【導(dǎo)讀】中科飛龍利用大氣電場(chǎng)探測(cè) MEMS （Micro-electrolytically United Processing）傳感器設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)Υ髿怆妶?chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用 MEMS工藝，結(jié)合電荷測(cè)量技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的探測(cè)。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)探測(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度為0.68V/m，水平方向的探測(cè)深度可達(dá)100m。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在靜止風(fēng)洞中對(duì)大氣電場(chǎng)的高靈敏度測(cè)量和實(shí)時(shí)檢測(cè)，并具有成本低、可集成等優(yōu)點(diǎn)。
隨著人類社會(huì)的發(fā)展和人類對(duì)能源需求的增加，大氣中的各種物質(zhì)（包括水、冰和碳?xì)浠衔铮┑劝l(fā)生電離產(chǎn)生自由電子而對(duì)地產(chǎn)生電場(chǎng)，其作用將會(huì)改變地表各種物理參數(shù)，如濕度、溫度、鹽度和重力加速度等。大氣電場(chǎng)測(cè)量在遙感、水文和氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的大氣電場(chǎng)探測(cè)方法主要包括無線電探測(cè)方法和可見光探測(cè)方法兩大類。無線電探測(cè)方法有：低頻射電干涉、地波雷達(dá)、閃電定位儀等。可見光探測(cè)方法有：可見光成像光譜儀、激光誘導(dǎo)熒光等。大氣電場(chǎng)的探測(cè)主要采用雷達(dá)和地面電場(chǎng)傳感器進(jìn)行，由于大氣電場(chǎng)是一種電磁場(chǎng)，其信號(hào)具有很強(qiáng)的吸收噪聲，因此目前常用的探測(cè)手段主要為雷達(dá)探測(cè)方式和地面電場(chǎng)傳感器測(cè)量方式。
引言
隨著人類對(duì)能源需求的增加，以風(fēng)能、太陽能為代表的可再生能源產(chǎn)業(yè)越來越受到關(guān)注。由于其固有的自然屬性，風(fēng)和光電系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境具有強(qiáng)烈的擾動(dòng)，將會(huì)影響其正常運(yùn)行和使用。因此需要通過大氣電場(chǎng)測(cè)量手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并跟蹤風(fēng)和光電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以保證風(fēng)和光電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
測(cè)量原理
大氣電場(chǎng)是一種電磁場(chǎng)，其信號(hào)具有很強(qiáng)的吸收噪聲，因此需要在信號(hào)經(jīng)過前級(jí)放大器前添加濾波電路以消除噪聲。由于大氣電場(chǎng)在其中心處存在最大值，因此對(duì)地電場(chǎng)傳感器的敏感方向要求盡可能接近中心，因此可通過對(duì)敏感方向進(jìn)行探測(cè)來提高探測(cè)精度。
地面電場(chǎng)傳感器探測(cè)原理如圖1所示：當(dāng)電勢(shì)差為0時(shí)，信號(hào)經(jīng)過前置放大器，輸出端得到的是電壓差成正比的信號(hào)。通過對(duì)此電壓差進(jìn)行傅里葉變換即可得到該電場(chǎng)傳感器的等效電容。通過電容計(jì)算公式：
其中： Rp為電場(chǎng)強(qiáng)度，ε為溫度系數(shù)， Pn為電阻， Ri為電阻率，Rc為電容率。
實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
實(shí)驗(yàn)中采用的是基于 MEMS技術(shù)的電場(chǎng)傳感器，其測(cè)量范圍為-55~+150V/m。為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，在室外進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
在室外環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)包括：濕度對(duì)比測(cè)試、溫度對(duì)比測(cè)試和電荷對(duì)比測(cè)試等。本文中測(cè)量的相對(duì)濕度為95%，溫度為15℃，電荷為1000μC/m2?？諝庵械碾姾膳c濕度和溫度有關(guān)，在相對(duì)濕度和溫度一致時(shí)，空氣中的電荷為零，而在濕度相同時(shí)，環(huán)境中的電荷為無窮大。
在實(shí)驗(yàn)過程中需要注意以下問題：
（1）電極要始終處于穩(wěn)定狀態(tài)；
（2）電極之間距離不要太大；
（3）使用時(shí)注意避免直接接觸電極；
（4）盡量避免空氣流動(dòng)帶來的影響。
結(jié)論與討論
本文介紹了一種基于 MEMS技術(shù)的大氣電場(chǎng)傳感器，利用電容-電壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，在高濕度環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低功耗的電場(chǎng)測(cè)量。由于器件尺寸小，在一些環(huán)境惡劣的場(chǎng)合應(yīng)用是一種不錯(cuò)的選擇。此外，該器件還具有較好的可重復(fù)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和較高的靈敏度，為大氣電場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域提供了一種新的方案。
