電場的精確測量對于許多應(yīng)用非常重要，例如天氣預(yù)報、工業(yè)設(shè)備的過程控制或高壓電纜工人的安全。然而，從技術(shù)角度來看，精確的電場測量并不容易。據(jù)介紹，一個研究團隊突破了其他測量設(shè)備采用的設(shè)計原則，開發(fā)了一種硅基微機電系統(tǒng)電場測量傳感器，該傳感器的主要設(shè)計優(yōu)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(shè)備有一些明顯的缺陷，”圖維恩傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)研究所的安德里亞斯坎茨解釋說。“這些設(shè)備都含有帶電部件。測量時，這些導(dǎo)電金屬成分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，這種影響將進一步放大。"因此，這種電場測量設(shè)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(jié)構(gòu)，用于測量微小尺度的運動。當硅結(jié)構(gòu)處于電場中時，會在硅晶體上產(chǎn)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(zhì)量(m)懸掛在彈性元件(剛性k)上，彈性元件固定在導(dǎo)電的固定框架上。當置于電場(E)中時，靜電感應(yīng)會在質(zhì)量上產(chǎn)生一個力(Fes)。質(zhì)量在這個力的作用下會產(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)出的光可以通過柵狀硅結(jié)構(gòu)與孔之間的間隙，投射到下方的光電二極管上。質(zhì)量塊的運動改變了不透明區(qū)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(tǒng)電場傳感器的3D視圖;這個微機電系統(tǒng)電場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(shè)計了一種光學(xué)解決方案:在可移動的網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)上方設(shè)置一層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上下兩層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔排列精確，上層開口與下層不透明區(qū)域精確對齊。也就是說，下層網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)不動時，LED光無法穿透兩層硅結(jié)構(gòu)。當傳感器置于電場中時，下網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)在靜電力的作用下發(fā)生位移，使得上下網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(shè)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(tǒng)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(tǒng)具有與現(xiàn)有產(chǎn)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(tǒng)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(shè)計成型。以后當然可以更好的改進。"