更小更簡單的感測器：「無失真」測量電場強度！

導讀

近日，奧地利維也納技術大學（TU Wien）開發出了一款感測器用於測量電場強度。它比同類裝置更小、更簡單且更不容易失真。

背景

在醫療電子、物聯網、智能硬體、機器人、可穿戴設備等眾多科技領域中，感測器一直都扮演著至關重要的角色。之前，筆者為大家介紹了許多有關感測器的創新技術，應用領域非常廣泛，例如：測量農作物水分、監測人的運動狀態、檢測疾病、檢測飲用水水質、檢測興奮劑和爆炸物、檢測橋結構問題等等。

舉個有關感測器方面創新的典型案例，讓大家對於感測器有一個更直觀的認識。下圖是一款由瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）開發的用於測量溫度的可生物降解的微型生物感測器。這款感測器的特殊之處就在於它是由無毒可降解的材料製成。

（圖片來源：ETH Zurich）

創新

今天，我們要介紹的創新科技成果也是一種新型感測器，然而這一次它的用途是測量電場強度。該感測器由奧地利維也納技術大學（TU Wien）開發，比同類裝置更小（如下圖所示：尺寸比一美分硬幣更小）、更簡單且更不容易失真。

（圖片來源：TU Wien）

奧地利克雷姆斯多瑙河大學（Danube University Krems）集成感測器系統學部也參與了感測器的聯合設計。相關論文發表於電子雜誌《自然電子》（Nature Electronics）。

技術

從技術的角度講，測量電場並不是一項簡單的任務。

維也納技術大學的科研團隊打破了迄今為止的其他所有器件所遵循設計準則，開發出一種微機電系統硅基感測器。這一感測器的最主要優勢就是：它不會扭曲目前正在測量的電場。

TU
Wien 電氣工程學院感測器和促動器系統研究所的 Andreas Kainz 表示：「目前，用於測量電場強度的裝置具有一些顯著缺陷。這些裝置含有會變成帶電的部分。導電金屬組件會顯著改變正在測量的電場；如果裝置為了提供測量參考點也必須接地的話，這個效應會變得更加顯著。」

TU Wien 團隊開發出由硅製成的感測器，它基於一個非常簡單的理念：網格狀的小型硅結構（測量尺寸僅幾微米）固定到小型彈簧上。當硅暴露於電場中的時候，會有一個力作用於硅晶體，使彈簧輕微地收縮或者伸長。

（圖片來源：TU Wien）

現在，這些細微的運動需要變得可見。因此，研究人員設計出了一種光學解決方案：另外一個網格位於運動的硅網格之上，並精準地排列好，一個網格的空缺被另外一個網格遮住。當電場出現時，運動結構會稍稍移動，擺脫與固定網格的完美對齊，讓光線可以通過缺口。這種光線會被測量，而通過恰當的校準裝置，可從中計算出電場強度。

（圖片來源：TU Wien）

價值

這種新型硅感測器不會測量電場方向，但是會測量強度。它可以用於相對較低頻率的電場，直到一千赫茲。精準測量電場對於一系列應用來說都至關重要，這些應用包括：天氣預報、工業機械過程式控制制、高壓電線工作人員安全保障。

Andreas
Kainz
表示：「使用該原型裝置，我們已經能夠可靠地測量強度低於200伏特每米的弱電場。這意味著我們的系統已經與達到現有產品的同等水平，然而它明顯地更小更簡單。其他的測量方法已經是成熟方案，而我們才剛剛開始。未來，我們的微機電感測器提供的結果將肯定會好很多。」
對於未來進一步的改善來說，這個產品也具有巨大的潛力。

關鍵字

感測器、微機電系統、硅

參考資料

【1】https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125562/

【2】Kainz et al.. Distortion-free probes of electric field. Nature Electronics 1, 10-11 (2018). doi:10.1038/s41928-017-0013-9

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