能夠精確測量電場強度的新型MEMS電場傳感器

2020-11-23 電子發燒友

能夠精確測量電場強度的新型MEMS電場傳感器

工程師黃明星 發表於 2018-07-20 11:09:00

電場的精確測量，對於很多應用都非常重要，例如天氣預報、工業設備的過程控制或者是高壓電纜工作人員的安全問題等。然而從技術角度來說，精確的電場測量並非易事。

據麥姆斯諮詢報導，一支來自維也納技術大學（TU Wien）的研究團隊突破當前其它測量設備所採用的設計原理，開發了一款矽基MEMS電場測量傳感器。通過和克雷姆斯多瑙河大學（Danube University Krems）集成傳感器系統研究院的合作，這款傳感器的主要設計優勢是它不會干擾正在測量的電場。該研究成果發表於近期出版的Nature Electronics雜誌。

MEMS電場傳感器的測量原理

「目前用於測量電場強度的設備具有一些顯著的缺陷，」 TU Wien傳感器和執行器系統研究院的Andreas Kainz解釋稱，「這些設備均包含帶電部件。在測量時，這些導電金屬組件會顯著影響被測電場；如果設備需要接地以提供測量參考值，那麼這種影響會被進一步放大。」因此這種電場測量設備往往相對不太實用，並且運輸也較困難。

TU Wien開發的這款MEMS傳感器採用矽材料製造，並且基於非常簡單的原理：一個微型彈簧，以及固定在該彈簧上用於測量微米量級移動的微型網格狀矽結構。當矽結構處於一個電場中時，在矽晶上會產生一定的作用力，使彈簧發生輕微的延展或壓縮。

a. 這款MEMS電場傳感器的測量原理：一個質量塊（m）懸置於一個彈性元件（剛性k）上，而彈性元件固定於一個導電的固定框架上。當置於電場（E）中時，靜電感應會在質量塊上產生一個作用力（F es）。質量塊在這個作用力下會產生一定的位移（δx），再利用光學原理對位移進行測量；b. 該器件的剖視圖，展示了LED發射的光，可以穿過網格狀矽結構和孔洞之間的間隙，投射到下方的光電二極體上，質量塊的移動改變了不透光區域和孔洞之間的間隙，從而改變了LED發射光能夠到達光電探測器的進光量；c. 這款MEMS電場傳感器的3D視圖；d. 這款MEMS電場傳感器的掃描電鏡圖

質量塊細微的位移如何測量呢，研究人員設計了一種光學解決方案：在可動網狀矽結構的上方再設置一層網狀結構，上下兩層網狀結構的孔洞精準的排列，上層的開孔和下層的不透光區域精確對準，也就是說在下層網狀矽結構沒有發生位移時，LED光是無法穿透這兩層矽結構的。當傳感器置於一個電場中時，下層網狀矽結構在靜電力作用下發生了位移，使上下兩層網狀結構之間有了縫隙，LED光便能從縫隙中穿過到達下方的光電探測器上。通過測量進光量，利用合適的校準器件便能計算出這個電場的強度。

原型器件的精確度令人振奮

這款MEMS電場傳感器不能測量電場的方向，但能夠精確測量電場的強度，它可以測量從低頻到高達1KHz的電場強度。「利用我們的原型傳感器，可以高可靠地測量小於200伏特/米的弱電場，」 Andreas Kainz說，「這意味著我們的系統已經與現有產品的性能相當，並且，我們的傳感器更小、更簡單。此外，這款MEMS傳感器還有很大的改進空間。其它的測量方法已經是成熟的方案，我們的這款MEMS電場傳感器才剛剛設計成型。未來，它肯定還能改進的更好。」

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