CN104237652B - 一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，包括基底，在基底上设有硅结构层，在硅结构层上设有上极板；基底的上表面与硅结构层的下表面通过阳极键合连接，硅结构层的上表面与上极板的下表面通过阳极键合连接，采用压阻原理测量静电场力，从而得到静电场强度；采用梁膜结合的方式，使得测量灵敏度极大提高；芯片中心膜不带质量块，厚度小，并且采用四梁支撑承力膜，提高了结构刚度，传感器芯片频响高，连接简洁，电阻条和引线布置易于实现，结构稳定，制作工艺成熟，采用可靠的封装方法，可以使芯片适应多种不同环境；芯片批量化生产后单个成本很低，而且接口和安装极为简便，适合工业现场大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)高压静电场传感器技术领域；具体涉及一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片。
背景技术
高压电力电容器大量应用于电力系统及试验站，由于电容器所储存的电荷处于静止状态，很难被一般的测量方式所感知，包括电磁感应，磁场测量等原理和方法，目前，用于高压静电感测的装置和产品，包括旋转叶片式、振动电容式的静电测量装置，由于其体积、功耗大且成本较高，技术上、经济上很难应用于电力部门大量装备的高压电容器，因此，每年由电容器储存电荷的不可见性所造成的人身伤亡事故屡见报道，给家庭、企业和社会造成不可挽回的损失。另外，高压静电放电时会产生瞬态脉冲大电流，并伴随着强电磁辐射，直接影响实验室中控制系统、测量仪器等电子静电敏感设备的正常运行，甚至存在引发火灾爆炸的隐患。因此高压静电的监测成为近年来电气设备领域的研究热点。
对高压静电场进行直接接触式的测量是最为精确简便的方法，然而与储能设备连接的母排其静态高压可达几十kV至上百kV，这使得直接测量高压静电场的设备需有较大的绝缘余量，其体积无法实现小型化。并且高压母排通常布局复杂，走线较长，要对其高压静电进行实时监测，需大量直接测量仪器才可完成，这对空间和成本要求很高。近年来大量研究开始侧重于对高压电场的非接触式间接测量，研究设计了多种基于机械式或者光学式的电场传感器。然而在静电场中，电场无法给传感器提供持续的能量，高压导体上的电荷是不能持续维持宏观运动的，这成为了静电场测量的难点，使得目前电场传感器对低频或静电场的灵敏度较低。同时，目前能够用于测量高压静电场的传感器存在结构复杂、体积较大、成本较高等缺点，无法实现大批量的生产。而在电力系统或者电气实验室运行过程中，需用大量的非接触式间接测量仪器对高压母排的各个事故易发点进行在线监测，以保证操作人员和电子设备的安全，因此现有电场传感器无法满足此要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，具有灵敏度高、频响高、性能稳定、适用环境广、成本低、易于大规模应用等优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，包括基底3，在基底3上设有硅结构层2，在硅结构层2上设有上极板1；基底3的上表面与硅结构层2的下表面通过阳极键合连接，硅结构层2的上表面与上极板1的下表面通过阳极键合连接。
所述的上极板1是玻璃板1-1沉积金属而成的电极，在玻璃板1-1下表面中部区域布置有长方形固定金属膜电极1-2，固定金属膜电极1-2的长边一侧旁边布置第一电极连接盘1-4，固定金属膜电极1-2通过第一引线1-3与第一电极连接盘1-4连接。
所述的硅结构层2包括硅基体2-1，在硅基体2-1上部刻蚀形成防吸附通槽2-2，防吸附通槽2-2下方布置矩形的承力薄膜2-3，承力薄膜2-3通过四根敏感梁与硅基体2-1的矩形基座连接，四根敏感梁为第一敏感梁2-5-1、第二敏感梁2-5-2、第三敏感梁2-5-3、第四敏感梁2-5-4，敏感梁布置在硅基体2-1的矩形基座短边和矩形的承力薄膜2-3的短边之间，平行于承力薄膜2-3的长边，且每根敏感梁的外侧长边与承力薄膜2-3的长边平齐，承力薄膜2-3上表面完全覆盖有可动金属膜电极2-6，可动金属膜电极2-6通过第二引线2-8连接到位于硅结构上表面短边一侧8只焊盘2-11中第一焊盘，硅基体下部即承力薄膜下方布置背腔2-4，压敏电阻条布置在两根敏感梁上，其中，第一电阻条2-7-1和第二电阻条2-7-2布置在第三敏感梁2-5-3上表面，靠近第三敏感梁2-5-3固定端的应力集中区域；第三电阻条2-7-3和第四电阻条2-7-4布置在第四敏感梁2-5-4上表面，靠近第四敏感梁2-5-4固定端的应力集中区域，四根电阻条通过第三引线2-9连接到焊盘2-11中第二到第七焊盘，通过外接电路形成惠斯通电桥，硅结构上部防吸附通槽2-2一侧的矩形凸台上表面布置用于上下电极连通的第二电极连接盘2-12，第二电极连接盘2-12通过第四引线2-10与焊盘2-11中第八焊盘连接；
所述的第一电阻条2-7-1和第四电阻条2-7-4为双折，即U形结构，平行于应力方向即沿着压阻系数最大方向布置；第二电阻条2-7-2和第三电阻条2-7-3是四折，即W形结构，垂直于应力方向布置，四根电阻条的有效长度相等，所处区域应力分布相近，便于后续搭建电桥；
所述的固定金属膜电极1-2和可动金属膜电极2-6之间通过第一电极连接盘1-4和和第二电极连接盘2-12互连。
所述的防吸附通槽2-2深度为2μm。
所述的承力薄膜2-3厚度为30μm，长度3500μm，宽度2000μm，膜长边与硅基体2-1内侧长边的间隙为10μm。
所述的四根敏感梁2-5-1、2-5-2、2-5-3和2-5-4厚度为30μm，长度为500μm，宽度为140μm。
本发明的优点：本发明采用压阻原理测量静电场力，从而得到静电场强度。在传感器芯片结构设计中采用梁膜结合的方式，通过优化提高了敏感区域应力集中效果，使得测量灵敏度极大提高。芯片中心膜不带质量块，厚度小，并且采用四梁支撑承力膜，提高了结构刚度，因而传感器芯片频响高。传感器芯片承力膜与支撑梁处于同一平面，连接简洁，电阻条和引线布置易于实现，结构稳定，所采用的制作工艺成熟，因而芯片性能稳定；采用可靠的封装方法，可以使芯片适应多种不同环境；芯片批量化生产后单个成本很低，而且接口和安装极为简便，适合工业现场大规模应用。
附图说明
图1为本发明结构示意图，其中图(a)为纵向剖视图，图(b)为横向剖视图。
图2为上极板1结构示意图。
图3为硅结构层2的横向剖视图。
图4为硅结构层2主视图。
图5为传感器工作原理示意图。
图6为电阻条组成惠斯通电桥示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1，一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，包括基底3，在基底3上设有硅结构层2，在硅结构层2上设有上极板1；基底3的上表面与硅结构层2的下表面通过阳极键合连接，硅结构层2的上表面与上极板1的下表面通过阳极键合连接。
参照图2，所述的上极板1是玻璃板1-1沉积金属而成的电极，在玻璃板1-1下表面中部区域布置有长方形固定金属膜电极1-2，固定金属膜电极1-2的长边一侧旁边布置第一电极连接盘1-4，固定金属膜电极1-2通过第一引线1-3与第一电极连接盘1-4连接。
所述的玻璃板1-1为Pyrex7740玻璃，所述的固定金属膜电极1-2、第一引线1-3以及第一电极连接均为Cr/Au复合层，其中Cr保证了金属层与玻璃的紧密结合，Au是导电层。
参照图3和图4，所述的硅结构层2包括硅基体2-1，在硅基体2-1上部刻蚀形成防吸附通槽2-2，防吸附通槽2-2下方布置矩形的承力薄膜2-3，承力薄膜2-3通过四根敏感梁与硅基体2-1的矩形基座连接，四根敏感梁为第一敏感梁2-5-1、第二敏感梁2-5-2、第三敏感梁2-5-3、第四敏感梁2-5-4，敏感梁布置在硅基体2-1的矩形基座短边和矩形的承力薄膜2-3的短边之间，平行于承力薄膜2-3的长边，且每根敏感梁的外侧长边与承力薄膜2-3的长边平齐，承力薄膜2-3上表面完全覆盖有可动金属膜电极2-6，可动金属膜电极2-6通过第二引线2-8连接到位于硅结构上表面短边一侧8只焊盘2-11中第一焊盘，硅基体下部即承力薄膜下方布置背腔2-4，压敏电阻条布置在两根敏感梁上，其中，第一电阻条2-7-1和第二2-7-2布置在第三敏感梁2-5-3上表面，靠近第三敏感梁2-5-3固定端的应力集中区域；第三电阻条2-7-3和第四电阻条2-7-4布置在第四敏感梁2-5-4上表面，靠近第四敏感梁2-5-4固定端的应力集中区域，四根电阻条通过第三引线2-9连接到焊盘2-11中第二到第七焊盘，通过外接电路形成惠斯通电桥，硅结构上部防吸附通槽2-2一侧的矩形凸台上表面布置用于上下电极连通的第二电极连接盘2-12，第二电极连接盘2-12通过第四引线2-10与焊盘2-11中第八焊盘连接。
首先在硅基体2-1正面上通过离子刻蚀制作出防吸附通槽2-2，其作用是预留出固定金属膜电极1-2与可动金属膜电极2-6之间的空隙，防止二者吸附导致传感器失效。然后用各向异性刻蚀在硅基体2-1的下方刻蚀得到背腔2-4，再用RIE刻蚀在硅基体2-1正面对应于背腔四边刻蚀释放承力膜2-3和四根敏感梁2-5-1、2-5-2、2-5-3、2-5-4，得到用于承受静电场力的承力薄膜2-3，承力薄膜2-3的厚度是30μm，长度3500μm，宽度是2000μm，用于感受应力的四根敏感梁2-5-1、2-5-2、2-5-3、2-5-4。四根敏感梁的厚度为30μm，长度500μm，宽度140μm。如图4，梁布置在硅基体2-1内侧短边和承力薄膜2-3的短边之间，平行于承力薄膜2-3长边，且每根梁的一侧长边与膜的长边平齐。在承力薄膜2-3上表面沉积金属膜，该金属膜可以随着承力膜上下移动，作为可动金属膜电极2-6，通过第二引线2-8连接到位于硅结构上表面短边一侧的焊盘2-11(共8只焊盘)中第一焊盘。通过离子注入方法在敏感梁上2-5-3上部靠近固定端制作第一电阻条2-7-1和第二电阻条2-7-2；在敏感梁2-5-4上部靠近固定端制作第三电阻条2-7-3和第四电阻条2-7-4；四根电阻条通过第三引线2-9连接到焊盘2-11中第二到第七焊盘，通过外接电路组合形成半开环惠斯通电桥，用于应力检测。
第一电阻条2-7-1和第四电阻条2-7-4为双折，即U形结构，平行于应力沿着压阻系数最大方向布置，第二电阻条2-7-2和第三电阻条2-7-3是四折，即W形结构，垂直于应力方向布置。四根电阻条的有效长度相等，所处区域应力分布相近，便于后续搭建电桥。
所述的固定金属膜电极1-2和可动金属膜电极2-6之间通过第一电极连接盘1-4和和第二电极连接盘2-12互连。
所述的防吸附通槽2-2深度为2μm。
所述的承力薄膜2-3厚度为30μm，长度3500μm，宽度2000μm，膜长边与硅基体2-1内侧长边的间隙为10μm。
所述的四根敏感梁2-5-1、2-5-2、2-5-3和2-5-4厚度为30μm，长度为500μm，宽度为140μm。
本发明工作原理为：
参照图5，将制作完成的上极板1下表面和硅结构层2上表面对准，通过阳极键合方法连接到一起，使得固定金属膜电极1-2与可动金属膜电极2-6形成可靠的平行板电极对。固定金属膜电极1-2与可动金属膜电极2-6通过第一电极连接盘1-4和第二电极连接盘2-12实现互连，测量中二者接触带电体形成等位体。随着电压变化，电极板之间的电场强度增大，相互作用力增大；上极板1相对于承力薄膜2-3厚度很大，因而可以视作刚体，于是承力薄膜2-3在静电场力的推动下向下移动，从而敏感梁在膜的带动下向下弯曲，在电阻条布置区域出现大的应力，引起电阻条阻值变化，四根电阻条组成惠斯通电桥，通过电桥输出电压将应力测量出来，于是可以得到电场力的大小，进而得到所测量的静电场强度。
本发明中传感器的惠斯通电桥组桥方式如图6所示，采用半开环形式，可以方便地测得每个电阻条的阻值并进行所需补偿。
由于本发明应用压阻原理测量静电场力，传感器在工作中仅需要用5V电压源供电；由于电阻条阻值较大，在1kV左右，因此传感器工作中耗电极低。相对于振动栅等形式的传感器，其能耗几乎可以忽略不计。传感器结构主体是硅片制作的薄膜与敏感梁结合的形式，结构简单，制作工艺简洁，因而制作成品率高而且工作性能稳定，可以适用于更多场合。相比振动栅和光学式等传感器，其性能稳定特性和系统简洁特性可以保证长时间大范围应用，对于解决工业现场技术问题更具有实用性。
Claims (5)
1.一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，包括基底(3)，其特征在于：在基底(3)上设有硅结构层(2)，在硅结构层(2)上设有上极板(1)；基底(3)的上表面与硅结构层(2)的下表面通过阳极键合连接，硅结构层(2)的上表面与上极板(1)的下表面通过阳极键合连接；
所述的上极板(1)是玻璃板(1-1)沉积金属而成的电极，在玻璃板(1-1)下表面中部区域布置有长方形固定金属膜电极(1-2)，固定金属膜电极(1-2)的长边一侧旁边布置第一电极连接盘(1-4)，固定金属膜电极(1-2)通过第一引线(1-3)与第一电极连接盘(1-4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，其特征在于：所述的硅结构层(2)包括硅基体(2-1)，在硅基体(2-1)上部刻蚀形成防吸附通槽(2-2)，防吸附通槽(2-2)下方布置矩形的承力薄膜(2-3)，承力薄膜(2-3)通过四根敏感梁与硅基体(2-1)的矩形基座连接，四根敏感梁为第一敏感梁(2-5-1)、第二敏感梁(2-5-2)、第三敏感梁(2-5-3)、第四敏感梁(2-5-4)，敏感梁布置在硅基体(2-1)的矩形基座短边和矩形的承力薄膜(2-3)的短边之间，平行于承力薄膜(2-3)的长边，且每根敏感梁的外侧长边与承力薄膜(2-3)的长边平齐，承力薄膜(2-3)上表面完全覆盖有可动金属膜电极(2-6)，可动金属膜电极(2-6)通过第二引线(2-8)连接到位于硅结构上表面短边一侧8只焊盘(2-11)中第一焊盘，硅基体下部即承力薄膜下方布置背腔(2-4)，压敏电阻条布置在两根敏感梁上，其中，第一电阻条(2-7-1)和第二电阻条(2-7-2)布置在第三敏感梁(2-5-3)上表面，靠近第三敏感梁(2-5-3)固定端的应力集中区域；第三电阻条(2-7-3)和第四电阻条(2-7-4)布置在第四敏感梁(2-5-4)上表面，靠近第四敏感梁(2-5-4)固定端的应力集中区域，四根电阻条通过第三引线(2-9)连接到焊盘(2-11)中第二到第七焊盘，通过外接电路形成惠斯通电桥，硅结构上部防吸附通槽(2-2)一侧的矩形凸台上表面布置用于上下电极连通的第二电极连接盘(2-12)，第二电极连接盘(2-12)通过第四引线(2-10)与焊盘(2-11)中第八焊盘连接；
所述的第一电阻条(2-7-1)和第四电阻条(2-7-4)为双折，即U形结构，平行于应力方向即沿着压阻系数最大方向布置；第二电阻条(2-7-2)和第三电阻条(2-7-3)是四折，即W形结构，垂直于应力方向布置，四根电阻条的有效长度相等，所处区域应力分布相近，便于后续搭建电桥；
所述的固定金属膜电极(1-2)和可动金属膜电极(2-6)之间通过第一电极连接盘(1-4)和第二电极连接盘(2-12)互连。
3.根据权利要求2所述的一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，其特征在于：所述的防吸附通槽(2-2)深度为2μm。
4.根据权利要求2所述的一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，其特征在于：所述的承力薄膜(2-3)厚度为30μm，长度3500μm，宽度2000μm，膜长边与硅基体(2-1)内侧长边的间隙为10μm。
5.根据权利要求2所述的一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片，其特征在于：所述的四根敏感梁(2-5-1、2-5-2、2-5-3、2-5-4)厚度为30μm，长度为500μm，宽度为140μm。
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- 2014-09-03 CN CN201410443797.2A patent/CN104237652B/zh not_active Expired - Fee Related
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