[发明专利]一种基于压敏原理的梁膜结构高压静电场传感器芯片

说明书

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；