【导读】中科飞龙利用大气电场探测 MEMS （Micro-electrolytically United Processing）传感器设计了一种能够对大气电场强度进行探测的系统。该系统利用 MEMS工艺，结合电荷测量技术和高速数据采集技术，以实现对大气电场强度的探测。研究结果表明，系统探测的电场强度为0.68V/m，水平方向的探测深度可达100m。该系统可以实现在静止风洞中对大气电场的高灵敏度测量和实时检测，并具有成本低、可集成等优点。

随着人类社会的发展和人类对能源需求的增加，大气中的各种物质（包括水、冰和碳氢化合物）等发生电离产生自由电子而对地产生电场，其作用将会改变地表各种物理参数，如湿度、温度、盐度和重力加速度等。大气电场测量在遥感、水文和气象等领域应用广泛。传统的大气电场探测方法主要包括无线电探测方法和可见光探测方法两大类。无线电探测方法有：低频射电干涉、地波雷达、闪电定位仪等。可见光探测方法有：可见光成像光谱仪、激光诱导荧光等。大气电场的探测主要采用雷达和地面电场传感器进行，由于大气电场是一种电磁场，其信号具有很强的吸收噪声，因此目前常用的探测手段主要为雷达探测方式和地面电场传感器测量方式。

引言

随着人类对能源需求的增加，以风能、太阳能为代表的可再生能源产业越来越受到关注。由于其固有的自然属性，风和光电系统对周围环境具有强烈的扰动，将会影响其正常运行和使用。因此需要通过大气电场测量手段，实时监测并跟踪风和光电系统的工作状态，以保证风和光电系统的正常运行。

测量原理

大气电场是一种电磁场，其信号具有很强的吸收噪声，因此需要在信号经过前级放大器前添加滤波电路以消除噪声。由于大气电场在其中心处存在最大值，因此对地电场传感器的敏感方向要求尽可能接近中心，因此可通过对敏感方向进行探测来提高探测精度。

地面电场传感器探测原理如图1所示：当电势差为0时，信号经过前置放大器，输出端得到的是电压差成正比的信号。通过对此电压差进行傅里叶变换即可得到该电场传感器的等效电容。通过电容计算公式：

其中： Rp为电场强度，ε为温度系数， Pn为电阻， Ri为电阻率，Rc为电容率。

实验与结果

实验中采用的是基于 MEMS技术的电场传感器，其测量范围为-55~+150V/m。为了验证系统性能，在室外进行了实验。

在室外环境下进行的实验包括：湿度对比测试、温度对比测试和电荷对比测试等。本文中测量的相对湿度为95%，温度为15℃，电荷为1000μC/m²。空气中的电荷与湿度和温度有关，在相对湿度和温度一致时，空气中的电荷为零，而在湿度相同时，环境中的电荷为无穷大。

在实验过程中需要注意以下问题：

（1）电极要始终处于稳定状态；

（2）电极之间距离不要太大；

（3）使用时注意避免直接接触电极；

（4）尽量避免空气流动带来的影响。

结论与讨论

本文介绍了一种基于 MEMS技术的大气电场传感器，利用电容-电压转换结构对电场进行测量，在高湿度环境下，实现了低噪声、低功耗的电场测量。由于器件尺寸小，在一些环境恶劣的场合应用是一种不错的选择。此外，该器件还具有较好的可重复性、长期稳定性和较高的灵敏度，为大气电场探测领域提供了一种新的方案。