01
工作原理
MEMS電場儀核心探測單元的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，主要由屏蔽電極、感應(yīng)電極等構(gòu)成?；陔姾筛袘?yīng)工作原理，采用場磨工作機(jī)制，當(dāng)存在被測電場時(shí)，在靜電梳齒驅(qū)動器的帶動下，屏蔽電極左右周期振動，處于其下方的感應(yīng)電極上的電荷量發(fā)生周期性改變，產(chǎn)生感應(yīng)電流，之后由差分運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出，通過檢測電壓可得到被測電場大小。
圖1.1 MEMS電場儀核心探測單元示意圖
場磨式電場儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，主要由驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)子、感應(yīng)電極（定子）等構(gòu)成。其工作原理是基于電荷感應(yīng)原理，當(dāng)存在被測電場時(shí)，驅(qū)動電機(jī)帶動轉(zhuǎn)子周期性旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電極上的電荷量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過由運(yùn)算放大器構(gòu)成的I/V電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后通過相敏檢波電路提取出被測電場大小。
圖1.2 場磨式電場儀基本結(jié)構(gòu)示意圖
從上述的工作原理可發(fā)現(xiàn)，MEMS電場儀和場磨式電場儀的核心探測原理是一樣的，都是基于電荷感應(yīng)原理，可動電極（轉(zhuǎn)子、屏蔽電極）調(diào)制感應(yīng)電極上的電荷量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，之后轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后通過測量電壓得到被測電場大小。
02
結(jié)構(gòu)差異
2.1 核心探測結(jié)構(gòu)尺寸差異大
MEMS電場儀的核心探測結(jié)構(gòu)—MEMS電場敏感器件采用先進(jìn)的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）工藝制作，尺寸僅有5mm×5mm。場磨式電場儀采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，尺寸較大，轉(zhuǎn)子、定子的直徑一般在10cm左右；
2.2 MEMS電場敏感器件有封裝
由于MEMS電場敏感器件的尺寸為5mm×5mm，其內(nèi)部電極尺寸最小只有3μm，很容易受到空氣中灰塵、環(huán)境濕度等因素的影響，為了解決環(huán)境因素的影響，需對MEMS電場敏感器件進(jìn)行封裝。擁有封裝結(jié)構(gòu)是MEMS大氣電場儀和場磨式電場儀的一個(gè)主要區(qū)別。MEMS電場敏感器件的封裝是一種氣密性封裝，雖然在低端電場（±500V/m電場范圍）測量時(shí)MEMS大氣電場儀易受空氣離子流的影響，與場磨式電場儀的測量結(jié)果相比略微差一些，但是封裝后MEMS大氣電場儀環(huán)境適應(yīng)性能力更強(qiáng)，特別適合在易燃易爆場所使用。
封裝組件-芯片
封裝組件-晶圓
03
性能對比
3.1 測量范圍
MEMS電場儀和場磨式電場儀的測量范圍均可達(dá)到±150 kV/m。
3.2 分辨力
分辨力是衡量電場儀性能的一個(gè)關(guān)鍵靜態(tài)指標(biāo)，基于電荷感應(yīng)原理電場儀的分辨力與感應(yīng)面積成正比，由于場磨式電場儀的感應(yīng)面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MEMS電場儀的感應(yīng)面積，直觀感覺MEMS電場儀的分辨力要明顯低于場磨式電場儀，但是分辨力也與調(diào)制頻率有關(guān)，MEMS電場儀的電場調(diào)制頻率為3kHz，遠(yuǎn)高于場磨式電場儀（50Hz），因此最終的分辨力兩者是相當(dāng)?shù)?，場磨式電場儀和MEMS電場儀的分辨力均可達(dá)到10V/m。
3.3 功耗
MEMS電場儀的電場敏感器件采用靜電梳齒驅(qū)動，功耗極低（μW量級），其接口電路功耗大約為0.7W，因此MEMS電場儀的功耗也大約為0.7W，比場磨式電場儀功耗低一個(gè)數(shù)量級。場磨式電場儀需要馬達(dá)驅(qū)動，功耗較大，一般在5W左右；
3.4 雷暴天電場探測結(jié)果
MEMS電場儀與美國Campbell公司的場磨式電場儀CS110某次雷暴過程探測結(jié)果如圖3.2所示，探測數(shù)據(jù)的皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.9677，在0.8~1.0之間，表明兩者探測結(jié)果是極強(qiáng)相關(guān)的，說明雷暴天MEMS電場儀與場磨式電場儀的探測結(jié)果無明顯差異。
圖3.2 雷暴天電場探測結(jié)果（相關(guān)系數(shù)：0.9677）
04
維護(hù)性
MEMS電場儀的探頭外殼為工程塑料材質(zhì)，并且在里面摻入了抗紫外照射、抗鹽霧的材料，因而太陽輻射對其影響不大；即使探頭表面有灰塵，也會被雨水沖洗掉，基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)；場磨式電場儀由于開口旋轉(zhuǎn)面吸附灰塵，需要定期維護(hù)，在空氣污染嚴(yán)重的地方需要頻繁清洗。
05
可靠性及安全性
MEMS電場儀無電機(jī)等易磨損可動機(jī)械部件，可靠性高，壽命長；另外由于擁有封裝結(jié)構(gòu)，所以無暴露可動機(jī)械部件，可用于易燃易爆場所。
場磨式電場儀的可靠性嚴(yán)重依賴于電機(jī)質(zhì)量，并且由于有旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，在充滿可燃?xì)怏w的場所中與空氣摩擦可能會引起火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸，所以不適用于易燃易爆場所。
06
基于電場儀的雷電預(yù)警方法
晴天電場比較小，一般在±500V/m范圍內(nèi)，但在雷暴天，大氣電場的絕對值基本會超過2kV/m，在雷電來臨時(shí)，電場變化速率會明顯加快，在發(fā)生地閃過程中，電場絕對值可能會達(dá)到20kV/m，甚至更高，并且會出現(xiàn)正負(fù)電場跳變現(xiàn)象。由大氣電場探測結(jié)果可知，在雷暴天，MEMS大氣電場儀與場磨式電場儀的探測結(jié)果已無明顯差異，如果采用MEMS電場儀或場磨式電場儀作為探測裝置進(jìn)行雷電預(yù)警，一般都會采用大氣電場閾值和變化率綜合分析預(yù)警方法，兩者的預(yù)警方法是相同的，所以誤報(bào)率也相同。
07
其他說明
電子式電場儀是對電場變化強(qiáng)度的一個(gè)連續(xù)積分，所測量的是電場強(qiáng)度的變化率；MEMS電場儀基于電荷感應(yīng)原理和場磨工作機(jī)制，更像一個(gè)微型化的場磨式電場儀，因此MEMS電場儀和電子式電場儀的探測原理有本質(zhì)區(qū)別，不能將MEMS電場儀混淆為電子式電場儀。
END
