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、能源等支柱行業迅猛發展，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推出了一系列電壓監測產品，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展，比傳統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

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[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].企業技術開發，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.