基於MEMS技術的直流合成電場感測器研究

《基於MEMS技術的直流合成電場感測器研究》是依託清華大學，由余占清擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於MEMS技術的直流合成電場感測器研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：余占清
• 項目類別：面上項目

項目摘要

空間直流合成電場是表征直流輸電線路和高壓設備電磁環境效應的重要參數。由於電位高且空間存在帶電粒子，目前使用的場磨不能測量空間場強。微機電系統（MEMS）電場感測器具有擾動小、精度高、便於集成的優點，但目前還無法解決空間電荷的影響，不能用於直流合成電場測量。本項目基於微機電系統（MEMS）和集成微電子工藝，研究適應複雜、惡劣環境及高強度的全場域、獨立式、晶片級直流合成場強感測器。重點研究直流離子流場中介質表面和內部直流電場特性，解決離子流和電磁干擾對測量結果的影響；研究適用於強直流電場檢測的電驅動共振式微機械結構，設計複合式多單元MEMS結構和表面電荷控制結構；研究微信號採樣和處理電路及基於中程射頻技術的無線供能和信號傳輸電路，提出結構-電路一體化集成技術方案，完成感測器製備和最佳化。成果將解決空間直流合成場強測量難題，可廣泛套用於直流輸電系統的電磁環境評估、線上監測和高壓智慧型設備量測。

結題摘要

直流合成電場是高壓直流輸電線路和直流變電設備設計、運行的關鍵控制指標，由於電位高且空間存在離子流，線路和設備附近的空間直流合成場強特性複雜，現有手段無法解決在離子流場中脫離參考電位進行自由空間電場測量的難題。微機電系統（MEMS）電場感測器具有擾動小、精度高、便於集成的優點，但同樣無法解決空間電荷的影響問題。 本項目基於微機電系統（MEMS）和集成微電子工藝，面向高場強、複雜帶電粒子分布的全場域、獨立式、晶片級直流合成電場感測器開展研究。研究了直流離子流場中介質表面和內部直流電場特性，考慮空間離子流場域中帶電粒子反應機制和介質的電荷附著機理，建立了直流線路下方物體附近三維泊松場分析模型，獲得了介質內外部電場特性及導體對空間離子流場的影響規律，發現了離子流場中會產生“電荷空區”現象。 提出了基於合成場、附著電荷以及電荷空區附加場解耦模型的感測方法，設計了適用於強離子流電場的差分式雙獨立電位隔離複合感測方案；基於力-熱-電多場耦合分析方法，分析了結構的振動模態、場路傳導和擊穿特性、阻尼和能耗特性，設計並提出了基於強制靜電驅動結合水平振動側壁感應結構的MEMS感測器結構方案和技術參數，研發MEMS感測器的晶片微機械結構。針對大深度SOI埋氧層釋放難題，研發了起伏表面真空輔助旋塗聚醯亞胺工藝，建立了背面釋放懸空結構的保護方法，提出了面向MEMS感測器的加工工藝並完成加工。 研究了感測器的信號處理、供能和信號傳輸技術。提出了基於中程射頻技術的能量-數據複合傳輸結構，設計研發了高增益微型天線；提出了面向極微弱信號的處理電路結構方案；設計了前端結構-後端電路的集成技術方案和工藝流程。 針對離子流電場的特殊性，設計實現了隔離式直流電場校準系統，搭建了離子流環境下直流合成電場測試平台；依託特高壓直流試驗線段，測試分析了合成電場的分布規律及環境參數的影響。 成果可解決空間直流合成場強測量難題，可用於直流輸電系統的電磁環境評估和高壓設備線上監測，也可內嵌於電力設備和可穿戴設備中實現電場測量。