[实用新型]一种基于电容读出的微机电电流传感装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于非接触检测导体中电流大小的一种基于电容读出的微机电电流传感装置。

背景技术

现有电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应即电磁感应原理，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。由于电磁式电流传感器结构、原理的特性，使得它存在以下几个致命的缺点：(1)存在绝缘的问题，充油的电磁式电流传感器使用在高压环境时，有可能发生绝缘击穿，从而引起对地短路或者突然爆炸的危险；(2)存在磁饱和的问题，电流传感器铁芯在被测量电流异常增大的时候，将出现磁饱和，这严重影响了电流传感器的测量准确度；(3)存在电磁干扰的问题，在高压环境中，电磁式电流传感器的电流信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，影响测量准确度；(4)成本问题，电磁式电流传感器的成本随着被测量电流和电压等级的增大，成指数增加。这些电磁式电流传感器的缺点是由其基本结构造成的，是无法从根本上改变的。

发明内容

本实用新型提供一种基于电容读出的微机电电流传感装置，本实用新型通过感应被测导体内部电流所产生的磁场，测量电容大小读出，间接测量电流大小。

本实用新型的技术解决方案是：一种基于电容读出的微机电电流传感装置，包括上、下层基底（1）、固定电极（2）、可动电极（3）、磁感应材料（4）和质量块与梁（5），上、下层基底（1）内腔设有固定电极（2），上、下层基底（1）之间设有质量块与梁（5），所述的质量块与梁（5）由中心质量块与四角的X型微形梁构成，质量块与梁（5）上设有磁感应材料（4）和可动电极（3），上、下基底（1）键合连接。

固定电极（2）上设有阻挡器（6）。

本实用新型是一种在可变电流所激发的磁场下，微型磁感应质量块可随磁场力大小移动，移动大小由可变电容检测的一种基于电容读出的微机电电流传感装置，通过传感器内部附着磁感应材料的集中质量块，感应被测导体内电流所产生的磁场，由被测电流所产生的磁场力使与磁性材料质量块所连接的微型四梁对称结构变形，使与微型梁相连接的平板质量块上或下移动，平板质量块上下表面附有导电电极作为可动电容极板，在平板质量块电极所对应的基底位置附有不可移动的固定电容极板，这样平板质量块的可动电极与基底的固定电极就形成了差动电容输出器，电容的输出大小与平板质量块的移动幅度成线性关系，即输出电容大小与感应的磁场力大小成线性关系，最终可由输出的电容大小变化间接表征被测电流的大小。

本实用新型非接触微机电电流检测结构原理简单，具有对称结构，性能稳定，测量范围宽，精度高，体积小，功耗小，可利用基本的半导体生产工艺大规模加工等特点。本实用新型可通过微机械加工技术大批量生产，成本低廉，使用寿命长。本实用新型具有结构简单合理，体积小巧优点，线性度好。可以根据被测电流的频率、量程，改变微型悬臂梁结构尺寸进行频率匹配。

附图说明

图1为本实用新型的俯视结构示意图。

图2为本实用新型的侧视结构示意图。

具体实施方式

一种基于电容读出的微机电电流传感装置，包括上、下层基底1、固定电极2、可动电极3、磁感应材料4和质量块与梁5，上、下层基底1内腔设有固定电极2，上、下层基底1之间设有质量块与梁5，所述的质量块与梁5由中心质量块与四角的X型微形梁构成，质量块与梁5上设有磁感应材料4和可动电极3，上、下基底1键合连接。

本实用新型通过以下方式实施：在清洗后的硅基底1上涂覆光刻胶，通过光刻形成图案，再通过等离子干法刻蚀形成腔体，通过溅射工艺在基底形成固定电极2，再涂覆PSG膜作为牺牲层，利用光刻技术在PSG膜上形成图案，采用等离子干法刻蚀去除PSG被曝光部分，在于基底固定电极对应的位置沉积一层电极作为电容可动电极3，再沉积一层磁性材料4感应外界磁场大小，然后沉积氮化硅膜作为集中质量块与梁5，再利用光刻在氮化硅表面形成梁结构图案，再次通过刻蚀去除梁结构以外的氮化硅，在氮化硅另一侧表面沉积同样的磁性材料4与可动电极3，通过湿法刻蚀去除牺牲层释放质量块与梁5结构，然后将另外一块带有固定电极2的基底1与之进行键合连接，质量块与梁5与硅基底1间距由PSG层的厚度决定。本实用新型的工作原理是由磁感应材料4感应由被测导体内部电流所生的磁场，产生相应大小的磁场力，使微型悬臂梁产生弯曲，同时使质量块随微型悬臂梁发生移动，那么在质量块两侧的可动电极3与基底1上的固定电极2间距离将发生变化，一侧增大一侧减小，形成差动电容读出信号，该电容大小信号将与传感器内部磁感应材料4感应的磁场力大小成线性变化，即电容大小能够间接测量被测电流的大小。为防止磁场力过大损坏悬臂梁结构，在悬臂梁自由端固定电极2上设有阻挡器6。