[发明专利]一种MEMS空间电场强度传感器及测量系统及方法

权利要求书

1.一种MEMS空间电场强度传感器，包括MEMS芯片(3)，其特征在于：在MEMS芯片(3)内设置两组旋转式的第一静电场微电机(1)和第二静电场微电机(2)，所述的第一静电场微电机(1)是对其两块极板间施加电压后，保证载荷会产生静电力的主动驱动电机，所述第二静电场微电机(2)是两平行极板间不施加电压，且当主动驱动电机工作时能够被驱动而旋转的被动驱动电机，所述被动驱动电机包括一组开有一孔以上的金属叶片构成的转子(4)以及与转子(4)结构相同的定子(5)，且所述定子(5)上的金属片是当金属片暴露在外面时能够获取空间中电场量的感应片，且所述转子(4)与定子(5)配合后保证感应片分时段屏蔽电场，保证空气中的静电场在不断地屏蔽、暴露过程中产生不同的电荷量，最终形成交变信号，通过检测该交变信号来作为传感器检测空间电场强度的信号值。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS空间电场强度传感器，其特征在于：所述第二静电场微电机(2)的轴承与第一静电场微电机(1)的轴承为同一个。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS空间电场强度传感器，其特征在于：所述交变信号的频率取决于电机的转速和金属叶片开孔的多少，转速越高、开孔越多，频率就越高，而频率越高，则测量静电场的效率就越高。

4.一种空间电场强度测量系统，包括用于获取1-3中任意一项权利要求所述的一种MEMS空间电场强度传感器检测获得的两组交变信号，其特征在于：还包括以下电路：

对每一组交变信号进行过滤，将不需要的交流信号进行去除的滤波电路(6)；

对每一组滤波电路(6)处理后的信号进行消除噪声影响，留下特定频率实现选频放大的选频放大电路(7)；所述特定频率是预设要求的频率大小值；

对两组选频放大电路(7)处理后的信号进行差分输出的运算放大器(8)；

对差分输出后的信号进行二级放大的二级放大器(9)；

对二级放大器(9)的输出信号进行同步整流判断出电场的正负极性的同步整流电路(10)；

对同步整流电路(10)的信号进行过滤的低通滤波器(11)；

对低通滤波器(11)的信号进行信号输出的信号输出器(12)。

5.根据权利要求4所述的一种空间电场强度测量系统，其特征在于：在所述二级放大器(9)和低通滤波器(11)之间设有对检测量程进行自动调节的量程调节器(13)。

6.一种空间电场强度测量系统的检测方法，其特征在于具体包括以下步骤：

A)将被动驱动电机处在空间电场E中，并将被动驱动电机的定子(5)上的金属片相互连接在一起构成感应片；将被动驱动电机的转子(4)上的金属片连接在一起构成动片；且所述动片一端与接地端连接；

B)主动驱动电机旋转时驱动被动驱动电机的转子(4)旋转，使被动驱动电机的定子(5)的感应片交替地暴露在电场中或被动片构成的接地屏蔽片所遮挡的位置，此时被动驱动电机上的定子(5)上的感应电荷Q(t)为时间函数，其值与外界电场强度E成正比；具体公式如下：

Q(t)＝ε₀EA(t)

(1-1)

式中：ε₀为自由空间介电常数，一般取ε₀＝8.754PF/m；A(t)为定子(5)表面有效截面积，即为定子(5)暴露在空间电场E中的有效截面积，A(t)为第一静电场微电机(1)的旋转速度ω的时间函数；E的方向指向转子(4)时为正，电场的极性是采用同步检波的方式来区别的；

C)然后根据分析计算，本空间电场强度测量用传感器在周期为2T期间内，即动片完全屏蔽定片的那一瞬间开始旋转到定片完全暴露，再旋转到动片完全屏蔽定片的那一瞬间为止的两个输出电压，公式如下：

公式(1-2)是0<t<T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

公式(1-3)是T<t<2T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

D)然后获取在被动驱动电机的定子(5)完全暴露的一瞬间，即t＝T时，本空间电场强度测量用传感器输出的等效电压幅度V_n为

式中：I为本空间电场强度测量用传感器输出的电流幅度；K为无量纲常数；R、C视为运算放大器(8)的反馈电阻和电容；

其中：

式中：r₁、r₂分别为定子(5)和转子(4)的内、外半径；f₀和T＝1/f₀分别为电机的旋转频率和旋转周期；

E)最后通过上述公式(1-1)-公式(1-6)计算出空间电场强度E的值。