基于三維感應(yīng)線圈的新型MEMS電流傳感器*

李 斌， 彭春榮， 凌必赟， 儲昭志， 張洲威， 夏善紅

( 1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190； 2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

目前，智能電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，已成為全球能源發(fā)展和變革中的重大研究課題。在電力系統(tǒng)中，各類電信號的量測技術(shù)及其傳感器是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)監(jiān)測、控制、分析和決策的基礎(chǔ)。電流信號量測的準(zhǔn)確性和可靠性是電能計量和繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)監(jiān)測診斷與故障分析、控制分析和決策中的關(guān)鍵技術(shù)[1～6]。配電網(wǎng)作為電力網(wǎng)中起重要分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)，是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施。在配電網(wǎng)中，傳統(tǒng)的電磁式互感器[7～9]測量范圍較小，當(dāng)被用于測量較大的電流時易出現(xiàn)磁芯磁飽和現(xiàn)象,此外該類互感器體積大、質(zhì)量重、安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高，在變電站和用戶終端間的架空線路中難以覆蓋使用。因此，為了實(shí)現(xiàn)電流傳感器在配電網(wǎng)中的覆蓋使用，電流傳感器的小型化、低成本、性能可靠和易安裝維護(hù)的研究顯得至關(guān)重要。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和測量原理不同電流傳感器可分為磁阻電流傳感器、霍爾電流傳感器、磁通門電流傳感器和感應(yīng)線圈電流傳感器等。這些電流傳感器均通過測量電流源周圍的磁場進(jìn)而確定被測電流的大小，其中，感應(yīng)線圈憑借其線性度好、無源測量、結(jié)構(gòu)簡單、成本低和能耗低的優(yōu)勢成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[10,11]。與傳統(tǒng)的傳感器相比，微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)傳感器具有測量精度高、體積小、重量輕、功耗低、成本低廉、有利于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。2012年，Chen Y C等人[12～14]基于平面感應(yīng)線圈，利用微加工工藝，在柔性襯底上生成了一種用于家用電線信號檢測的MEMS電流傳感器，不過由于架空線路(單線)附近的磁場分布和家用電線(雙線)的磁場分布有很大不同，平面感應(yīng)線圈無法應(yīng)用于配電網(wǎng)中。

本文針對配電網(wǎng)輸電線路，基于三維感應(yīng)線圈，提出了一種新型MEMS電流傳感器。該傳感器以玻璃為襯底，以聚酰亞胺為其線圈的支撐和絕緣結(jié)構(gòu)，通過濺射、光刻、電鍍、拋光等微加工工藝在襯底上制作出三維線圈。該傳感器具有功耗低，線性度好、質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可通過U型裝置固定在被測導(dǎo)線周圍，安裝方便。

1 傳感器設(shè)計

設(shè)計的新型MEMS電流傳感器如圖1所示，由三維感應(yīng)線圈、焊盤、支撐層和玻璃襯底組成，其中，三維感應(yīng)線圈和焊盤通過濺射、光刻、電鍍、拋光等微加工工藝生成在玻璃襯底上。傳感器利用聚酰亞胺作為支撐和絕緣層，性能穩(wěn)定可靠。傳感器可通過U型裝置安裝在傳輸導(dǎo)線的周圍，U型裝置的高低可以調(diào)節(jié)傳感器與被測導(dǎo)線間的距離，操作簡單方便。

圖1 電流傳感器結(jié)構(gòu)示意

MEMS電流傳感器工作原理圖如圖2所示，通過檢測三維感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電動勢，反推出傳輸導(dǎo)線中的電流大小。

圖2 電流傳感器工作原理

(1)

式中Vin為感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電壓，Φ為通過感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量，μ0為真空磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，A為線圈截面積。從式(1)可以看出，通過增加三維感應(yīng)線圈中線圈匝數(shù)、截面積以及減小三維感應(yīng)線圈與傳輸導(dǎo)線間的距離可提高傳感器的靈敏度。本文設(shè)計電流傳感器中線圈匝數(shù)為120，線圈寬度和間距都為50 μm，線圈截面積為10 mm×0.1 mm，整個傳感器在大小為1.5 cm×1.5 cm的玻璃襯底上的上表面生成。

圖3 單相輸電線路周圍磁場隨距離變化

2 傳感器制作工藝

電流傳感器的制作流程圖如圖4所示，具體的工藝流程為：a.清洗玻璃襯底；b.在襯底正表面濺射厚度為50 nm/200 nm的 Cr/Cu種子層；c.在種子層表面甩一層約5 μm厚的正膠AZ4620，經(jīng)烘膠、曝光、顯影，得到底層感應(yīng)線圈的模子；d.利用電鍍工藝電鍍厚度5 μm左右的銅，通過浸泡丙酮將光刻膠去掉，得到底層感應(yīng)線圈；e.在底層感應(yīng)線圈表面再甩一層30 μm的正膠AZ4903，然后烘膠、曝光、顯影；f.利用電鍍工藝在底層感應(yīng)線圈的兩端電鍍約30 μm的銅；g.借助丙酮去掉光刻膠，用干法刻蝕掉種子層，形成感應(yīng)線圈的引腳層；h.甩聚酰亞胺，固化，使其高度高于感應(yīng)線圈的引腳層；i.利用不同型號(由低到高)的砂紙對聚酰亞胺進(jìn)行拋光，看到引腳層出現(xiàn)后再進(jìn)行機(jī)械拋光，使其表面平整；j.和制作底層線圈類似，濺射厚度為50 nm/200 nm的Cr/Cu種子層，進(jìn)行最后一次甩膠(5 μm的正膠AZ4620)、烘膠、曝光、顯影；k.利用電鍍工藝在種子層電鍍厚度為5 μm的金屬銅；l.通過丙酮去掉光刻膠，利用干法刻蝕掉種子層，形成頂層感應(yīng)線圈，最終得到新型MEMS電流傳感器，該傳感器工藝簡單且成本低廉，可批量化生產(chǎn)，與IC工藝相兼容。

圖4 MEMS電流傳感器制作工藝流程

圖5為研制的MEMS電流傳感器的實(shí)物圖，大小為1.5 cm×1.5 cm，兩個焊盤間的電阻值為280 Ω。

圖5 MEMS電流傳感器實(shí)物

3 傳感器性能測試

通過理論計算可知，該電流傳感器兩端的輸出信號為微伏(μV)級，且被測信號為工頻信號，噪聲干擾較大，信號檢測前需要對其進(jìn)行放大、濾波處理。本文設(shè)計的硬件電路框圖如圖6所示，首先采用低噪聲的差分放大芯片AD620對信號進(jìn)行一級放大處理，然后借助運(yùn)放AD8626進(jìn)行二級放大，同時進(jìn)行二階低通濾波處理，最后通過示波器對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖6 硬件電路框圖

本文實(shí)驗(yàn)測試的系統(tǒng)框圖如圖7所示，將傳感器固定在被測導(dǎo)線表面，傳感器兩端的輸出信號經(jīng)過硬件電路處理后，通過示波器顯示出來。其中,本實(shí)驗(yàn)選用日本YOKOGAWA公司生產(chǎn)的2558A高精度電源作為電流源；示波器為美國Agilent公司生產(chǎn)的MS09104A型示波器。

圖7 系統(tǒng)測試框圖

由圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:在距離固定的情況下，電流傳感器兩端輸出的電壓信號與傳輸線路中的電流成線性關(guān)系，線性度為0.58 %。當(dāng)被測電流為60 A時，測試系統(tǒng)的輸出信號為563 mV。該傳感器采用空心感應(yīng)線圈，不存在磁飽和現(xiàn)象，因此可以用于測試電流值更大的信號。

圖8 MEMS電流傳感器輸出電壓與導(dǎo)線電流關(guān)系

4 結(jié) 論

基于三維感應(yīng)線圈，研制了一種面向配電網(wǎng)應(yīng)用的新型MEMS電流傳感器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：電流傳感器兩端輸出的電壓信號與傳輸線路中的電流成線性關(guān)系，其線性度為0.56 %。接下來將在電網(wǎng)合作單位對傳感器進(jìn)行大電流性能測試。實(shí)際應(yīng)用時，考慮到電壓測量安全距離，該傳感器的輸出信號可通過無線傳輸模塊傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行處理。