一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113640591A(43)申请公布日2021.11.12(21)申请号202111043968.9(22)申请日2021.09.07(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区清华园(72)发明人何金良韩志飞胡军张波(74)专利代理机构北京众合诚成知识产权代理有限公司11246代理人张文宝(51)Int.Cl.G01R29/12(2006.01)G01R27/26(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件(57)摘要一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可自由振动的压电薄膜，压电薄膜两侧附着电极，电极两侧设绝缘层，绝缘层和电极间留有空隙，下导电层附着在绝缘层远离压电薄膜的一侧，电极两侧的两端分别形成有绝缘支撑结构，压电薄膜、电极、绝缘层、绝缘支撑结构、下导电层形成空腔；在压电薄膜两侧的相同端的绝缘支撑结构中引出有导电柱，导电柱与电极相连；压电薄膜的两侧结构以压电薄膜对称分布，形成两个电容，两个电容形成并联结构；下导电层和导电柱分别与外部电容测量设备连接，用于对电容进行测量。本发明的器件，体积小、制造成本低，具有良好的线性度和较高的灵敏度，能够满足电网及设备内部的电场测量需求。CN113640591ACN113640591A权利要求书1/1页1.一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，包括沿水平方向放置的可以自由振动的压电薄膜，所述压电薄膜两侧附着电极，所述电极两侧设有绝缘层，所述绝缘层和所述电极之间留有空隙，下导电层附着在所述绝缘层远离所述压电薄膜的一侧，所述电极的两侧的两端分别形成有绝缘支撑结构，所述压电薄膜、电极、绝缘层、绝缘支撑结构、下导电层形成空腔；在所述压电薄膜两侧的相同端的所述绝缘支撑结构中引出有导电柱，所述导电柱与所述电极相连；所述压电薄膜的两侧结构以所述压电薄膜对称分布，形成两个电容，两个电容形成并联结构；所述下导电层和导电柱分别与外部电容测量设备连接，用于对电容进行测量。2.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述压电薄膜采用介电常数较小，压电系数d31和d32较大的压电材料。3.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述压电薄膜由两层极化方向相反的压电膜组成。4.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述压电薄膜厚度取1微米至30微米，长宽尺寸取100微米至毫米量级。5.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述电极为金属材料。6.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述下导电层采用高掺杂的低电阻率硅材料。7.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述绝缘层为氧化硅。8.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述空腔采用密封结构。9.根据权利要求1或7所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述空腔内可填充绝缘介质。10.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件，其特征在于，所述空隙高度取1um‑20um。2CN113640591A说明书1/4页一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件技术领域[0001]本发明涉及电场测量领域，特别是一种基于压电薄膜形变的差动式微型电场传感器件。背景技术[0002]泛在电力物联网的核心是构建一个与能源网络相配套的信息网络，在信息层面实现对能源网络的管理与控制。泛在电力物联网的构建能够实现能源网络的智能化、坚强化，提升能源网络的稳定性与经济性。传感器是构建信息网络的关键组成部分，通过各类传感器构成的传感节点，人们可以实现对不同物理量的实时感知，从而实现网络与设备信息的动态监测。[0003]在诸多物理量中，电场是电力网络中重要的物理量。一方面电场测量可以用于电网电磁环境监测、近电警告、雷电预警等应用，同时在航天发射、石油化工等领域也有广泛应用。另一方面，通过电场测量进行电压反演则可以实现电压的非侵入式测量。电压信号的指纹信息中包含大量信息，能够反映电网的运行状态，同时实现故障预测和故障诊断，对于电网安全性具有重要意义。[0004]传统的电场测量设备，如场磨，体积大、精度低，无法实现高性能的电场测量。微型电场传感器是一类基于微加工工艺制备的传感器，这类传感器往往成本低、分辨率高、体积小，适用于批量生产和广域布置，能够实现信息的广域监测。目前，较为成熟的电场传感器是基