CN107860985B - 一种mems电场传感器及其无线供能系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS电场传感器的无线供能系统，供能方法及MEMS电场传感器。无线供能系统包括信号源、功率放大器、发射天线、接收天线、后端电路；信号源产生的高频交流信号经过功率放大器放大，然后经过发射天线转换为高频电磁波，接收天线接收高频电磁波并转为了电能，后端电路经过一系列的整流、滤波、电压电流转换为满足后端负载所需的电能；其中接收天线、后端电路和电场感应芯片、信号处理电路共同组成MEMS电场传感器。该电场传感器采用无线供能方案，解决了长期持续工作的供能问题，并且保证了电位隔离；同时，集成传感器体积微小，引起的电场畸变程度小，测量准确度高。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及到电场传感器，特别涉及一种无线供能的MEMS电场传感器。
背景技术
高压输电线路地面电磁场强度是确定线路最小对地高度及规划线路走廊宽度的重要依据。高压输电线路下的电磁环境受到越来越多的关注，特别是高压线下的电场强度，已成为环境保护和电磁兼容技术领域中不可忽视的问题。合成电场是高压输电线路运行状态、输电线路附近电磁环境的直接反应，对于输电线路的在线监测与故障诊断、雷电预警、电力系统设备的绝缘设计等领域有巨大的应用价值。准确测量获取输电线路附近空间的电场值，是了解输电线路工程限制、监测输电线路工作状态的基本工具，也是评估输电系统电磁环境的重要方法。
输电线附近电场测量方法常用的主要有旋转静电计、旋转场磨仪、柱状电场探针、光电传感器、微机电系统电场传感器等。这些传感器大多体积较大，引起电场较大畸变，电位不独立，测量的对象是地面合成场强，针对空间全场域内的测量需求存在局限性。旋转场磨仪主要由可动的遮蔽叶片和位于遮蔽叶片下方的感应叶片构成，遮蔽叶片周期性旋转，感应叶片产生幅值与待测电场强度成正比的正弦信号。由于离子注入电流和感应电流存在相位差，通过后端滤波技术可以测得地面含离子流的合成电场。柱状电场探针是依据旋转场磨仪的原理发展而来，利用一定高度的探针使得畸变后的电场等于原空间电场，实现了空间电场的测量，但是只能用于特定高度的电场测量。光电集成传感器利用了泡耳克斯效应，即利用晶体在电场作用下的折射求得外加电场。但是光电集成传感器需要配合光纤使用，不能做到电位完全独立，难以实现空间电场的测量。微机电系统传感器具有体积小、功耗低、集成度高、空间分辨率高等优点。
MEMS电场传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。我国中国科学院电子所已经研究出基于MEMS技术的地面大气电场传感器、探空大气电场传感器、三维电场传感器和智能电网应用电场传感器。但是目前这些MEMS电场传感器都是用电池供能，存在更换电池带来的安全隐患问题，不能实现电场的在线实时监测。
发明内容
解决现有技术方案的缺陷与不足，本发明提出一种MEMS电场传感器的无线供能系统，采用无线供能方式，满足了远距离下能量的无线传输，使得传感器电位完全独立，便于合成空间电场的测量；采用IOS集成方案设计，传感器整体尺寸小至1cm3，在合成电场中引起的畸变问题可以忽略，实现电场的精确测量。
本发明的MEMS电场传感器的无线供能系统的技术方案如下：系统包括信号源、功率放大器、发射天线、接收天线、电源后端处理电路和负载；其中，信号源发生的高频交流信号经过功率放大器放大，然后经过发射天线发出高频电磁波，高频电磁波在自由空间中传播，接收天线接收射频能量并转为电能，经过电源后端处理电路一系列的整流、滤波，电压电流变化为满足负载所需的电压电流的能量形式后稳压输出。
本发明的MEMS电场传感器的无线供能系统供能方法的技术方案如下：无线供能系统包括信号源、功率放大器、发射天线、接收天线、电源后端处理电路和负载；方法包括：1)、信号源发生的高频交流信号经过功率放大器放大；2)、放大后信号经过发射天线发出高频电磁波，高频电磁波在自由空间中传播；3)、接收天线接收高频电磁波射频能量并转为了电能；4)、电源后端处理电路将接收信号经过一系列的整流、滤波、电压电流变化为满足负载所需的电压电流的能量形式后稳压输出。
本发明提出一种MEMS电场传感器，该传感器包括外壳；外壳的长方体上表面和下表面为金属板，用于积累离子流中的电荷；金属板内侧为绝缘材料；四周为天线部分，利用所述绝缘材料将金属板和天线部分电气隔离。
其中，接收天线采用一种开槽的矩形微带贴片天线。该天线底部是一个金属板，起反射作用；表面是一个金属贴片，其长度设置为1.5λ，其中λ为天线谐振功率对应的波长，使微带贴片天线工作在高TM模式；中间为介质材料。在金属贴片表面设置开缝，形成开槽天线，用于补偿天线在高TM模式工作下的损耗。金属板下方设置同轴馈线。所形成的开槽的矩形微带贴片天线具有辐射和接收无线电波，实现电流和电磁波之间相互转换的功能。
本发明的无线供能系统不仅可以用于MEMS电场传感器，而且可以用于其他功能的传感器或者其他微小的电子产品。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1)、采用无线供能技术方案解决了长期持续工作的问题，并且保证了电位隔离；
2)、集成传感器体积微小，引起的电场畸变程度小，测量准确度高。
附图说明
图1是本发明系统结构图。
图2a是本发明MEMS电场传感器的接收天线一个实施例的拓扑结构图的俯视图。
图2b是本发明MEMS电场传感器的接收天线一个实施例的拓扑结构图的主视图。
图3是本发明MEMS电场传感器的整体封装结构图。
具体实施方式
结合本发明的技术方案和附图进一步叙述本发明的具体实施例。
本发明的MEMS电场传感器的无线供能系统，如图1所示，主要包括信号源1、功率放大器2、发射天线3、接收天线4、电源后端处理电路5和负载6。其中，信号源1发生的高频交流信号经过功率放大器2放大，形成放大后高频交流信号；然后经过发射天线3发出高频电磁波，所述高频电磁波在自由空间中传播；接收天线4接收高频电磁波的射频能量并转为了相应电能；电源后端处理电路5对接收天线4传输的电能进行一系列的整流、滤波、将该电能的电压、电流变化为满足负载6所需的电压、电流的电能形式后，稳压输出，以供应负载6的能量所需。
MEMS电场传感器的无线供能系统的无线供能方法为：1)、信号源1发生的高频交流信号经过功率放大器2放大；2)、放大后信号经过发射天线3转换发出高频电磁波，此高频电磁波在自由空间中传播；3)、接收天线4接收高频电磁波射频能量并转为了相应电能；4)、电源后端处理电路5将接收的电能经过一系列的整流、滤波，将该电能的电压电流变化为满足负载所需的电压电流的能量形式后稳压输出。
其中，发射天线发出的功率为Pt，根据FRIIS公式可知，接收天线所接收到的功率为其中Gt、Gr分别代表了发射天线的增益和接收天线的增益，R为收发天线之间的距离，λ为天线发出的高频电磁波的波长。从上述公式(1)中可以看出，接收功率的大小和发射功率、发射天线的增益、接收天线的增益成正比。信号源、功率放大器和发射天线都在源端，其大小不受限制。而接收端受应用场合的限制，应当实现在满足后端负载功率需求的同时，整体尺寸尽可能小。因此，接收天线的设计至关重要：
1、接收天线的尺寸应当尽可能小；
2、接收天线的增益尽可能大，满足后端负载功率的需求，降低对前端电源功率的需求。
由此可知，MEMS电场传感器无线供能系统中最关键部分为接收天线。本发明一个实施例中接收天线开槽的矩形微带贴片天线，整体结构如图2a，2b所示，其中，图2a为接收天线的俯视图，图2b为接收天线的主视图。该接收天线形成开槽的微带贴片天线，具有辐射和接收无线电波，实现电流和电磁波之间相互转换的功能。该接收天线包括位于底部的金属板24，起反射作用；表面是金属贴片22，其长度设置为1.5λ，其中λ为天线谐振功率对应的波长，使贴片天线工作在高TM模式；在金属贴片22上设置缝隙21，形成开槽，用于补偿天线在高模式工作下的损耗；中间为介质材料23，在金属板24下方设置同轴馈线25；所形成的开槽微带天线，具有高增益，例如比普通微带天线的增益至少增加3dB。为了尽可能减少天线的尺寸，该天线工作在较高的频率段，例如5.8GHz，并且采用高介电常数的介质材料，例如，介电常数为2.5，介质损耗角正切为0.002，厚度为1.27mm的高频介质材料，进一步减少天线的体积。
天线的具体尺寸如下表所示：
在一个实施例中，无线功能系统中的MEMS电场传感器，如图3所示(MEMS电场传感器的整体封装结构图)，包括一个上、下，左、右完全对称的长方体的外壳，其中，长方体的上表面和下表面为金属板31，进一步金属板31的材料可以为金属Cu，用于积累离子流中的电荷；上、下金属板31的内侧方为绝缘材料32；四周为接收天线33，利用绝缘材料32将金属板31和接收天线33电气隔离；外壳内设置MEMS电场传感器的MEMS电场测量芯片34，用于实现传感器的各项测量功能。作为电场传感器的负载，基于本发明的无线供能系统，在用于其他功能的传感器或者其他微小的电子产品，也可以为其他功率小的器件负载；外壳内还设置电源后端处理电路35，与接收天线33电性耦接，用于将接收天线33接收到的信号能量转化为所述MEMS电场测量芯片34所需要的电压、电流形式；外壳内设置的信号处理电路36，与所述MEMS电场测量芯片34，电源后端处理电路35电性耦接，用于将MEMS电场测量芯片34的测量结果进行放大、滤波然后进行输出。
本发明的实施例采用无线供能方式，解决电场传感器长期持续工作的供能问题，并且保证了电位隔离；集成传感器体积微小，引起的电场畸变程度小，测量准确度高。
同时，本发明的无线供能方案不仅适用于MEMS电场传感器，而且适用于其他功能的传感器或者其他微小的电子产品。
尽管根据上述实施例描述了本发明，但所属技术领域的技术人员应该理解，可以在所附权利要求的精神和范围内通过修改实现本发明。所有这些变化和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。因此，示例和附图被视为是示例性的而非限制性的。
Claims (9)
1.一种MEMS电场传感器的无线供能系统，包括信号源、功率放大器、发射天线和MEMS电场传感器；其中：
所述信号源，用于提供能量信号；
所述功率放大器，用于将来自信号源的能量信号功率放大；
所述发射天线，用于将能量以无线信号的方式发送传播；
其特征在于：
所述MEMS电场传感器包括接收天线，电源后端处理电路和负载；
所述接收天线用于接收所述无线信号并转换为相应电能；
所述电源后端处理电路对所述相应电能进行一系列的整流、滤波，用以将所述相应电能的电压、电流转换为满足所述负载所需的电压、电流的电能形式后，稳压输出，供应所述负载的能量；
其中，所述MEMS电场传感器进一步包括外壳，所述外壳的上表面和下表面为金属板，用于积累离子流中的电荷；所述金属板内侧为绝缘材料；四周为所述接收天线，利用所述绝缘材料将所述金属板和所述接收天线电气隔离；所述外壳内部设置所述电源后端处理电路，所述电源后端处理电路与所述接收天线电性耦接，用于将所述接收天线接收到的信号能量转化为外壳内部设置的负载所需要的电压、电流形式；
其中所述接收天线为开槽的矩形微带贴片天线，包括底部的金属板，表面的金属贴片，和位于中间的介质材料；所述金属贴片长度设置为1.5λ，其中λ为天线谐振功率对应的波长，使所述矩形微带贴片天线工作在高TM模式；在所述金属贴片上设置缝隙，形成开槽。
2.如权利要求1所述的无线供能系统，其中所述负载包括MEMS电场测量芯片和信号处理电路，所述MEMS电场测量芯片与所述电源后端处理电路电性耦接，用于实现电场强度的测量；所述信号处理电路与所述MEMS电场测量芯片、所述电源后端处理电路电性耦接，用于将所述MEMS电场测量芯片的测量结果进行放大、滤波然后进行输出。
3.如权利要求1或2所述的无线供能系统，其中所述接收天线工作在较高的频率段，所述介质材料为高介电常数的介质材料。
4.一种MEMS电场传感器的无线供能系统的无线供能方法，所述无线供能系统包括信号源、功率放大器、发射天线和MEMS电场传感器；其特征在于：
所述MEMS电场传感器包括接收天线，电源后端处理电路和负载；
方法步骤包括：
1)、所述信号源发生能量信号，所述能量信号经过功率放大器放大；
2)、放大后的信号经过所述发射天线转换为高频电磁波发出，所述高频电磁波在自由空间中传播；
3)、所述MEMS电场传感器的接收天线接收所述高频电磁波，并转为了相应电能；
4)、所述电源后端处理电路将接收的所述相应电能经过一系列的整流、滤波，用以将所述相应电能的电压、电流转换为满足所述负载所需的电压、电流的电能形式后，稳压输出，供应所述负载的能量需要；
其中，所述MEMS电场传感器进一步包括外壳，所述外壳的上表面和下表面为金属板，用于积累离子流中的电荷；所述金属板内侧为绝缘材料；四周为所述接收天线，利用所述绝缘材料将所述金属板和所述接收天线电气隔离；所述外壳内部设置所述电源后端处理电路，所述电源后端处理电路与所述接收天线电性耦接，用于将所述接收天线接收到的信号能量转化为外壳内部设置的负载所需要的电压、电流形式；
其中所述接收天线为开槽的矩形微带贴片天线，包括底部的金属板，表面的金属贴片，和位于中间的介质材料；所述金属贴片长度设置为1.5λ，其中λ为天线谐振功率对应的波长，使所述矩形微带贴片天线工作在高TM模式；在所述金属贴片上设置缝隙，形成开槽。
5.如权利要求4所述的无线供能方法，其中所述负载包括MEMS电场测量芯片和信号处理电路，所述MEMS电场测量芯片与所述电源后端处理电路电性耦接，用于实现电场强度的测量；所述信号处理电路与所述MEMS电场测量芯片、所述电源后端处理电路电性耦接，用于将所述MEMS电场测量芯片的测量结果进行放大、滤波然后进行输出。
6.如权利要求4或5所述的无线供能方法，其中所述接收天线工作在较高的频率段，所述介质材料为高介电常数的介质材料。
7.一种MEMS电场传感器，其特征在于：包括接收天线，电源后端处理电路和负载；
所述接收天线用于接收无线信号并转换为相应电能；
所述电源后端处理电路对所述相应电能进行一系列的整流、滤波，用以将所述相应电能的电压、电流转换为满足所述负载所需的电压、电流的电能形式后，稳压输出，供应所述负载的能量需要；
其中，所述MEMS电场传感器进一步包括外壳，所述外壳的上表面和下表面为金属板，用于积累离子流中的电荷；所述金属板内侧为绝缘材料；四周为所述接收天线，利用所述绝缘材料将所述金属板和所述接收天线电气隔离；所述外壳内部设置所述电源后端处理电路，所述电源后端处理电路与所述接收天线电性耦接，用于将所述接收天线接收到的信号能量转化为外壳内部设置的负载所需要的电压、电流形式；
其中所述接收天线为开槽的矩形微带贴片天线，包括底部的金属板，表面的金属贴片，和位于中间的介质材料；所述金属贴片长度设置为1.5λ，其中λ为天线谐振功率对应的波长，使所述矩形微带贴片天线工作在高TM模式；在所述金属贴片上设置缝隙，形成开槽。
8.如权利要求7所述的MEMS电场传感器，其中所述负载包括MEMS电场测量芯片和信号处理电路，所述MEMS电场测量芯片与所述电源后端处理电路电性耦接，用于实现电场强度的测量；所述信号处理电路与所述MEMS电场测量芯片、所述电源后端处理电路电性耦接，用于将所述MEMS电场测量芯片的测量结果进行放大、滤波然后进行输出。
9.如权利要求7或8所述的MEMS电场传感器，其中所述接收天线工作在较高的频率段，所述介质材料为高介电常数的介质材料。
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