01
工作原理
MEMS電場(chǎng)儀核心探測(cè)單元的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，主要由屏蔽電極、感應(yīng)電極等構(gòu)成?；陔姾筛袘?yīng)工作原理，采用場(chǎng)磨工作機(jī)制，當(dāng)存在被測(cè)電場(chǎng)時(shí)，在靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器的帶動(dòng)下，屏蔽電極左右周期振動(dòng)，處于其下方的感應(yīng)電極上的電荷量發(fā)生周期性改變，產(chǎn)生感應(yīng)電流，之后由差分運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出，通過檢測(cè)電壓可得到被測(cè)電場(chǎng)大小。
圖1.1 MEMS電場(chǎng)儀核心探測(cè)單元示意圖
場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)子、感應(yīng)電極（定子）等構(gòu)成。其工作原理是基于電荷感應(yīng)原理，當(dāng)存在被測(cè)電場(chǎng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子周期性旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電極上的電荷量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過由運(yùn)算放大器構(gòu)成的I/V電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后通過相敏檢波電路提取出被測(cè)電場(chǎng)大小。
圖1.2 場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀基本結(jié)構(gòu)示意圖
從上述的工作原理可發(fā)現(xiàn)，MEMS電場(chǎng)儀和場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的核心探測(cè)原理是一樣的，都是基于電荷感應(yīng)原理，可動(dòng)電極（轉(zhuǎn)子、屏蔽電極）調(diào)制感應(yīng)電極上的電荷量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，之后轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后通過測(cè)量電壓得到被測(cè)電場(chǎng)大小。
02
結(jié)構(gòu)差異
2.1 核心探測(cè)結(jié)構(gòu)尺寸差異大
MEMS電場(chǎng)儀的核心探測(cè)結(jié)構(gòu)—MEMS電場(chǎng)敏感器件采用先進(jìn)的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）工藝制作，尺寸僅有5mm×5mm。場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，尺寸較大，轉(zhuǎn)子、定子的直徑一般在10cm左右；
2.2 MEMS電場(chǎng)敏感器件有封裝
由于MEMS電場(chǎng)敏感器件的尺寸為5mm×5mm，其內(nèi)部電極尺寸最小只有3μm，很容易受到空氣中灰塵、環(huán)境濕度等因素的影響，為了解決環(huán)境因素的影響，需對(duì)MEMS電場(chǎng)敏感器件進(jìn)行封裝。擁有封裝結(jié)構(gòu)是MEMS大氣電場(chǎng)儀和場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的一個(gè)主要區(qū)別。MEMS電場(chǎng)敏感器件的封裝是一種氣密性封裝，雖然在低端電場(chǎng)（±500V/m電場(chǎng)范圍）測(cè)量時(shí)MEMS大氣電場(chǎng)儀易受空氣離子流的影響，與場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的測(cè)量結(jié)果相比略微差一些，但是封裝后MEMS大氣電場(chǎng)儀環(huán)境適應(yīng)性能力更強(qiáng)，特別適合在易燃易爆場(chǎng)所使用。
封裝組件-芯片
封裝組件-晶圓
03
性能對(duì)比
3.1 測(cè)量范圍
MEMS電場(chǎng)儀和場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的測(cè)量范圍均可達(dá)到±150 kV/m。
3.2 分辨力
分辨力是衡量電場(chǎng)儀性能的一個(gè)關(guān)鍵靜態(tài)指標(biāo)，基于電荷感應(yīng)原理電場(chǎng)儀的分辨力與感應(yīng)面積成正比，由于場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的感應(yīng)面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MEMS電場(chǎng)儀的感應(yīng)面積，直觀感覺MEMS電場(chǎng)儀的分辨力要明顯低于場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀，但是分辨力也與調(diào)制頻率有關(guān)，MEMS電場(chǎng)儀的電場(chǎng)調(diào)制頻率為3kHz，遠(yuǎn)高于場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀（50Hz），因此最終的分辨力兩者是相當(dāng)?shù)?，?chǎng)磨式電場(chǎng)儀和MEMS電場(chǎng)儀的分辨力均可達(dá)到10V/m。
3.3 功耗
MEMS電場(chǎng)儀的電場(chǎng)敏感器件采用靜電梳齒驅(qū)動(dòng)，功耗極低（μW量級(jí)），其接口電路功耗大約為0.7W，因此MEMS電場(chǎng)儀的功耗也大約為0.7W，比場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀功耗低一個(gè)數(shù)量級(jí)。場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀需要馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，功耗較大，一般在5W左右；
3.4 雷暴天電場(chǎng)探測(cè)結(jié)果
MEMS電場(chǎng)儀與美國(guó)Campbell公司的場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀CS110某次雷暴過程探測(cè)結(jié)果如圖3.2所示，探測(cè)數(shù)據(jù)的皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.9677，在0.8~1.0之間，表明兩者探測(cè)結(jié)果是極強(qiáng)相關(guān)的，說明雷暴天MEMS電場(chǎng)儀與場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的探測(cè)結(jié)果無(wú)明顯差異。
圖3.2 雷暴天電場(chǎng)探測(cè)結(jié)果（相關(guān)系數(shù)：0.9677）
04
維護(hù)性
MEMS電場(chǎng)儀的探頭外殼為工程塑料材質(zhì)，并且在里面摻入了抗紫外照射、抗鹽霧的材料，因而太陽(yáng)輻射對(duì)其影響不大；即使探頭表面有灰塵，也會(huì)被雨水沖洗掉，基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)；場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀由于開口旋轉(zhuǎn)面吸附灰塵，需要定期維護(hù)，在空氣污染嚴(yán)重的地方需要頻繁清洗。
05
可靠性及安全性
MEMS電場(chǎng)儀無(wú)電機(jī)等易磨損可動(dòng)機(jī)械部件，可靠性高，壽命長(zhǎng)；另外由于擁有封裝結(jié)構(gòu)，所以無(wú)暴露可動(dòng)機(jī)械部件，可用于易燃易爆場(chǎng)所。
場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的可靠性嚴(yán)重依賴于電機(jī)質(zhì)量，并且由于有旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，在充滿可燃?xì)怏w的場(chǎng)所中與空氣摩擦可能會(huì)引起火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸，所以不適用于易燃易爆場(chǎng)所。
06
基于電場(chǎng)儀的雷電預(yù)警方法
晴天電場(chǎng)比較小，一般在±500V/m范圍內(nèi)，但在雷暴天，大氣電場(chǎng)的絕對(duì)值基本會(huì)超過2kV/m，在雷電來(lái)臨時(shí)，電場(chǎng)變化速率會(huì)明顯加快，在發(fā)生地閃過程中，電場(chǎng)絕對(duì)值可能會(huì)達(dá)到20kV/m，甚至更高，并且會(huì)出現(xiàn)正負(fù)電場(chǎng)跳變現(xiàn)象。由大氣電場(chǎng)探測(cè)結(jié)果可知，在雷暴天，MEMS大氣電場(chǎng)儀與場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的探測(cè)結(jié)果已無(wú)明顯差異，如果采用MEMS電場(chǎng)儀或場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀作為探測(cè)裝置進(jìn)行雷電預(yù)警，一般都會(huì)采用大氣電場(chǎng)閾值和變化率綜合分析預(yù)警方法，兩者的預(yù)警方法是相同的，所以誤報(bào)率也相同。
07
其他說明
電子式電場(chǎng)儀是對(duì)電場(chǎng)變化強(qiáng)度的一個(gè)連續(xù)積分，所測(cè)量的是電場(chǎng)強(qiáng)度的變化率；MEMS電場(chǎng)儀基于電荷感應(yīng)原理和場(chǎng)磨工作機(jī)制，更像一個(gè)微型化的場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀，因此MEMS電場(chǎng)儀和電子式電場(chǎng)儀的探測(cè)原理有本質(zhì)區(qū)別，不能將MEMS電場(chǎng)儀混淆為電子式電場(chǎng)儀。
END
