Single-chip 3D electric field microsensor

Abstract

This paper presents a single-chip 3D electric field microsensor, in which a sensing element is set at the center to detect the Z-axis component of an electrostatic field. Two pairs of sensing elements with the same structure are arranged in a cross-like configuration to measure the X- and Y-axis electrostatic field components. An in-plane rotary mechanism is used in the microsensor to detect the X-, Y-, and Z-axis electrostatic field components simultaneously. The proposed microsensor is compact and presents high integration. The microsensor is fabricated through a MetalMUMPS process. Experimental results show that in the range of 0–50 kV/m, the linearity errors of the microsensor are within 5.5%, and the total measurement errors of the three electrostatic field components are less than 14.04%.

Keywords

electric field microsensor / three-dimensional / single-chip / in-plane rotation

References

[1] Maruvada P S, Dallaire R D, Pedneault R. Development of field-mill instruments for ground-level and above-ground electric field measurement under HVDC transmission lines. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1983, PAS-102(3): 738–744

[2] Yang P, Chen B, Wen X, A novel MEMS chip-based atmospheric electric field sensor for lightning hazard warning applications. In: Proceedings of IEEE Sensors. Busan: IEEE, 2015, 1–4

[3] Wooi C L, Abdul-Malek Z, Ahmad N A, Statistical analysis of electric field parameters for negative lightning in Malaysia. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2016, 146: 69–80

[4] Kasaba Y, Hayakawa H, Ishisaka K, Evaluation of DC electric field measurement by the double probe system aboard the Geotail spacecraft. Advances in Space Research, 2006, 37(3): 604–609 

[5] Vaivads A, Eriksson A I, André M, Low-frequency electric field and density fluctuation measurements on Solar Orbiter. Advances in Space Research, 2007, 39(9): 1502–1509 

[6] Pedersen A, Cattell C A, Fälthammar C G, Quasistatic electric field measurements with spherical double probes on the GEOS and ISEE satellites. Space Science Reviews, 1984, 37(3–4): 269–312 

[7] Tant P, Bolsens B, Sels T, Design and application of a field mill as a high-voltage DC meter. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2007, 56(4): 1459–1464

[8] Mathews S, Farrell G, Semenova Y. All-fiber polarimetric electric field sensing using liquid crystal infiltrated photonic crystal fibers. Sensors and Actuators A: Physical, 2011, 167(1): 54–59

[9] Zhu T, Ou Z, Han M, Propylene carbonate based compact fiber Mach-Zehnder interferometric electric field sensor. Journal of Lightwave Technology, 2013, 31(10): 1566–1572

[10] Toney J E, Tarditi A G, Pontius P, Detection of energized structures with an electro-optic electric field sensor. IEEE Sensors Journal, 2014, 14(5): 1364–1369 

[11] Hsu C H, Muller R S. Micromechanical electrostatic voltmeter. In: Proceedings of International Conference on Solid-State Sensors and Actuators. San Francisco: IEEE, 1991, 659–662

[12] Horenstein M N, Stone P R. A micro-aperture electrostatic field mill based on MEMS technology. Journal of Electrostatics, 2001, 51–52: 515–521

[13] Riehl P S, Scott K L, Muller R S, Electrostatic charge and field sensors based on micromechanical resonators. Journal of Microelectromechanical Systems, 2003, 12(5): 577–589

[14] Peng C, Chen X, Ye C, Design and testing of a micromechanical resonant electrostatic field sensor. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006, 16(5): 914–919

[15] Lundberg K H, Shafran J S, Kuang J, A self-resonant MEMS-based electrostatic field sensor. In: Proceedings of the 2006 American Control Conference. Minneapolis: IEEE, 2006, 1221–1226

[16] Chen X, Peng C, Tao H, Thermally driven micro-electrostatic fieldmeter. Sensors and Actuators A: Physical, 2006, 132(2): 677–682

[17] Bahreyni B, Wijeweera G, Shafai C, Analysis and design of a micromachined electric-field sensor. Journal of Microelectromechanical Systems, 2008, 17(1): 31–36

[18] Ghionea S, Smith G, Pulskamp J, MEMS electric-field sensor with lead zirconate titanate (PZT)-actuated electrodes. In: Proceedings of 2013 IEEE Sensors. Baltimore: IEEE, 2013, 1–4

[19] Yang P, Peng C, Fang D, Design, fabrication and application of an SOI-based resonant electric field microsensor with coplanar comb-shaped electrodes. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2013, 23(5): 055002

[20] Wang Y, Fang D, Feng K, A novel micro electric field sensor with X-Y dual axis sensitive differential structure. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, 229: 1–7

[21] Gao Z, Yu Z, Zeng R, Research on measuring methods and sensors of high voltage DC electric field. In: Proceedings of International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering (ISEEE). Sapporo: IEEE, 2014, 850–854

[22] Li C, Shen X, Zeng R. Optical electric-field sensor based on angular optical bias using single β-BaB₂O₄ crystal. Applied Optics, 2013, 52(31): 7580–7585

[23] Wen X, Fang D, Peng C, Three dimensional electric field measurement method based on coplanar decoupling structure. In: Proceedings of 2014 IEEE Sensors. Valencia: IEEE, 2014, 582–585

[24] Fang Y, Peng C, Fang D, Micro 3-dimensional folding electric field sensor. Transducer and Microsystem Technologies, 2016, 35(5): 67–73 (in Chinese)

[25] Yeh J A, Chen C, Lui Y. Large rotation actuated by in-plane rotary comb-drives with serpentine spring suspension. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(1): 201–206

[26] Allen C, Ramaswamy M, Stafford J, MetalMUMPs Design Handbook, Revision 4.0, 2006

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. This article is published with open access at link.springer.com and journal.hep.com.cn