中国物理学会第二十七届全国静电学术年会

在大气电学、工业静电监测等应用中，高灵敏度与高分辨力的电场传感器对于微弱电场的精确探测及环境电场变化细节的捕捉具有重要意义。然而，现有电场传感器在灵敏度与分辨力方面仍存在一定局限，难以满足气象监测和高压输电线路等场景对高精度测量的需求。为此，本文提出了一种基于非线性高阶振动模态提升微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）谐振式电场传感器性能的方法。本文首先基于电荷感应原理推导了以振幅为输出的灵敏度表达式，并建立了传感器谐振结构的Duffing非线性振动模型。随后，通过有限元仿真获得二阶模态振型，分析了非线性振动引起的软/硬化效应。在此基础上，设计并搭建了完整的测试系统，研究了不同驱动电压下的传感器性能。结果表明，在-29.4 kV/m至+29.4 kV/m的电场范围内，二阶模态非线性区实现了4.77 mV/(kV/m) 的灵敏度和0.46 V/m 的分辨力。相较于工作在一阶模态线性区的电场传感器，性能显著提升。
 

电场传感器；Duffing非线性；高阶振动模态；电荷感应原理