微機電電場(chǎng)傳感器的測量原理

　　
       電場(chǎng)的精確測量對于許多應用非常重要，例如天氣預報、工業(yè)設備的過(guò)程控制或高壓電纜工人的安全。然而，從技術(shù)角度來(lái)看，精確的電場(chǎng)測量并不容易。據介紹，一個(gè)研究團隊突破了其他測量設備采用的設計原則，開(kāi)發(fā)了一種硅基微機電系統電場(chǎng)測量傳感器，該傳感器的主要設計優(yōu)勢是不會(huì )干擾被測電場(chǎng)。

　　微機電電場(chǎng)傳感器的測量原理。

　　“目前，用來(lái)測量電場(chǎng)強度的設備有一些明顯的缺陷，”圖維恩傳感器和執行器系統研究所的安德里亞斯坎茨解釋說(shuō)。“這些設備都含有帶電部件。測量時(shí)，這些導電金屬成分會(huì )顯著(zhù)影響被測電場(chǎng);如果設備需要接地以提供測量參考值，這種影響將進(jìn)一步放大。"因此，這種電場(chǎng)測量設備通常相對不實(shí)用并且難以運輸。

　　MEMS傳感器采用硅材料制成，基于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的原理:一個(gè)微型彈簧和固定在彈簧上的微型柵狀硅結構，用于測量微小尺度的運動(dòng)。當硅結構處于電場(chǎng)中時(shí)，會(huì )在硅晶體上產(chǎn)生一定的力，使彈簧稍微伸長(cháng)或壓縮。

　　A.這種微機電電場(chǎng)傳感器的測量原理是:質(zhì)量(m)懸掛在彈性元件(剛性k)上，彈性元件固定在導電的固定框架上。當置于電場(chǎng)(E)中時(shí)，靜電感應會(huì )在質(zhì)量上產(chǎn)生一個(gè)力(Fes)。質(zhì)量在這個(gè)力的作用下會(huì )產(chǎn)生一定的位移(δx)，然后用光學(xué)原理測量位移;
        b.器件的截面圖顯示，LED發(fā)出的光可以通過(guò)柵狀硅結構與孔之間的間隙，投射到下方的光電二極管上。質(zhì)量塊的運動(dòng)改變了不透明區域與孔之間的間隙，從而改變了LED發(fā)出的光能夠到達光電探測器的光輸入量;
       C.該微機電系統電場(chǎng)傳感器的3D視圖;這個(gè)微機電系統電場(chǎng)傳感器的掃描電鏡圖像。

　　如何測量質(zhì)量的細微位移?研究人員設計了一種光學(xué)解決方案:在可移動(dòng)的網(wǎng)狀硅結構上方設置一層網(wǎng)狀結構，上下兩層網(wǎng)狀結構的孔排列精確，上層開(kāi)口與下層不透明區域精確對齊。也就是說(shuō)，下層網(wǎng)狀硅結構不動(dòng)時(shí)，LED光無(wú)法穿透兩層硅結構。當傳感器置于電場(chǎng)中時(shí)，下網(wǎng)狀硅結構在靜電力的作用下發(fā)生位移，使得上下網(wǎng)狀結構之間存在間隙，LED光可以通過(guò)該間隙到達下光電探測器。通過(guò)測量入射光的量，可以使用合適的校準設備來(lái)計算電場(chǎng)的強度。

　　原型裝置的精確度令人興奮。

　　微機電系統電場(chǎng)傳感器不能測量電場(chǎng)的方向，但可以精確測量電場(chǎng)的強度。它可以測量從低頻到高達1KHz的電場(chǎng)強度。"安德里亞斯坎茲說(shuō):“利用我們的原型傳感器，我們可以高可靠性地測量低于200伏/米的微弱電場(chǎng)。”這意味著(zhù)我們的系統具有與現有產(chǎn)品相同的性能，我們的傳感器更小、更簡(jiǎn)單。此外，這種微機電系統傳感器還有很大的改進(jìn)空間。其他的測量方法都是比較成熟的方案，我們的MEMS電場(chǎng)傳感器剛剛設計成型。以后當然可以更好的改進(jìn)。"