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(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西南昌 330013)

0 引言

隨著混合交直流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，社會(huì)對(duì)直流網(wǎng)絡(luò)和混合直流/交流網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注度越來越高。直流網(wǎng)絡(luò)有利于電網(wǎng)的互聯(lián)，高壓直流輸電有利于遠(yuǎn)距離輸電[1]，光伏發(fā)電和電池存儲(chǔ)等直流電源應(yīng)用數(shù)量增加，在交直流電壓轉(zhuǎn)換過程中損耗較大等一系列因素推動(dòng)了交直流混合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。因此，開發(fā)交直流電場(chǎng)傳感器對(duì)于推動(dòng)混合直流/交流網(wǎng)絡(luò)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(cè)[2]，還可以提高高壓直流輸電和控制系統(tǒng)中遠(yuǎn)程測(cè)量電壓的精度[3-4]。

直流電場(chǎng)傳感器大部分是基于3種機(jī)制:感應(yīng)探針、光傳感器和場(chǎng)磨式電場(chǎng)傳感器。然而，由于充電引起的零點(diǎn)漂移，感應(yīng)探頭無法提供長時(shí)間測(cè)量[5]。光學(xué)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(cè)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(lǐng)域，最小的電場(chǎng)計(jì)探針半徑為1 cm[7]。因此，在這種應(yīng)用中，需要一種具有低功耗、小體積、高可靠性的電場(chǎng)傳感器。微加工技術(shù)能夠制造出微型機(jī)械元件的微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanical system，MEMS)。微機(jī)電系統(tǒng)已被研究用于取代大型的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)磨電場(chǎng)傳感器[9]。文獻(xiàn)[10-14]提出了多種類型的MEFM，大多數(shù)MEFM設(shè)計(jì)都有屏蔽片在感應(yīng)電極上方移動(dòng)，并通過橫向移動(dòng)屏蔽電極[10,12]。例如文獻(xiàn)[13]采用了垂直運(yùn)動(dòng)的百葉窗式結(jié)構(gòu)。在文獻(xiàn)[14]中，屏蔽片和電極在同一平面上，運(yùn)動(dòng)的屏蔽片改變其對(duì)電極周圍的邊緣電場(chǎng)的屏蔽。

MEFMs中用于驅(qū)動(dòng)屏蔽片的驅(qū)動(dòng)器主要有3種類型:熱驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器和靜電驅(qū)動(dòng)器。熱驅(qū)動(dòng)器可以提供高驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器可以提供充足的驅(qū)動(dòng)力和高速的開關(guān)，PZT驅(qū)動(dòng)器使交流電場(chǎng)傳感器可以在真空中檢測(cè)0.38 V/m·rt-1Hz，靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有開關(guān)速度快、功耗低的特點(diǎn)[14]。文獻(xiàn)[15]提出了一種靜電梳驅(qū)動(dòng)MEFM，實(shí)現(xiàn)了40 V/m的電場(chǎng)測(cè)量分辨率，但現(xiàn)有MEFM設(shè)計(jì)在大磁場(chǎng)存在的情況下，因?yàn)镸EFM電極上的感應(yīng)電荷對(duì)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(jìn)一步影響了電場(chǎng)的測(cè)量精度。

本文介紹了一種新型微加工交直流電場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)。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(chǎng)作用下產(chǎn)生位移，并由光電探測(cè)器檢測(cè)相應(yīng)的電流差值。同時(shí)該傳感器無需旋轉(zhuǎn)部件，避免了相關(guān)的磨損和維護(hù)問題。通過對(duì)入射電場(chǎng)在傳感膜上施加偏置電壓進(jìn)行調(diào)制，使傳感器測(cè)量范圍更大。本文傳感器在交流、直流電場(chǎng)測(cè)量中都表現(xiàn)出了優(yōu)秀的分辨率和靈敏度。

1 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器的工作原理如圖1所示。該機(jī)構(gòu)由一套微彈簧懸掛的膜組成，在被測(cè)電場(chǎng)源的影響下，膜垂直位移。利用激光位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量膜的垂直位移，以此來測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。在沒有電場(chǎng)的情況下，由膜反射的激光束落在光電探測(cè)器的中心，當(dāng)膜在電磁場(chǎng)力作用下移動(dòng)時(shí)，激光光斑在光電探測(cè)器表面移動(dòng)。光電探測(cè)器A和B輸出電流的差值作為傳感信號(hào)，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(gè)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(jié)構(gòu)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(shè)電壓源和膜之間產(chǎn)生的電場(chǎng)是均勻的。忽視邊緣、間隙之間膜上的電場(chǎng)力為

(1)

式中：F為電場(chǎng)力；A為膜面積；E為他們之間的電場(chǎng)。

對(duì)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(yùn)動(dòng)與非線性的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成比例，并且由于受到電聲、機(jī)械聲學(xué)振動(dòng)及氣流等信號(hào)的干擾，具有很高的噪聲水平。為了減輕噪聲干擾，可以對(duì)膜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)制，也可以通過使用帶通濾波來幫助讀取傳感器信號(hào)以降低噪聲影響。對(duì)膜運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)可以通過對(duì)膜施加交流偏壓Vacsin(ωt)來實(shí)現(xiàn)，稱為膜的偏置電壓。

此時(shí)，式(1)求解為式(3):

(3)

整理得到式(4)：

(4)

膜上對(duì)應(yīng)分量電場(chǎng)力為

(5)

通過使用濾波器調(diào)諧到驅(qū)動(dòng)頻率來監(jiān)測(cè)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)頻率之外的噪聲可以被最小化其影響，從而獲得高的測(cè)量分辨率。除此之外，調(diào)制信號(hào)的頻率與Vdc×Vac成正比，因此通過膜的運(yùn)動(dòng)可以放大被測(cè)電場(chǎng)，從而調(diào)整傳感器靈敏度。

在Vs為交流電壓源的情況下，允許膜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)制。此時(shí)，如果Vs=Vacsin(ωt)，則通過對(duì)膜施加偏置電壓Vm=Vac來實(shí)現(xiàn)對(duì)膜運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，其中電場(chǎng)力由式(5)給出。

1.2 膜制備過程

該工藝從一個(gè)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(cè)使用PECVD工藝沉積一層SOI作為保護(hù)層。在傳感器位置使用等離子蝕刻除去背面的SOI保護(hù)層，然后在80 ℃環(huán)境下進(jìn)行KOH硅蝕刻，留下30 μm的硅。在此基礎(chǔ)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(dǎo)電層，將導(dǎo)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(hù)光刻膠層來保護(hù)導(dǎo)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(dǎo)電層作為刻蝕模板，將結(jié)構(gòu)剝離出來，如圖3所示。

圖3 膜制備模型

2 傳感器測(cè)試

傳感器測(cè)試原理如圖4所示，將一個(gè)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(diào)節(jié)膜的運(yùn)動(dòng)。設(shè)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(diào)節(jié)膜的運(yùn)動(dòng);如果Vs是交流電壓，Vm作為直流電壓來調(diào)節(jié)膜的運(yùn)動(dòng)。光電探測(cè)器的輸出被輸入到電流-電壓轉(zhuǎn)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(diào)制頻率為中心的帶通濾波的附加信號(hào)增益，從而降低噪聲、增強(qiáng)分辨率。

圖4 傳感器測(cè)試原理圖

2.1 偏置電壓對(duì)靈敏度的影響

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

交流偏置電壓1～10 V的對(duì)應(yīng)輸出以及靈敏度如表1所示?？梢缘贸觯`敏度隨電壓線性增強(qiáng)。在實(shí)際的傳感器應(yīng)用中，靈敏度可以根據(jù)場(chǎng)景需要進(jìn)行調(diào)整。

表1 靈敏度隨電壓偏置電壓變化情況

2.2 調(diào)制頻率與傳感器響應(yīng)

傳感器作為一個(gè)機(jī)械裝置，在機(jī)械諧振頻率下工作時(shí)會(huì)有最大的輸出。為獲取最大輸出，對(duì)微型彈簧膜系統(tǒng)在室溫下的機(jī)械諧振頻率進(jìn)行了測(cè)試。使用V=1 V的直流電壓產(chǎn)生1.54 kV/m的直流磁場(chǎng)。在交流電壓Vm=8sin(ωt) V下對(duì)膜進(jìn)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(diào)制頻率大于520 Hz時(shí)，輸出迅速增加，調(diào)制頻率在610 Hz時(shí)，輸出達(dá)到峰值。

圖5 傳感器輸出和調(diào)制頻率的關(guān)系

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

圖6 傳感器在不同電場(chǎng)環(huán)境下諧振頻率與溫度的關(guān)系

利用式(6)計(jì)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(diào)整諧振頻率±10 Hz，需要調(diào)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(huì)升高90 ℃。因此，當(dāng)需要考慮溫度變化較大或高電場(chǎng)影響的場(chǎng)景時(shí)，500 Hz可視為穩(wěn)定工作點(diǎn)。

3 模擬輸電線路下的傳感器測(cè)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(shí)驗(yàn)室中，搭建了一個(gè)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(gè)小孔中，使傳感膜與接地片在同一平面上。此時(shí)對(duì)激光位置傳感器進(jìn)行了重新校準(zhǔn)。

圖7 激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于電壓源到傳感器和銅管的距離較長，電場(chǎng)分布不均勻，所以需要計(jì)算電場(chǎng)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(chǎng)分布。如圖8所示。在傳輸線正下方的中心，20 kV和10 kV時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為11.9 kV/m和6.1 kV/m。

圖8 電場(chǎng)分布模擬圖

在高壓實(shí)驗(yàn)室中，分別用10 kV和20 kV的直流電壓對(duì)銅管進(jìn)行了測(cè)量。在非諧振頻率和諧振頻率下分別對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試。首先，測(cè)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(cè)量噪聲電平約為6 mV，鎖相放大器積分時(shí)間1 s。傳感器響應(yīng)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(shí)驗(yàn)是在Vm=118sin(ωt)V、500 Hz環(huán)境下運(yùn)行。圖10顯示了施加在銅管上的直流電場(chǎng)20 kV的傳感器響應(yīng)。噪聲水平大約為6 mV，鎖相放大器積分時(shí)間為1 s。傳感器靈敏度計(jì)算為0.009 V/(kV·m-1)，分辨率計(jì)算為670 V/m。

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

4 結(jié)束語

本文采用絕緣體工藝制作了一種微型電場(chǎng)傳感器，并與激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了集成。該傳感器可同時(shí)測(cè)量交流和直流電場(chǎng)，并通過調(diào)節(jié)入射電場(chǎng)來工作。在直流電場(chǎng)環(huán)境下，采用交流偏置電壓來調(diào)節(jié)傳感器，而對(duì)于交流電場(chǎng)的測(cè)量則通過施加直流偏置電壓來調(diào)節(jié)入射的交流電場(chǎng)。該傳感器通過控制膜偏置電壓來調(diào)節(jié)入射場(chǎng)，使傳感器輸出隨偏置電壓線性調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)靈敏度可變。通過此方法擴(kuò)大傳感器測(cè)量范圍。除此之外，本文研究了弱直流和弱交流電場(chǎng)對(duì)傳感器靈敏度和分辨率的限制，在實(shí)驗(yàn)中，傳感器在交流、直流電場(chǎng)測(cè)量中都擁有較高的分辨率和靈敏度。