基于MEMS的非接触式交直流电网电压传感器关键技术研究

目前基于电场法的非接触式电压传感器只能测量AC或DC电压，不能同时对两者测量；而基于MEMS的电场传感器量程太窄、分辨率低，要实现电网应用，仍缺乏对器件封装、离子流干扰等关键问题的研究。.对此，本项目提出一种新型的基于电场法的非接触式交、直流电网电压测量的MEMS传感器方案，通过在架空线下方铺设传感器监测电场，然后利用电场电压转换矩阵推算出系统电压值。重点研究测量方案理论模型、大动态范围结构设计及制备、强离子流环境下传感器封装、强电磁干扰背景下弱信号检测方法等关键问题。传感器设计通过局部增强电场的电容结构和自动控制激励电容结构方法，实现器件大动态范围输出；基于对称封装方案和相位检测方法，解决强离子流和强电磁干扰下传感器信号的稳定输出问题。.本项目研究的创新成果除可用于电网电压测量，还可用于绝缘子检测、绝缘测量和电磁场环境评估等方面，具有非常重要的应用前景和研究意义。

按照项目计划书要求全面开展了相关研究工作，本项目进展顺利，按计划完成了规定的各项研究内容和技术指标。.由于目前传统电压传感器存在体积大、笨重、绝缘要求高及动态范围小等问题，以及基于电场法的非接触式电压传感器只能测量AC 或DC 电压，不能同时对两者测量；而基于MEMS 的电场传感器量程太窄、分辨率低，要实现电网应用，仍缺乏对器件封装、离子流干扰等关键问题的研究。针对上述问题，本项目提出一种新型的基于电场法的非接触式交、直流电网电压测量的MEMS 传感器方案，通过在架空线下方铺设传感器监测电场，然后利用电场电压转换推算出电压值。本项目研究并突破了测量方案理论模型、传感器大动态范围结构设计及制备、强离子流环境下传感器封装、强电磁干扰背景下弱信号检测方法等关键技术问题。研制出一种新型的可实现非接触式交、直流电网电压精确测量的基于电场敏感原理的高性能MEMS传感器及系统样机。.本项目在核心传感器关键技术研究方面实现了如下创新：提出并设计了可实现交直流电场测量的谐振式电场传感器共面电极敏感结构，有效利用了敏感结构的边缘效应，提高了传感器的灵敏度，可同时测量交流（工频）和直流电场；提出并采用了铝掩膜基底保护和聚酰亚胺正面保护技术，解决了SOI敏感结构工艺制备中微结构之间粘连、深反应离子刻蚀表面污染等关键问题，提高了器件成品率和一致性；提出并实现了抗静电封装结构方案，解决了传感器表面静电荷积累和离子流干扰等实用化瓶颈问题；经测试，在电场测量范围50V/m~1000kV/m下，交（工频）直流电场分辨力优于20V/m；直流电场精度（准确度）达到1.63%，工频电场精度（准确度）达到1.53%，传感器可以实现交流、直流电场同时测量，满足项目要求；针对研制的传感器样机，进行了大量的试验验证和测试，与理论吻合性好，满足应用要求。.较传统器件，本项目研制的传感器具有微型化、功耗低、成本低、探头尺寸小、空间分辨率高以及易于集成化等突出优点，该创新研究成果可用于交直流（特）高压电网输电线路、变电站等区域的空间电场分布和非接触式电压测量，还可以用于电网绝缘子缺陷检测、设备绝缘性能测量和电磁场环境评估等方面，具有非常重要的应用前景和研究意义。