一種小型電壓傳感膜片的設計與仿真

張國帥

摘 要

本文突破傳統(tǒng)阻容分壓、電阻分壓電壓傳感器的設計思路，基于MEMS加工技術，設計了一種十字梁結構膜片，建立了數學模型，利用有限元分析法對其結構進行仿真研究，得到十字梁硅微結構的電壓傳感膜片理想參數，通過對十字梁膜片進行固有頻率分析，計算出遠大于工頻，表明設計的十字梁膜片能對交、直流電壓進行測量。

關鍵詞

電壓測量;硅微結構;有限元仿真

中圖分類號： P313.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.044

0 課題研究的背景和意義

近些年隨著電力、能源等支柱行業(yè)迅猛發(fā)展，國民生活對電能的依賴性增大，對電能質量的要求也逐漸提高[1]。為了實現電壓精準測量，各電力設備制造企業(yè)推出了一系列電壓監(jiān)測產品，這些產品大多采用阻容分壓、電阻分壓兩種方法測量電壓[2]，由于分壓測量方法的局限性，都存在著體積普遍較大，攜帶不方便、磁通易飽和、抗干擾能力差等特點[3]。為此本文基于MEMS加工技術，設計了一種便攜式小型電壓傳感器。

1 分壓傳感器的缺點

分壓器多采用電阻分壓或電容分壓原理進行交流、直流電壓測量，但由于是電阻制成，體積往往較大，比較笨重[4]。以特達電力設計的FRC-50KV電壓傳感器為例，其阻抗為600MΩ，尺寸為180*180*620mm3，質量6kg。為了能承受更大的電壓，同時使磁通更不容易飽和，在設計分壓器的時候需要增大電阻，這就會使得分壓器的體積和重量猛增。測量電壓越高，分壓器的體積越大、重量也越重，不便于運輸。同時分壓器在測量過程中很容易受到磁通飽和、電磁干擾，因此分壓器運行時對環(huán)境要求比較高，適用性不強[5-6]。

2 MEMS加工技術特點

機械加工技術是目前機械加工應用最為廣泛的技術之一，其加工通常由車床、銑床、鏜床完成的，隨著機械加工技術的不斷成熟和進步，機械加工的精度已經從0.1mm提升至0.01mm即100μm，也基本上達到了機械加工的瓶頸，進一步提升加工精度難度非常大。通過不斷研發(fā)出最好的軸承和絲杠進一步提升加工精度，其精度可進一步提升至0.005mm。但這只是表面加工的精度，對于一些復雜的鏤空結構的加工，比較常見的是采用水刀或者線切割，水刀加工精度差，暫不考慮，線切割加工精度可達0.001mm，但是需要提前預穿孔且加工時間比較長。

21世紀以來，隨著微電子技術的發(fā)展，比傳統(tǒng)加工技術加工精度更高的微納加工技術悄然興起，微納加工可以將加工精度由傳統(tǒng)的機械加工精度由毫米級提升至納米級，且憑借加工出來的器件尺寸小、性能好的特點，普遍應用于航空航天、軍工領域。

3 電壓傳感單元數學模型建立與分析

電壓傳感膜片在電場的作用下，會受到電場力f的作用，其大小為：

其中，W為電場能量，C為平板電極間電容，x為電極間間距。

在交流電壓作用下，采用MEMS硅微加工技術進行加工的傳感單元在電壓U的作用下，其受到的電場力F為：

其中S為傳感單元在電場中的有效受力面積。

建立了十字形固端梁模型，如圖1所示。

以固端梁結構為模型對其進行電場力作用下的受力分析，探索外力F與應變Δl之間的關系。

4 電壓傳感單元結構設計與仿真

在十字固端梁數學模型的基礎上，通過增大應變膜片面積來增大所受電場力，從而提升應變，因此設計了如圖2所示的力學仿真模型。通過ANSYS有限元仿真軟件，設計邊界條件，將十字梁的四端固定。由于應變膜片在電場的作用下，受力較為均勻，因此為模擬電場力的作用，將電場力均勻作用在應變膜片表面，對應變進行仿真。

設定硅片主體正方形有效邊長為3.5mm，固端梁的長度a為0.8mm，寬度b為0.3mm，硅片整體尺寸l為5.1mm。在20KV電壓下分別對30μm、60μm厚度尺寸對其進行應變仿真。

通過對十字梁的仿真研究，得出了表1所示的十字梁結構膜片仿真結果，可以看出在相同厚度下，應變隨電壓增大而增大，且呈現非線性增長的情況，這種情況與式（2）所示結果一致。在相同電壓作用下，厚度越大的膜片應變越小，這種情況與式（3）所示結果一致。

為了能在一定的電壓下，取得較大的應變量，選擇30μm的膜片作為理想膜片，并對其進行固有頻率測試。一節(jié)固有頻率需要對十字梁膜片設定邊界條件，將十字梁四端固定，在不施加外力的作用下，測試其固有頻率。其結果如圖4所示，一節(jié)固有頻率為10621Hz，遠高于50Hz工頻頻率，因此不止可以用其測量直流電壓，同時可以用其測量交流電壓。

5 結論

基于MEMS加工技術設計出的十字梁膜片結構非常小巧，作為傳感單元核心部件能有效減小傳感器的尺寸和重量。通過仿真結果可以看出，十字梁的應變與厚度和外加電壓有關。在確定理想厚度的情況下，通過一階固有頻率的分析，表明設計的十字梁膜片能對交、直流電壓進行測量。

參考文獻

[1]莊蘇寧.環(huán)境電磁干擾模擬技術的研究[J].計量技術，2019（03）：56-58.

[2]梁建瑜.高壓直流分壓器內部故障對電壓測量的影響[J].電工技術，2019（05）：127-129.

[3]姜春陽，劉浩，周峰，殷小東，袁建平，李明.有源電容式分壓器的研制[J].電測與儀表：1-5

[4]李文婷，龍兆芝，喬培武，郭潔.一種新型的電容分壓器電場優(yōu)化結構[J].高壓電器，2018，54（10）：76-79+84.

[5]劉海峰.基于空間電場效應的高電壓測量裝置分析[J].企業(yè)技術開發(fā)，2018，37（01）：63-65.

[6]曾智翔，房博一，呂洋，蔣利軍.一起直流電壓互感器電壓異常分析及處理[J].電力電容器與無功補償，2017，38（05）：87-91.