CN1844938A - 一种基于微电子机械系统的光学电流传感器、制作及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于采用微机械工艺将MEMS金属线圈制作于MEMS扭转微镜上，非磁性骨架结构的Rogowski线圈和MEMS金属线圈将高压交流电信号以感应电流的形式引入到MEMS扭转微镜的线圈中，在MEMS扭转微镜的背面制作反射镜面，镜面将在电磁力矩的作用下绕轴摆动，采用对角度非常敏感的光束耦合方式能够精确测量出镜面摆动角度，就可以获知电流值。这种光学电流传感器将MEMS技术运用到高压大电流检测中，以感应电流驱动，在高压端无需驱动电源，实现了光电隔离，具有体积小、成本低、可批量生产、抗干扰等优点，具有较高的测试精度和灵敏度，是一种具有应用前景的光学电流传感器。

Description

一种基于微电子机械系统的光学电流传感器、制作及检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于微电子机械系统(MEMS)的光学电流传感器、制作及检测方法，是一种应用于电力等诸多工业技术领域的检测交变大电流的光学电流传感器。属于电流传感器领域。

背景技术

为了保证电力系统的安全运行，需要对电力系统及各电力设备的相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装置不能直接应用于高电压、大电流的电力回路中，而是需要将这些电力参数通过互感器按照比例变换为低的参数或信号，以供给测量仪器、仪表和其它类似电器使用，这些变换、测量信号的装置称为电流传感器。随着电力工业的迅速发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，人们不得不面对棘手的更高电压等级的大电流测量问题，传统的电流互感器在测量中的体积大、绝缘困难、成本高等缺点越多地暴露出来。近年来由于光纤传输与传感技术的广泛应用，光纤化电力站一直是国内外各研究单位所追求的目标，光学电流传感器则是其中关键技术难题之一

早在十九世纪末，Michael Faraday发现磁光效应近50年有人提出用光学原理测量电流的想法，但光学电流传感技术的发展主要始于20世纪七十年代。从八十年代以来，美国的ABB公司、瑞士LEM公司、日本的东芝、三菱等公司投入了大量的人力和物力从事这一课题的研究，国内如华中科技大学、清华大学、上海大学、原机电部26所等单位也积极从事这一领域的研究。光学电流传感器比采用传统方法制造的电流互感器具有很多优点，如绝缘性能好、不含铁芯、不含油没有爆炸危险、无高压的危险、动态范围大等等。常见的光学电流传感器一般分为四类：全光纤型、块状光学材料型、光电混合型和磁场传感器型。全光纤型电流传感器的传光与传感部分都用光纤，由于光内部存在线性双折射，从而影响测量精度和长期稳定性，同时温度的变化、光纤中光信号的偏振态不稳定性给实际应用带来困难(刘彬，张君正，李宇波.一种新型光纤电流传感器的设计[J].计量学报，2003，24(1)：65-68)；块状光学材料型电流传感器存在加工难度大、传感头易碎、成本高等缺点，且在光反射过程中不可避免的引入相移，使两正交的线偏光变成椭圆偏振光，从而影响系统的性能，同时光学材料的磁光特性随温度的变化影响传感的精度与稳定性(Song J.，McLaren P.G.，Thomson D.J.A Faraday Effect Based ClamponMagneto-optical Current Transducer for Power Systems[J].IEEE WESCANEX′95 PROCEEDINGS：329-333.)；常规光电混合型电流传感器仍然采用常规CT(Current Transducer，电流互感器)，在高压侧仍需要电源来驱动传感头，受温度影响显著，同时易受强磁干扰，无法克服磁饱和现象，而只能作为电磁式向全光学OCS(Optical Current Sensor，光学电流传感器)的一种过渡方案(焦斌亮，郑绳楦。用于电力系统的光学电流互感器技术进展[J].应用光学，2004，25(6)：47-53.)；磁场传感型电流传感器本身对磁场分布有一定影响，而且受到杂散场的干扰给测量结果产生偏差(王廷云，郭强，唐明珏，等.磁致伸缩效应光纤微分干涉电流传感器[J].光电子·激光，200213(9)：923-925.)。

发明内容

本发明是针对先前光学电流传感器的缺点，将MEMS技术运用到高压大电流的检测中，提供一种新型的MEMS光学电流传感器制作及检测方法，以达到实现电阻的温度补偿、进一步减小体积、降低工艺难度、减小加工成本、批量化生产、实现高灵敏度与精确测量的目的。

所述的光学电流传感器，其特征在于传感器由高压端的探测头(图1、图2)与低压端的驱动、检测装置(图7)构成：高压端的探测头有两种结构，一种带有Rogowski线圈(2)(图1)，它与螺旋线圈式MEMS扭转微镜上(图3、图5)的线圈构成串联回路，另一种不带有Rogowski线圈，即无Rogowski线圈(图2)，它是由闭合线圈式MEMS扭转微镜(图4)单独构成，两种结构的MEMS扭转微镜都是和双光纤准直器(4)封装在一起，封装前需要调节双光纤准直器与反射镜面(14)的相对位置，确保镜面初始偏角为零度；低压端部分包括光源驱动电路(15)、光源(16)、光功率计(18)、光电转换器与放大器(19)、滤波器(20)、显示器(21)。螺旋线圈式MEMS扭转微镜(图3、图5)主体由硅扭转平面(12)与双端固支的扭转梁(11)和支架(8)构成，MEMS螺旋线圈(10a)制作在正面，而连接线(9)可以通过绝缘层制作于MEMS螺旋线圈(10a)的上层或者下层；反射镜面(14)制作于微镜背面；加永磁体的MEMS扭转微镜(图5)通过支架垂直置于永磁体(13)产生的磁场中；闭合线圈式MEMS扭转微镜(图4)主体由硅扭转平面(12)与双端固支的扭转梁(11)和支架(8)构成，MEMS闭合线圈(10b)制作在正面，反射镜面(14)制作于微镜背面；微镜可以加永磁体(13)，也可以不加永磁铁(13)；工作状态下，位于低压侧的光源驱动电路(15)使光源(16)产生光功率稳定的光信号，光源(16)发出的光通过输入光纤(5)将光信号输入到双光纤准直器(4)，当长直输电导线(1)流经交流电时，高压端电流磁场驱动微镜(图3、图4、图5)转动，双光纤准直器(4)将转动信息转化为光学信息，通过输出光纤(6)传送到低压端，由光功率计(18)检测，再经过光电转换器与放大器(19)、滤波器(20)对信号处理后由显示器(21)得出交变电流的有效值。

所述的光学电流传感器，其特征在于可以根据应用需求设计出不同性能指标的传感器，如对于100A-10000A的交流电，灵敏度可以按照测试要求达到0.001dB/A-0.1dB/A，对大电流的分辨力可达到0.01A，其它量程的测试要求，同样可以按照要求改变设计参数实现。

所述的光学电流传感器，环绕在长直输电导线周围的Rogowski线圈和MEMS线圈共同感应高压交流电信号，在MEMS扭转微镜的线圈中产生感应电流，镜面将在电磁力矩的作用下绕轴转动；闭合线圈式MEMS扭转微镜与长直输电导线保持一定距离(5cm-20cm)，且两者成非零角度，闭合线圈自身感应产生驱动电流，无需Rogowski线圈，成为简单结构的电流传感器。

所述的光学电流传感器，驱动力为感应电流与长直导线产生的交变磁场相作用的电磁力，也可以在MEMS扭转微镜外部支架上安装永磁体，以提供恒定磁场来增加驱动力。

所述的光学电流传感器，MEMS扭转微镜的扭转平面可以是矩形、圆形、多边形等任意形状，金属线圈可以是矩形、平行四边形、多边形或其它能产生有效力矩的任意形状，扭转梁可以是矩形、梯形等形状，也可以为折叠梁等复合梁结构。

所述的光学电流传感器，衬底、扭转平面、扭转梁可以由相同材料也可以由不同材料加工而成，如单晶硅、氮化硅、绝缘层上的硅(Silicon OnInsulator)材料、二氧化硅、磷化铟、聚合物等。梁的长度、宽度、厚度可以是纳米量级，也可以是微米、毫米量级。衬底、薄膜、扭转梁的厚度可以相同，也可以不同。MEMS金属线圈的绝缘层可以是二氧化硅、氮化硅、涂覆聚酰亚胺等所有绝缘材料。

所述的光学电流传感器，可以采用正负温度系数的电阻材料分别作为Rogowski线圈与MEMS金属驱动线圈，如负温度系数的卡玛丝、镍铬丝、康铜丝与正温度系数的金、银、铜等，两者串联，通过改变匝数、厚度、长度等参数实现回路总电阻的温度补偿，计算表明补偿后温度变化±50K时，电阻率的相对变化率可由近20％降到0.1％。

所述的光学电流传感器，单匝非磁性骨架结构的Rogowski线圈可以为圆形，也可以为矩形等其它形状；串联的非磁性骨架圆环可以是一个也可以是多个，支撑Rogowski线圈的非磁性结构芯棒的材料可以为聚乙烯塑料，也可以为其它非磁性材料。

所述的光学电流传感器，在MEMS扭转微镜的背面制作高反射率的介质膜作为反射镜面，也可以通过溅射、电镀等工艺制作金属膜作为反射微镜面；反射微镜面可以制作在薄膜结构的背面，也可以制作在薄膜结构的正面。

所述的光学电流传感器，通过光纤将待测信号从高压侧传输到低压侧，光纤高度绝缘与低传输损耗的特性实现高、低压的绝缘与信号的远距离传输。利用双光纤准直器对角度非常敏感的特性对转动角度进行检测，得到光信号的损耗与扭转角度的关系，经过光纤传输、光电转换与信号处理后测量出交变电流的有效值，双光纤准直器的输入光纤与输出光纤共用一个GRIN(gradient index)透镜，输入光纤发射的光经过GRIN透镜发射，经过反射面反射，在经过同一个GRIN透镜由输出光纤接收。也可以运用其它方法对角度进行检测，如通过两路光纤检测输入输出光强变化的方法、三路光纤检测光耦合等一切光学、非光学的检测角度的方法。

本发明提供的基于微电子机械系统(Micro-Electronic MechanicSystem，简称MEMS)的光学电流传感器制作方法，其特征在于采用微机械工艺将MEMS金属线圈制作于MEMS扭转微镜上，非磁性骨架结构的Rogowski(罗戈夫斯基)线圈和MEMS金属线圈将高压交流电信号以感应电流的形式引入到MEMS扭转微镜的线圈中，在MEMS扭转微镜的背面制作反射镜面，镜面将在电磁力矩的作用下绕轴摆动，采用对角度非常敏感的光束耦合方式能够精确测量出镜面摆动角度，就可以获知电流值。这种光学电流传感器将MEMS技术运用到高压大电流检测中，区别于以往常见的电流传感器，以感应电流驱动，在高压端无需驱动电源，实现了光电隔离，器件具有体积小、成本低、可批量生产、抗干扰等优点，还可以获取较高的测试精度和灵敏度，是一种具有应用前景的光学电流传感器。

所述的光学电流传感器的参数设计可以按照如下的步骤实现：(1)根据可调Rogowski线圈参数(匝数、圆环直径、芯棒直径、导线直径等)计算其电阻、互感系数、自感系数；(2)根据转动薄膜的参数初值(长、宽、高)计算转动惯量、阻尼；(3)根据MEMS金属线圈结构参数(匝数、长、宽、高、单匝线圈宽度、线圈间隔)与位置参数(转轴与长直导线距离、夹角)计算线圈的电阻、互感系数、自感系数、转动惯量；(4)计算转动角度的幅度。其中长直导线产生的交变磁场和永磁体产生恒定磁场的情况要分别讨论；(5)根据限制条件(寄生电容、温度补偿、阻尼条件、剪切应力、时间常数等)、工艺条件及参数初值得到所需灵敏度、分辨率、误差等值；(6)根据扭转梁的抗扭刚度计算合理的扭转梁结构参数(长、宽、高)(7)利用ANSYS软件对器件的进行模态分析、热学分析与谐响应分析；(8)修改并确定参数。

所述的光学电流传感器，MEMS扭转微镜的制作工艺可以按照如下的工艺实现：(1)硅片双面氧化、正面涂胶保护、背面涂胶光刻显影、腐蚀氧化硅、去胶、KOH各向异性湿法腐蚀实现减薄硅片的目的；(2)正面涂胶光刻、溅射(蒸发、电镀)金属、丙酮去胶，形成MEMS线圈与的电极的连接线；(3)正面PECVD(等离子体化学气相沉积)二氧化硅(或者氮化硅、也可以涂覆聚酰亚胺)作为MEMS线圈与连接线的绝缘层、正面涂胶光刻显影、腐蚀出MEMS线圈与连接线的互连孔；(4)正面涂胶光刻显影、溅射(蒸发)铝、丙酮去胶(也可以通过电镀的方法)制作MEMS线圈与电极；(5)背面喷胶、光刻显影、溅射(蒸发、电镀)制作高反射率的反射镜面；(6)正面涂胶光刻显影，通过硅的干法刻蚀工艺释放结构，刻蚀出MEMS扭转微镜结构。

所述的光学电流传感器，整个传感器系统的封装包括电路封装与光学耦合的封装：电路封装包括低压端驱动、检测等装置封装；在MEMS探测头封装前，调节双光纤准直器与镜面的相对位置，并通过光功率计监测损耗值，那么当由双光纤准直器输入光纤输入的光经过镜面反射，几乎全部被输出光纤接收时得到的损耗为零，此时镜面初始偏角为零度，精密的光学准直技术与MEMS封装技术可确保初始偏角为零且保持不变。在其后的使用中，电流磁场驱动镜面转动，通过双光纤准直器与光功率计及检测电路监控光输出损耗，就可以知道镜面转动特性，继而获取电流信息。同时为了防止湿度、空气氧化的影响，设计适当的管壳对探测头进行封装。通过输入光纤与输出光纤连接高压端的探测头与低压端的驱动、检测装置。

本发明所提供的基于微电子机械系统的光学电流传感器，除了具有其它光学电流传感器的优点外，还有如下优点：

1、本发明是利用电磁感应原理，通过空间交变磁场的变化引起线圈内产生感应电流，器件为一种光学电流传感器，由于以线圈内感应电流作为驱动，因此高压侧传感头端无需配置驱动电源，也避免了常规光电混合型电流传感器中LED、LD等受温度影响大的不足。

2、主要利用双光纤准直器对角度进行检测，这样就将电流信号转化为光信号进行输出。通过光纤将信号从高压侧传输到低压侧，在强电磁干扰环境内，光信号输出系统非常适合传感信号的传输。

3、双光纤准直器对角度进行检测，反应灵敏、精确度高，非常适用于迅速变化的角度测量。光纤具有良好的传光特性，对光波的损耗低，光的绝缘性好，不受电磁干扰。

4、本发明为非接触式光学电流传感器，对于高压端电流的测量安全性高，避免人员受到伤害的危险，同时也克服了传统电流传感器难以实现高度绝缘的缺点；

5、本发明原理简单、结构紧凑、加工成本低，与传统的电流传感器相比，体积大大减小，便于运输、安装等实际应用。

6、本发明通过MEMS技术在硅衬底上进行加工(氧化、光刻、ICP、湿法腐蚀、溅射、电镀等等)，由于硅加工技术成熟，可以实现批量生产、大大降低生产成本。

7、作为一种检测交变大电流的光学电流传感器，Rogowski线圈采用非磁性骨架结构，整个体系无需铁磁材料，克服了常规电磁式电流传感器容易产生磁饱和现象的缺点。

8、本发明将反射微镜面制作于扭转结构的背面，进一步降低了器件的整体尺寸。

9、本发明中的一种实现方式可以采用只有闭合金属线圈的扭转结构，不需要制作内外线圈的连接线，进一步降低了工艺难度。

10、本发明采用对称的双端固支扭转结构，与双光纤准直器的角度检测方式结合，大大降低了外界振动对测量的影响。

11、通过滤波设计，可以得到与待测信息相关的光信号，避免了其它非同频信号的干扰。

12、结合传感器的结构，采用两种温度系数相反的电阻材料分别作为Rogowski线圈与金属线圈联，通过改变匝数、厚度、长度等参数达到基本消除温度对串联回路总电阻的影响，计算表明补偿后温度变化±50K时，电阻率的相对变化率可由近20％降到0.1％，大大提高了器件的温度稳定性。

13、可以通过改变Rogowski线圈匝数、圆环直径、芯棒直径、导线直径等多个参数，方便的达到实现较高灵敏度与分辨率的目的，如对于100A-10000A的交流电，灵敏度可以按照测试要求达到0.001dB/A-0.1dB/A，对大电流的分辨力可达到0.01A。

附图说明

图1是有Rogowski线圈的高压端探测头，1为长直输电导线，2为Rogowski线圈，3a为螺旋线圈式MEMS扭转微镜，4为双光纤准直器，5为输入光纤，6为输出光纤，5、6连接高压端探测头与低压端的装置。

图2是不含Rogowski线圈高压端探测头，1为长直输电导线，3b为闭合线圈式MEMS扭转微镜，4为双光纤准直器，5为输入光纤，6为输出光纤，5、6连接高压端探测头与低压端的装置，7为长直输电导线产生的同心圆磁力线。

图3是螺旋线圈式MEMS扭转微镜的正面图。其中8是支架，9是连接线，10a是MEMS螺旋线圈，11是扭转梁，12是硅扭转平面。

图4是闭合线圈式MEMS扭转微镜的正面图。其中8是支架，10b是MEMS闭合线圈，11是扭转梁，12是硅扭转平面。

图5是加永磁体的MEMS扭转微镜的正面图。其中8是支架，9是连接线，10a是MEMS螺旋线圈，11是扭转梁，12是硅扭转平面，13是永磁体。

图6是MEMS扭转微镜的背面图。螺旋线圈式MEMS扭转微镜与闭合线圈式MEMS扭转微镜的背面图一致，其中8是支架，11是扭转梁，12是硅扭转平面，14是反射镜面。

图7是电流传感器低压端检测装置示意图。5为输入光纤，6为输出光纤，15是光源驱动电路，16是光源LD或者LED，17是高压端探测头，18是光功率计，19是光电转换器与放大器，20是滤波器，21是显示器。

具体实施方式

以Rogowski线圈与螺旋线圈式MEMS扭转微镜串联、永磁铁(钕铁硼)产生磁场的传感器为例说明实现步骤，其中硅作为衬底材料、金作为MEMS线圈材料，扭转平面、金属线圈、扭转梁都为矩形：

1、参数的设计

A、根据可调Rogowski线圈参数(匝数、圆环直径、芯棒直径、导线直径等)计算其电阻、互感系数、自感系数。

B、根据转动薄膜的参数初值(长、宽、高)计算转动惯量、阻尼。

C、根据金属线圈结构参数(匝数、长、宽、高、单匝线圈宽度、线圈间隔)与位置参数(转轴与长直导线距离、夹角)计算线圈的电阻、互感系数、自感系数、转动惯量。

D、计算转动角度的幅度。其中长直导线产生的交变磁场和永磁体产生恒定磁场的情况要分别讨论。

E、根据限制条件(寄生电容、温度补偿、阻尼条件、剪切应力、时间常数等)、工艺条件及参数初值得到所需灵敏度、分辨率、误差等值。

F、根据扭转梁的抗扭刚度计算合理的扭转梁结构参数(长、宽、高)

G、利用ANSYS软件对器件的进行模态分析、热学分析与谐响应分析

H、修改并确定参数。

根据以上的约束条件可以得到相应的器件参数，针对常用交流电频率50HZ、电流测量上限4000A、永磁铁(钕铁硼)磁场B为0.2T的设计要求，可以采用康铜(电阻温度系数为-4×10^-5/K)制作Rogowski线圈、金(电阻温度系数为3.24×10^-3/K)制作MEMS驱动线圈和连接线材料，设计中采用串联4个芯棒来实现温度补偿，每个芯棒上的Rogowski线圈匝数为1000，单匝线圈直径为3cm，芯棒圆环直径为30cm，康铜丝直径为0.4mm。硅平面长宽高分别为3000μm、3000μm、80μm；扭转梁长宽高分别为555μm、10μm、80μm；MEMS金属线圈平均边长、线宽、间距、厚度分别为：1650μm、70μm、30μm、1μm，匝数为13；反射镜面长宽高分别为2500μm、2500μm、0.5μm。相应的温度变化±50K时总电阻的相对变化率从补偿前的16.2％下降到0.1％，对大电流的灵敏度为0.02dB/A以上，相应的电流分辨力为0.05A，对于其它量程与频率的电流测试，可以相应的改变设计参数实现。

2、工艺流程

A、根据理论计算的参数选择Rogowski线圈的材料、匝数、圆环直径、芯棒直径、导线直径等，同时选择非磁性的芯棒材料。

B、MEMS扭转微镜的制作。按照理论计算与ANSYS模拟得到的参数制作掩膜版，选择衬底材料，通过氧化、溅射、光刻、电镀、刻蚀(干法或者湿法)得到扭转结构，然后在扭转结构背面制作高反射率的介质薄膜，作为反射镜面。具体步骤如下：

a.硅片(厚度250微米到400微米)双面氧化(氧化层厚度根据需要腐蚀掉的硅厚度确定)、正面涂胶保护、背面涂胶光刻显影、腐蚀氧化硅、去胶、KOH各向异性湿法腐蚀实现减薄硅片的目的；

b.正面涂胶光刻、溅射(蒸发、电镀)金、丙酮去胶，形成MEMS线圈与的电极的连接线；

c.正面PECVD(等离子体化学气相沉积)二氧化硅(或者氮化硅、也可以涂覆聚酰亚胺)作为MEMS线圈层与连接线层之间的绝缘层、正面涂胶光刻显影、腐蚀出MEMS线圈与连接线的互连孔；

d.正面涂胶光刻显影、溅射(蒸发)金、丙酮去胶(也可以通过电镀的方法)制作铝MEMS线圈与电极；

e.背面喷胶、光刻显影、溅射(蒸发、电镀)制作高反射率的反射镜面；

f.正面涂胶光刻显影，通过硅的干法刻蚀工艺释放结构，刻蚀出MEMS扭转微镜结构。

3、封装

整个传感器系统的封装包括电路封装与光学耦合的封装：电路封装包括低压端驱动、检测等装置封装；在MEMS探测头封装前，调节双光纤准直器与镜面的相对位置，并通过光功率计监测损耗值，那么当由双光纤准直器输入光纤输入的光经过镜面反射，几乎全部被输出光纤接收时得到的损耗为零，此时镜面初始偏角为零度，精密的光学准直技术与MEMS封装技术可确保初始偏角为零且保持不变。在其后的使用中，电流磁场驱动镜面转动，通过双光纤准直器与光功率计及检测电路监控光输出损耗，就可以知道镜面转动特性，继而获取电流信息。同时为了防止湿度、空气氧化的影响，设计适当的管壳对探测头进行封装。通过输入光纤与输出光纤连接高压端的探测头与低压端的驱动、检测装置。

4、检测

将MEMS扭转微镜上的金属线圈与Rogowski线圈通过引线串联，按照预先设定好的参数将MEMS探测头与Rogowski线圈通过支架与长直输电导线的相对位置固定，按照图1的方式对器件安装(闭合线圈式MEMS扭转微镜的传感器按照图2的方式安装)，通过输入光纤5与输出光纤6连接高压端的探测头(图1、图2)与低压端的检测装置(图7)，对光学电流传感器的工作特性进行检测。

采用双光纤准直器对MEMS微镜的转动特性进行检测。双光纤准直器的输入光纤与输出光纤共用一个GRIN(gradient index)透镜，输入光纤发射的光经过GRIN透镜发射，经过反射面反射，在经过同一个GRIN透镜由输出光纤接收。根据双光纤准直器原理可知，由其两根尾纤输入的光，经过聚焦透镜传输后，光束通常会以一定角度相交于透镜前端某点处，该夹角由光纤离轴引起，因此是光轴对称的。当在该交点附近垂直光轴放置一平面反射镜时，根据光路可逆，由其中一根光纤输入的光，反射后就会从另外一根光纤耦合输出，如果镜面发生偏转，反射光束因不能完全耦合而产生损耗。由此可见，如果在MEMS探测头封装前，调节双光纤准直器与镜面的相对位置，并通过光功率计监测损耗值，那么当由双光纤准直器输入光纤输入的光经过镜面反射，几乎全部被输出光纤接收时得到的损耗为零，此时镜面初始偏角为零度，精密的光学准直技术与MEMS封装技术可确保初始偏角为零且保持不变。在其后的使用中，电流磁场驱动镜面转动，通过双光纤准直器与光功率计及检测电路监控光输出损耗，就可以知道镜面转动特性，继而获取电流信息。对于通常采用的200μm输出腰斑的准直器，波长为1550nm时光学测角方法就有比较高的灵敏度，镜面仅转动0.26°，耦合损耗就可达到60dB。

利用光纤高度绝缘与传输损耗小的特性实现高低压的绝缘与信号的远距离传输，位于低压侧的光源驱动电路使光源产生光功率稳定的光信号，光源发出的光经过双光纤准直器的输入光纤照射到扭转微镜的反射镜面，高压端当长直导线内流经交流电时，其附近的非磁性骨架结构的Rogowski线圈和MEMS金属线圈将高压交流电信号以感应电流的形式引入到MEMS扭转微镜的线圈中，镜面将在电磁力矩的作用下绕轴摆动，反射的光信号耦合到双光纤准直器的输出光纤传输，形成对角度非常敏感的光调制器，得到光信号的损耗与扭转角度的关系，光信号传送到低压端的光功率计检测，再经过光电转换器与放大器、滤波器对信号处理后由显示器得出交变电流的有效值。可以根据应用需求设计出不同性能指标的传感器，如对于100A-10000A的交流电，灵敏度可以按照测试要求达到0.001dB/A-0.1dB/A，对大电流的分辨力可达到0.01A，其它量程的测试要求，同样可以按照要求改变设计参数实现。

Claims (10)

1、一种基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于所述的光学电流传感器由高压端的探测头与低压端的驱动、检测装置构成；其中，

①高压端的探测头有两种结构，一种有Rogowski线圈(2)，它与螺旋线圈式MEMS扭转微镜上的线圈构成串联回路；另一种无Rogowski线圈，由闭合线圈式MEMS扭转微镜单独构成，两种结构的MEMS扭转微镜都和双光纤准直器(4)封装在一起，镜面初始偏角为零度；

②低压端部分包括光源驱动电路(15)、光源(16)、光功率计(18)、光电转换器与放大器(19)、滤波器(20)、显示器(21)；

工作状态下，位于低压端的光源驱动电路(15)使光源(16)产生的光信号，光源(16)发出的光通过输入光纤(5)将光信号输入到双光纤准直器(4)，当长直输电导线(1)流经交流电时，高压端电流磁场驱动微镜转动，双光纤准直器(4)将转动信息转化为光学信息，通过输出光纤(6)传送到低压端，由光功率计(18)检测，再经过光电转换器与放大器(19)进行光电转换与放大、滤波器(20)滤波对信号处理后由显示器(21)得出交变电流的有效值。

2、按权利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于所述的螺旋线圈式MEMS扭转微镜主体由硅扭转平面(12)与双端固支的扭转梁(11)和支架(8)构成，MEMS螺旋线圈(10a)制作在正面，而连接线(9)通过绝缘层制作于MEMS螺旋线圈(10a)的上层或者下层；反射镜面(14)制作于微镜背面。

3、按权利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于所述的闭合线圈式MEMS扭转微镜(图4)主体由硅扭转平面(12)与双端固支的扭转梁(11)和支架(8)构成，MEMS闭合线圈(10b)制作在正面，反射镜面(14)制作于微镜背面。

4、按权利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于所述的Rogowski线圈环绕在长直输电导线周围，且和MEMS线圈共同感应高压交流电信号，在MEMS扭转微镜的线圈中产生感应电流，镜面将在电磁力矩的作用下绕轴转动。

5、按权利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于闭合线圈式MEMS扭转微镜与长直输电导线保持5cm-20cm距离，且两者成非零角度。

6、按权利要求2或3所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于MEMS扭转微镜的扭转平面为矩形、圆形或多边形；所述的线圈是矩形、平行四边形、多边形或其它能产生有效力矩的任意形状；所述的扭转梁可以是矩形、梯形、或为折叠梁的复合梁结构。

7、按权利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于所述的衬底、扭转平面、扭转梁可以由相同材料也可以由不同材料加工而成，如单晶硅、氮化硅、绝缘层上的硅材料、二氧化硅、磷化铟或聚合物，梁的长度、宽度、厚度可以是纳米量级，或是微米、毫米量级，衬底、薄膜、扭转梁的厚度相同或不相同。MEMS金属线圈的绝缘层可以是二氧化硅、氮化硅或聚酰亚胺绝缘材料。

8、制作如利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器的方法，其特征在于首先进行参数设计确定Rogowski线圈的材料、匝数、圆环直径、芯棒直径、导线直径以及选择非磁性芯棒材料；然后制作MEMS扭转微镜、封装和检测，具体步骤是：

(A)所述的光学电流传感器的参数设计是按照如下的步骤实现：①根据可调Rogowski线圈匝数、圆环直径、芯棒直径、导线直径参数计算其电阻、互感系数、自感系数；②根据转动薄膜的参数长、宽、高初值计算转动惯量、阻尼；(3)根据MEMS金属线圈结构匝数、长、宽、高、单匝线圈宽度和线圈间隔参数与转轴与长直导线距离和夹角位置参数计算线圈的电阻、互感系数、自感系数、转动惯量；(4)计算转动角度的幅度；其中长直导线产生的交变磁场和永磁体产生恒定磁场的情况要分别讨论；(5)根据限制条件，包括寄生电容、温度补偿、阻尼条件、剪切应力、时间常数、工艺条件及参数初值得到所需灵敏度、分辨率、误差值；(6)根据扭转梁的抗扭刚度计算合理的扭转梁长、宽、高结构参数；(7)利用ANSYS软件对器件的进行模态分析、热学分析与谐响应分析；(8)修改并确定参数；

(B)所述的MEMS扭转微镜的制作工艺是按照如下的工艺实现：①硅片双面氧化、正面涂胶保护、背面涂胶光刻显影、腐蚀氧化硅、去胶、KOH各向异性湿法腐蚀实现减薄硅片；②正面涂胶光刻、溅射、蒸发或电镀金属、丙酮去胶，形成MEMS线圈与的电极的连接线；(3)正面等离子体化学气相沉积二氧化硅或氮化硅或涂覆聚酰亚胺作为MEMS线圈与连接线的绝缘层、正面涂胶光刻显影、腐蚀出MEMS线圈与连接线的互连孔；(4)正面涂胶光刻显影、溅射蒸发或电镀铝，丙酮去胶制作MEMS线圈与电极；(5)背面喷胶、光刻显影、溅射、蒸发或电镀制作高反射率的反射镜面；(6)正面涂胶光刻显影，通过硅的干法刻蚀工艺释放结构，刻蚀出MEMS扭转微镜结构。

(C)所述的光学电流传感器系统的封装包括电路封装与光学耦合的封装：电路封装包括低压端驱动、检测等装置封装；在MEMS探测头封装前，调节双光纤准直器与镜面的相对位置，并通过光功率计监测损耗值；当由双光纤准直器输入光纤输入的光经过镜面反射，几乎全部被输出光纤接收时得到的损耗为零，此时镜面初始偏角为零度，精密的光学准直技术与MEMS封装技术可确保初始偏角为零且保持不变。在其后的使用中，电流磁场驱动镜面转动，通过双光纤准直器与光功率计及检测电路监控光输出损耗，就可以知道镜面转动特性，继而获取电流信息。

9、按权利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器的检测方法，其特征在于通过光纤将待测信号从高压侧传输到低压侧，光纤高度绝缘与低传输损耗的特性实现高、低压的绝缘与信号的远距离传输。利用双光纤准直器对角度非常敏感的特性对转动角度进行检测，得到光信号的损耗与扭转角度的关系，经过光纤传输、光电转换与信号处理后测量出交变电流的有效值。双光纤准直器的输入光纤与输出光纤共用一个GRIN(gradientindex)透镜，输入光纤发射的光经过GRIN透镜发射，经过反射面反射，在经过同一个GRIN透镜由输出光纤接收。

10、按权利要求1所述的基于微电子机械系统的光学电流传感器的检测方法，其特征在于通过两路光纤检测输入输出光强变化的方法、三路光纤检测光耦合的光学、非光学的检测角度的方法。

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