成。现批量化制造和系统集成。

【技术实现步骤摘要】
压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器


[0001]本专利技术涉及传感器领域和微机电系统领域，尤其涉及一种压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器。

技术介绍

[0002]基于微机电系统(MEMS)的电场传感器是一种用来测量电场强度的器件，广泛应用于气候气象、电力电网、石油化工、航空航天等各个领域。当电场传感器组成无线传感网络用于电力电网监测时，传感节点的能耗和体积问题是不得不考虑的问题。
[0003]随着MEMS技术的发展，相对于传统电场传感器，基于MEMS技术的电场传感器体积减小、更易制造和集成。其中大多数提出的MEMS电场传感器都是利用外加驱动电压来驱使驱动结构发生位移，然后基于电荷感应原理实现对待测电场的测量，其受限于工作原理的限制，也带来功耗较高的缺点。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
[0005]为实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术公开了一种压阻式微型电场传感器，包括：
[0006]衬底；
[0007]多个锚区，均设置在衬底上，用于支撑和固定压阻拾振元件；
[0008]压阻拾振元件，与锚区连接，用于将电场强度转化为电阻值变化；以及
[0009]振动薄膜，悬空设置在衬底上方，且通过支撑梁与压阻拾振元件连接，用于感应电场的变化；振动薄膜在电场力作用下产生位移，从而导致压阻拾振结构的阻值发生改变。
[0010]作为本专利技术的另一个方面，本专利技术还公开了一种压阻式微型电场传感器的制备方法，包括：
[0011]步骤1：在SOI晶圆顶部的器件层上方光刻胶层刻画图案，所述图案包括：振动薄膜形状图案、支撑梁形状图案、压阻拾振元件形状图案和锚区形状图案；
[0012]步骤2：依据步骤1中所述图案刻蚀SOI晶圆顶部的器件层，形成振动薄膜、支撑梁、压阻拾振元件和锚区，并去除光刻胶层；
[0013]步骤3：在SOI晶圆底部的衬底硅层刻蚀出窗口；
[0014]步骤4：通过窗口刻蚀SOI晶圆中部的氧化层，形成衬底，并最终释放器件层，完成压阻式微型电场传感器的制备。
[0015]作为本专利技术的又一个方面，本专利技术还公开了一种电场传感器，内含有上述的压阻式微型电场传感器。
[0016]基于上述技术方案可以看出，本专利技术压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器相对于现有技术至少具有以下优势之一：
[0017]1、本专利技术提供的压阻式微型电场传感器在高强度电场激励下(例如电场强度≥10kV/m)，通过振动薄膜在电场力作用下产生位移，导致压阻拾振元件的阻值发生改变，并输出与被测电场或电压成正比的信号；因此不需要额外引入驱动电压，具有功耗低的特点，同时可实现交直流宽频带电场测量；
[0018]2、本专利技术提供的压阻式微型电场传感器利用压阻检测得到的信号，具有信号强度更强，信噪比高，且电场传感器阻抗小的技术特点；
[0019]3、本专利技术提供的压阻式微型电场传感器采用微纳制造工艺，其具有体积小、结构简单的优点，有益于实现批量化制造和系统集成，降低制造成本；有利于电场传感器在电力物联网以及智能电网等中高强度电场(例如电场强度≥10kV/m)或高强度电压(例如电压≥35kV)测量领域的广泛应用。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例中压阻式微型电场传感器的结构示意图；
[0021]图2是本专利技术实施例中压阻式微型电场传感器中支撑梁不同的结构示意图；
[0022]图3是本专利技术实施例中压阻式微型电场传感器中压阻拾振元件不同的结构示意图；
[0023]图4是本专利技术实施例中采用音叉梁结构作为压阻拾振元件的压阻式微型电场传感器结构示意图；
[0024]图5是本专利技术实施例中压阻式微型电场传感器制造流程的结构示意图。
[0025]附图标记说明：
[0026]1‑
振动薄膜；
[0027]2‑
支撑梁；
[0028]2a
‑
直梁；2b
‑
蛇形梁；2c
‑
L形梁；2d
‑
U形梁；2e
‑
不规则梁；
[0029]3‑
压阻拾振元件；
[0030]3a
‑
直梁结构；3b
‑
折梁结构；3c
‑
音叉梁结构；3d
‑
不规则梁结构；
[0031]4‑
锚区；
[0032]5‑
衬底；
[0033]701
‑
器件层；
[0034]702
‑
氧化层；
[0035]703
‑
衬底硅层；
[0036]704
‑
光刻胶层。
具体实施方式
[0037]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。
[0038]因此，本专利技术针对电力物联网应用以及智能电网发展的实际需求，采用先进MEMS(微机电系统)技术，提出一种压阻式低功耗、高精度微型电场传感器。
[0039]本专利技术公开了压阻式微型电场传感器，包括：
[0040]衬底5；
[0041]多个锚区4，均设置在衬底5上，用于支撑和固定压阻拾振元件3；
[0042]压阻拾振元件3，与锚区4连接，用于将电场强度转化为电阻值变化；以及
[0043]振动薄膜1，悬空设置在衬底5上方，且通过支撑梁2与压阻拾振元件3连接，用于感应电场的变化；振动薄膜1在电场力作用下产生位移，从而导致压阻拾振结构3的阻值发生改变。
[0044]在本专利技术的一些实施例中，所述压阻拾振元件3的结构包括梁结构；
[0045]在本专利技术的一些实施例中，所述梁结构包括直梁结构、折梁结构或音叉梁结构等；
[0046]在本专利技术的一些实施例中，所述压阻拾振元件3采用的材料包括金属、硅、掺杂硅中的任一种或多种组合。
[0047]在本专利技术的一些实施例中，所述压阻拾振元件3包括压敏电阻；
[0048]在本专利技术的一些实施例中，所述压敏电阻可以通过离子注入、扩散形成掺杂硅的方式制备，也可通过薄膜淀积、溅射工艺方式制备。
[0049]在本专利技术的一些实施例中，所述锚区4至少有一个用于压阻拾振结构3的连接与固定；
[0050]在本专利技术的一些实施例中，所述振动薄膜1的振动激励方式包括静电方式、电磁方式或压电方式；
[0051]在本专利技术的一些实施例中，所述振动薄膜1的形状包括对称形状；
[0052]在本专利技术的一些实施例中，所述对称形状包括矩形、正方形、圆形或三角形；
[0053]在本专利技术的一些实施例中，所述振动薄膜1的结构包括完整的薄膜结构或设置有通孔的薄膜结构；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压阻式微型电场传感器，其特征在于，包括：衬底(5)；多个锚区(4)，均设置在衬底(5)上，用于支撑和固定压阻拾振元件(3)；压阻拾振元件(3)，与锚区(4)连接，用于将电场强度转化为电阻值变化；以及振动薄膜(1)，悬空设置在衬底(5)上方，且通过支撑梁(2)与压阻拾振元件(3)连接，用于感应电场的变化；振动薄膜(1)在电场力作用下产生位移，从而导致压阻拾振结构(3)的阻值发生改变。2.根据权利要求1所述的压阻式微型电场传感器，其特征在于，所述压阻拾振元件(3)的结构包括梁结构；其中，所述梁结构包括直梁结构、折梁结构或音叉梁结构等；所述压阻拾振元件(3)采用的材料包括金属、硅、掺杂硅中的任一种或多种组合。3.根据权利要求1所述的压阻式微型电场传感器，其特征在于，所述压阻拾振元件(3)包括压敏电阻。4.根据权利要求1所述的压阻式微型电场传感器，其特征在于，所述锚区(4)至少有一个用于压阻拾振结构(3)的连接与固定。5.根据权利要求1所述的压阻式微型电场传感器，其特征在于，所述振动薄膜(1)的振动激励方式包括静电方式、电磁方式或压电方式。6.根据权利要求1所述的压阻式微型电场传感器，其特征在于，所述振动薄膜(1)的形状包括对称形状；其中，所述对称形状包括矩形...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭春荣，李嘉晨，郑凤杰，毋正伟，任仁，吕曜，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：