一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置的製作方法

2023-05-15 13:43:11

專利名稱：一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於非接觸檢測導體中電流大小的一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置。
背景技術：
現有電流傳感器可以測量各種類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據的工作原理主要是霍爾效應即電磁感應原理，當電流垂直於外磁場通過導體時，在導體的垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差。由於電磁式電流傳感器結構、原理的特性，使得它存在以下幾個致命的缺點:(1)存在絕緣的問題，充油的電磁式電流傳感器使用在高壓環境時，有可能發生絕緣擊穿，從而引起對地短路或者突然爆炸的危險；(2)存在磁飽和的問題，電流傳感器鐵芯在被測量電流異常增大的時候，將出現磁飽和，這嚴重影響了電流傳感器的測量準確度；(3)存在電磁幹擾的問題，在高壓環境中，電磁式電流傳感器的電流信號通過導線傳輸時將受到嚴重的電磁幹擾，影響測量準確度；(4)成本問題，電磁式電流傳感器的成本隨著被測量電流和電壓等級的增大，成指數增加。這些電磁式電流傳感器的缺點是由其基本結構造成的，是無法從根本上改變的。
發明內容本實用新型提供一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置，本實用新型通過感應被測導體內部電流所產生的磁場，測量電容大小讀出，間接測量電流大小。本實用新型的技術解決方案是:一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置，包括上、下層基底(I)、固定電極(2)、可動電極(3)、磁感應材料(4)和質量塊與梁(5)，上、下層基底(I)內腔設有固定電極(2)，上、下層基底(I)之間設有質量塊與梁(5)，所述的質量塊與梁(5)由中心質量塊與四角的X型微形梁構成，質量塊與梁(5)上設有磁感應材料(4)和可動電極(3)，上、下基底(I)鍵合連接。固定電極(2)上設有阻擋器(6)。本實用新型是一種在可變電流所激發的磁場下，微型磁感應質量塊可隨磁場力大小移動，移動大小由可變電容檢測的一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置，通過傳感器內部附著磁感應材料的集中質量塊，感應被測導體內電流所產生的磁場，由被測電流所產生的磁場力使與磁性材料質量塊所連接的微型四梁對稱結構變形，使與微型梁相連接的平板質量塊上或下移動，平板質量塊上下表面附有導電電極作為可動電容極板，在平板質量塊電極所對應的基底位置附有不可移動的固定電容極板，這樣平板質量塊的可動電極與基底的固定電極就形成了差動電容輸出器，電容的輸出大小與平板質量塊的移動幅度成線性關係，即輸出電容大小與感應的磁場力大小成線性關係，最終可由輸出的電容大小變化間接表徵被測電流的大小。本實用新型非接觸微機電電流檢測結構原理簡單，具有對稱結構，性能穩定，測量範圍寬，精度高，體積小，功耗小，可利用基本的半導體生產工藝大規模加工等特點。本實用新型可通過微機械加工技術大批量生產，成本低廉，使用壽命長。本實用新型具有結構簡單合理，體積小巧優點，線性度好。可以根據被測電流的頻率、量程，改變微型懸臂梁結構尺寸進行頻率匹配。

圖1為本實用新型的俯視結構示意圖。圖2為本實用新型的側視結構示意圖。
具體實施方式
一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置，包括上、下層基底1、固定電極2、可動電極3、磁感應材料4和質量塊與梁5，上、下層基底I內腔設有固定電極2，上、下層基底I之間設有質量塊與梁5，所述的質量塊與梁5由中心質量塊與四角的X型微形梁構成，質量塊與梁5上設有磁感應材料4和可動電極3，上、下基底I鍵合連接。本實用新型通過以下方式實施:在清洗後的矽基底I上塗覆光刻膠，通過光刻形成圖案，再通過等離子幹法刻蝕形成腔體，通過濺射工藝在基底形成固定電極2，再塗覆PSG膜作為犧牲層，利用光刻技術在PSG膜上形成圖案，採用等離子幹法刻蝕去除PSG被曝光部分，在於基底固定電極對應的位置沉積一層電極作為電容可動電極3,再沉積一層磁性材料4感應外界磁場大小，然後沉積氮化矽膜作為集中質量塊與梁5，再利用光刻在氮化矽表面形成梁結構圖案，再次通過刻蝕去除梁結構以外的氮化矽，在氮化矽另一側表面沉積同樣的磁性材料4與可動電極3，通過溼法刻蝕去除犧牲層釋放質量塊與梁5結構，然後將另外一塊帶有固定電極2的基底I與之進行鍵合連接，質量塊與梁5與矽基底I間距由PSG層的厚度決定。本實用新型的工作原理是由磁感應材料4感應由被測導體內部電流所生的磁場，產生相應大小的磁場力，使微型懸臂梁產生彎曲，同時使質量塊隨微型懸臂梁發生移動，那麼在質量塊兩側的可動電極3與基底I上的固定電極2間距離將發生變化，一側增大一側減小，形成差動電容讀出信號，該電容大小信號將與傳感器內部磁感應材料4感應的磁場力大小成線性變化，即電容大小能夠間接測量被測電流的大小。為防止磁場力過大損壞懸臂梁結構，在懸臂梁自由端固定電極2上設有阻擋器6。
權利要求1.一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置，包括上、下層基底(I)、固定電極(2)、可動電極(3)、磁感應材料(4)和質量塊與梁(5)，其特徵在於:上、下層基底(I)內腔設有固定電極(2)，上、下層基底(I)之間設有質量塊與梁(5)，所述的質量塊與梁(5)由中心質量塊與四角的X型微形梁構成，質量塊與梁(5)上設有磁感應材料(4)和可動電極(3)，上、下基底(I)鍵合連接。
2.如權利要求1所述的基於電容讀出的微機電電流傳感裝置，其特徵在於:固定電極(2)上設有阻擋器(6)。
專利摘要本實用新型涉及一種基於電容讀出的微機電電流傳感裝置，由下述部分構成上、下層基底內腔設有固定電極，上、下層基底之間設有質量塊與梁，所述的質量塊與梁由中心質量塊與四角的X型微形梁構成，質量塊與梁上設有磁感應材料和可動電極，上、下基底鍵合連接。本實用新型非接觸微機電電流檢測結構原理簡單，具有對稱結構，性能穩定，測量範圍寬，精度高，體積小，功耗小，可利用基本的半導體生產工藝大規模加工等特點。本實用新型可通過微機械加工技術大批量生產，成本低廉，使用壽命長。本實用新型具有結構簡單合理，體積小巧優點，線性度好。可以根據被測電流的頻率、量程，改變微型懸臂梁結構尺寸進行頻率匹配。
文檔編號B81B3/00GK202939208SQ201220668760
公開日2013年5月15日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者張渤, 賈澎濤 申請人:西安科技大學