電場(chǎng)的精確測(cè)量，對(duì)于很多應(yīng)用都非常重要，例如天氣預(yù)報(bào)、工業(yè)設(shè)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(cè)量并非易事。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，一支來(lái)自維也納技術(shù)大學(xué)（tu wien）的研究團(tuán)隊(duì)突破當(dāng)前其它測(cè)量設(shè)備所采用的設(shè)計(jì)原理，開(kāi)發(fā)了一款硅基mems電場(chǎng)測(cè)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(tǒng)研究院的合作，這款傳感器的主要設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是它不會(huì)干擾正在測(cè)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(cè)量原理

“目前用于測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的設(shè)備具有一些顯著的缺陷，” tu wien傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)研究院的andreas kainz解釋稱(chēng)，“這些設(shè)備均包含帶電部件。在測(cè)量時(shí)，這些導(dǎo)電金屬組件會(huì)顯著影響被測(cè)電場(chǎng)；如果設(shè)備需要接地以提供測(cè)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(cè)量設(shè)備往往相對(duì)不太實(shí)用，并且運(yùn)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(cè)量微米量級(jí)移動(dòng)的微型網(wǎng)格狀硅結(jié)構(gòu)。當(dāng)硅結(jié)構(gòu)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(cè)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(dǎo)電的固定框架上。當(dāng)置于電場(chǎng)（e）中時(shí)，靜電感應(yīng)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(duì)位移進(jìn)行測(cè)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(jié)構(gòu)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(qū)域和孔洞之間的間隙，從而改變了led發(fā)射光能夠到達(dá)光電探測(cè)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(xì)微的位移如何測(cè)量呢，研究人員設(shè)計(jì)了一種光學(xué)解決方案：在可動(dòng)網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)的上方再設(shè)置一層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上下兩層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔洞精準(zhǔn)的排列，上層的開(kāi)孔和下層的不透光區(qū)域精確對(duì)準(zhǔn)，也就是說(shuō)在下層網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生位移時(shí)，led光是無(wú)法穿透這兩層硅結(jié)構(gòu)的。當(dāng)傳感器置于一個(gè)電場(chǎng)中時(shí)，下層網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)在靜電力作用下發(fā)生了位移，使上下兩層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間有了縫隙，led光便能從縫隙中穿過(guò)到達(dá)下方的光電探測(cè)器上。通過(guò)測(cè)量進(jìn)光量，利用合適的校準(zhǔn)器件便能計(jì)算出這個(gè)電場(chǎng)的強(qiáng)度。

原型器件的精確度令人振奮

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