電場的精確測量，對于很多應(yīng)用都非常重要，例如天氣預(yù)報(bào)、工業(yè)設(shè)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(shù)角度來說，精確的電場測量并非易事。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，一支來自維也納技術(shù)大學(xué)（TU Wien）的研究團(tuán)隊(duì)突破當(dāng)前其它測量設(shè)備所采用的設(shè)計(jì)原理，開發(fā)了一款硅基MEMS電場測量傳感器。通過和克雷姆斯多瑙河大學(xué)（Danube University Krems）集成傳感器系統(tǒng)研究院的合作，這款傳感器的主要設(shè)計(jì)優(yōu)勢是它不會干擾正在測量的電場。該研究成果發(fā)表于近期出版的Nature Electronics雜志。
MEMS電場傳感器的測量原理
“目前用于測量電場強(qiáng)度的設(shè)備具有一些顯著的缺陷，” TU Wien傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)研究院的Andreas Kainz解釋稱，“這些設(shè)備均包含帶電部件。在測量時(shí)，這些導(dǎo)電金屬組件會顯著影響被測電場；如果設(shè)備需要接地以提供測量參考值，那么這種影響會被進(jìn)一步放大。”因此這種電場測量設(shè)備往往相對不太實(shí)用，并且運(yùn)輸也較困難。
TU Wien開發(fā)的這款MEMS傳感器采用硅材料制造，并且基于非常簡單的原理：一個(gè)微型彈簧，以及固定在該彈簧上用于測量微米量級移動的微型網(wǎng)格狀硅結(jié)構(gòu)。當(dāng)硅結(jié)構(gòu)處于一個(gè)電場中時(shí)，在硅晶上會產(chǎn)生一定的作用力，使彈簧發(fā)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(gè)質(zhì)量塊（m）懸置于一個(gè)彈性元件（剛性k）上，而彈性元件固定于一個(gè)導(dǎo)電的固定框架上。當(dāng)置于電場（E）中時(shí)，靜電感應(yīng)會在質(zhì)量塊上產(chǎn)生一個(gè)作用力（F es）。質(zhì)量塊在這個(gè)作用力下會產(chǎn)生一定的位移（δx），再利用光學(xué)原理對位移進(jìn)行測量；b. 該器件的剖視圖，展示了LED發(fā)射的光，可以穿過網(wǎng)格狀硅結(jié)構(gòu)和孔洞之間的間隙，投射到下方的光電二極管上，質(zhì)量塊的移動改變了不透光區(qū)域和孔洞之間的間隙，從而改變了LED發(fā)射光能夠到達(dá)光電探測器的進(jìn)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(zhì)量塊細(xì)微的位移如何測量呢，研究人員設(shè)計(jì)了一種光學(xué)解決方案：在可動網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)的上方再設(shè)置一層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上下兩層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔洞精準(zhǔn)的排列，上層的開孔和下層的不透光區(qū)域精確對準(zhǔn)，也就是說在下層網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生位移時(shí)，LED光是無法穿透這兩層硅結(jié)構(gòu)的。當(dāng)傳感器置于一個(gè)電場中時(shí)，下層網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)在靜電力作用下發(fā)生了位移，使上下兩層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間有了縫隙，LED光便能從縫隙中穿過到達(dá)下方的光電探測器上。通過測量進(jìn)光量，利用合適的校準(zhǔn)器件便能計(jì)算出這個(gè)電場的強(qiáng)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(qiáng)度，它可以測量從低頻到高達(dá)1KHz的電場強(qiáng)度。“利用我們的原型傳感器，可以高可靠地測量小于200伏特/米的弱電場，” Andreas Kainz說，“這意味著我們的系統(tǒng)已經(jīng)與現(xiàn)有產(chǎn)品的性能相當(dāng)，并且，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(jìn)空間。其它的測量方法已經(jīng)是成熟的方案，我們的這款MEMS電場傳感器才剛剛設(shè)計(jì)成型。未來，它肯定還能改進(jìn)的更好。”
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