[发明专利]一种电场力驱动的悬臂式微型电场传感器

说明书

本发明公开了属于电场传感技术领域的一种电场力驱动的悬臂式微型电场传感器。该传感器包括固定区域、悬臂、金属电极、空腔、压阻材料和打线区域；其中，悬臂的一端固定在固定区域上，另一端设置金属电极；悬臂的周围设置空腔以保证悬臂自由振动；固定区域与悬臂的连接处设置压阻材料，压阻材料通过打线区域与外界测试单元连接；所述打线区域设置在固定区域上，通过金属线与金属电极和压阻材料相连。本发明所设计的传感器具有体积小、成本低、易于批量生产的优点，同时分辨率高、灵敏度高、线性度高、测量范围广、频率响应好。

技术领域

本发明涉及电场传感技术领域，尤其涉及一种电场力驱动的悬臂式微型电场传感器。

背景技术

随着智能电网和能源互联网的发展，对能源系统进行智能监测成为一项至关重要的技术。对于电力系统，通过对电压、电流等物理量的监测可以实现系统的状态监测与故障诊断。目前，对高电压的测量一般使用互感器进行，这种设备体积大、成本高、维护困难，无法满足大规模监测的需求，只能用于变电站母线等关键节点。根据高斯原理，通过测量三个点的电场值可以反演出一点的电压值。因此，可以通过电场传感器实现对电压的非接触式测量，从而增加传感节点数量，减小传感器以及绝缘结构成本。

除了用于电力系统电压测量，电场传感器还在其它领域有广泛应用。通过将电场传感器布置在电气设备内部，如绝缘子、变压器等，可以实现设备的故障定位和状态监测。通过在电力工人工作服上设置电场传感器，可以用于工人的近电预警，提升工作环境的安全性。电场传感器还可以用于大气电场的测量，从而用于气象预报、雷电预警、航天发射窗口选择等。

目前，较为成熟的微型电场传感器包括基于光电效应的光学电场传感器和基于微机电系统的MEMS电场传感器。其中，光学传感器往往成本高、光学模块体积大、温度稳定性低，不适用于传感器的大规模布置。MEMS电场传感器则功耗较高，频带较窄。因此，需要设计一种低成本、高分辨率、宽频带的电场传感器，用于电力系统以及其它领域的电场测量。

本发明提出一种由电场力驱动的，小体积、低成本、高性能的，能够同时应用于交流电场和直流电场测量的悬臂式微型电场传感器。

发明内容

本发明的目的是提出一种电场力驱动的悬臂式微型电场传感器，其特征在于，所述传感器包括固定区域、悬臂、金属电极、空腔、压阻材料和打线区域；

其中，悬臂的一端固定在固定区域上，另一端设置金属电极；悬臂的周围设置空腔以保证悬臂自由振动；固定区域与悬臂的连接处设置压阻材料，压阻材料通过打线区域与外界测试单元连接；所述打线区域设置在固定区域上，通过金属线与金属电极和压阻材料相连。

所述固定区域采用基于硅片的微加工工艺制备，呈中空结构；固定区域的尺寸在1毫米至10毫米之间。

所述悬臂为长方形薄膜结构，数量为4条，在固定区域内呈十字交叉的中心对称设置；悬臂的厚度为5微米至50微米。

所述金属电极接地或接特定电压偏置。

所述金属电极接特定电压偏置时分为以下两种情况：当进行直流电场测量时，金属电极接交流电压偏置；当进行交流电场测量时，金属电极接直流电压偏置。

所述压阻材料为弯折条状结构，数量为4块，分别由金属线连接形成四桥臂惠斯通桥结构。

所述压阻材料通过对半导体材料进行离子掺杂及退火得到，且压阻材料的界面深度小于悬臂的厚度。

所述打线区域引出惠斯通桥的输入输出端口及金属电极，与后端电路相连接；所述后端电路由两级放大电路组成，分别为差分放大电路和锁相放大电路。

所述锁相放大电路的参考频率为电场频率的两倍。

本发明的有益效果在于：