基于非线性动力学调控的高性能微电场传感器

摘要

电场传感器作为电场检测的核心器件，广泛应用于高压输电、气象监测、静电防护以及航空航天等多个领域.测量微弱电场及提升测量精度可获知更多环境电场变化细节，提升电场传感器的灵敏度与分辨力指标是电场传感器领域的持续研究目标.区别于传统基于谐振器线性响应的研究方法，本文提出了一种利用非线性效应增强谐振式微机电系统（Microelectro-mechanical systems,MEMS）电场传感器性能的方法.首先分析了MEMS电场传感器的工作机制，分别建立了微谐振器的线性振动模型和Duffing非线性振动模型.建立两种模型下的动力学方程，获得了幅频关系和灵敏度的理论框架.设计并搭建了基于高精度驱动电路、跨阻放大和差分读出电路及数据采集与分析平台的谐振器电性能测试系统，并研究了传感器在二阶振动模态下的非线性振动行为.通过调节激励幅值和偏置电压等参数，实现了对非线性工作区的有效调控.线性与非线性工作区的关键性能指标对比测试表明，在非线性调控下，传感器可实现4.69 mV·kV^–1·m的灵敏度和0.46 V·m^–1的分辨力，验证了基于非线性调控策略在提升谐振式传感器性能方面的有效性.

关键词

非线性振动 / 静电场测量 / 传感器灵敏度 / 传感器分辨力 / 谐振器

基金资助

国家自然科学基金资助项目(62031025); 国家重点研发计划资助项目(2024YFF1502300); 国防基础科研资助项目(JCKY2022110C013)