電場的精確測量，對于很多應用都非常重要，例如天氣預報、工業(yè)設備的過程控制或者是高壓電纜工作人員的安全問題等。然而從技術角度來說，精確的電場測量并非易事。據麥姆斯咨詢報道，一支來自維也納技術大學（TU Wien）的研究團隊突破當前其它測量設備所采用的設計原理，開發(fā)了一款硅基MEMS電場測量傳感器。通過和克雷姆斯多瑙河大學（Danube University Krems）集成傳感器系統(tǒng)研究院的合作，這款傳感器的主要設計優(yōu)勢是它不會干擾正在測量的電場。該研究成果發(fā)表于近期出版的Nature Electronics雜志。MEMS電場傳感器的測量原理目前用于測量電場強度的設備具有一些顯著的缺陷， TU Wien傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)研究院的Andreas Kainz解釋稱，這些設備均包含帶電部件。在測量時，這些導電金屬組件會顯著影響被測電場；如果設備需要接地以提供測量參考值，那么這種影響會被進一步放大。因此這種電場測量設備往往相對不太實用，并且運輸也較困難。TU Wien開發(fā)的這款MEMS傳感器采用硅材料制造，并且基于非常簡單的原理：一個微型彈簧，以及固定在該彈簧上用于測量微米量級移動的微型網格狀硅結構。當硅結構處于一個電場中時，在硅晶上會產生一定的作用力，使彈簧發(fā)生輕微的延展或壓縮。
a. 這款MEMS電場傳感器的測量原理：一個質量塊（m）懸置于一個彈性元件（剛性k）上，而彈性元件固定于一個導電的固定框架上。當置于電場（E）中時，靜電感應會在質量塊上產生一個作用力（F es）。質量塊在這個作用力下會產生一定的位移（δx），再利用光學原理對位移進行測量；b. 該器件的剖視圖，展示了LED發(fā)射的光，可以穿過網格狀硅結構和孔洞之間的間隙，投射到下方的光電二極管上，質量塊的移動改變了不透光區(qū)域和孔洞之間的間隙，從而改變了LED發(fā)射光能夠到達光電探測器的進光量；c. 這款MEMS電場傳感器的3D視圖；d. 這款MEMS電場傳感器的掃描電鏡圖質量塊細微的位移如何測量呢，研究人員設計了一種光學解決方案：在可動網狀硅結構的上方再設置一層網狀結構，上下兩層網狀結構的孔洞精準的排列，上層的開孔和下層的不透光區(qū)域精確對準，也就是說在下層網狀硅結構沒有發(fā)生位移時，LED光是無法穿透這兩層硅結構的。當傳感器置于一個電場中時，下層網狀硅結構在靜電力作用下發(fā)生了位移，使上下兩層網狀結構之間有了縫隙，LED光便能從縫隙中穿過到達下方的光電探測器上。通過測量進光量，利用合適的校準器件便能計算出這個電場的強度。原型器件的精確度令人振奮這款MEMS電場傳感器不能測量電場的方向，但能夠精確測量電場的強度，它可以測量從低頻到高達1KHz的電場強度。利用我們的原型傳感器，可以高可靠地測量小于200伏特/米的弱電場， Andreas Kainz說，這意味著我們的系統(tǒng)已經與現(xiàn)有產品的性能相當，并且，我們的傳感器更小、更簡單。此外，這款MEMS傳感器還有很大的改進空間。其它的測量方法已經是成熟的方案，我們的這款MEMS電場傳感器才剛剛設計成型。未來，它肯定還能改進的更好。推薦培訓：2018年3月30日至4月1日，麥姆斯咨詢主辦的MEMS制造工藝培訓課程將在無錫舉行，培訓內容包含：（1）硅基MEMS制造工藝及典型制造工藝流程詳解；（2）晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP）相關的晶圓級凸點、TSV和臨時鍵合工藝；（3）時下最熱門傳感器的特殊薄膜材料（AlN、ZnO和PZT壓電薄膜）制造工藝及應用，如FBAR濾波器、壓電麥克風等；（4）3D傳感產業(yè)的熱點VCSEL激光器重要工藝設備、工藝難點、工藝控制等；（5）非硅基MEMS制造工藝及應用，主要針對塑料基、玻璃基、金屬基和紙基微流控器件的制造工藝。麥姆斯咨詢聯(lián)系人：郭蕾電話：13914101112E-mail：guolei@memsconsulting.com延伸閱讀：《MEMS產業(yè)現(xiàn)狀-2017版》
