基于三維感應(yīng)線圈的新型MEMS電流傳感器，可立體檢測配電網(wǎng)

摘要：為了實現(xiàn)電流傳感器在配電網(wǎng)中的覆蓋使用，電流傳感器朝著小型化、低成本、性能可靠和易安裝維護方向發(fā)展，基于三維感應(yīng)線圈的新型MEMS電流傳感器便被研究出來了，它可立體檢測配電網(wǎng)電流。 

近年來，隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS的電流傳感器發(fā)展迅速，有著集成度高、成本低，易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，是今后電流傳感器發(fā)展的方向。

在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)用于分配電能，需要各類電信號的量測技術(shù)及傳感器來實現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)測、控制、智能配電等，其中電流傳感器發(fā)揮著重要的作用。但是，在配電網(wǎng)中，傳統(tǒng)的電磁式互感器測量范圍較小，當被用于測量較大的電流時易出現(xiàn)磁芯磁飽和現(xiàn)象，此外，該類互感器體積大、質(zhì)量重、安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高，在變電站和用戶終端間的架空線路中難以覆蓋使用。

因此，為了實現(xiàn)電流傳感器在配電網(wǎng)中的覆蓋使用，電流傳感器朝著小型化、低成本、性能可靠和易安裝維護方向發(fā)展，基于三維感應(yīng)線圈的新型MEMS電流傳感器便被研究出來了，它可立體檢測配電網(wǎng)電流。

新型MEMS電流傳感器結(jié)構(gòu)示意

MEMS電流傳感器的工作原理及改進方案

MEMS電流傳感器的工作原理很簡單，就是通過檢測三維感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電動勢，反推出傳輸導(dǎo)線中的電流大小。 

另外，改變部分參數(shù)，可提高MEMS電流傳感器靈敏度。

通過對單相輸電線路周圍的磁場分布規(guī)律進行仿真，可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線周圍的磁場強度Ｈ與距離ｒ成反比：隨著傳感器與導(dǎo)線之間距離增加，磁場強度逐漸減弱。

單相輸電線路周圍磁場隨距離變化

因此，為了獲得較高的電流測量靈敏度和較小的外部信號干擾，在導(dǎo)線不對傳感器放電的情況下，傳感器與導(dǎo)線之間距離越近越好。當傳輸導(dǎo)線中有交變電流信號通過時，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，由于交變磁場的存在，三維感應(yīng)線圈兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動勢 ε 的大小與穿過回路磁通量的變化率ｄΦ/ｄｔ成正比。

推導(dǎo)上面的公式可知，通過增加三維感應(yīng)線圈中線圈匝數(shù)（N）、截面積（A）以及減小三維感應(yīng)線圈與傳輸導(dǎo)線間的距離（r），可提高電流傳感器的靈敏度。 

難點：如何制作三維感應(yīng)線圈？

其實早在2012年，就有人研究出用于家用電線信號檢測的MEMS電流傳感器，不過由于架空線路（單線）附近的磁場分布和家用電線（雙線）的磁場分布有很大不同，所以平面感應(yīng)線圈無法應(yīng)用于配電網(wǎng)中。

于是，研究人員以玻璃為襯底，以聚酰亞胺為其線圈的支撐和絕緣結(jié)構(gòu)，通過濺射、光刻、電鍍、拋光等微加工工藝在襯底上制作出三維線圈，制作出適合用于配電網(wǎng)輸電線路的MEMS電流傳感器。具體的制作流程如下圖示：

MEMS電流傳感器制作工藝流程

步驟（a）到（i）都是在制作底層感應(yīng)線圈，（j）是制作第二層感應(yīng)線圈，即種子層，最后的兩步則是制作出頂層感應(yīng)線圈。

值得一提的是，整個工藝簡單且成本低廉，可批量化生產(chǎn)。整體來看，非常適用在配電網(wǎng)里大規(guī)模覆蓋使用。

結(jié)語：該MEMS電流傳感器具有功耗低，線性度好、質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，可通過 Ｕ 型裝置固定在被測導(dǎo)線周圍，安裝方便。另外，在實際應(yīng)用時，考慮到電壓測量安全距離，該傳感器的輸出信號還可通過無線傳輸模塊傳輸?shù)降孛孢M行處理。