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新型MEMS电场强度传感器问世 设计新颖无干扰

导读: 据麦姆斯咨询报道,一支来自维也纳技术大学(TU Wien)的研究团队突破当前其它测量设备所采用的设计原理,开发了一款硅基MEMS电场测量传感器。

电场的精确测量,对于很多应用都非常重要,例如天气预报、工业设备的过程控制或者是高压电缆工作人员的安全问题等。然而从技术角度来说,精确的电场测量并非易事。

新型MEMS电场强度传感器问世 设计新颖无干扰

据麦姆斯咨询报道,一支来自维也纳技术大学(TU Wien)的研究团队突破当前其它测量设备所采用的设计原理,开发了一款硅基MEMS电场测量传感器。通过和克雷姆斯多瑙河大学(Danube University Krems)集成传感器系统研究院的合作,这款传感器的主要设计优势是它不会干扰正在测量的电场。该研究成果发表于近期出版的Nature Electronics杂志。

MEMS电场传感器的测量原理

“目前用于测量电场强度的设备具有一些显著的缺陷,” TU Wien传感器和执行器系统研究院的Andreas Kainz解释称,“这些设备均包含带电部件。在测量时,这些导电金属组件会显著影响被测电场;如果设备需要接地以提供测量参考值,那么这种影响会被进一步放大。”因此这种电场测量设备往往相对不太实用,并且运输也较困难。

TU Wien开发的这款MEMS传感器采用硅材料制造,并且基于非常简单的原理:一个微型弹簧,以及固定在该弹簧上用于测量微米量级移动的微型网格状硅结构。当硅结构处于一个电场中时,在硅晶上会产生一定的作用力,使弹簧发生轻微的延展或压缩。

新型MEMS电场强度传感器问世 设计新颖无干扰

a. 这款MEMS电场传感器的测量原理:一个质量块(m)悬置于一个弹性元件(刚性k)上,而弹性元件固定于一个导电的固定框架上。当置于电场(E)中时,静电感应会在质量块上产生一个作用力(F es)。质量块在这个作用力下会产生一定的位移(δx),再利用光学原理对位移进行测量;b. 该器件的剖视图,展示了LED发射的光,可以穿过网格状硅结构和孔洞之间的间隙,投射到下方的光电二极管上,质量块的移动改变了不透光区域和孔洞之间的间隙,从而改变了LED发射光能够到达光电探测器的进光量;c. 这款MEMS电场传感器的3D视图;d. 这款MEMS电场传感器的扫描电镜图

质量块细微的位移如何测量呢,研究人员设计了一种光学解决方案:在可动网状硅结构的上方再设置一层网状结构,上下两层网状结构的孔洞精准的排列,上层的开孔和下层的不透光区域精确对准,也就是说在下层网状硅结构没有发生位移时,LED光是无法穿透这两层硅结构的。当传感器置于一个电场中时,下层网状硅结构在静电力作用下发生了位移,使上下两层网状结构之间有了缝隙,LED光便能从缝隙中穿过到达下方的光电探测器上。通过测量进光量,利用合适的校准器件便能计算出这个电场的强度。

原型器件的精确度令人振奋

这款MEMS电场传感器不能测量电场的方向,但能够精确测量电场的强度,它可以测量从低频到高达1KHz的电场强度。“利用我们的原型传感器,可以高可靠地测量小于200伏特/米的弱电场,” Andreas Kainz说,“这意味着我们的系统已经与现有产品的性能相当,并且,我们的传感器更小、更简单。此外,这款MEMS传感器还有很大的改进空间。其它的测量方法已经是成熟的方案,我们的这款MEMS电场传感器才刚刚设计成型。未来,它肯定还能改进的更好。”

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