新型MEMS电流传感器：基于三维感应线圈，立体检测配电网

摘要：为了实现电流传感器在配电网中的覆盖使用，电流传感器朝着小型化、低成本、性能可靠和易安装维护方向发展，基于三维感应线圈的新型MEMS电流传感器便被研究出来了，它可立体检测配电网电流。

近年来，随着半导体和微电子技术的发展，基于MEMS的电流传感器发展迅速，有着集成度高、成本低，易于批量生产等优点，是今后电流传感器发展的方向。

在电力系统中，配电网用于分配电能，需要各类电信号的量测技术及传感器来实现配电网的监测、控制、智能配电等，其中电流传感器发挥着重要的作用。但是，在配电网中，传统的电磁式互感器测量范围较小，当被用于测量较大的电流时易出现磁芯磁饱和现象，此外，该类互感器体积大、质量重、安装结构复杂且成本高，在变电站和用户终端间的架空线路中难以覆盖使用。

因此，为了实现电流传感器在配电网中的覆盖使用，电流传感器朝着小型化、低成本、性能可靠和易安装维护方向发展，基于三维感应线圈的新型MEMS电流传感器便被研究出来了，它可立体检测配电网电流。

新型MEMS电流传感器结构示意

MEMS电流传感器的工作原理及改进方案

MEMS电流传感器的工作原理很简单，就是通过检测三维感应线圈两端的感应电动势，反推出传输导线中的电流大小。

另外，改变部分参数，可提高MEMS电流传感器灵敏度。

通过对单相输电线路周围的磁场分布规律进行仿真，可以发现，导线周围的磁场强度Ｈ与距离ｒ成反比：随着传感器与导线之间距离增加，磁场强度逐渐减弱。

单相输电线路周围磁场随距离变化

因此，为了获得较高的电流测量灵敏度和较小的外部信号干扰，在导线不对传感器放电的情况下，传感器与导线之间距离越近越好。当传输导线中有交变电流信号通过时，由法拉第电磁感应定律可知，由于交变磁场的存在，三维感应线圈两端会产生感应电动势，即导体回路中感应电动势 ε 的大小与穿过回路磁通量的变化率ｄΦ/ｄｔ成正比。

推导上面的公式可知，通过增加三维感应线圈中线圈匝数（N）、截面积（A）以及减小三维感应线圈与传输导线间的距离（r），可提高电流传感器的灵敏度。

难点：如何制作三维感应线圈？

其实早在2012年，就有人研究出用于家用电线信号检测的MEMS电流传感器，不过由于架空线路（单线）附近的磁场分布和家用电线（双线）的磁场分布有很大不同，所以平面感应线圈无法应用于配电网中。

于是，研究人员以玻璃为衬底，以聚酰亚胺为其线圈的支撑和绝缘结构，通过溅射、光刻、电镀、抛光等微加工工艺在衬底上制作出三维线圈，制作出适合用于配电网输电线路的MEMS电流传感器。具体的制作流程如下图示：

MEMS电流传感器制作工艺流程

步骤（a）到（i）都是在制作底层感应线圈，（j）是制作第二层感应线圈，即种子层，最后的两步则是制作出顶层感应线圈。

值得一提的是，整个工艺简单且成本低廉，可批量化生产。整体来看，非常适用在配电网里大规模覆盖使用。

结语：该MEMS电流传感器具有功耗低，线性度好、质量轻和结构简单等优点，可通过 Ｕ 型装置固定在被测导线周围，安装方便。另外，在实际应用时，考虑到电压测量安全距离，该传感器的输出信号还可通过无线传输模块传输到地面进行处理。