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基于铌酸锂电光效应的电场传感器研究进展（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第11期 94-106页

作者：邓世耀彭佳豪王李波刘润昊符方恒陈华江韦玉明杨铁锋关贺元卢惠辉暨南大学广东省光纤传感与通信重点实验室暨南大学广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室

电场传感器在汽车、航空电子、医疗器械、电力系统以及高能物理研究等领域具有广阔的应用前景，相关研究在工程技术和科学研究领域具有重要意义。介绍了电场传感器的几种工作原理，对比分析了基于铌酸锂电光效应的电场传感器的优势。分... 详细信息

电场传感器在汽车、航空电子、医疗器械、电力系统以及高能物理研究等领域具有广阔的应用前景，相关研究在工程技术和科学研究领域具有重要意义。介绍了电场传感器的几种工作原理，对比分析了基于铌酸锂电光效应的电场传感器的优势。分别推导了集成光波导马赫-曾德尔结构和基于共振峰漂移的微结构电场传感器的工作原理。总结和分析了铌酸锂块状晶体型和薄膜铌酸锂型的电场传感器近年来的研究进展，还重点讨论和分析了传感器件结构在灵敏度、线性动态范围、频率响应、器件尺寸等工作性能指标上的提升和关键技术。对未来基于铌酸锂电光效应的电场传感器发展前景和所面临的挑战进行了展望。

关键词：铌酸锂电场传感器电光效应集成光波导微结构

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一种场磨式三维大气电场传感器

电子测量技术 2024年第2期47卷 32-37页

作者：娄华生行鸿彦王水璋施成龙李浩琪南京信息工程大学电子与信息工程学院南京210044

针对市面上电场传感器只能探测一维电场垂直分量且电场测量结果存在一定的误差,为了更加精确地测量大气电场强度,提高雷暴云预警的准确率,提出一种场磨式三维大气电场传感器,传感器主要结构由屏蔽罩、感应电极、光电开关、叶片和电机组... 详细信息

针对市面上电场传感器只能探测一维电场垂直分量且电场测量结果存在一定的误差,为了更加精确地测量大气电场强度,提高雷暴云预警的准确率,提出一种场磨式三维大气电场传感器,传感器主要结构由屏蔽罩、感应电极、光电开关、叶片和电机组成,电路设计主要包括I-V转换电路、差分放大电路、峰值检测电路和滤波电路等,进行传感器实地电场测量实验并整理实验数据;实验结果表明,该传感器能够对环境电场进行水平和垂直分量测量,有效反映了环境电场特征,验证了场磨式三维大气电场传感器结构设计和电路设计的有效性。

关键词：电场强度雷暴云场磨式电场传感器

集成差分电容式MEMS微型电场传感器设计与研制

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电子器件 2024年第1期47卷 79-83页

作者：黄国平陈锦荣王跃强廖峰广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山528000

在继电保护实际运行中,屏柜内部一些隐性故障将造成压板投退失效,严重威胁着电网的安全可靠运行。为了能够可靠、有效地监测出口压板的带电状态或电气导通性,设计了一种SOI差分电容式MEMS电场传感器。所设计的传感器以微机械元件物理设... 详细信息

在继电保护实际运行中,屏柜内部一些隐性故障将造成压板投退失效,严重威胁着电网的安全可靠运行。为了能够可靠、有效地监测出口压板的带电状态或电气导通性,设计了一种SOI差分电容式MEMS电场传感器。所设计的传感器以微机械元件物理设计为基础,构造出可靠的运行结构,并且依靠一个低噪声、高动态范围的接口IC来完成操作。所设计的接口集成电路在应对脉冲式的间歇性操作的同时,组织互补设备阵列以感应各种不同的测量信号。通过COMSOL Multiphysics仿真实验可以看出,所设计的传感器能够很好地满足压板状态监测的需求。

关键词：继电保护电场传感器 MEMS 硬压板

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

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电子与信息学报 2023年第1期45卷 150-157页

作者：雷虎成夏善红彭春荣毋正伟张洲威刘俊彭思敏刘向明高雅浩中国科学院空天信息创新研究院传感技术联合国家重点实验室北京100190 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产... 详细信息

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0~50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。

关键词：电场传感器锆钛酸铅低电压驱动微机电系统

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一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器

电子与信息学报 2023年第8期45卷 3040-3046页

作者：储昭志杨鹏飞闻小龙彭春荣刘宇涛吴双中国科学院微电子研究所北京100029 北京信息科技大学北京100192 北京科技大学北京100083 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室北京100094 北京中科飞龙传感技术有限责任公司北京100089

针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题,该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中,感应电极用于测量外部电场,参考电极用于监测可动结构振动信息;基于振动相位和... 详细信息

针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题,该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中,感应电极用于测量外部电场,参考电极用于监测可动结构振动信息;基于振动相位和锁相环技术实现传感器谐振频率自动跟踪,利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时补偿,提高传感器灵敏度的稳定性。该文开展了敏感结构设计和理论分析,研制出传感器样机,并进行了样机标定测试。测试结果表明,在±18 kV/m电场范围内,传感器线性度达到0.21%,3个往返行程总不确定度达到1.34%;在–40℃~70℃温度范围内,灵敏度相对漂移量小于3.0%,具有良好的灵敏度漂移自补偿效果。

关键词：微机电系统电场传感器灵敏度漂移温度补偿

基于SOI-SOG键合的圆片级真空封装MEMS电场传感器

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电子学报 2023年第9期51卷 2517-2525页

作者：刘俊夏善红彭春荣储昭志雷虎成刘向明张洲威张巍彭思敏高雅浩中国科学院空天信息创新研究院传感技术联合国家重点实验室北京100094 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 中国科学院微电子研究所北京100029

圆片级真空封装是提高微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)电场传感器品质因数及批量化制造效率的重要途径.本文提出了一种基于绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)-玻璃体上硅(Silicon On Glass,SOG)键合的圆片... 详细信息

圆片级真空封装是提高微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)电场传感器品质因数及批量化制造效率的重要途径.本文提出了一种基于绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)-玻璃体上硅(Silicon On Glass,SOG)键合的圆片级真空封装MEMS电场传感器,设计并实现了从传感器敏感结构制备到真空封装的整套圆片级加工工艺.本文建立了传感器的结构电容模型,进行了有限元仿真,分析了传感器的特性,突破了传感器微结构制备与释放、SOI与SOG键合等工艺技术难点.该传感器具有工作电压低、品质因数高的突出优点.实验结果表明,工作电压仅为5 V直流与0.05 V交流电压.在60天测试过程中,传感器品质因数始终保持在5000以上.在0~50 kV/m范围内,传感器灵敏度为0.15 mV/(kV/m),线性度为2.21%,不确定度为4.74%.

关键词： MEMS 电场传感器圆片级真空封装模型制备

用于爆炸辐射电磁脉冲时域测量的集成光波导电场传感器研制

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仪器仪表学报 2022年第7期43卷 149-156页

作者：张家洪王欣陈福深昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650500 北京森馥科技股份有限公司北京102209

针对爆炸辐射电磁脉冲(EMP)上升沿快、脉宽窄、峰值场强高等特点,设计并研制出一种集成光波导宽带电场传感器。使用标准雷电电磁脉冲(LEMP)对研制的传感器进行时域标定得出,传感器能够不失真地测量出LEMP的时域波形,且最小和最大可测电... 详细信息

针对爆炸辐射电磁脉冲(EMP)上升沿快、脉宽窄、峰值场强高等特点,设计并研制出一种集成光波导宽带电场传感器。使用标准雷电电磁脉冲(LEMP)对研制的传感器进行时域标定得出,传感器能够不失真地测量出LEMP的时域波形,且最小和最大可测电场分别约为1.4和10.8 kV/m;使用连续波电场对传感器进行频域标定得出,传感器最小可测电场为52.5 mV/m,且在9 kHz~1 GHz响应波动在±4 dB以内。最后在国内某试验基地搭建了基于研制的光波导电场传感器的爆炸辐射EMP现场测试系统,分别对距爆炸点不同距离处的辐射EMP进行时域测量。结果表明,爆炸辐射EMP的产生滞后爆炸发生约几毫秒;辐射EMP为一系列双极性脉冲组成的脉冲串,单个脉冲宽度在100μs以内,脉冲串宽度在2 ms以内,频率在17.5~35 kHz;在距离爆炸物5 m以内的爆炸辐射EMP峰值场强在5~10 kV/m。本文研制的光波导电场传感器具有全无源、宽带宽、对被测电场干扰小、体积小、强抗电磁干扰等特点,为爆炸辐射EMP的时域测量提供了一种新的技术手段。

关键词：爆炸电磁辐射电磁脉冲集成光波导电场传感器

一种MEMS三维电场传感器抗电荷干扰方法研究

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仪器仪表学报 2023年第8期44卷 239-248页

作者：张巍张洲威彭春荣夏善红中国科学院空天信息创新研究院传感技术联合国家重点实验室北京100190 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049

三维电场传感器具有广泛的应用需求。在传感器应用环境中存在空间电荷的条件下,带电粒子有可能在电场传感器表面产生电荷积累,对电场检测造成干扰,这是影响测量准确性的一个关键因素。尤其对于MEMS三维电场传感器,尚缺乏相关的机理研究... 详细信息

三维电场传感器具有广泛的应用需求。在传感器应用环境中存在空间电荷的条件下,带电粒子有可能在电场传感器表面产生电荷积累,对电场检测造成干扰,这是影响测量准确性的一个关键因素。尤其对于MEMS三维电场传感器,尚缺乏相关的机理研究和解决方案。针对这个问题,作者探究了表面电荷积累对传感器感应待测电场的影响,分析了电荷积累产生的干扰与传感器结构尺度的关系,并通过有限元仿真和实验验证了理论分析的正确性。在此基础上,提出一种通过对传感单元感应信号的差分解算消除传感器表面电荷积累对电场测量影响的方法。本文研制出抗电荷干扰的三维电场传感器样机。实验表明,在0~30 kV/m待测电场范围内,传感器测量误差在4.2%以内。

关键词： MEMS 电场传感器三维电荷积累

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全光纤电场传感器的温度稳定性研究

传感技术学报 2022年第2期35卷 184-189页

作者：成林王乃永张庆洲石磊刘健吴经锋吴健丁晖国网陕西省电力公司电力科学研究院陕西西安710199 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

光纤电场传感器具有很大的应用潜力,但是其温度稳定性难以解决。论文针对光纤电场传感器存在温度稳定难以解决的技术瓶颈,提出一种通过调节传感器结构参数便可以消除温度敏感性的三光束干涉(TBI)电场传感器。论文从微纳光纤之间的耦合... 详细信息

光纤电场传感器具有很大的应用潜力,但是其温度稳定性难以解决。论文针对光纤电场传感器存在温度稳定难以解决的技术瓶颈,提出一种通过调节传感器结构参数便可以消除温度敏感性的三光束干涉(TBI)电场传感器。论文从微纳光纤之间的耦合方程出发,详细论述了温度对TBI电场传感器的影响机制,讨论了TBI电场传感器的结构参数对传感器温度稳定性的影响规律,给出了具有良好温度稳定性的传感器最优结构设计方法。理论上,该电场传感器的温度稳定性可降低至在0 pm/℃。温度实验测试结果表明,通过微调工艺可以将传感器的温度稳定性控制在2.6 pm/℃左右。论文研究工作对提升全光纤电场传感器的技术水平,推广其在工程中的实际应用具有重要意义。

关键词：微纳光纤三光束干涉电场传感器全光纤温度稳定性