[发明专利]基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件

说明书

一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以沿垂直方向自由振动的半导体薄膜，所述半导体薄膜下方设有衬底，所述半导体薄膜和衬底之间通过绝缘层连接，所述半导体薄膜中间区域覆盖有金属薄膜，所述半导体薄膜周边区域设有金属电极，所述金属薄膜通过金属电极接地或接电源，所述半导体薄膜的中间区域通过半导体弹簧与周围固定部分连接，所述半导体弹簧上设有压阻材料，所述压阻材料通过所述金属电极连接形成惠斯通桥结构。其有益效果是：本发明的微型电场传感器件体积小，集成度高，分辨率高，响应大，测量幅值范围广，能够实现不同测试环境中直流电场和时变电场的非侵入式测量。

技术领域

本发明涉及电场传感领域，特别是一种小体积、高集成度的用于电场测量的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，实现电压的非侵入式测量。

背景技术

泛在电力物联网和数字电网的发展成为了当今能源行业，特别是电力行业发展的重要方向。泛在电力物联网通过在已有电力网络的基础上搭建与之配套的信息网络，实现对电力系统运行状态的实时监测和对电力设备及网络的故障预测和诊断，从而实现电力能源网络的智能化、透明化。对于信息网络的构架，高性能传感节点是信息感知网络的重要基石。通过广域布置针对不同物理量的传感节点，就可以实现网络中不同物理量的测量。

对于电力网络，电压是最重要的物理量之一。电压信号蕴藏着丰富信息，能够帮助人们实现故障预测、状态监测、雷电预警、设备故障定位等目标。但目前的电压测量设备一般采用侵入式的电压互感器。电压互感器体积大、价格高，并且只能测量工频电压，同时无法实现广域分布式布置。另外，光学电场传感系统可以实现电场的有效测量，很难实现在电网的布置。通过电场传感器对电场进行测量，进而反推电压是一种新型的非侵入式电压测量方法，能够有效解决电压测量设备体积大的问题，同时节约绝缘成本，提升测量精度。

目前，较为成熟的微型电场传感器件是基于电光效应的电场测量器件。但这类器件往往易受环境影响，如温度稳定性不高，同时光学模块成本高，很难实现大规模的广域分布式应用。另外，激光源与光接收系统体积大，设备维护困难也是这类传感器存在的问题。因此，需要设计一种低成本、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

本发明的目为：

提出一种基于静电力和压阻效应的高分辨率、宽测量范围的用于直流电场和时变电场(交流电场、瞬态电场)测量的微型电场传感器件结构。

基于上述目的，设计了一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件。

设计思路为：

金属在电场中会产生感应电荷，相反电荷之间会产生力的作用，称为静电力。

在时变电场作用下，接地金属薄膜受到静电力作用，带动半导体薄膜沿垂直方向振动，进而使得半导体弹簧发生形变。同样，在直流电场作用下，接地金属薄膜受到静电力作用，带动半导体薄膜产生垂直方向位移，也会带动半导体弹簧发生形变。位于半导体弹簧上的压阻材料在应变作用下电阻值发生改变。压阻材料由金属电极连接形成惠斯通桥结构，通过对压阻材料掺杂区域的设计使得四个桥臂电阻值对称变化。通过测量惠斯通桥输出端口电势差即可实现对电场的测量。

具体设计方案为：

一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以沿垂直方向自由振动的半导体薄膜，所述半导体薄膜下方设有衬底，所述半导体薄膜和衬底之间通过绝缘层连接，其特征在于，所述半导体薄膜中间区域蒸镀有金属薄膜，所述半导体薄膜周边区域设有金属电极，所述金属薄膜通过金属电极接地或接电源，所述半导体薄膜的中间区域通过半导体弹簧与半导体薄膜周边区域连接，所述半导体弹簧上设有压阻材料，所述压阻材料通过所述金属电极连接形成惠斯通桥结构。