基于MEMS技术的电压电流集成传感器研究

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配电网的电压电流测量在电能计量、继电保护、智能设备控制等领域都有举足轻重的影响,是电力系统维护中的重要环节。智能配电网是智能电网重要组成部分,需要大量尺寸小、成本低、性能可靠、易安装维护的电压电流传感器。然而目前用于电压电流检测的传统互感器存在体积大、易磁饱和、铁磁谐振等问题,绝缘难度随电压等级升高而加大,难以满足新一代电力系统自动化、配电网智能化等发展需要。因此,本论文设计并制备了一种小型化、低功耗、易安装维护的新型MEMS电压电流集成传感器样机,用于传输线路中电压信号和电流信号的检测。  本文通过Ansoft Maxwell软件对输电线路进行了建模,研究了随输电线路电压、电流增加电场、磁场的变化规律以及传感器探头距离改变时传感器探头处的电场、磁场变化规律。结果表明:当电场/磁场传感器探头离导线越近,场强越强;而当传感器探头与输电导线距离固定时,探头处的电场、磁场分别与导线电压、电流呈线性关系。这为接下来的传感器结构设计提供一定的理论基础。  提出并研究了一种基于MEMS技术的新型电压电流集成传感器的结构设计,其中,分别采用两个非对称金属极板和三维感应线圈作为电压传感器和电流互感器的敏感结构,并通过MEMS技术将两者集成在同一块玻璃衬底上。介绍了集成传感器的工作原理,分别推导出了电流传感器与被测电流以及电压传感器与被测电压的关系表达式,并对MEMS电压电流传感器探头的灵敏度进行了分析。此外,本文利用AnsoftMaxwell软件对集成传感器进行了兼容性研究。  利用微加工工艺制备出了MEMS电压电流集成传感器样机。首先介绍并研究了传感器制作过程中采用的MEMS工艺,包括溅射工艺、光刻工艺、Lift-off工艺、微电镀工艺、抛光工艺、刻蚀工艺等。提出了电压电流集成传感器MEMS制备工艺的具体流程。  设计了MEMS电压电流集成传感器的前置电路,搭建了传感器的测试校准试验平台,并对传感器性能进行了测试。测试结果表明:当被测电流范围为0~60A时,MEMS电流传感器的线性度为0.58%,其中,被测电流为60A时,测试系统的输出信号为563mV;当被测电压的额定值为1kV时,MEMS电压传感器的线性度为0.3%,其中,当被测电压值为1.2kV时,测试系统的输出信号为325.67mV。
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