压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明公开了一种压阻式微型电场传感器，包括：

衬底；

多个锚区，均设置在衬底上，用于支撑和固定压阻拾振元件；

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

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。

作为本发明的另一个方面，本发明还公开了一种压阻式微型电场传感器的制备方法，包括：

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；

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；

步骤3：在SOI晶圆底部的衬底硅层刻蚀出窗口；

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。

作为本发明的又一个方面，本发明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。

基于上述技术方案可以看出，本发明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：

1、本发明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；

2、本发明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；

3、本发明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

图1是本发明实施例中压阻式微型电场传感器的结构示意图；

图2是本发明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；

图3是本发明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；

图4是本发明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；

图5是本发明实施例中压阻式微型电场传感器制造流程的结构示意图。

附图标记说明：

1-振动薄膜；

2-支撑梁；

2a-直梁；2b-蛇形梁；2c-L形梁；2d-U形梁；2e-不规则梁；

3-压阻拾振元件；

3a-直梁结构；3b-折梁结构；3c-音叉梁结构；3d-不规则梁结构；

4-锚区；

5-衬底；

701-器件层；

702-氧化层；

703-衬底硅层；

704-光刻胶层。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

因此，本发明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。

本发明公开了压阻式微型电场传感器，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。

在本发明的一些实施例中，所述压阻拾振元件3的结构包括梁结构；

在本发明的一些实施例中，所述梁结构包括直梁结构、折梁结构或音叉梁结构等；

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，所述压阻拾振元件3包括压敏电阻；

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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；

在本发明的一些实施例中，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；

在本发明的一些实施例中，所述振动薄膜1的形状包括对称形状；

在本发明的一些实施例中，所述对称形状包括矩形、正方形、圆形或三角形；

在本发明的一些实施例中，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；

在本发明的一些实施例中，所述通孔包括星形、扇形、矩形、正方形、圆形或三角形。

在本发明的一些实施例中，所述支撑梁2包括直梁、L形梁、U形梁或蛇形梁等；

在本发明的一些实施例中，所述支撑梁2与振动薄膜1的边缘连接；

在本发明的一些实施例中，支撑梁2的位置布置在振动薄膜1顶角，也可散布在振动薄膜结构1周围，所述支撑梁2的数量至少为一组。

本发明还公开了压阻式微型电场传感器的制备方法，包括：

步骤1：在SOI晶圆顶部的器件层701上方光刻胶层704刻画图案，所述图案包括：振动薄膜1形状图案、支撑梁2形状图案、压阻拾振元件3形状图案和锚区4形状图案；

其中，压阻拾振元件3的至少一端与锚区4连接；

其中，振动薄膜1通过支撑梁2与压阻拾振元件3连接；

步骤2：依据步骤1中所述图案刻蚀SOI晶圆顶部的器件层701，形成振动薄膜1、支撑梁2、压阻拾振元件3和锚区4，并去除光刻胶层704；

步骤3：在SOI晶圆的衬底硅层703刻蚀出窗口；

步骤4：通过窗口刻蚀SOI晶圆中部的氧化层702，形成衬底5，并最终释放器件层701，完成压阻式微型电场传感器的制备。

在本发明的一些实施例中，所述传感器可以采用微纳米加工技术、微机电系统(MEMS)技术、SOI MEMS(基于SOI硅片的微加工工艺)、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术实现。

本发明还公开了一种电场传感器，内含有如上所述的压阻式微型电场传感器。

在本发明的一些实施例中，所述电场传感器包括二维电场传感器或三维电场传感器。

本发明的一个实施例中，公开了一种压阻式微型电场传感器，包括振动薄膜1、支撑梁2、压阻拾振元件3、锚区4和衬底5等部分组成。其中，所述的振动薄膜1在电场力作用下产生位移，从而导致压阻拾振元件3的电阻值发生改变，通过信号处理电路后，输出与被测电场或电压成正比的信号，从而实现对被测电场或电压的测量。所述的振动薄膜1与压阻拾振元件3通过支撑梁2连接，所述的压阻拾振元件3采用横梁、音叉等结构形式或压敏电阻的方式实现。上述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等优点；并且压阻检测得到的信号更强，具有信噪比高，并且具有阻抗小、结构简单等特点。所述电场传感器可采用微纳制造工艺，体积小，有益于实现批量化制造和系统集成，在降低成本的同时，能够广泛应用于电力物联网以及智能电网中，用于测量高强度电场(例如电场强度≥10kV/m)或测量高强度电压(例如电压≥35kV)。

本发明的一个实施例中，提供了一种压阻式微型电场传感器，包括振动薄膜1、支撑梁2、压阻拾振元件3、锚区4和衬底5等部分；所述振动薄膜1与压阻拾振元件3通过支撑梁2连接，压阻拾振元件3通过锚区4固定在衬底5上。

所述的振动薄膜1在电场力作用下产生位移，从而导致压阻拾振元件3的电阻值发生改变，通过信号处理电路后，输出与被测电场或电压成正比的信号，从而实现对被测电场或电压的测量。其中，所述振动薄膜1可以通过静电、电磁、压电方式激励振动。

所述振动薄膜1可为方形薄膜结构、圆形薄膜结构或不规则形状结构，所述振动薄膜结构1可无通孔也可有通孔，所述通孔形状包括圆形、方形、三角形、扇形或星形；

如图2所示，所述支撑梁2的形状包括但不限于直梁2a、蛇形梁2b、L形梁2c、U形梁2d或不规则梁2e；所述支撑梁2的位置包括布置在振动薄膜1的顶角，或散布在振动薄膜1的侧边，所述支撑梁2的数量至少为一组；支撑梁2的数量、形状、位置可以根据实际需求设定。

如图3所示，所述压阻拾振元件3包括但不限于直梁结构3a、折梁结构3b、音叉梁结构3c或不规则梁结构3d；

其中，所述压阻拾振元件3还包括采用压敏电阻，通过离子注入、扩散形成掺杂硅的方式形成压敏电阻，或通过薄膜淀积、溅射工艺方式形成压敏电阻；

其中，所述压阻拾振元件3接入信号处理电路，利用压阻拾振元件3电阻值变化输出与被测电场或被测电压成正比的信号。

本实施例中的压阻式微型电场传感器的制造方法包括但不限于微纳米加工技术、微机电系统(MEMS)技术、SOI MEMS工艺、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术；

此外，本发明的一个实施例中还公开了一种二维电场传感器，内含有上述压阻式微型电场传感器中的敏感结构(即振动薄膜1、支撑梁2、压阻拾振元件3和锚区4)，用于测量二维电场或者测量二维电压；

此外，本发明的一个实施例中还公开了一种三维电场传感器，内含有上述压阻式微型电场传感器中的敏感结构(即振动薄膜1、支撑梁2、压阻拾振元件3和锚区4)，用于测量三维电场或者测量三维电压；

下面通过具体实施例结合附图来对本发明的技术方案作进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示，压阻式微型电场传感器包括：

振动薄膜1与压阻拾振元件3通过支撑梁2连接，压阻拾振元件3通过锚区4固定于衬底5顶部。

所述振动薄膜1可为方形薄膜结构，所述方形薄膜结构无通孔。

如图2所示，所述支撑梁2的形状可为直梁2a、蛇形梁2b、L形梁2c、U形梁2d或不规则梁2e等，本实施例中的支撑梁2采用直梁2a，所述支撑梁2的一端设置在压阻拾振元件3中点，另一端设置在振动薄膜1侧边的中点。

本实施例中的压阻拾振元件3采用直梁结构3a，所述压阻拾振元件3的两端通过锚区4固定在衬底5上。

实施例2

如图4所示，本实施例中的压阻式微型电场传感器与实施例1的区别仅在于所述压阻拾振元件3采用音叉梁结构3c。

本发明的一个实施例中，还公开了一种压阻式微型电场传感器的制备方法；

如图5所示，包括以下步骤：

S1：在SOI晶圆的器件层701上旋涂光刻胶层704作为掩模材料，利用掩膜版进行光刻，形成如图5中A图所示的结构形状；

S2：采用DRIE工艺方法在器件层701上刻蚀出传感器振动薄膜1、支撑梁2、压阻拾振元件3和锚区4，并去除光刻胶层704，形成如图5中B图所示的结构形状；

S3：通过DRIE工艺在SOI晶圆的衬底硅层703上刻蚀出窗口，形成如图5中C图所示的结构形状；

S4：采用HF湿法刻蚀氧化层702，最终释放器件层701，步骤3中得到的衬底硅层703与步骤4中得到的氧化层702共同形成衬底5，形成如图5中D图所示的结构形状，完成压阻式微型电场传感器的制备。

本发明公开的压阻式微型电场传感器的制造方法包括但不限于微纳米加工技术、微机电系统(MEMS)技术、SOI MEMS、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。