[發(fā)明專利]一種平面結(jié)構(gòu)的電場傳感器及其制備方法

有效

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• 申請日: 2019-02-01
• 公開（公告）號: CN109959826B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 文玉梅;李平;卞雷祥;鄭文靜
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31227
• 代理人: 俞磊

本發(fā)明公開了一種平面結(jié)構(gòu)的電場傳感器及其制備方法，電場傳感器包括屏蔽盒，在所述屏蔽盒內(nèi)設(shè)置有不導(dǎo)電襯底和非線性介電材料，在非線性介電材料表面設(shè)置有若干叉指電極；在相鄰的叉指電極的中間位置設(shè)置有傳感電極，傳感電極通過導(dǎo)線與位于屏蔽盒外部的電荷收集器連接。其制備方法如下：1)采用絕緣材料制作不導(dǎo)電襯底，并在其表面貼合非線性介電材料；2)在所述非線性介電材料表面設(shè)置若干組叉指電極；3)在相鄰的叉指電極間設(shè)置傳感電極，采用屏蔽盒將所述的不導(dǎo)電襯底、非線性介電材料、叉指電極、傳感電極封裝，將傳感電極通過導(dǎo)線與位于屏蔽盒外部的電荷收集器連接。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電場傳感器領(lǐng)域，具體地說，特別涉及到一種平面結(jié)構(gòu)的電場傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

非線性介電材料在電場作用下發(fā)生極化，極化強度隨電場變化，極化和外加電場具有非線性關(guān)系，根據(jù)這一性質(zhì)，利用非線性介電材料可以制造電容可調(diào)的電容器，還可以實現(xiàn)電場傳感。

一般鐵電體都是非線性介電材料，其中鋯鈦酸鉛(PZT)和鈦酸鋇鍶(BST)的應(yīng)用較廣泛。以BST為例說明，優(yōu)點包括沒有疲勞退化的問題；不含鉛，符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)；介電常數(shù)可達1000到4000，且介電性能可調(diào)，介電損耗小(tanδ＜0.01)。擊穿場強高(E_b≈3kV/mm)；居里溫度T_c在-233到120℃之間可調(diào)，滿足常溫工作溫度等。

鐵電材料的高介電性質(zhì)在用于直接測量電場時存在弊端。將鐵電材料直接放置在空間電場E₀中，材料兩端產(chǎn)生異號的極化電荷，材料內(nèi)部形成與原電場方向相反的退極化場E_d，其大小與介電常數(shù)成正比，使得作用到材料內(nèi)部的電場(稱為有效場)小于甚至是遠小于E₀，因此鐵電材料特性對于空間電場的敏感度不顯著。有技術(shù)提出可增大材料的長寬比，進而減小退極化因子。但只能在一定程度上提高有效場，沒有從根本上解決問題。

現(xiàn)有技術(shù)測量電場時，采用平行板電容器，其介質(zhì)材料為鐵電材料。上極板分為左右兩部分(記為A1、A2)，兩者不相連且面積等大。上下極板施加驅(qū)動電壓V_in，則鐵電材料在驅(qū)動電壓作用下發(fā)生極化P₀，方向與上下極板間形成的電場線方向一致。設(shè)上極板總面積為A_FE，鐵電電容為C_FE，則鐵電材料的極化程度與驅(qū)動電壓的關(guān)系為V_in＝A_FEP₀/C_FE。由驅(qū)動電壓引起的極化，主要集中在A1、A2的正下方。上極板A1、A2的中間區(qū)域形成極化敏感區(qū)，在兩者中心位置形成傳感電極，并通過導(dǎo)線與電荷收集器相連。電荷收集器暴露在被測電場E_ext中，電場方向與電荷收集器表面垂直。電荷收集器上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電荷并轉(zhuǎn)移至傳感電極，傳感電極周圍形成電場，使得鐵電材料在已有極化基礎(chǔ)上產(chǎn)生極化擾動P′。設(shè)電荷收集器面積為S₁、傳感電極面積為S₂，則P′與被測電場的關(guān)系為該極化程度的大小與比值成正比。最終，鐵電材料P的極化包括兩部分，即P＝P₀+P，極化P通過后期電荷放大電路的輸出信號V_out反應(yīng)出來。其中由驅(qū)動電壓V_in產(chǎn)生的極化P₀對輸出信號的影響已知，通過濾波等方法，將由被測電場E_ext產(chǎn)生的極化擾動P′對輸出信號的影響提取出來，設(shè)V_out，建立關(guān)系V_out-E_ext，測得電場。該技術(shù)存在兩個不足之處：一是上下平板電極引起鐵電材料內(nèi)豎直方向極化，而傳感電極引起的極化集中在靠近傳感電極覆蓋區(qū)域，周圍極化較小，即傳感電極所在部分的材料原始極化程度較小；二是要檢測到由被測電場引起的介電材料極化擾動，用作電荷收集器的金屬板面積較大，不適合傳感器件的微小型化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種平面結(jié)構(gòu)的電場傳感器及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。