TU Wien开发一款硅基MEMS电场测量传感器 其优势是干扰正在测量的电场

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。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。

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。