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工作原理

MEMS电场仪核心探测单元的基本结构如图1.1所示，主要由屏蔽电极、感应电极等构成。基于电荷感应工作原理，采用场磨工作机制，当存在被测电场时，在静电梳齿驱动器的带动下，屏蔽电极左右周期振动，处于其下方的感应电极上的电荷量发生周期性改变，产生感应电流，之后由差分运算放大器转换成电压输出，通过检测电压可得到被测电场大小。

图1.1 MEMS电场仪核心探测单元示意图

 场磨式电场仪的基本结构如图1.2所示，主要由驱动电机、转子、感应电极（定子）等构成。其工作原理是基于电荷感应原理，当存在被测电场时，驱动电机带动转子周期性旋转，感应电极上的电荷量发生变化，产生感应电流，通过由运算放大器构成的I/V电路转换成电压输出，然后通过相敏检波电路提取出被测电场大小。

图1.2 场磨式电场仪基本结构示意图

从上述的工作原理可发现，MEMS电场仪和场磨式电场仪的核心探测原理是一样的，都是基于电荷感应原理，可动电极（转子、屏蔽电极）调制感应电极上的电荷量发生变化，产生感应电流，之后转换成电压输出，然后通过测量电压得到被测电场大小。

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结构差异

 2.1 核心探测结构尺寸差异大

MEMS电场仪的核心探测结构—MEMS电场敏感器件采用先进的MEMS（微机电系统）工艺制作，尺寸仅有5mm×5mm。场磨式电场仪采用传统机械加工工艺，尺寸较大，转子、定子的直径一般在10cm左右；

2.2 MEMS电场敏感器件有封装

由于MEMS电场敏感器件的尺寸为5mm×5mm，其内部电极尺寸最小只有3μm，很容易受到空气中灰尘、环境湿度等因素的影响，为了解决环境因素的影响，需对MEMS电场敏感器件进行封装。拥有封装结构是MEMS大气电场仪和场磨式电场仪的一个主要区别。MEMS电场敏感器件的封装是一种气密性封装，虽然在低端电场（±500V/m电场范围）测量时MEMS大气电场仪易受空气离子流的影响，与场磨式电场仪的测量结果相比略微差一些，但是封装后MEMS大气电场仪环境适应性能力更强，特别适合在易燃易爆场所使用。

                                           封装组件-芯片

                                   封装组件-晶圆

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性能对比

3.1 测量范围

MEMS电场仪和场磨式电场仪的测量范围均可达到±150 kV/m。

3.2 分辨力

分辨力是衡量电场仪性能的一个关键静态指标，基于电荷感应原理电场仪的分辨力与感应面积成正比，由于场磨式电场仪的感应面积要远远大于MEMS电场仪的感应面积，直观感觉MEMS电场仪的分辨力要明显低于场磨式电场仪，但是分辨力也与调制频率有关，MEMS电场仪的电场调制频率为3kHz，远高于场磨式电场仪（50Hz），因此最终的分辨力两者是相当的，场磨式电场仪和MEMS电场仪的分辨力均可达到10V/m。

3.3 功耗

MEMS电场仪的电场敏感器件采用静电梳齿驱动，功耗极低（μW量级），其接口电路功耗大约为0.7W，因此MEMS电场仪的功耗也大约为0.7W，比场磨式电场仪功耗低一个数量级。场磨式电场仪需要马达驱动，功耗较大，一般在5W左右；

3.4 雷暴天电场探测结果

MEMS电场仪与美国Campbell公司的场磨式电场仪CS110某次雷暴过程探测结果如图3.2所示，探测数据的皮尔森相关系数为0.9677，在0.8~1.0之间，表明两者探测结果是极强相关的，说明雷暴天MEMS电场仪与场磨式电场仪的探测结果无明显差异。

图3.2 雷暴天电场探测结果（相关系数：0.9677）

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维护性

MEMS电场仪的探头外壳为工程塑料材质，并且在里面掺入了抗紫外照射、抗盐雾的材料，因而太阳辐射对其影响不大；即使探头表面有灰尘，也会被雨水冲洗掉，基本实现免维护；场磨式电场仪由于开口旋转面吸附灰尘，需要定期维护，在空气污染严重的地方需要频繁清洗。

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可靠性及安全性

MEMS电场仪无电机等易磨损可动机械部件，可靠性高，寿命长；另外由于拥有封装结构，所以无暴露可动机械部件，可用于易燃易爆场所。

场磨式电场仪的可靠性严重依赖于电机质量，并且由于有旋转的机械部件，在充满可燃气体的场所中与空气摩擦可能会引起火灾，甚至发生爆炸，所以不适用于易燃易爆场所。

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基于电场仪的雷电预警方法

晴天电场比较小，一般在±500V/m范围内，但在雷暴天，大气电场的绝对值基本会超过2kV/m，在雷电来临时，电场变化速率会明显加快，在发生地闪过程中，电场绝对值可能会达到20kV/m，甚至更高，并且会出现正负电场跳变现象。由大气电场探测结果可知，在雷暴天，MEMS大气电场仪与场磨式电场仪的探测结果已无明显差异，如果采用MEMS电场仪或场磨式电场仪作为探测装置进行雷电预警，一般都会采用大气电场阈值和变化率综合分析预警方法，两者的预警方法是相同的，所以误报率也相同。

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其他说明

电子式电场仪是对电场变化强度的一个连续积分，所测量的是电场强度的变化率；MEMS电场仪基于电荷感应原理和场磨工作机制，更像一个微型化的场磨式电场仪，因此MEMS电场仪和电子式电场仪的探测原理有本质区别，不能将MEMS电场仪混淆为电子式电场仪。

END