一种小型电压传感膜片的设计与仿真

张国帅

摘 要

本文突破传统阻容分压、电阻分压电压传感器的设计思路，基于MEMS加工技术，设计了一种十字梁结构膜片，建立了数学模型，利用有限元分析法对其结构进行仿真研究，得到十字梁硅微结构的电压传感膜片理想参数，通过对十字梁膜片进行固有频率分析，计算出远大于工频，表明设计的十字梁膜片能对交、直流电压进行测量。

关键词

电压测量;硅微结构;有限元仿真

中图分类号： P313.1                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.044

0 课题研究的背景和意义

近些年随着电力、能源等支柱行业迅猛发展，国民生活对电能的依赖性增大，对电能质量的要求也逐渐提高[1]。为了实现电压精准测量，各电力设备制造企业推出了一系列电压监测产品，这些产品大多采用阻容分压、电阻分压两种方法测量电压[2]，由于分压测量方法的局限性，都存在着体积普遍较大，携带不方便、磁通易饱和、抗干扰能力差等特点[3]。为此本文基于MEMS加工技术，设计了一种便携式小型电压传感器。

1 分压传感器的缺点

分压器多采用电阻分压或电容分压原理进行交流、直流电压测量，但由于是电阻制成，体积往往较大，比较笨重[4]。以特达电力设计的FRC-50KV电压传感器为例，其阻抗为600MΩ，尺寸为180*180*620mm3，质量6kg。为了能承受更大的电压，同时使磁通更不容易饱和，在设计分压器的时候需要增大电阻，这就会使得分压器的体积和重量猛增。测量电压越高，分压器的体积越大、重量也越重，不便于运输。同时分压器在测量过程中很容易受到磁通饱和、电磁干扰，因此分压器运行时对环境要求比较高，适用性不强[5-6]。

2 MEMS加工技术特点

机械加工技术是目前机械加工应用最为广泛的技术之一，其加工通常由车床、铣床、镗床完成的，随着机械加工技术的不断成熟和进步，机械加工的精度已经从0.1mm提升至0.01mm即100μm，也基本上达到了机械加工的瓶颈，进一步提升加工精度难度非常大。通过不断研发出最好的轴承和丝杠进一步提升加工精度，其精度可进一步提升至0.005mm。但这只是表面加工的精度，对于一些复杂的镂空结构的加工，比较常见的是采用水刀或者线切割，水刀加工精度差，暂不考虑，线切割加工精度可达0.001mm，但是需要提前预穿孔且加工时间比较长。

21世纪以来，随着微电子技术的发展，比传统加工技术加工精度更高的微纳加工技术悄然兴起，微纳加工可以将加工精度由传统的机械加工精度由毫米级提升至纳米级，且凭借加工出来的器件尺寸小、性能好的特点，普遍应用于航空航天、军工领域。

3 电压传感单元数学模型建立与分析

电压传感膜片在电场的作用下，会受到电场力f的作用，其大小为：

其中，W为电场能量，C为平板电极间电容，x为电极间间距。

在交流电压作用下，采用MEMS硅微加工技术进行加工的传感单元在电压U的作用下，其受到的电场力F为：

其中S为传感单元在电场中的有效受力面积。

建立了十字形固端梁模型，如图1所示。

以固端梁结构为模型对其进行电场力作用下的受力分析，探索外力F与应变Δl之间的关系。

4 电压传感单元结构设计与仿真

在十字固端梁数学模型的基础上，通过增大应变膜片面积来增大所受电场力，从而提升应变，因此设计了如图2所示的力学仿真模型。通过ANSYS有限元仿真软件，设计边界条件，将十字梁的四端固定。由于应变膜片在电场的作用下，受力较为均匀，因此为模拟电场力的作用，将电场力均匀作用在应变膜片表面，对应变进行仿真。

设定硅片主体正方形有效边长为3.5mm，固端梁的长度a为0.8mm，宽度b为0.3mm，硅片整体尺寸l为5.1mm。在20KV电压下分别对30μm、60μm厚度尺寸对其进行应变仿真。

通过对十字梁的仿真研究，得出了表1所示的十字梁结构膜片仿真结果，可以看出在相同厚度下，应变随电压增大而增大，且呈现非线性增长的情况，这种情况与式（2）所示结果一致。在相同电压作用下，厚度越大的膜片应变越小，这种情况与式（3）所示结果一致。

为了能在一定的电压下，取得较大的应变量，选择30μm的膜片作为理想膜片，并对其进行固有频率测试。一节固有頻率需要对十字梁膜片设定边界条件，将十字梁四端固定，在不施加外力的作用下，测试其固有频率。其结果如图4所示，一节固有频率为10621Hz，远高于50Hz工频频率，因此不止可以用其测量直流电压，同时可以用其测量交流电压。

5 结论

基于MEMS加工技术设计出的十字梁膜片结构非常小巧，作为传感单元核心部件能有效减小传感器的尺寸和重量。通过仿真结果可以看出，十字梁的应变与厚度和外加电压有关。在确定理想厚度的情况下，通过一阶固有频率的分析，表明设计的十字梁膜片能对交、直流电压进行测量。

参考文献

[1]庄苏宁.环境电磁干扰模拟技术的研究[J].计量技术，2019（03）：56-58.

[2]梁建瑜.高压直流分压器内部故障对电压测量的影响[J].电工技术，2019（05）：127-129.

[3]姜春阳，刘浩，周峰，殷小东，袁建平，李明.有源电容式分压器的研制[J].电测与仪表：1-5

[4]李文婷，龙兆芝，乔培武，郭洁.一种新型的电容分压器电场优化结构[J].高压电器，2018，54（10）：76-79+84.

[5]刘海峰.基于空间电场效应的高电压测量装置分析[J].企业技术开发，2018，37（01）：63-65.

[6]曾智翔，房博一，吕洋，蒋利军.一起直流电压互感器电压异常分析及处理[J].电力电容器与无功补偿，2017，38（05）：87-91.