[实用新型]一种半导体型探头及包含该探头的非侵入式电压测量装置

说明书

技术领域

本实用新型属于电压测量装置技术领域，特别是涉及一种半导体型探头及包含该探头的非侵入式电压测量装置。

背景技术

电压检测传感器是供配电系统中的必备设备，其使用范围广、使用数量多，根据检测方式不同，大致可以分为侵入式检测与非侵入式检测两种。

侵入式检测，是指检测电路需在配电回路上搭建电气信号引出回路，通过测量回路中的电流、电压或磁信号，达到检测配电回路电压信号的目的。其优点是设备结构简单，缺点是与被检测电路直接接触，检测电路的故障有可能传导至被测电路，导致被测电路发生故障。

非侵入式检测，是指检测电路在电气上与负荷设备不发生直接联系而达到非接触式检测配电回路电压信号的目的。非侵入式监测即使出现故障也不会对被检测电路造成影响，一方面排除了导致被测电路故障的可能性，另一方面也可以保证测量的安全性，更加适合在科研生产等领域内使用。

传统的电压传感器，都是铁芯线圈结构的电压传感器，它们利用电磁感应原理实现了电压的非侵入式测量，但是这种方法具有以下缺陷：

1.精度较低、要求线圈绕制非常精确，信号处理要求较高；

2.响应时间慢、测量范围有限、同时易受到电磁干扰；

3.体积、重量较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种半导体型探头，该探头精度高、响应快、量程广、体积小、重量轻且易批量生产，并且在大规模生产时能够大幅度降低生产成本，可以广泛用于科学研究以及工业生产等领域的电压检测。

本实用新型的另外一个目的在于提供一种包含该探头的非侵入式电压测量装置。

本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种半导体型探头，由集成在一块半导体衬底上的感应部件与采样部件组成，其中感应部件由生长在半导体衬底上表面和下表面的外延层、制作在外延层上的金属电极和金属电极上的引脚组成，采样部件由依次设置在半导体衬底上表面的氧化层、下层金属电极、绝缘层、上层金属电极和引脚组成，其中上层金属电极和下层金属电极上各设有一个引脚。

在上述半导体型探头中，半导体衬底为硅片、蓝宝石或碳化硅中的一种；外延层为P型厚外延层，外延层的厚度为10um～30um。

在上述半导体型探头中，金属电极、上层金属电极和下层金属电极为铝电极、金电极或钛电极，电极厚度均为1.0um～1.5um。

在上述半导体型探头中，采样部件中绝缘层为聚酰亚胺，厚度为0.5～1.0um；氧化层的厚度为0.5～1.0um。

一种包含半导体型探头的非侵入式电压测量装置，还包括采样控制电路、信号处理电路、微处理器、数字显示器、第一采样开关和第二采样开关，其中：

采样控制电路：与第一采样开关和第二采样开关连接，通过控制第一采样开关与第二采样开关的断开和闭合，实现半导体探头的电压采样和电压采样值的输出，并将电压采样值输出给信号处理电路，同时将第一采样开关与第二采样开关断开和闭合的状态信息输出给微处理器；

信号处理电路：接收半导体探头输出的电压采样值，进行滤波、放大处理，并将处理后的模拟信号转化为数字信号，输出给微处理器；

微处理器：接收采样控制电路输出的第一采样开关与第二采样开关断开和闭合的状态信息，及接收信号处理电路输出的数字信号，并控制数字显示器显示数字信号；

数字显示器：接收微处理器输出的数字信号，并进行显示；

第一采样开关：连接半导体探头中的感应部件与采样部件，用于控制半导体探头实现电压采样；

第二采样开关：连接半导体探头中的采样部件与信号处理电路，用于控制半导体探头实现电压采样值的输出。

在上述包含半导体型探头的非侵入式电压测量装置中，采样控制电路的工作原理为：当第一采样开关闭合，第二采样开关断开时，实现半导体探头的电压采样，当第一采样开关断开，第二采样开关闭合时，停止电压采样，实现半导体探头的电压采样值的输出。

本实用新型相比现有技术具有如下有益效果：

(1)本实用新型的半导体探头采用将感应部件与采样部件集成在同一块半导体衬底上的结构设计，可以有效减小半导体探头的体积和重量，方便批量生产；

(2)本实用新型的半导体探头中的采样部件由于采用半导体制造工艺制作成的“氧化层-金属电极-绝缘层-金属电极”的平行板型电容结构，具有电极面积大、高灵敏度、大量程以及良好的线性度，适合收集感应部件产生的感应电荷，可以为后续的信号处理电路提供更好的信号输入；