微机电电场传感器的测量原理

　　
       电场的精确测量对于许多应用非常重要，例如天气预报、工业设备的过程控制或高压电缆工人的安全。然而，从技术角度来看，精确的电场测量并不容易。据介绍，一个研究团队突破了其他测量设备采用的设计原则，开发了一种硅基微机电系统电场测量传感器，该传感器的主要设计优势是不会干扰被测电场。

　　微机电电场传感器的测量原理。

　　“目前，用来测量电场强度的设备有一些明显的缺陷，”图维恩传感器和执行器系统研究所的安德里亚斯坎茨解释说。“这些设备都含有带电部件。测量时，这些导电金属成分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，这种影响将进一步放大。"因此，这种电场测量设备通常相对不实用并且难以运输。

　　MEMS传感器采用硅材料制成，基于一个非常简单的原理:一个微型弹簧和固定在弹簧上的微型栅状硅结构，用于测量微小尺度的运动。当硅结构处于电场中时，会在硅晶体上产生一定的力，使弹簧稍微伸长或压缩。

　　A.这种微机电电场传感器的测量原理是:质量(m)悬挂在弹性元件(刚性k)上，弹性元件固定在导电的固定框架上。当置于电场(E)中时，静电感应会在质量上产生一个力(Fes)。质量在这个力的作用下会产生一定的位移(δx)，然后用光学原理测量位移;
        b.器件的截面图显示，LED发出的光可以通过栅状硅结构与孔之间的间隙，投射到下方的光电二极管上。质量块的运动改变了不透明区域与孔之间的间隙，从而改变了LED发出的光能够到达光电探测器的光输入量;
       C.该微机电系统电场传感器的3D视图;这个微机电系统电场传感器的扫描电镜图像。

　　如何测量质量的细微位移?研究人员设计了一种光学解决方案:在可移动的网状硅结构上方设置一层网状结构，上下两层网状结构的孔排列精确，上层开口与下层不透明区域精确对齐。也就是说，下层网状硅结构不动时，LED光无法穿透两层硅结构。当传感器置于电场中时，下网状硅结构在静电力的作用下发生位移，使得上下网状结构之间存在间隙，LED光可以通过该间隙到达下光电探测器。通过测量入射光的量，可以使用合适的校准设备来计算电场的强度。

　　原型装置的精确度令人兴奋。

　　微机电系统电场传感器不能测量电场的方向，但可以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。"安德里亚斯坎兹说:“利用我们的原型传感器，我们可以高可靠性地测量低于200伏/米的微弱电场。”这意味着我们的系统具有与现有产品相同的性能，我们的传感器更小、更简单。此外，这种微机电系统传感器还有很大的改进空间。其他的测量方法都是比较成熟的方案，我们的MEMS电场传感器刚刚设计成型。以后当然可以更好的改进。"