基于压电驱动的扭转式高灵敏度MEMS电场传感器设计与研究

电场不仅是设备上重要的监测对象,也是网络节点和线路上重要的状态量,其在输电线路电磁环境监测中、电压反演测量,非接触式验电!和绝缘子缺陷检测!等多个电力场景有重要应用。目前传统电场传感器存在功耗高、体积大、分辨率和灵敏度低等缺点,难以批量生产,无法满足电力物联网和智能电网的发展要求,不适用电网多场景大范围布置电场监测节点。得益于微机电系统(mi-cro-electro-mechanical system,MEMS)技术和微纳制造技术等技术的发展,使得电场传感器的微型化成为可能!。MEMS 电场传感器具有体积小、功耗低、精度高、可批量生产等优点,适合电网大规模部署和全面信息感知需求。研制新型 MEMS 电场传感器是对电网信息全面、精准感知的支撑,具有重要的工程应用价值目前基于 MEMS 技术的微型电场传感器根据测量原理分为基于新型耦合测量原理MEMS电场传感器和场磨式 MEMS 电场传感器。

其中前者的测量原理尚不成熟,而后者可满足交直流电场测量且测量性能方面优异!。目前场磨式MEMS电场传感器工艺成熟度较高,其在现场测量的可靠性已经得到验证。场磨式MEMS电场传感器目前场磨式MEMS电场传感器根据驱动方式有静电驱动、热驱动和压电驱动。在这3种驱动方式基础上结合遮挡感应结构!侧壁感应结构!和离面振动等不同敏感结构,衍生出多种性能参数各异的场磨式MEMS电场传感器。Wiieweer等研发一种基于热驱动的MEMS电场传感器该MEMS电场传感器采用鱼骨状热动结构,虽然驱动电压和功耗较小但是温度稳定较差。Ghionea等基于 LIGA 工艺研制了一种压电驱动式 MEMS电场传感器,该传感器存在制备工艺难度大和灵敏度和分辨率较低的问题。学者们针对MEMS电场传感器方面开展了大量研究。Chu 等提出一种基于静电驱动扭转式MEMS电场传感器,传感器的灵敏度可达到4.82 mV/(kV/m)。这需要键合工艺制备难度大,且采用静电驱动方式存在驱动电压大和精度低的问题。

现有MEMS电场传感器的灵敏度和分辨率等性能参数等普遍较低。其中灵敏度指标作为电场传感器的重要指标之一,提高电场传感器的灵敏度对实现电网电压反演测量和设备诊断等应用场景具有重要意义。并且与静电驱动和热驱动方式相比,压电驱动具有驱动电压小、抗干扰能力强等优点。压电驱动方式虽然相比前者更具优势,但是该方式下高灵敏度 MEMS 敏感结构还需进一步研究。

针对以上问题,设计基于压电驱动的扭转式MEMS电场传感器,该传感器具有振幅大,驱动电压小和灵敏度高等优势。首先建立场磨式MEMS电场传感器的调制测量模型,分析场磨式MEMS电场传感器电场测量机制。接着从感应结构和驱动结构两方面分析了现有的结构的不足,提出基于压电驱动的扭转式MEMS电场传感器结构。通过仿真软件建立该结构的固体力学-静电耦合模型,计算敏感结构的谐振率和振动幅值。通过参数扫描方式优化了敏感结构的关键几何参数,提出敏感结构最佳结构参数设计方案并最终完成了传感器的测试。

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