一種新型微加工交直流電場傳感器設計

朱 莎，曾 晗，王師奇，付震東

(1.國家電網(wǎng)江西電力有限公司檢修分公司，江西南昌 330096；2.華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西南昌 330013)

0 引言

隨著混合交直流網(wǎng)絡應用越來越廣泛，社會對直流網(wǎng)絡和混合直流/交流網(wǎng)絡的關注度越來越高。直流網(wǎng)絡有利于電網(wǎng)的互聯(lián)，高壓直流輸電有利于遠距離輸電[1]，光伏發(fā)電和電池存儲等直流電源應用數(shù)量增加，在交直流電壓轉換過程中損耗較大等一系列因素推動了交直流混合網(wǎng)絡的發(fā)展。因此，開發(fā)交直流電場傳感器對于推動混合直流/交流網(wǎng)絡發(fā)展非常有意義，有利于高壓直流輸電附近的環(huán)境監(jiān)測[2]，還可以提高高壓直流輸電和控制系統(tǒng)中遠程測量電壓的精度[3-4]。

直流電場傳感器大部分是基于3種機制:感應探針、光傳感器和場磨式電場傳感器。然而，由于充電引起的零點漂移，感應探頭無法提供長時間測量[5]。光學傳感器通常存在相位偏置、溫度穩(wěn)定性差和充電問題[6]。在小型帶電工具需要檢測表面電荷的情況下，探頭尺寸需要小于物體尺寸，然而目前在電力工程領域，最小的電場計探針半徑為1 cm[7]。因此，在這種應用中，需要一種具有低功耗、小體積、高可靠性的電場傳感器。微加工技術能夠制造出微型機械元件的微機電系統(tǒng)(microelectromechanical system，MEMS)。微機電系統(tǒng)已被研究用于取代大型的傳統(tǒng)旋轉場磨電場傳感器[9]。文獻[10-14]提出了多種類型的MEFM，大多數(shù)MEFM設計都有屏蔽片在感應電極上方移動，并通過橫向移動屏蔽電極[10,12]。例如文獻[13]采用了垂直運動的百葉窗式結構。在文獻[14]中，屏蔽片和電極在同一平面上，運動的屏蔽片改變其對電極周圍的邊緣電場的屏蔽。

MEFMs中用于驅動屏蔽片的驅動器主要有3種類型:熱驅動器、壓電驅動器和靜電驅動器。熱驅動器可以提供高驅動力和大位移[11-12]，使快門覆蓋14 μm寬的傳感電極，其分辨率為42 V/m[13]。壓電驅動器可以提供充足的驅動力和高速的開關，PZT驅動器使交流電場傳感器可以在真空中檢測0.38 V/m·rt-1Hz，靜電驅動結構具有開關速度快、功耗低的特點[14]。文獻[15]提出了一種靜電梳驅動MEFM，實現(xiàn)了40 V/m的電場測量分辨率，但現(xiàn)有MEFM設計在大磁場存在的情況下，因為MEFM電極上的感應電荷對屏蔽片和底層感知電極之間的間隙非常敏感，這影響了MEFM的靈敏度，進一步影響了電場的測量精度。

本文介紹了一種新型微加工交直流電場傳感器設計。該傳感器是采用絕緣體工藝制造，其工作原理是膜在入射電場作用下產(chǎn)生位移，并由光電探測器檢測相應的電流差值。同時該傳感器無需旋轉部件，避免了相關的磨損和維護問題。通過對入射電場在傳感膜上施加偏置電壓進行調制，使傳感器測量范圍更大。本文傳感器在交流、直流電場測量中都表現(xiàn)出了優(yōu)秀的分辨率和靈敏度。

1 傳感器設計

傳感器的工作原理如圖1所示。該機構由一套微彈簧懸掛的膜組成，在被測電場源的影響下，膜垂直位移。利用激光位置監(jiān)測系統(tǒng)測量膜的垂直位移，以此來測量電場強度。在沒有電場的情況下，由膜反射的激光束落在光電探測器的中心，當膜在電磁場力作用下移動時，激光光斑在光電探測器表面移動。光電探測器A和B輸出電流的差值作為傳感信號，如圖1所示。

圖1 傳感器的工作原理圖

微加工膜的照片如圖2所示。方形膜尺寸為1.15 mm×1.15 mm，每個支撐微彈簧段長度為1 000 μm，寬度為20 μm。膜和微彈簧由厚度為5 μm的硅制成。該結構涂有200 nm厚的銅層。

圖2 微彈簧支撐的鍍銅硅膜

1.1 傳感器工作原理

根據(jù)圖1，電壓源Vs位于距離膜d的距離，膜與電位Vm呈電偏置。假設電壓源和膜之間產(chǎn)生的電場是均勻的。忽視邊緣、間隙之間膜上的電場力為

(1)

式中：F為電場力；A為膜面積；E為他們之間的電場。

對于直流電壓源Vs=Vdc且膜接地，表明膜具有固定位移,如式(2)所示：

(2)

這種固定運動與非線性的電場強度的平方成比例，并且由于受到電聲、機械聲學振動及氣流等信號的干擾，具有很高的噪聲水平。為了減輕噪聲干擾，可以對膜運動進行調制，也可以通過使用帶通濾波來幫助讀取傳感器信號以降低噪聲影響。對膜運動的調節(jié)可以通過對膜施加交流偏壓Vacsin(ωt)來實現(xiàn)，稱為膜的偏置電壓。

此時，式(1)求解為式(3):

(3)

整理得到式(4)：

(4)

膜上對應分量電場力為

(5)

通過使用濾波器調諧到驅動頻率來監(jiān)測信號，驅動頻率之外的噪聲可以被最小化其影響，從而獲得高的測量分辨率。除此之外，調制信號的頻率與Vdc×Vac成正比，因此通過膜的運動可以放大被測電場，從而調整傳感器靈敏度。

在Vs為交流電壓源的情況下，允許膜運動進行調制。此時，如果Vs=Vacsin(ωt)，則通過對膜施加偏置電壓Vm=Vac來實現(xiàn)對膜運動的調節(jié)，其中電場力由式(5)給出。

1.2 膜制備過程

該工藝從一個500 μm厚的絕緣體(silicon-on-insulator，SOI)開始制備，該晶片有5 μm的器件層和0.2 μm厚的Si3N4。制造前,在絕緣體晶片的兩側使用PECVD工藝沉積一層SOI作為保護層。在傳感器位置使用等離子蝕刻除去背面的SOI保護層，然后在80 ℃環(huán)境下進行KOH硅蝕刻，留下30 μm的硅。在此基礎上，采用濺射法在晶片前沿沉積了40 nm的鈦粘附層和200 nm的銅導電層，將導電層制成微型彈簧和薄膜的形狀，然后在晶片正面涂上保護光刻膠層來保護導電層下的硅。在此之后，使用XeF2氣體除去背面30 μm的硅，然后通過緩沖蝕刻劑HF除去SiO2。 最后，采用等離子體刻蝕的方法，將晶片正面的圖案化導電層作為刻蝕模板，將結構剝離出來，如圖3所示。

圖3 膜制備模型

2 傳感器測試

傳感器測試原理如圖4所示，將一個金屬板放置在距離傳感器d′=0.65 mm的位置，并采用偏置電壓Vs來調節(jié)膜的運動。設備采用2種操作方式，如果Vs是直流電壓，Vm為交流電壓用來調節(jié)膜的運動;如果Vs是交流電壓，Vm作為直流電壓來調節(jié)膜的運動。光電探測器的輸出被輸入到電流-電壓轉換器和差分放大器，此電路的增益是105。采用鎖相放大器提供以調制頻率為中心的帶通濾波的附加信號增益，從而降低噪聲、增強分辨率。

圖4 傳感器測試原理圖

2.1 偏置電壓對靈敏度的影響

如第1.1節(jié)所述，通過施加適當?shù)钠秒妷簛砜刂苽鞲衅鞯臏y量靈敏度，調整傳感器靈敏度使傳感器測量范圍更大，以此來適應不同場景下的應用需求。

交流偏置電壓1～10 V的對應輸出以及靈敏度如表1所示?？梢缘贸?，靈敏度隨電壓線性增強。在實際的傳感器應用中，靈敏度可以根據(jù)場景需要進行調整。

表1 靈敏度隨電壓偏置電壓變化情況

2.2 調制頻率與傳感器響應

傳感器作為一個機械裝置，在機械諧振頻率下工作時會有最大的輸出。為獲取最大輸出，對微型彈簧膜系統(tǒng)在室溫下的機械諧振頻率進行了測試。使用V=1 V的直流電壓產(chǎn)生1.54 kV/m的直流磁場。在交流電壓Vm=8sin(ωt) V下對膜進行偏置，頻率為500～700 Hz。圖5為傳感器的輸出，由圖5可以看出，調制頻率大于520 Hz時，輸出迅速增加，調制頻率在610 Hz時，輸出達到峰值。

圖5 傳感器輸出和調制頻率的關系

工作頻率是影響傳感器響應的一個重要因素。雖然在諧振頻率下工作會有最大的輸出，但諧振頻率會隨著環(huán)境條件的變化而變化，這將會導致靈敏度降低。圖6給出了膜上3種不同電場作用下諧振頻率隨溫度變化的模擬結果。

圖6 傳感器在不同電場環(huán)境下諧振頻率與溫度的關系

利用式(6)計算得到溫度變化1 ℃諧振頻率偏移約0.23 Hz。

(6)

由式(6)可得，610 Hz諧振情況下，如果調整諧振頻率±10 Hz，需要調整環(huán)境溫度±43 ℃。如圖6所示，諧振頻率每降低20 Hz，傳感器的溫度就會升高90 ℃。因此，當需要考慮溫度變化較大或高電場影響的場景時，500 Hz可視為穩(wěn)定工作點。

3 模擬輸電線路下的傳感器測試

在高壓直流輸電線路的情況下，電壓通常為100 kV，這些線路的高度在離地10 m左右。在高壓實驗室中，搭建了一個裝置來模擬這種情況，如圖7所示，將一根2 m長的銅管(直徑3.81 cm)置于接地金屬板上方0.75 m處，傳感器系統(tǒng)位于銅管下方的接地片上的一個小孔中，使傳感膜與接地片在同一平面上。此時對激光位置傳感器進行了重新校準。

圖7 激光監(jiān)測系統(tǒng)

由于電壓源到傳感器和銅管的距離較長，電場分布不均勻，所以需要計算電場分布。利用COMSOL軟件模擬了從輸電線路正下方位置到地面的電場分布。如圖8所示。在傳輸線正下方的中心，20 kV和10 kV時的電場強度分別為11.9 kV/m和6.1 kV/m。

圖8 電場分布模擬圖

在高壓實驗室中，分別用10 kV和20 kV的直流電壓對銅管進行了測量。在非諧振頻率和諧振頻率下分別對傳感器進行了測試。首先，測量在諧振狀態(tài)下傳感器工作狀態(tài)，在Vm=118sin(ωt)V、610 Hz環(huán)境下輸出如圖9所示。在銅管上加20 kV直流，測量噪聲電平約為6 mV，鎖相放大器積分時間1 s。傳感器響應為4.4 V。傳感器靈敏度為0.36 V/(kV·m-1)，分辨率為17 V/m。

圖9 在Vm=118sin(ωt)V、610 Hz環(huán)境下的輸出

非諧振頻率情況下的實驗是在Vm=118sin(ωt)V、500 Hz環(huán)境下運行。圖10顯示了施加在銅管上的直流電場20 kV的傳感器響應。噪聲水平大約為6 mV，鎖相放大器積分時間為1 s。傳感器靈敏度計算為0.009 V/(kV·m-1)，分辨率計算為670 V/m。

圖10 在Vm=118sin(ωt)V、500 Hz環(huán)境下的輸出

4 結束語

本文采用絕緣體工藝制作了一種微型電場傳感器，并與激光監(jiān)測系統(tǒng)進行了集成。該傳感器可同時測量交流和直流電場，并通過調節(jié)入射電場來工作。在直流電場環(huán)境下，采用交流偏置電壓來調節(jié)傳感器，而對于交流電場的測量則通過施加直流偏置電壓來調節(jié)入射的交流電場。該傳感器通過控制膜偏置電壓來調節(jié)入射場，使傳感器輸出隨偏置電壓線性調整，從而實現(xiàn)靈敏度可變。通過此方法擴大傳感器測量范圍。除此之外，本文研究了弱直流和弱交流電場對傳感器靈敏度和分辨率的限制，在實驗中，傳感器在交流、直流電場測量中都擁有較高的分辨率和靈敏度。