[发明专利]一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器及制备方法

说明书

本发明提出一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器及制备方法，传感器包括环形振荡器，所述环形振荡器包括n个倒相器，所述每个倒相器结构从下到上依次为：衬底、氮化镓缓冲层、铝镓氮层。振荡器建立在氮化镓/铝镓氮的高电子迁移率的异质结衬底上，相对于传统的电力信号无线传感系统，本传感器通过压控环形振荡器直接将电压信号转换为调频信号，系统结构简单高效。此外，系统使用氮化镓基的衬底，具有耐高压击穿，抗干扰能力强和发射频率高的优点。

技术领域

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器及制备方法。

背景技术

在电力传输系统中，沿着传输线路，供电电压随着供电功率，负载和其他各因素的影响而发生改变。特别是当前电力系统中的电力产生，输送和负载都具有多样性。因此，对输电线路上的电压进行多节点的实时监测对于确保电力输运的平稳进行至关重要。输电线路的电压监控手段多样，由于输电线路的交变电压幅度较高，一般需要先将高压降低之后进行取样测量。降低高压的方法一般可分为电感耦合，电容分压和电阻分压的方式。而结合光波导和压电陶瓷的光学方法也在近几年发展迅速，比传统的监测方法抗干扰能力更强。

不同于传统的人工电力监测，现代电网供电朝着智能化的方向发展。而这其中的关键技术在于大规模传感网络的建立和高性能计算技术的发展。为建立大范围的传感监测网络，传统的电压传感器向着无线化和数字化的方向发展。特别是借助于近年来物联网技术的发展，能够进行大范围电力信号监测的系统得以实现。而一整套的无线数字电压监测系统一般由降压整流电路，电压缓冲放大器，数模转换，中央控制器和无线收发装置组成。由降压整流电路将电力传输线上的高压交变电压转换为较低的直流电压。之后经过电压缓冲放大器，由数模转换器变为数字信号。之后，通过中央处理器转换为特定制式的无线信号发送给基站接收。系统包含全部功能的模拟和数字电路模块，其整体架构较为复杂且成本高昂。此外，由于输电线路的高电压特性，系统的元部件易于受到高压干扰。特别是一般工作于低电压的中央处理器等数字电路，较易被高电压干扰甚至击穿损毁，大幅降低了系统运作的可靠性和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器，包括：包括环形振荡器，所述环形振荡器包括n个倒相器，n为奇数，每个倒相器由第一晶体管和第二晶体管组成，其中第m个第一晶体管与第m+1个第二晶体管共用第一栅极，第1个第二晶体管与第n个第一晶体管共用第二栅极，其中mn；所述每个倒相器结构从下到上依次为：衬底、氮化镓缓冲层、铝镓氮层；所述铝镓氮层设有氧化沟道，所述氧化沟道内设有栅氧化层；所述n个第一晶体管共用漏极，所述n个第二晶体管共用源极，每个所述倒相器的第一晶体管的源极为第二晶体管的漏极，所述第一栅极和所述第二栅极与所述第一晶体管的源极相连，所述铝镓氮层上设有所述漏极和所述源极，所述铝镓氮层、栅氧化层和氮化镓缓冲层上设有所述第一栅极和第二栅极。

优选的，所述传感器包括整流降压器和功率放大器，所述整流降压器与第一晶体管的漏极相连，所述第一晶体管的漏极与功率放大器相连，所述整流降压器与第二晶体管的源极相连，所述第二晶体管的源极与功率放大器相连；所述整流降压器输出的电压信号控制所述振荡器输出的频率信号。

优选的，所述第一晶体管为耗尽型晶体管，所述第二晶体管为增强型晶体管。

优选的，所述衬底为沉积有绝缘层的硅基底或蓝宝石基底。

优选的，所述源极和所述漏极材料选自钛、铝、镍、金及其合金；所述栅极材料选自镍、金、铬、白金及其合金。

本发明还提供一种电压传感器制备方法，其特征在于：包括

S1：准备衬底，于衬底上外延氮化镓缓冲层和铝镓氮层；

S2：光刻形成n个倒相器的有源区，其中n为奇数；

S3：光刻并沉积金属形成n个倒相器的第一晶体管和第二晶体管源、漏极，退火形成欧姆接触；