一種基於微電子機械系統的光學電流傳感器、製作及檢測方法
2023-05-10 05:11:41 1
專利名稱：一種基於微電子機械系統的光學電流傳感器、製作及檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種基於微電子機械系統(MEMS)的光學電流傳感器、製作及檢測方法，是一種應用於電力等諸多工業技術領域的檢測交變大電流的光學電流傳感器。屬於電流傳感器領域。
背景技術：
為了保證電力系統的安全運行，需要對電力系統及各電力設備的相關參數進行測量，以便對其進行必要的計量、監控和保護。通常的測量和保護裝置不能直接應用於高電壓、大電流的電力迴路中，而是需要將這些電力參數通過互感器按照比例變換為低的參數或信號，以供給測量儀器、儀表和其它類似電器使用，這些變換、測量信號的裝置稱為電流傳感器。隨著電力工業的迅速發展，電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級越來越高，人們不得不面對棘手的更高電壓等級的大電流測量問題，傳統的電流互感器在測量中的體積大、絕緣困難、成本高等缺點越多地暴露出來。近年來由於光纖傳輸與傳感技術的廣泛應用，光纖化電力站一直是國內外各研究單位所追求的目標，光學電流傳感器則是其中關鍵技術難題之一早在十九世紀末，Michael Faraday發現磁光效應近50年有人提出用光學原理測量電流的想法，但光學電流傳感技術的發展主要始於20世紀七十年代。從八十年代以來，美國的ABB公司、瑞士LEM公司、日本的東芝、三菱等公司投入了大量的人力和物力從事這一課題的研究，國內如華中科技大學、清華大學、上海大學、原機電部26所等單位也積極從事這一領域的研究。光學電流傳感器比採用傳統方法製造的電流互感器具有很多優點，如絕緣性能好、不含鐵芯、不含油沒有爆炸危險、無高壓的危險、動態範圍大等等。常見的光學電流傳感器一般分為四類全光纖型、塊狀光學材料型、光電混合型和磁場傳感器型。全光纖型電流傳感器的傳光與傳感部分都用光纖，由於光內部存在線性雙折射，從而影響測量精度和長期穩定性，同時溫度的變化、光纖中光信號的偏振態不穩定性給實際應用帶來困難(劉彬，張君正，李宇波.一種新型光纖電流傳感器的設計[J].計量學報，2003，24(1)65-68)；塊狀光學材料型電流傳感器存在加工難度大、傳感頭易碎、成本高等缺點，且在光反射過程中不可避免的引入相移，使兩正交的線偏光變成橢圓偏振光，從而影響系統的性能，同時光學材料的磁光特性隨溫度的變化影響傳感的精度與穩定性(Song J.，McLaren P.G.，Thomson D.J.A Faraday Effect Based ClamponMagneto-optical Current Transducer for Power Systems[J].IEEE WESCANEX′95 PROCEEDINGS329-333.)；常規光電混合型電流傳感器仍然採用常規CT(Current Transducer，電流互感器)，在高壓側仍需要電源來驅動傳感頭，受溫度影響顯著，同時易受強磁幹擾，無法克服磁飽和現象，而只能作為電磁式向全光學OCS(Optical Current Sensor，光學電流傳感器)的一種過渡方案(焦斌亮，鄭繩楦。用於電力系統的光學電流互感器技術進展[J].應用光學，2004，25(6)47-53.)；磁場傳感型電流傳感器本身對磁場分布有一定影響，而且受到雜散場的幹擾給測量結果產生偏差(王廷雲，郭強，唐明珏，等.磁致伸縮效應光纖微分幹涉電流傳感器[J].光電子·雷射，200213(9)923-925.)。
發明內容
本發明是針對先前光學電流傳感器的缺點，將MEMS技術運用到高壓大電流的檢測中，提供一種新型的MEMS光學電流傳感器製作及檢測方法，以達到實現電阻的溫度補償、進一步減小體積、降低工藝難度、減小加工成本、批量化生產、實現高靈敏度與精確測量的目的。
所述的光學電流傳感器，其特徵在於傳感器由高壓端的探測頭(圖1、圖2)與低壓端的驅動、檢測裝置(圖7)構成高壓端的探測頭有兩種結構，一種帶有Rogowski線圈(2)(圖1)，它與螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡上(圖3、圖5)的線圈構成串聯迴路，另一種不帶有Rogowski線圈，即無Rogowski線圈(圖2)，它是由閉合線圈式MEMS扭轉微鏡(圖4)單獨構成，兩種結構的MEMS扭轉微鏡都是和雙光纖準直器(4)封裝在一起，封裝前需要調節雙光纖準直器與反射鏡面(14)的相對位置，確保鏡面初始偏角為零度；低壓端部分包括光源驅動電路(15)、光源(16)、光功率計(18)、光電轉換器與放大器(19)、濾波器(20)、顯示器(21)。螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡(圖3、圖5)主體由矽扭轉平面(12)與雙端固支的扭轉梁(11)和支架(8)構成，MEMS螺旋線圈(10a)製作在正面，而連接線(9)可以通過絕緣層製作於MEMS螺旋線圈(10a)的上層或者下層；反射鏡面(14)製作於微鏡背面；加永磁體的MEMS扭轉微鏡(圖5)通過支架垂直置於永磁體(13)產生的磁場中；閉合線圈式MEMS扭轉微鏡(圖4)主體由矽扭轉平面(12)與雙端固支的扭轉梁(11)和支架(8)構成，MEMS閉合線圈(10b)製作在正面，反射鏡面(14)製作於微鏡背面；微鏡可以加永磁體(13)，也可以不加永磁鐵(13)；工作狀態下，位於低壓側的光源驅動電路(15)使光源(16)產生光功率穩定的光信號，光源(16)發出的光通過輸入光纖(5)將光信號輸入到雙光纖準直器(4)，當長直輸電導線(1)流經交流電時，高壓端電流磁場驅動微鏡(圖3、圖4、圖5)轉動，雙光纖準直器(4)將轉動信息轉化為光學信息，通過輸出光纖(6)傳送到低壓端，由光功率計(18)檢測，再經過光電轉換器與放大器(19)、濾波器(20)對信號處理後由顯示器(21)得出交變電流的有效值。
所述的光學電流傳感器，其特徵在於可以根據應用需求設計出不同性能指標的傳感器，如對於100A-10000A的交流電，靈敏度可以按照測試要求達到0.001dB/A-0.1dB/A，對大電流的分辨力可達到0.01A，其它量程的測試要求，同樣可以按照要求改變設計參數實現。
所述的光學電流傳感器，環繞在長直輸電導線周圍的Rogowski線圈和MEMS線圈共同感應高壓交流電信號，在MEMS扭轉微鏡的線圈中產生感應電流，鏡面將在電磁力矩的作用下繞軸轉動；閉合線圈式MEMS扭轉微鏡與長直輸電導線保持一定距離(5cm-20cm)，且兩者成非零角度，閉合線圈自身感應產生驅動電流，無需Rogowski線圈，成為簡單結構的電流傳感器。
所述的光學電流傳感器，驅動力為感應電流與長直導線產生的交變磁場相作用的電磁力，也可以在MEMS扭轉微鏡外部支架上安裝永磁體，以提供恆定磁場來增加驅動力。
所述的光學電流傳感器，MEMS扭轉微鏡的扭轉平面可以是矩形、圓形、多邊形等任意形狀，金屬線圈可以是矩形、平行四邊形、多邊形或其它能產生有效力矩的任意形狀，扭轉梁可以是矩形、梯形等形狀，也可以為摺疊梁等複合梁結構。
所述的光學電流傳感器，襯底、扭轉平面、扭轉梁可以由相同材料也可以由不同材料加工而成，如單晶矽、氮化矽、絕緣層上的矽(Silicon OnInsulator)材料、二氧化矽、磷化銦、聚合物等。梁的長度、寬度、厚度可以是納米量級，也可以是微米、毫米量級。襯底、薄膜、扭轉梁的厚度可以相同，也可以不同。MEMS金屬線圈的絕緣層可以是二氧化矽、氮化矽、塗覆聚醯亞胺等所有絕緣材料。
所述的光學電流傳感器，可以採用正負溫度係數的電阻材料分別作為Rogowski線圈與MEMS金屬驅動線圈，如負溫度係數的卡瑪絲、鎳鉻絲、康銅絲與正溫度係數的金、銀、銅等，兩者串聯，通過改變匝數、厚度、長度等參數實現迴路總電阻的溫度補償，計算表明補償後溫度變化±50K時，電阻率的相對變化率可由近20％降到0.1％。
所述的光學電流傳感器，單匝非磁性骨架結構的Rogowski線圈可以為圓形，也可以為矩形等其它形狀；串聯的非磁性骨架圓環可以是一個也可以是多個，支撐Rogowski線圈的非磁性結構芯棒的材料可以為聚乙烯塑料，也可以為其它非磁性材料。
所述的光學電流傳感器，在MEMS扭轉微鏡的背面製作高反射率的介質膜作為反射鏡面，也可以通過濺射、電鍍等工藝製作金屬膜作為反射微鏡面；反射微鏡面可以製作在薄膜結構的背面，也可以製作在薄膜結構的正面。
所述的光學電流傳感器，通過光纖將待測信號從高壓側傳輸到低壓側，光纖高度絕緣與低傳輸損耗的特性實現高、低壓的絕緣與信號的遠距離傳輸。利用雙光纖準直器對角度非常敏感的特性對轉動角度進行檢測，得到光信號的損耗與扭轉角度的關係，經過光纖傳輸、光電轉換與信號處理後測量出交變電流的有效值，雙光纖準直器的輸入光纖與輸出光纖共用一個GRIN(gradient index)透鏡，輸入光纖發射的光經過GRIN透鏡發射，經過反射面反射，在經過同一個GRIN透鏡由輸出光纖接收。也可以運用其它方法對角度進行檢測，如通過兩路光纖檢測輸入輸出光強變化的方法、三路光纖檢測光耦合等一切光學、非光學的檢測角度的方法。
本發明提供的基於微電子機械系統(Micro-Electronic MechanicSystem，簡稱MEMS)的光學電流傳感器製作方法，其特徵在於採用微機械工藝將MEMS金屬線圈製作於MEMS扭轉微鏡上，非磁性骨架結構的Rogowski(羅戈夫斯基)線圈和MEMS金屬線圈將高壓交流電信號以感應電流的形式引入到MEMS扭轉微鏡的線圈中，在MEMS扭轉微鏡的背面製作反射鏡面，鏡面將在電磁力矩的作用下繞軸擺動，採用對角度非常敏感的光束耦合方式能夠精確測量出鏡面擺動角度，就可以獲知電流值。這種光學電流傳感器將MEMS技術運用到高壓大電流檢測中，區別於以往常見的電流傳感器，以感應電流驅動，在高壓端無需驅動電源，實現了光電隔離，器件具有體積小、成本低、可批量生產、抗幹擾等優點，還可以獲取較高的測試精度和靈敏度，是一種具有應用前景的光學電流傳感器。
所述的光學電流傳感器的參數設計可以按照如下的步驟實現(1)根據可調Rogowski線圈參數(匝數、圓環直徑、芯棒直徑、導線直徑等)計算其電阻、互感係數、自感係數；(2)根據轉動薄膜的參數初值(長、寬、高)計算轉動慣量、阻尼；(3)根據MEMS金屬線圈結構參數(匝數、長、寬、高、單匝線圈寬度、線圈間隔)與位置參數(轉軸與長直導線距離、夾角)計算線圈的電阻、互感係數、自感係數、轉動慣量；(4)計算轉動角度的幅度。其中長直導線產生的交變磁場和永磁體產生恆定磁場的情況要分別討論；(5)根據限制條件(寄生電容、溫度補償、阻尼條件、剪切應力、時間常數等)、工藝條件及參數初值得到所需靈敏度、解析度、誤差等值；(6)根據扭轉梁的抗扭剛度計算合理的扭轉梁結構參數(長、寬、高)(7)利用ANSYS軟體對器件的進行模態分析、熱學分析與諧響應分析；(8)修改並確定參數。
所述的光學電流傳感器，MEMS扭轉微鏡的製作工藝可以按照如下的工藝實現(1)矽片雙面氧化、正面塗膠保護、背面塗膠光刻顯影、腐蝕氧化矽、去膠、KOH各向異性溼法腐蝕實現減薄矽片的目的；(2)正面塗膠光刻、濺射(蒸發、電鍍)金屬、丙酮去膠，形成MEMS線圈與的電極的連接線；(3)正面PECVD(等離子體化學氣相沉積)二氧化矽(或者氮化矽、也可以塗覆聚醯亞胺)作為MEMS線圈與連接線的絕緣層、正面塗膠光刻顯影、腐蝕出MEMS線圈與連接線的互連孔；(4)正面塗膠光刻顯影、濺射(蒸發)鋁、丙酮去膠(也可以通過電鍍的方法)製作MEMS線圈與電極；(5)背面噴膠、光刻顯影、濺射(蒸發、電鍍)製作高反射率的反射鏡面；(6)正面塗膠光刻顯影，通過矽的幹法刻蝕工藝釋放結構，刻蝕出MEMS扭轉微鏡結構。
所述的光學電流傳感器，整個傳感器系統的封裝包括電路封裝與光學耦合的封裝電路封裝包括低壓端驅動、檢測等裝置封裝；在MEMS探測頭封裝前，調節雙光纖準直器與鏡面的相對位置，並通過光功率計監測損耗值，那麼當由雙光纖準直器輸入光纖輸入的光經過鏡面反射，幾乎全部被輸出光纖接收時得到的損耗為零，此時鏡面初始偏角為零度，精密的光學準直技術與MEMS封裝技術可確保初始偏角為零且保持不變。在其後的使用中，電流磁場驅動鏡面轉動，通過雙光纖準直器與光功率計及檢測電路監控光輸出損耗，就可以知道鏡面轉動特性，繼而獲取電流信息。同時為了防止溼度、空氣氧化的影響，設計適當的管殼對探測頭進行封裝。通過輸入光纖與輸出光纖連接高壓端的探測頭與低壓端的驅動、檢測裝置。
本發明所提供的基於微電子機械系統的光學電流傳感器，除了具有其它光學電流傳感器的優點外，還有如下優點1、本發明是利用電磁感應原理，通過空間交變磁場的變化引起線圈內產生感應電流，器件為一種光學電流傳感器，由於以線圈內感應電流作為驅動，因此高壓側傳感頭端無需配置驅動電源，也避免了常規光電混合型電流傳感器中LED、LD等受溫度影響大的不足。
2、主要利用雙光纖準直器對角度進行檢測，這樣就將電流信號轉化為光信號進行輸出。通過光纖將信號從高壓側傳輸到低壓側，在強電磁幹擾環境內，光信號輸出系統非常適合傳感信號的傳輸。
3、雙光纖準直器對角度進行檢測，反應靈敏、精確度高，非常適用於迅速變化的角度測量。光纖具有良好的傳光特性，對光波的損耗低，光的絕緣性好，不受電磁幹擾。
4、本發明為非接觸式光學電流傳感器，對於高壓端電流的測量安全性高，避免人員受到傷害的危險，同時也克服了傳統電流傳感器難以實現高度絕緣的缺點；5、本發明原理簡單、結構緊湊、加工成本低，與傳統的電流傳感器相比，體積大大減小，便於運輸、安裝等實際應用。
6、本發明通過MEMS技術在矽襯底上進行加工(氧化、光刻、ICP、溼法腐蝕、濺射、電鍍等等)，由於矽加工技術成熟，可以實現批量生產、大大降低生產成本。
7、作為一種檢測交變大電流的光學電流傳感器，Rogowski線圈採用非磁性骨架結構，整個體系無需鐵磁材料，克服了常規電磁式電流傳感器容易產生磁飽和現象的缺點。
8、本發明將反射微鏡面製作於扭轉結構的背面，進一步降低了器件的整體尺寸。
9、本發明中的一種實現方式可以採用只有閉合金屬線圈的扭轉結構，不需要製作內外線圈的連接線，進一步降低了工藝難度。
10、本發明採用對稱的雙端固支扭轉結構，與雙光纖準直器的角度檢測方式結合，大大降低了外界振動對測量的影響。
11、通過濾波設計，可以得到與待測信息相關的光信號，避免了其它非同頻信號的幹擾。
12、結合傳感器的結構，採用兩種溫度係數相反的電阻材料分別作為Rogowski線圈與金屬線圈聯，通過改變匝數、厚度、長度等參數達到基本消除溫度對串聯迴路總電阻的影響，計算表明補償後溫度變化±50K時，電阻率的相對變化率可由近20％降到0.1％，大大提高了器件的溫度穩定性。
13、可以通過改變Rogowski線圈匝數、圓環直徑、芯棒直徑、導線直徑等多個參數，方便的達到實現較高靈敏度與解析度的目的，如對於100A-10000A的交流電，靈敏度可以按照測試要求達到0.001dB/A-0.1dB/A，對大電流的分辨力可達到0.01A。
圖1是有Rogowski線圈的高壓端探測頭，1為長直輸電導線，2為Rogowski線圈，3a為螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡，4為雙光纖準直器，5為輸入光纖，6為輸出光纖，5、6連接高壓端探測頭與低壓端的裝置。
圖2是不含Rogowski線圈高壓端探測頭，1為長直輸電導線，3b為閉合線圈式MEMS扭轉微鏡，4為雙光纖準直器，5為輸入光纖，6為輸出光纖，5、6連接高壓端探測頭與低壓端的裝置，7為長直輸電導線產生的同心圓磁力線。
圖3是螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡的正面圖。其中8是支架，9是連接線，10a是MEMS螺旋線圈，11是扭轉梁，12是矽扭轉平面。
圖4是閉合線圈式MEMS扭轉微鏡的正面圖。其中8是支架，10b是MEMS閉合線圈，11是扭轉梁，12是矽扭轉平面。
圖5是加永磁體的MEMS扭轉微鏡的正面圖。其中8是支架，9是連接線，10a是MEMS螺旋線圈，11是扭轉梁，12是矽扭轉平面，13是永磁體。
圖6是MEMS扭轉微鏡的背面圖。螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡與閉合線圈式MEMS扭轉微鏡的背面圖一致，其中8是支架，11是扭轉梁，12是矽扭轉平面，14是反射鏡面。
圖7是電流傳感器低壓端檢測裝置示意圖。5為輸入光纖，6為輸出光纖，15是光源驅動電路，16是光源LD或者LED，17是高壓端探測頭，18是光功率計，19是光電轉換器與放大器，20是濾波器，21是顯示器。
具體實施例方式
以Rogowski線圈與螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡串聯、永磁鐵(釹鐵硼)產生磁場的傳感器為例說明實現步驟，其中矽作為襯底材料、金作為MEMS線圈材料，扭轉平面、金屬線圈、扭轉梁都為矩形1、參數的設計A、根據可調Rogowski線圈參數(匝數、圓環直徑、芯棒直徑、導線直徑等)計算其電阻、互感係數、自感係數。
B、根據轉動薄膜的參數初值(長、寬、高)計算轉動慣量、阻尼。
C、根據金屬線圈結構參數(匝數、長、寬、高、單匝線圈寬度、線圈間隔)與位置參數(轉軸與長直導線距離、夾角)計算線圈的電阻、互感係數、自感係數、轉動慣量。
D、計算轉動角度的幅度。其中長直導線產生的交變磁場和永磁體產生恆定磁場的情況要分別討論。
E、根據限制條件(寄生電容、溫度補償、阻尼條件、剪切應力、時間常數等)、工藝條件及參數初值得到所需靈敏度、解析度、誤差等值。
F、根據扭轉梁的抗扭剛度計算合理的扭轉梁結構參數(長、寬、高)G、利用ANSYS軟體對器件的進行模態分析、熱學分析與諧響應分析
H、修改並確定參數。
根據以上的約束條件可以得到相應的器件參數，針對常用交流電頻率50HZ、電流測量上限4000A、永磁鐵(釹鐵硼)磁場B為0.2T的設計要求，可以採用康銅(電阻溫度係數為-4×10-5/K)製作Rogowski線圈、金(電阻溫度係數為3.24×10-3/K)製作MEMS驅動線圈和連接線材料，設計中採用串聯4個芯棒來實現溫度補償，每個芯棒上的Rogowski線圈匝數為1000，單匝線圈直徑為3cm，芯棒圓環直徑為30cm，康銅絲直徑為0.4mm。矽平面長寬高分別為3000μm、3000μm、80μm；扭轉梁長寬高分別為555μm、10μm、80μm；MEMS金屬線圈平均邊長、線寬、間距、厚度分別為1650μm、70μm、30μm、1μm，匝數為13；反射鏡面長寬高分別為2500μm、2500μm、0.5μm。相應的溫度變化±50K時總電阻的相對變化率從補償前的16.2％下降到0.1％，對大電流的靈敏度為0.02dB/A以上，相應的電流分辨力為0.05A，對於其它量程與頻率的電流測試，可以相應的改變設計參數實現。
2、工藝流程A、根據理論計算的參數選擇Rogowski線圈的材料、匝數、圓環直徑、芯棒直徑、導線直徑等，同時選擇非磁性的芯棒材料。
B、MEMS扭轉微鏡的製作。按照理論計算與ANSYS模擬得到的參數製作掩膜版，選擇襯底材料，通過氧化、濺射、光刻、電鍍、刻蝕(幹法或者溼法)得到扭轉結構，然後在扭轉結構背面製作高反射率的介質薄膜，作為反射鏡面。具體步驟如下a.矽片(厚度250微米到400微米)雙面氧化(氧化層厚度根據需要腐蝕掉的矽厚度確定)、正面塗膠保護、背面塗膠光刻顯影、腐蝕氧化矽、去膠、KOH各向異性溼法腐蝕實現減薄矽片的目的；b.正面塗膠光刻、濺射(蒸發、電鍍)金、丙酮去膠，形成MEMS線圈與的電極的連接線；c.正面PECVD(等離子體化學氣相沉積)二氧化矽(或者氮化矽、也可以塗覆聚醯亞胺)作為MEMS線圈層與連接線層之間的絕緣層、正面塗膠光刻顯影、腐蝕出MEMS線圈與連接線的互連孔；d.正面塗膠光刻顯影、濺射(蒸發)金、丙酮去膠(也可以通過電鍍的方法)製作鋁MEMS線圈與電極；e.背面噴膠、光刻顯影、濺射(蒸發、電鍍)製作高反射率的反射鏡面；f.正面塗膠光刻顯影，通過矽的幹法刻蝕工藝釋放結構，刻蝕出MEMS扭轉微鏡結構。
3、封裝整個傳感器系統的封裝包括電路封裝與光學耦合的封裝電路封裝包括低壓端驅動、檢測等裝置封裝；在MEMS探測頭封裝前，調節雙光纖準直器與鏡面的相對位置，並通過光功率計監測損耗值，那麼當由雙光纖準直器輸入光纖輸入的光經過鏡面反射，幾乎全部被輸出光纖接收時得到的損耗為零，此時鏡面初始偏角為零度，精密的光學準直技術與MEMS封裝技術可確保初始偏角為零且保持不變。在其後的使用中，電流磁場驅動鏡面轉動，通過雙光纖準直器與光功率計及檢測電路監控光輸出損耗，就可以知道鏡面轉動特性，繼而獲取電流信息。同時為了防止溼度、空氣氧化的影響，設計適當的管殼對探測頭進行封裝。通過輸入光纖與輸出光纖連接高壓端的探測頭與低壓端的驅動、檢測裝置。
4、檢測將MEMS扭轉微鏡上的金屬線圈與Rogowski線圈通過引線串聯，按照預先設定好的參數將MEMS探測頭與Rogowski線圈通過支架與長直輸電導線的相對位置固定，按照圖1的方式對器件安裝(閉合線圈式MEMS扭轉微鏡的傳感器按照圖2的方式安裝)，通過輸入光纖5與輸出光纖6連接高壓端的探測頭(圖1、圖2)與低壓端的檢測裝置(圖7)，對光學電流傳感器的工作特性進行檢測。
採用雙光纖準直器對MEMS微鏡的轉動特性進行檢測。雙光纖準直器的輸入光纖與輸出光纖共用一個GRIN(gradient index)透鏡，輸入光纖發射的光經過GRIN透鏡發射，經過反射面反射，在經過同一個GRIN透鏡由輸出光纖接收。根據雙光纖準直器原理可知，由其兩根尾纖輸入的光，經過聚焦透鏡傳輸後，光束通常會以一定角度相交於透鏡前端某點處，該夾角由光纖離軸引起，因此是光軸對稱的。當在該交點附近垂直光軸放置一平面反射鏡時，根據光路可逆，由其中一根光纖輸入的光，反射後就會從另外一根光纖耦合輸出，如果鏡面發生偏轉，反射光束因不能完全耦合而產生損耗。由此可見，如果在MEMS探測頭封裝前，調節雙光纖準直器與鏡面的相對位置，並通過光功率計監測損耗值，那麼當由雙光纖準直器輸入光纖輸入的光經過鏡面反射，幾乎全部被輸出光纖接收時得到的損耗為零，此時鏡面初始偏角為零度，精密的光學準直技術與MEMS封裝技術可確保初始偏角為零且保持不變。在其後的使用中，電流磁場驅動鏡面轉動，通過雙光纖準直器與光功率計及檢測電路監控光輸出損耗，就可以知道鏡面轉動特性，繼而獲取電流信息。對於通常採用的200μm輸出腰斑的準直器，波長為1550nm時光學測角方法就有比較高的靈敏度，鏡面僅轉動0.26°，耦合損耗就可達到60dB。
利用光纖高度絕緣與傳輸損耗小的特性實現高低壓的絕緣與信號的遠距離傳輸，位於低壓側的光源驅動電路使光源產生光功率穩定的光信號，光源發出的光經過雙光纖準直器的輸入光纖照射到扭轉微鏡的反射鏡面，高壓端當長直導線內流經交流電時，其附近的非磁性骨架結構的Rogowski線圈和MEMS金屬線圈將高壓交流電信號以感應電流的形式引入到MEMS扭轉微鏡的線圈中，鏡面將在電磁力矩的作用下繞軸擺動，反射的光信號耦合到雙光纖準直器的輸出光纖傳輸，形成對角度非常敏感的光調製器，得到光信號的損耗與扭轉角度的關係，光信號傳送到低壓端的光功率計檢測，再經過光電轉換器與放大器、濾波器對信號處理後由顯示器得出交變電流的有效值。可以根據應用需求設計出不同性能指標的傳感器，如對於100A-10000A的交流電，靈敏度可以按照測試要求達到0.001dB/A-0.1dB/A，對大電流的分辨力可達到0.01A，其它量程的測試要求，同樣可以按照要求改變設計參數實現。
權利要求
1.一種基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於所述的光學電流傳感器由高壓端的探測頭與低壓端的驅動、檢測裝置構成；其中，①高壓端的探測頭有兩種結構，一種有Rogowski線圈(2)，它與螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡上的線圈構成串聯迴路；另一種無Rogowski線圈，由閉合線圈式MEMS扭轉微鏡單獨構成，兩種結構的MEMS扭轉微鏡都和雙光纖準直器(4)封裝在一起，鏡面初始偏角為零度；②低壓端部分包括光源驅動電路(15)、光源(16)、光功率計(18)、光電轉換器與放大器(19)、濾波器(20)、顯示器(21)；工作狀態下，位於低壓端的光源驅動電路(15)使光源(16)產生的光信號，光源(16)發出的光通過輸入光纖(5)將光信號輸入到雙光纖準直器(4)，當長直輸電導線(1)流經交流電時，高壓端電流磁場驅動微鏡轉動，雙光纖準直器(4)將轉動信息轉化為光學信息，通過輸出光纖(6)傳送到低壓端，由光功率計(18)檢測，再經過光電轉換器與放大器(19)進行光電轉換與放大、濾波器(20)濾波對信號處理後由顯示器(21)得出交變電流的有效值。
2.按權利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於所述的螺旋線圈式MEMS扭轉微鏡主體由矽扭轉平面(12)與雙端固支的扭轉梁(11)和支架(8)構成，MEMS螺旋線圈(10a)製作在正面，而連接線(9)通過絕緣層製作於MEMS螺旋線圈(10a)的上層或者下層；反射鏡面(14)製作於微鏡背面。
3.按權利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於所述的閉合線圈式MEMS扭轉微鏡(圖4)主體由矽扭轉平面(12)與雙端固支的扭轉梁(11)和支架(8)構成，MEMS閉合線圈(10b)製作在正面，反射鏡面(14)製作於微鏡背面。
4.按權利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於所述的Rogowski線圈環繞在長直輸電導線周圍，且和MEMS線圈共同感應高壓交流電信號，在MEMS扭轉微鏡的線圈中產生感應電流，鏡面將在電磁力矩的作用下繞軸轉動。
5.按權利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於閉合線圈式MEMS扭轉微鏡與長直輸電導線保持5cm-20cm距離，且兩者成非零角度。
6.按權利要求2或3所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於MEMS扭轉微鏡的扭轉平面為矩形、圓形或多邊形；所述的線圈是矩形、平行四邊形、多邊形或其它能產生有效力矩的任意形狀；所述的扭轉梁可以是矩形、梯形、或為摺疊梁的複合梁結構。
7.按權利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於所述的襯底、扭轉平面、扭轉梁可以由相同材料也可以由不同材料加工而成，如單晶矽、氮化矽、絕緣層上的矽材料、二氧化矽、磷化銦或聚合物，梁的長度、寬度、厚度可以是納米量級，或是微米、毫米量級，襯底、薄膜、扭轉梁的厚度相同或不相同。MEMS金屬線圈的絕緣層可以是二氧化矽、氮化矽或聚醯亞胺絕緣材料。
8.製作如利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器的方法，其特徵在於首先進行參數設計確定Rogowski線圈的材料、匝數、圓環直徑、芯棒直徑、導線直徑以及選擇非磁性芯棒材料；然後製作MEMS扭轉微鏡、封裝和檢測，具體步驟是(A)所述的光學電流傳感器的參數設計是按照如下的步驟實現①根據可調Rogowski線圈匝數、圓環直徑、芯棒直徑、導線直徑參數計算其電阻、互感係數、自感係數；②根據轉動薄膜的參數長、寬、高初值計算轉動慣量、阻尼；(3)根據MEMS金屬線圈結構匝數、長、寬、高、單匝線圈寬度和線圈間隔參數與轉軸與長直導線距離和夾角位置參數計算線圈的電阻、互感係數、自感係數、轉動慣量；(4)計算轉動角度的幅度；其中長直導線產生的交變磁場和永磁體產生恆定磁場的情況要分別討論；(5)根據限制條件，包括寄生電容、溫度補償、阻尼條件、剪切應力、時間常數、工藝條件及參數初值得到所需靈敏度、解析度、誤差值；(6)根據扭轉梁的抗扭剛度計算合理的扭轉梁長、寬、高結構參數；(7)利用ANSYS軟體對器件的進行模態分析、熱學分析與諧響應分析；(8)修改並確定參數；(B)所述的MEMS扭轉微鏡的製作工藝是按照如下的工藝實現①矽片雙面氧化、正面塗膠保護、背面塗膠光刻顯影、腐蝕氧化矽、去膠、KOH各向異性溼法腐蝕實現減薄矽片；②正面塗膠光刻、濺射、蒸發或電鍍金屬、丙酮去膠，形成MEMS線圈與的電極的連接線；(3)正面等離子體化學氣相沉積二氧化矽或氮化矽或塗覆聚醯亞胺作為MEMS線圈與連接線的絕緣層、正面塗膠光刻顯影、腐蝕出MEMS線圈與連接線的互連孔；(4)正面塗膠光刻顯影、濺射蒸發或電鍍鋁，丙酮去膠製作MEMS線圈與電極；(5)背面噴膠、光刻顯影、濺射、蒸發或電鍍製作高反射率的反射鏡面；(6)正面塗膠光刻顯影，通過矽的幹法刻蝕工藝釋放結構，刻蝕出MEMS扭轉微鏡結構。(C)所述的光學電流傳感器系統的封裝包括電路封裝與光學耦合的封裝電路封裝包括低壓端驅動、檢測等裝置封裝；在MEMS探測頭封裝前，調節雙光纖準直器與鏡面的相對位置，並通過光功率計監測損耗值；當由雙光纖準直器輸入光纖輸入的光經過鏡面反射，幾乎全部被輸出光纖接收時得到的損耗為零，此時鏡面初始偏角為零度，精密的光學準直技術與MEMS封裝技術可確保初始偏角為零且保持不變。在其後的使用中，電流磁場驅動鏡面轉動，通過雙光纖準直器與光功率計及檢測電路監控光輸出損耗，就可以知道鏡面轉動特性，繼而獲取電流信息。
9.按權利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器的檢測方法，其特徵在於通過光纖將待測信號從高壓側傳輸到低壓側，光纖高度絕緣與低傳輸損耗的特性實現高、低壓的絕緣與信號的遠距離傳輸。利用雙光纖準直器對角度非常敏感的特性對轉動角度進行檢測，得到光信號的損耗與扭轉角度的關係，經過光纖傳輸、光電轉換與信號處理後測量出交變電流的有效值。雙光纖準直器的輸入光纖與輸出光纖共用一個GRIN(gradientindex)透鏡，輸入光纖發射的光經過GRIN透鏡發射，經過反射面反射，在經過同一個GRIN透鏡由輸出光纖接收。
10.按權利要求1所述的基於微電子機械系統的光學電流傳感器的檢測方法，其特徵在於通過兩路光纖檢測輸入輸出光強變化的方法、三路光纖檢測光耦合的光學、非光學的檢測角度的方法。
全文摘要
本發明是一種基於微電子機械系統的光學電流傳感器，其特徵在於採用微機械工藝將MEMS金屬線圈製作於MEMS扭轉微鏡上，非磁性骨架結構的Rogowski線圈和MEMS金屬線圈將高壓交流電信號以感應電流的形式引入到MEMS扭轉微鏡的線圈中，在MEMS扭轉微鏡的背面製作反射鏡面，鏡面將在電磁力矩的作用下繞軸擺動，採用對角度非常敏感的光束耦合方式能夠精確測量出鏡面擺動角度，就可以獲知電流值。這種光學電流傳感器將MEMS技術運用到高壓大電流檢測中，以感應電流驅動，在高壓端無需驅動電源，實現了光電隔離，具有體積小、成本低、可批量生產、抗幹擾等優點，具有較高的測試精度和靈敏度，是一種具有應用前景的光學電流傳感器。
文檔編號G01R19/02GK1844938SQ20061002652
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月12日 優先權日2006年5月12日
發明者吳亞明, 趙本剛, 徐靜, 劉玉菲, 高翔, 李四華 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所