新型金属微结构电场传感器研究

This project proposes a novel electric field sensor with metal microstructure. Based on electrostatic driving, the metal micro shielding electrode staggeredly vibrates relative to the metal micro sensing electrode in the vertical direction to measure low frequency or static electric field. This project will give theoretical investigations on the vibration characteristics of the metal microstructure under micro-scale effects, pull-in effects, complicated coupling effects of force and electric, combining with the array of structures of differential excitation and differential sense, to form a novel unique device structure, i.e., staggered resonant sensitive metal structure. We will synthetically carry out simulation and parameters optimization, analyze the static and dynamic characteristics, confirm the optimized structure parameters, and focus on resolving the structure design technology of micro electric field sensor with high resolution. Then we will develop the signal processing circuit, suppress the crosstalk coupling and common-mode noise, and solve the key problems of the technology of detecting the weak signal under strong background noise. New ways will be explored to improve the resolution and stability of micro electric field sensor, and promote it to further development and application.

本项目提出一种新型的金属微结构电场传感器方案。该方案采用静电驱动的激励方法，金属微屏蔽电极在垂直方向相对于金属微感应电极交错振动，实现低频或静电场的测量。通过对静电激励下金属微结构微尺度效应、吸合效应、复杂力电耦合作用下振动特性等理论研究，结合差分激励、差分敏感的结构布置方案，设计出独特的交错振动微金属敏感结构；综合运用仿真和参数优化技术，并对传感器进行静态和动态特性分析，确定最优结构参数，实现高分辨力微型电场传感器设计；研究金属微结构传感器制备工艺，实现金属敏感结构的微型化和批量化制造；研制信号处理电路，抑制传感器的串扰耦合和共模噪声，解决强背景噪声下弱信号检测等技术问题。通过本项目的研究，探索提高微型电场传感器电场测量分辨力、工作稳定性的新途径，促进微型电场传感器的进一步发展和应用。

大气电场是一个跨越多种学科的特性参量。雷暴闪电、环境污染、沙暴来临等都会使大气电场发生变化。采用电场传感器进行大气电场测量是主要电场探测手段。电场传感器在航天、国防、电网、石油石化等诸多领域具有广泛的应用前景。在实际应用中，高分辨力、高稳定性、低成本的新型微结构电场传感器具有重要的研究意义。本项目基于UV-LIGA工艺技术，提出并研究了一种金属微结构电场传感器及其测试标定技术，探索提高微型电场传感器电场测量分辨力、工作稳定性的新途径。在本项目中，重点研究了微金属敏感结构设计和仿真优化技术；研究了金属材料电镀等工艺技术，制备出微型化金属敏感结构；研究了传感器弱信号检测技术，抑制传感器的串扰耦合和共模噪声，解决了强背景噪声下弱信号检测等技术问题；研究了电场传感器标定测试技术，搭建了传感器软硬件测试平台。本项目首次基于UV-LIGA工艺技术，研制出了新型微金属结构电场传感器样机，并在室温常压下进行了性能测试，在0-50kV/m的电场测量范围，传感器具备较好的线性度。