電場(chǎng)的精確測量，對于很多應用都非常重要，例如天氣預報、工業(yè)設備的過(guò)程控制或者是高壓電纜工作人員的安全問(wèn)題等。然而從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，精確的電場(chǎng)測量并非易事。據麥姆斯咨詢(xún)報道，一支來(lái)自維也納技術(shù)大學(xué)（TU Wien）的研究團隊突破當前其它測量設備所采用的設計原理，開(kāi)發(fā)了一款硅基MEMS電場(chǎng)測量傳感器。通過(guò)和克雷姆斯多瑙河大學(xué)（Danube University Krems）集成傳感器系統研究院的合作，這款傳感器的主要設計優(yōu)勢是它不會(huì )干擾正在測量的電場(chǎng)。該研究成果發(fā)表于近期出版的Nature Electronics雜志。MEMS電場(chǎng)傳感器的測量原理目前用于測量電場(chǎng)強度的設備具有一些顯著(zhù)的缺陷， TU Wien傳感器和執行器系統研究院的Andreas Kainz解釋稱(chēng)，這些設備均包含帶電部件。在測量時(shí)，這些導電金屬組件會(huì )顯著(zhù)影響被測電場(chǎng)；如果設備需要接地以提供測量參考值，那么這種影響會(huì )被進(jìn)一步放大。因此這種電場(chǎng)測量設備往往相對不太實(shí)用，并且運輸也較困難。TU Wien開(kāi)發(fā)的這款MEMS傳感器采用硅材料制造，并且基于非常簡(jiǎn)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(dòng)的微型網(wǎng)格狀硅結構。當硅結構處于一個(gè)電場(chǎng)中時(shí)，在硅晶上會(huì )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(chǎng)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)導電的固定框架上。當置于電場(chǎng)（E）中時(shí)，靜電感應會(huì )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(huì )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(guò)網(wǎng)格狀硅結構和孔洞之間的間隙，投射到下方的光電二極管上，質(zhì)量塊的移動(dòng)改變了不透光區域和孔洞之間的間隙，從而改變了LED發(fā)射光能夠到達光電探測器的進(jìn)光量；c. 這款MEMS電場(chǎng)傳感器的3D視圖；d. 這款MEMS電場(chǎng)傳感器的掃描電鏡圖質(zhì)量塊細微的位移如何測量呢，研究人員設計了一種光學(xué)解決方案：在可動(dòng)網(wǎng)狀硅結構的上方再設置一層網(wǎng)狀結構，上下兩層網(wǎng)狀結構的孔洞精準的排列，上層的開(kāi)孔和下層的不透光區域精確對準，也就是說(shuō)在下層網(wǎng)狀硅結構沒(méi)有發(fā)生位移時(shí)，LED光是無(wú)法穿透這兩層硅結構的。當傳感器置于一個(gè)電場(chǎng)中時(shí)，下層網(wǎng)狀硅結構在靜電力作用下發(fā)生了位移，使上下兩層網(wǎng)狀結構之間有了縫隙，LED光便能從縫隙中穿過(guò)到達下方的光電探測器上。通過(guò)測量進(jìn)光量，利用合適的校準器件便能計算出這個(gè)電場(chǎng)的強度。原型器件的精確度令人振奮這款MEMS電場(chǎng)傳感器不能測量電場(chǎng)的方向，但能夠精確測量電場(chǎng)的強度，它可以測量從低頻到高達1KHz的電場(chǎng)強度。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(chǎng)， Andreas Kainz說(shuō)，這意味著(zhù)我們的系統已經(jīng)與現有產(chǎn)品的性能相當，并且，我們的傳感器更小、更簡(jiǎn)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(chǎng)傳感器才剛剛設計成型。未來(lái)，它肯定還能改進(jìn)的更好。
