导读
近日，奥地利维也纳技术大学（TU Wien）开发出了一款传感器用于测量电场强度。它比同类装置更小、更简单且更不容易失真。
背景
在医疗电子、物联网、智能硬件、机器人、可穿戴设备等众多科技领域中，传感器一直都扮演着至关重要的角色。之前，笔者为大家介绍了许多有关传感器的创新技术，应用领域非常广泛，例如：测量农作物水分、监测人的运动状态、检测疾病、检测饮用水水质、检测兴奋剂和爆炸物、检测桥结构问题等等。
举个有关传感器方面创新的典型案例，让大家对于传感器有一个更直观的认识。下图是一款由瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）开发的用于测量温度的可生物降解的微型生物传感器。这款传感器的特殊之处就在于它是由无毒可降解的材料制成。
（图片来源：ETH Zurich）
创新
今天，我们要介绍的创新科技成果也是一种新型传感器，然而这一次它的用途是测量电场强度。该传感器由奥地利维也纳技术大学（TU Wien）开发，比同类装置更小（如下图所示：尺寸比一美分硬币更小）、更简单且更不容易失真。
（图片来源：TU Wien）
奥地利克雷姆斯多瑙河大学（Danube University Krems）集成传感器系统学部也参与了传感器的联合设计。相关论文发表于电子杂志《自然电子》（Nature Electronics）。
技术
从技术的角度讲，测量电场并不是一项简单的任务。
维也纳技术大学的科研团队打破了迄今为止的其他所有器件所遵循设计准则，开发出一种微机电系统硅基传感器。这一传感器的最主要优势就是：它不会扭曲目前正在测量的电场。
TU Wien 电气工程学院传感器和促动器系统研究所的 Andreas Kainz 表示：“目前，用于测量电场强度的装置具有一些显著缺陷。这些装置含有会变成带电的部分。导电金属组件会显著改变正在测量的电场；如果装置为了提供测量参考点也必须接地的话，这个效应会变得更加显著。”
TU Wien 团队开发出由硅制成的传感器，它基于一个非常简单的理念：网格状的小型硅结构（测量尺寸仅几微米）固定到小型弹簧上。当硅暴露于电场中的时候，会有一个力作用于硅晶体，使弹簧轻微地收缩或者伸长。
（图片来源：TU Wien）
现在，这些细微的运动需要变得可见。因此，研究人员设计出了一种光学解决方案：另外一个网格位于运动的硅网格之上，并精准地排列好，一个网格的空缺被另外一个网格遮住。当电场出现时，运动结构会稍稍移动，摆脱与固定网格的完美对齐，让光线可以通过缺口。这种光线会被测量，而通过恰当的校准装置，可从中计算出电场强度。
（图片来源：TU Wien）
价值
这种新型硅传感器不会测量电场方向，但是会测量强度。它可以用于相对较低频率的电场，直到一千赫兹。精准测量电场对于一系列应用来说都至关重要，这些应用包括：天气预报、工业机械过程控制、高压电线工作人员安全保障。
Andreas Kainz 表示：“使用该原型装置，我们已经能够可靠地测量强度低于200伏特每米的弱电场。这意味着我们的系统已经与达到现有产品的同等水平，然而它明显地更小更简单。其他的测量方法已经是成熟方案，而我们才刚刚开始。未来，我们的微机电传感器提供的结果将肯定会好很多。” 对于未来进一步的改善来说，这个产品也具有巨大的潜力。
关键字
传感器、微机电系统、硅
参考资料
【2】Kainz et al.. Distortion-free probes of electric field. Nature Electronics 1, 10-11 (2018). doi:10.1038/s41928-017-0013-9
发表于 2018-1-30 05:30
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