MEMS微型电场传感器在水环境监测方面的应用

目前我国研究人员研制出了适应高空恶劣环境和地面长期监测、面向多个领域的MEMS微型电场传感器系列创新产品,创造性地发展了微型电场传感器及其实际应用,系统地解决了从设计、工艺到应用的关键技术。

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  近年来,微纳传感器与微系统技术是近年来研究热点,其所涉及的研究方向包括电场传感器、水环境监测传感器、微传感集成芯片系统、无线网络传感器、微纳制造技术等。

MEMS微型电场传感器在水环境监测方面的应用

电场

      微型电场传感器具有基于MEMS技术的敏感结构

  电场传感器被称为侦测电场的“利眼”,是一种具有良好的抗电磁干扰能力和快速响应速度的传感器。它能够测量高电压电力系统中的瞬变电场,可广泛用于电场强度的探测。为气象保障提供可靠的手段和依据,避免了强电场的破坏作用,对发射器升空具有重大的意义。

  随着物联网技术与人工智能的发展,现阶段需要大量微小型、高性能、低成本的电场传感器,否则难于满足电场探测和日常业务应用的需求。

  目前的微型电场传感器虽然具备多项技术优点,但也存在技术难点,如信号微弱、信噪比低。

  如何解决这些难点问题?一方面,需要提高感应效率,增强响应信号,另一方面,减小耦合干扰,降低噪声。关键技术难点在于高性能敏感结构设计、敏感结构加工工艺、器件抗静电封装等。

  基于此,目前我国研究人员研制出了适应高空恶劣环境和地面长期监测、面向多个领域的MEMS微型电场传感器系列创新产品,创造性地发展了微型电场传感器及其实际应用,系统地解决了从设计、工艺到应用的关键技术。

MEMS微型电场传感器在水环境监测方面的应用

MEMS微型电场传感器

  微电子机械系统(以下简称MEMS)的制造,是从专用集成电路(ASIC)技术发展过来的,如同ASIC技术那样,可以用微电子工艺技术的方法批量制造。但比ASIC制造更加复杂,这是由于 MEMS 的制造涉及三维立体加工出微小结构,需要采用敏感生物、化学和物理特性的一些特殊材料。

  微型电场传感器具有基于MEMS技术的敏感结构,以及具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点,因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及人们接触到的几乎所有领域中都有着十分广阔的应用前景。该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。

      水环境监测技术

  环境污染是关系到国计民生和社会发展的重大问题。研究人员以水环境监测技术为例讲述了MEMS微型电场传感器在社会应用中的优势所在。

MEMS微型电场传感器在水环境监测方面的应用

水环境监测

  2007 年,太湖蓝藻大量繁殖,严重影响了城市的饮用水源,引起公众的广泛关注。造成蓝藻暴发的主要原因是水体受氮、磷等元素污染。传统水环境监测技术多采用人工采样、实验室分析,在线自动监测站,小型浮标三种方式。

  研究人员表示,第一种方式缺点明显,费时费力、监测效率低,不能实时监测、易出现漏检;第二种方式中设备体积大、价格贵、运行成本高,监测站布点有限;第三种方式监测参数有限,多限于水温、溶解氧、pH 等常规参数。

  “MEMS微型电场传感器网络则让传感器节点实现分布式布放,实现网络化、现场、实时、在线、多参数检测。”研究人员说。但研究人员同时也表示,MEMS 电场传感器是近年才进入市场的电学量新型传感器,在研究和应用层面都有很大发展空间;水环境监测微传感器系统检测对象复杂,要达到多参数现场在线长期监测应用需求还有许多问题有待研究和解决。

  不过,研究人员也表示,传感器与微系统技术是以应用为主要目标的研究领域,因此,基础科学问题与应用技术问题并存,从原理研究到实际应用,研究周期长,“往往十余年磨一剑”。

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