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摘要：為了實(shí)現(xiàn)電流傳感器在配電網(wǎng)中的覆蓋使用，電流傳感器朝著小型化、低成本、性能可靠和易安裝維護(hù)方向發(fā)展，基于三維感應(yīng)線圈的新型MEMS電流傳感器便被研究出來(lái)了，它可立體檢測(cè)配電網(wǎng)電流。

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS的電流傳感器發(fā)展迅速，有著集成度高、成本低，易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是今后電流傳感器發(fā)展的方向。

在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)用于分配電能，需要各類電信號(hào)的量測(cè)技術(shù)及傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、控制、智能配電等，其中電流傳感器發(fā)揮著重要的作用。但是，在配電網(wǎng)中，傳統(tǒng)的電磁式互感器測(cè)量范圍較小，當(dāng)被用于測(cè)量較大的電流時(shí)易出現(xiàn)磁芯磁飽和現(xiàn)象，此外，該類互感器體積大、質(zhì)量重、安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高，在變電站和用戶終端間的架空線路中難以覆蓋使用。

因此，為了實(shí)現(xiàn)電流傳感器在配電網(wǎng)中的覆蓋使用，電流傳感器朝著小型化、低成本、性能可靠和易安裝維護(hù)方向發(fā)展，基于三維感應(yīng)線圈的新型MEMS電流傳感器便被研究出來(lái)了，它可立體檢測(cè)配電網(wǎng)電流。

新型MEMS電流傳感器結(jié)構(gòu)示意

MEMS電流傳感器的工作原理及改進(jìn)方案

MEMS電流傳感器的工作原理很簡(jiǎn)單，就是通過(guò)檢測(cè)三維感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，反推出傳輸導(dǎo)線中的電流大小。

另外，改變部分參數(shù)，可提高M(jìn)EMS電流傳感器靈敏度。

通過(guò)對(duì)單相輸電線路周圍的磁場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行仿真，可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度Ｈ與距離ｒ成反比：隨著傳感器與導(dǎo)線之間距離增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。

單相輸電線路周圍磁場(chǎng)隨距離變化

因此，為了獲得較高的電流測(cè)量靈敏度和較小的外部信號(hào)干擾，在導(dǎo)線不對(duì)傳感器放電的情況下，傳感器與導(dǎo)線之間距離越近越好。當(dāng)傳輸導(dǎo)線中有交變電流信號(hào)通過(guò)時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，由于交變磁場(chǎng)的存在，三維感應(yīng)線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ε 的大小與穿過(guò)回路磁通量的變化率ｄΦ/ｄｔ成正比。

推導(dǎo)上面的公式可知，通過(guò)增加三維感應(yīng)線圈中線圈匝數(shù)（N）、截面積（A）以及減小三維感應(yīng)線圈與傳輸導(dǎo)線間的距離（r），可提高電流傳感器的靈敏度。

難點(diǎn)：如何制作三維感應(yīng)線圈？

其實(shí)早在2012年，就有人研究出用于家用電線信號(hào)檢測(cè)的MEMS電流傳感器，不過(guò)由于架空線路（單線）附近的磁場(chǎng)分布和家用電線（雙線）的磁場(chǎng)分布有很大不同，所以平面感應(yīng)線圈無(wú)法應(yīng)用于配電網(wǎng)中。

于是，研究人員以玻璃為襯底，以聚酰亞胺為其線圈的支撐和絕緣結(jié)構(gòu)，通過(guò)濺射、光刻、電鍍、拋光等微加工工藝在襯底上制作出三維線圈，制作出適合用于配電網(wǎng)輸電線路的MEMS電流傳感器。具體的制作流程如下圖示：

MEMS電流傳感器制作工藝流程

步驟（a）到（i）都是在制作底層感應(yīng)線圈，（j）是制作第二層感應(yīng)線圈，即種子層，最后的兩步則是制作出頂層感應(yīng)線圈。

值得一提的是，整個(gè)工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，可批量化生產(chǎn)。整體來(lái)看，非常適用在配電網(wǎng)里大規(guī)模覆蓋使用。

結(jié)語(yǔ)：該MEMS電流傳感器具有功耗低，線性度好、質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò) Ｕ 型裝置固定在被測(cè)導(dǎo)線周圍，安裝方便。另外，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到電壓測(cè)量安全距離，該傳感器的輸出信號(hào)還可通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行處理。