基于MEMS静电场传感器在线监测二次压板电压技术

通过分析直流系统对地电容充、放电造成110 kV母差保护误跳闸和主变瓦斯保护误跳闸事件,提出一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)静电场传感器在线监测二次压板电压技术.利用MEMS静电场敏感芯片监测二次压板下端接线柱电压极性和电压值,通过采集终端、集中监测管理单元接入保护信息系统,实现二次压板状态在线核对、自动巡视及预警.通过工程应用验证MEMS静电场敏感芯片技术不但可以替代人工测量二次压板下端接线柱电压极性和电压值,而且可以在保护信息系统实现二次压板的巡检、状态告警提示和断路器分合闸状态、直流系统平衡桥接地情况监视等功能,大大提高了工作人员检查二次压板、断路器状态、直流系统平衡桥接地情况的效率,减少了人为因素的影响,提高了设备运行的安全性.

基于MEMS技术微型静电场传感器系统设计与研制

针对基于MEMS技术的微型静电场传感器的输出信号微弱、信噪比低等特点,采用高精度运算放大器和直接数字合成器芯片设计出了一种基于封装小但没有浮点运算器的单片机的微型静电场传感器系统,并通过一定的算法解决了单片机运算能力弱的问题,最终整个系统的测试精度能达到5%,分辨率能达到500 V/m,检测时间小于1 s.

基于梳齿间距MEMS工艺误差的微传感器电容与静电力分布模型

在理论分析与模拟仿真基础上,提出了由于梳齿微细加工误差所引起的电容和静电力概率分布模型。该模型表明电容和静电力均为类高斯分布,它们在一定区段出现的可能性可根据其准期望和准方差确定,且该准期望与无加工误差情况相比均有小于5%的微小偏移;同时,该准方差依赖于梳齿数目和梳齿加工误差程度,当梳齿数目由10增大到60时,电容与静电力分布准方差分别增大约2倍和1倍,而当梳齿加工误差程度从5%增大到20%时,则分别增大约3.5倍和2.5倍。该模型可望为一大类梳齿结构微传感器或执行器性能偏差的理论研究和工艺实现提供参考。

基于MEMS传感器的空中目标静电测距研究

通过对现有国内外较为先进的MEMS传感器技术和静电探测技术的研究,提出一种采用MEMS传感器与静电探测技术相结合进行静电测距的方法,采用理论分析的方法,阐述探测器对空中目标进行探测及确定弹丸和空中目标之间距离的工作原理,为弹丸实现最佳爆炸奠定基础。同时为研制一种能适应战场快速决定碰炸或近炸的新型复合引信,提高现有高炮毁歼概率提供技术支持。

静电力驱动的悬臂梁微型电场传感器件

随着智能电网和能源互联网的发展,大规模实时电压/电场监测成为电力系统的迫切需求,这依赖于先进传感器件的大规模布置。电场测量在电力系统中具有重要意义。一方面,基于电场测量的电压反演可以实现高电压的非接触式测量,替代传统高压互感器,从而减少测量设备绝缘成本和安装难度;另一方面,电场测量还可以被应用于设备故障诊断、雷电预警、电磁环境测量等应用场景。传统的电场测量设备,如场磨等,往往体积大、成本高,无法大规模灵活布置。本文提出了一种静电力驱动的压阻式微型电场传感器。传感器被设计为四悬臂结构,悬臂在静电力的驱动下产生位移和应变,通过压阻材料转化为可测信号。所提出的传感器具有尺寸小、成本低、功耗低、易于批量生产的优点。同时,该传感器该具有高信噪比、高分辨率及宽电场测量范围。实验结果表明,所提出的传感器具有1.1~1100.0kV·m^(-1)的线性测量范围、112 V·m^(-1)·Hz^(-1/2)的交流电场分辨率以及496 Hz的截止频率。这一微型电场传感器将在智能电网及能源互联网中具有广泛的应用价值。

基于MEMS电场传感器的直流验电器系统设计

为了对高压直流输电(HVDC)的传输线进行可靠的带电状态检验,提出并设计了一种基于微机电系统(MEMS)电场传感器的非接触式直流验电器系统。MEMS电场传感器用于测量DC电场。为了实现对电场信号的采集和处理,设计了以32位嵌入式微处理器为核心的非接触式直流验电器系统。通过声光预警模块实现有电提醒,简化验电作业的操作复杂性。该系统的应用可以准确检测直流输电线路的带电状态信息,并在检测到输电线路带电时及时报警,具有操作简单,抗干扰能力强,电池寿命长达23 h的特点。

一种基于模态局域化的MEMS电场传感器设计与分析

为提高传感器的灵敏度和分辨力,设计了一种灵敏度可调节的基于模态局域化效应的谐振式MEMS电场传感器敏感结构。传感器敏感结构采用静电耦合的三自由度谐振器微结构方案,并可实现灵敏度调节,从而获得最佳灵敏度。通过理论计算和有限元仿真计算,分析了传感器的模态局域化敏感机理,确定了传感器幅频特性、灵敏度、分辨力等关键特性。计算结果表明满足设计目标。

静电传感器灵敏场有限元仿真研究

静电传感器灵敏场分布不均匀,致使传感器的输出受流型影响,导致较大的测量误差。本文基于点电荷思想建立了圆环状静电传感器的三维静电场数学模型,并应用有限元法进行了数值求解。系统地分析了圆环状静电传感器结构参数(电极的长度、绝缘管段的厚度、屏蔽罩的长度以及半径等),材料特性以及场域介质分布对静电传感器灵敏场分布特性的影响。旨在为实现静电传感器灵敏场的均匀分布和结构优化提供理论依据。

新型推挽激励的谐振式微机械静电场传感器

为了提高传感器的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR),降低器件的耦合干扰,基于表面微机械工艺设计制作了一种新型推挽激励方案的谐振式微型静电场传感器.该传感器敏感结构主要包括静电梳齿激励电极、屏蔽电极和感应电极3部分.工作时,在该传感器敏感结构同一侧梳齿的固定端上加入反相相等的激励信号,实现差分激励,使屏蔽电极在谐振频率处振动,从而在感应电极上感应出差分电流信号,通过相关检测方式检测出传感器该输出信号的二次谐波分量,即可获得被测静电场强度大小.该传感器的新型结构设计和激励检测方案可获得最大电场响应灵敏度,并有效抑制了同频耦合串扰和共模噪声.常压室温(约25℃)测试结果表明,在量程(-15 kV/m～15 kV/m)内,只需要5 Vpp激励电压,其中线性度(端基线性度)达到了1.03%,分辨率优于200 V/m.

基于MEMS的微位移传感器及其应用研究

对一种基于MEMS技术的探针进行开发,以实现微纳米尺度下的几何量测量。该探针是静电梳齿型结构,含有定齿和连接有主梁的动齿。主梁顶端的探针能够感知样品表面形貌而引起梳齿间位移,梳齿间位移能够带来梳齿间电容的变化。设计了测头的电容信号检测电路。搭建测试系统,利用该系统进行进针实验,标定测头的灵敏度为0.43 mV/nm,实验表明测头的非线性误差小于0.22%。利用该测头作为SPM测头,搭建小型SPM系统,对108 nm台阶高度的光栅结构进行了扫描。

一种新型力平衡扭摆式硅MEMS角加速度传感器

在很多控制、监测和导航系统中,不仅需要角位移和角速度信息,同时还需要角加速度信息,为了测量角加速度信息,首次提出了一种力平衡扭摆式硅MEMS角加速度传感器,采用具有大扭转惯量的扭摆式活动极板作为敏感元件,长方形金属电极板作为电容式变换器,静电力实现力平衡反馈回路,文中介绍了扭摆式硅MEMS角加速度传感器的结构及原理,详细推导出传感器的动力学方程和灵敏度,仿真结果验证了理论模型的正确性,传感器灵敏度达到0.388 9 V.(r.s-1)-1。该传感器具有体积小、质量轻、功耗小、零偏稳定性好、噪声小等优点。

一种基于模态局域化的高性能MEMS静电压传感器

针对表面电势测量应用,研制了一种基于模态局域化的高性能MEMS静电压传感器。传感器敏感结构采用三自由度静电弱耦合硅微机械谐振器结构,用以实现高灵敏电压测量。通过理论计算和有限元仿真,分析了静电压传感器的幅频特性和灵敏度等关键特性,制作了传感器芯片并搭建实验测试平台。测试结果表明,传感器灵敏度达到0.0967/V,线性度6.11%,且该传感器基于振幅比输出的电压灵敏度是基于频率输出的灵敏度的87.9倍,与理论结果一致。

静电场对表面等离子体子共振DNA传感器灵敏度的影响

利用电场改变金膜表面固定化探针DNA的方位,从而影响了DNA杂交效率,进而影响了表面等离子体子共振DNA传感器的灵敏度.结果表明不同极性的电场对DNA传感器的作用不同:当金膜表面带负电荷时,探针DNA在电场的作用下直立在金膜上,空间位阻减小,提高了杂交效率,从而使传感器的灵敏度提高,反之亦然.

南网科研院研发芯片级直流电场MEMS传感器

南方电网科学研究院在特高压工程技术（昆明）国家工程实验室成功测试了自主研发的芯片级直流电场MEMS传感器。这是国际上首次将微机电系统（MEMS）技术应用于直流输电电场测量。该传感器可广泛应用于电力行业的设备精细化设计、在线监测、电磁环境评估，以及气象部门的雷电观测预警、电动汽车驾驶舱电场检测、航空器等升空后大气环境电场监测等领域。

MEMS静电驱动器的场致电子发射效应研究

为研究MEMS静电驱动器的场电子发射效应,设计并加工了排斥驱动器和平行板驱动器两种不同结构的静电驱动器,实验测试了电极间漏电流随驱动电压的变化关系,验证了其满足场发射效应的FN理论公式,从而首次观察到静电排斥驱动器的场致电子发射效应。根据测试结果计算得到了所设计的两种MEMS静电驱动器的名义发射面积和场增强因子。由于器件自身的结构设计特征,平行板驱动器相对于排斥驱动器具有更大的名义发射面积和更小的场增强因子。

MOSFET静电场传感器电场-电流特性的研究

MOSFET静电场传感器是一种固态传感器,没有任何机械移动部件。文中研究了MOSFET静电场传感器的电流-电压特性和电流-电场特性。在给定的电场下,电流-电压特性曲线分为了两部分:非饱和区和饱和区。当MOS-FET静电场传感器工作在非饱和区时,漏-源电流的变化量ΔIDsat与测量电场成正比。但MOSFET静电场传感器工作在饱和区时,漏-源电流的变化量ΔIDSat与测量电场成非线性关系。但是,当测量电场比较小时,漏-源电流的变化量ΔIDS与测量电场成正比。

硅基微型静电谐振式直流电场传感器建模与仿真分析

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)电场传感器因其体积小、功耗低、成本低、易于量产等优势在电力系统具有广泛应用前景。以静电式电极共面水平谐振MEMS直流电场传感器为研究对象,针对其驱动单元、运动过程和感应单元,分别建立基于静电力驱动的传感器动力学模型和基于静电感应的敏感结构电学模型,实现了微型电场传感器的多物理场模型集成。所建立的模型可定量表征传感器的输出特性以及相关结构尺寸对传感器性能的影响。通过仿真计算发现,适当减少齿宽与齿间距、增加感应齿长,可以提高该类型传感器的输出电流,进而提高其测量灵敏度。该文的研究成果可为微型电场传感器的设计和性能优化提供参考。

谐振式MEMS压力传感器的设计与分析

提出一种基于静电激励/压阻检测的硅微谐振式压力传感器,该器件采取面内动平衡的振动模式,为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化,在谐振器固定端设计了悬置扭转结构。根据对传感器数学模型的分析与建立,并利用MEMS有限元仿真软件对传感器在0~120 kPa范围以及全范围过压1.5倍下进行模拟分析与仿真验证,初始频率为24.01 kHz,传感器灵敏度达18 Hz/kPa。利用硅-硅键合技术实现压力传感器的真空封装,并通过TSV通孔技术将传感器与电路芯片进行三维混合集成封装。

直接栅MOSFET静电场传感器温度漂移模型和模拟

推导出了直接栅MOSFET静电场传感器的温度漂移系数,并研究了温度漂移的主要原因。此研究工作对消除直接栅MOSFET静电场传感器的温度漂移有一定的帮助。首先,建立了直接栅MOSFET静电场传感器沟道中电荷随温度变化的模型。其次,根据直接栅MOSFET沟道载流子浓度和载流子迁移率都为温度的函数,将直接栅MOSFET静电场传感器的温度漂移定义为由沟道载流子迁移率随温度变化引起的温度漂移系数αμ和由沟道载流子浓度随温度变化引起的温度漂移系数αQ,并对它们与温度的关系作了推导和研究。最后,对沟道载流子迁移率随温度变化引起的温度漂移系数αμ和由沟道载流子浓度随温度变化引起的温度漂移系数αQ进行了模拟和比较。模拟结果表明,温度漂移系数αμ远小于温度漂移系数αQ。因此沟道载流子浓度随温度变化是直接栅MOSFET静电场传感器的温度漂移的主要原因。

某滑油箱电容液位传感器流场——静电场耦合仿真分析

基于数值仿真软件,对某型航空发动机滑油箱电容式液位传感器进行了流场—静电场耦合建模及仿真计算。模型描述了滑油箱姿态运动引起的液面变化,进而导致传感器液位改变以及传感器本身工作电容变化。根据计算结果,滑油箱姿态运动引起的传感器工作电容变化效果很显著,最高可达到15. 86%。将数值仿真获得的计算值与滑油液位测量测试平台所得的实测值进行了对比分析,二者结果较为吻合,变化规律一致,偏差值较小,验证了基于流场—静电场耦合仿真建模的可行性及有效性。