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微機電電場傳感器的測量原理

2020-09-15 10:24:32分類:技術專題2022

  
       電場的精確測量對于許多應用非常重要,例如天氣預報、工業設備的過程控制或高壓電纜工人的安全。然而,從技術角度來看,精確的電場測量并不容易。據介紹,一個研究團隊突破了其他測量設備采用的設計原則,開發了一種硅基微機電系統電場測量傳感器,該傳感器的主要設計優勢是不會干擾被測電場。


  微機電電場傳感器的測量原理。

  “目前,用來測量電場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。“這些設備都含有帶電部件。測量時,這些導電金屬成分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,這種影響將進一步放大。"因此,這種電場測量設備通常相對不實用并且難以運輸。

  MEMS傳感器采用硅材料制成,基于一個非常簡單的原理:一個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。當硅結構處于電場中時,會在硅晶體上產生一定的力,使彈簧稍微伸長或壓縮。

  A.這種微機電電場傳感器的測量原理是:質量(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(E)中時,靜電感應會在質量上產生一個力(Fes)。質量在這個力的作用下會產生一定的位移(δx),然后用光學原理測量位移;
        b.器件的截面圖顯示,LED發出的光可以通過柵狀硅結構與孔之間的間隙,投射到下方的光電二極管上。質量塊的運動改變了不透明區域與孔之間的間隙,從而改變了LED發出的光能夠到達光電探測器的光輸入量;
       C.該微機電系統電場傳感器的3D視圖;這個微機電系統電場傳感器的掃描電鏡圖像。

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

  原型裝置的精確度令人興奮。

  微機電系統電場傳感器不能測量電場的方向,但可以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。"安德里亞斯坎茲說:“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。”這意味著我們的系統具有與現有產品相同的性能,我們的傳感器更小、更簡單。此外,這種微機電系統傳感器還有很大的改進空間。其他的測量方法都是比較成熟的方案,我們的MEMS電場傳感器剛剛設計成型。以后當然可以更好的改進。"
 

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