01
工作原理
MEMS電場(chǎng)儀核心探測單元的基本結構如圖1.1所示，主要由屏蔽電極、感應電極等構成?；陔姾筛袘ぷ髟?，采用場(chǎng)磨工作機制，當存在被測電場(chǎng)時(shí)，在靜電梳齒驅動(dòng)器的帶動(dòng)下，屏蔽電極左右周期振動(dòng)，處于其下方的感應電極上的電荷量發(fā)生周期性改變，產(chǎn)生感應電流，之后由差分運算放大器轉換成電壓輸出，通過(guò)檢測電壓可得到被測電場(chǎng)大小。
圖1.1 MEMS電場(chǎng)儀核心探測單元示意圖
場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的基本結構如圖1.2所示，主要由驅動(dòng)電機、轉子、感應電極（定子）等構成。其工作原理是基于電荷感應原理，當存在被測電場(chǎng)時(shí)，驅動(dòng)電機帶動(dòng)轉子周期性旋轉，感應電極上的電荷量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應電流，通過(guò)由運算放大器構成的I/V電路轉換成電壓輸出，然后通過(guò)相敏檢波電路提取出被測電場(chǎng)大小。
圖1.2 場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀基本結構示意圖
從上述的工作原理可發(fā)現，MEMS電場(chǎng)儀和場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的核心探測原理是一樣的，都是基于電荷感應原理，可動(dòng)電極（轉子、屏蔽電極）調制感應電極上的電荷量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應電流，之后轉換成電壓輸出，然后通過(guò)測量電壓得到被測電場(chǎng)大小。
02
結構差異
2.1 核心探測結構尺寸差異大
MEMS電場(chǎng)儀的核心探測結構—MEMS電場(chǎng)敏感器件采用先進(jìn)的MEMS（微機電系統）工藝制作，尺寸僅有5mm×5mm。場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀采用傳統機械加工工藝，尺寸較大，轉子、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MEMS電場(chǎng)敏感器件進(jìn)行封裝。擁有封裝結構是MEMS大氣電場(chǎng)儀和場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的一個(gè)主要區別。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)儀的測量結果相比略微差一些，但是封裝后MEMS大氣電場(chǎng)儀環(huán)境適應性能力更強，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
性能對比
3.1 測量范圍
MEMS電場(chǎng)儀和場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的測量范圍均可達到±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，基于電荷感應原理電場(chǎng)儀的分辨力與感應面積成正比，由于場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的感應面積要遠遠大于MEMS電場(chǎng)儀的感應面積，直觀(guān)感覺(jué)MEMS電場(chǎng)儀的分辨力要明顯低于場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀，但是分辨力也與調制頻率有關(guān)，MEMS電場(chǎng)儀的電場(chǎng)調制頻率為3kHz，遠高于場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀（50Hz），因此最終的分辨力兩者是相當的，場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀和MEMS電場(chǎng)儀的分辨力均可達到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動(dòng)，功耗極低（μW量級），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)數量級。場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀需要馬達驅動(dòng)，功耗較大，一般在5W左右；
3.4 雷暴天電場(chǎng)探測結果
MEMS電場(chǎng)儀與美國Campbell公司的場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀CS110某次雷暴過(guò)程探測結果如圖3.2所示，探測數據的皮爾森相關(guān)系數為0.9677，在0.8~1.0之間，表明兩者探測結果是極強相關(guān)的，說(shuō)明雷暴天MEMS電場(chǎng)儀與場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的探測結果無(wú)明顯差異。
圖3.2 雷暴天電場(chǎng)探測結果（相關(guān)系數：0.9677）
04
維護性
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)現免維護；場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀由于開(kāi)口旋轉面吸附灰塵，需要定期維護，在空氣污染嚴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)電機等易磨損可動(dòng)機械部件，可靠性高，壽命長(cháng)；另外由于擁有封裝結構，所以無(wú)暴露可動(dòng)機械部件，可用于易燃易爆場(chǎng)所。
場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的可靠性嚴重依賴(lài)于電機質(zhì)量，并且由于有旋轉的機械部件，在充滿(mǎn)可燃氣體的場(chǎng)所中與空氣摩擦可能會(huì )引起火災，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)儀的雷電預警方法
晴天電場(chǎng)比較小，一般在±500V/m范圍內，但在雷暴天，大氣電場(chǎng)的絕對值基本會(huì )超過(guò)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(guò)程中，電場(chǎng)絕對值可能會(huì )達到20kV/m，甚至更高，并且會(huì )出現正負電場(chǎng)跳變現象。由大氣電場(chǎng)探測結果可知，在雷暴天，MEMS大氣電場(chǎng)儀與場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的探測結果已無(wú)明顯差異，如果采用MEMS電場(chǎng)儀或場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀作為探測裝置進(jìn)行雷電預警，一般都會(huì )采用大氣電場(chǎng)閾值和變化率綜合分析預警方法，兩者的預警方法是相同的，所以誤報率也相同。
07
其他說(shuō)明
電子式電場(chǎng)儀是對電場(chǎng)變化強度的一個(gè)連續積分，所測量的是電場(chǎng)強度的變化率；MEMS電場(chǎng)儀基于電荷感應原理和場(chǎng)磨工作機制，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)儀的探測原理有本質(zhì)區別，不能將MEMS電場(chǎng)儀混淆為電子式電場(chǎng)儀。
END
