本发明专利技术是一种基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于采用微机械工艺将ＭＥＭＳ金属线圈制作于ＭＥＭＳ扭转微镜上，非磁性骨架结构的Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈和ＭＥＭＳ金属线圈将高压交流电信号以感应电流的形式引入到ＭＥＭＳ扭转微镜的线圈中，在ＭＥＭＳ扭转微镜的背面制作反射镜面，镜面将在电磁力矩的作用下绕轴摆动，采用对角度非常敏感的光束耦合方式能够精确测量出镜面摆动角度，就可以获知电流值。这种光学电流传感器将ＭＥＭＳ技术运用到高压大电流检测中，以感应电流驱动，在高压端无需驱动电源，实现了光电隔离，具有体积小、成本低、可批量生产、抗干扰等优点，具有较高的测试精度和灵敏度，是一种具有应用前景的光学电流传感器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于微电子机械系统(MEMS)的光学电流传感器、制作及检测方法，是一种应用于电力等诸多工业
的检测交变大电流的光学电流传感器。属于电流传感器领域。
技术介绍
为了保证电力系统的安全运行，需要对电力系统及各电力设备的相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装置不能直接应用于高电压、大电流的电力回路中，而是需要将这些电力参数通过互感器按照比例变换为低的参数或信号，以供给测量仪器、仪表和其它类似电器使用，这些变换、测量信号的装置称为电流传感器。随着电力工业的迅速发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，人们不得不面对棘手的更高电压等级的大电流测量问题，传统的电流互感器在测量中的体积大、绝缘困难、成本高等缺点越多地暴露出来。近年来由于光纤传输与传感技术的广泛应用，光纤化电力站一直是国内外各研究单位所追求的目标，光学电流传感器则是其中关键技术难题之一早在十九世纪末，Michael Faraday发现磁光效应近50年有人提出用光学原理测量电流的想法，但光学电流传感技术的发展主要始于20世纪七十年代。从八十年代以来，美国的ABB公司、瑞士LEM公司、日本的东芝、三菱等公司投入了大量的人力和物力从事这一课题的研究，国内如华中科技大学、清华大学、上海大学、原机电部26所等单位也积极从事这一领域的研究。光学电流传感器比采用传统方法制造的电流互感器具有很多优点，如绝缘性能好、不含铁芯、不含油没有爆炸危险、无高压的危险、动态范围大等等。常见的光学电流传感器一般分为四类全光纤型、块状光学材料型、光电混合型和磁场传感器型。全光纤型电流传感器的传光与传感部分都用光纤，由于光内部存在线性双折射，从而影响测量精度和长期稳定性，同时温度的变化、光纤中光信号的偏振态不稳定性给实际应用带来困难(刘彬，张君正，李宇波.一种新型光纤电流传感器的设计.计量学报，2003，24(1)65-68)；块状光学材料型电流传感器存在加工难度大、传感头易碎、成本高等缺点，且在光反射过程中不可避免的引入相移，使两正交的线偏光变成椭圆偏振光，从而影响系统的性能，同时光学材料的磁光特性随温度的变化影响传感的精度与稳定性(Song J.，McLaren P.G.，Thomson D.J.A Faraday Effect Based ClamponMagneto-optical Current Transducer for Power Systems.IEEE WESCANEX′95 PROCEEDINGS329-333.)；常规光电混合型电流传感器仍然采用常规CT(Current Transducer，电流互感器)，在高压侧仍需要电源来驱动传感头，受温度影响显著，同时易受强磁干扰，无法克服磁饱和现象，而只能作为电磁式向全光学OCS(Optical Current Sensor，光学电流传感器)的一种过渡方案(焦斌亮，郑绳楦。用于电力系统的光学电流互感器技术进展.应用光学，2004，25(6)47-53.)；磁场传感型电流传感器本身对磁场分布有一定影响，而且受到杂散场的干扰给测量结果产生偏差(王廷云，郭强，唐明珏，等.磁致伸缩效应光纤微分干涉电流传感器.光电子·激光，200213(9)923-925.)。
技术实现思路
本专利技术是针对先前光学电流传感器的缺点，将MEMS技术运用到高压大电流的检测中，提供一种新型的MEMS光学电流传感器制作及检测方法，以达到实现电阻的温度补偿、进一步减小体积、降低工艺难度、减小加工成本、批量化生产、实现高灵敏度与精确测量的目的。所述的光学电流传感器，其特征在于传感器由高压端的探测头(图1、图2)与低压端的驱动、检测装置(图7)构成高压端的探测头有两种结构，一种带有Rogowski线圈(2)(图1)，它与螺旋线圈式MEMS扭转微镜上(图3、图5)的线圈构成串联回路，另一种不带有Rogowski线圈，即无Rogowski线圈(图2)，它是由闭合线圈式MEMS扭转微镜(图4)单独构成，两种结构的MEMS扭转微镜都是和双光纤准直器(4)封装在一起，封装前需要调节双光纤准直器与反射镜面(14)的相对位置，确保镜面初始偏角为零度；低压端部分包括光源驱动电路(15)、光源(16)、光功率计(18)、光电转换器与放大器(19)、滤波器(20)、显示器(21)。螺旋线圈式MEMS扭转微镜(图3、图5)主体由硅扭转平面(12)与双端固支的扭转梁(11)和支架(8)构成，MEMS螺旋线圈(10a)制作在正面，而连接线(9)可以通过绝缘层制作于MEMS螺旋线圈(10a)的上层或者下层；反射镜面(14)制作于微镜背面；加永磁体的MEMS扭转微镜(图5)通过支架垂直置于永磁体(13)产生的磁场中；闭合线圈式MEMS扭转微镜(图4)主体由硅扭转平面(12)与双端固支的扭转梁(11)和支架(8)构成，MEMS闭合线圈(10b)制作在正面，反射镜面(14)制作于微镜背面；微镜可以加永磁体(13)，也可以不加永磁铁(13)；工作状态下，位于低压侧的光源驱动电路(15)使光源(16)产生光功率稳定的光信号，光源(16)发出的光通过输入光纤(5)将光信号输入到双光纤准直器(4)，当长直输电导线(1)流经交流电时，高压端电流磁场驱动微镜(图3、图4、图5)转动，双光纤准直器(4)将转动信息转化为光学信息，通过输出光纤(6)传送到低压端，由光功率计(18)检测，再经过光电转换器与放大器(19)、滤波器(20)对信号处理后由显示器(21)得出交变电流的有效值。所述的光学电流传感器，其特征在于可以根据应用需求设计出不同性能指标的传感器，如对于100A-10000A的交流电，灵敏度可以按照测试要求达到0.001dB/A-0.1dB/A，对大电流的分辨力可达到0.01A，其它量程的测试要求，同样可以按照要求改变设计参数实现。所述的光学电流传感器，环绕在长直输电导线周围的Rogowski线圈和MEMS线圈共同感应高压交流电信号，在MEMS扭转微镜的线圈中产生感应电流，镜面将在电磁力矩的作用下绕轴转动；闭合线圈式MEMS扭转微镜与长直输电导线保持一定距离(5cm-20cm)，且两者成非零角度，闭合线圈自身感应产生驱动电流，无需Rogowski线圈，成为简单结构的电流传感器。所述的光学电流传感器，驱动力为感应电流与长直导线产生的交变磁场相作用的电磁力，也可以在MEMS扭转微镜外部支架上安装永磁体，以提供恒定磁场来增加驱动力。所述的光学电流传感器，MEMS扭转微镜的扭转平面可以是矩形、圆形、多边形等任意形状，金属线圈可以是矩形、平行四边形、多边形或其它能产生有效力矩的任意形状，扭转梁可以是矩形、梯形等形状，也可以为折叠梁等复合梁结构。所述的光学电流传感器，衬底、扭转平面、扭转梁可以由相同材料也可以由不同材料加工而成，如单晶硅、氮化硅、绝缘层上的硅(Silicon OnInsulator)材料、二氧化硅、磷化铟、聚合物等。梁的长度、宽度、厚度可以是纳米量级，也可以是微米、毫米量级。衬底、薄膜、扭转梁的厚度可以相同，也可以不同。MEMS金属线圈的绝缘层可以是二氧化硅、氮化硅、涂覆聚酰亚胺等所有绝缘材料。所述的光学电流传感器，可本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于微电子机械系统的光学电流传感器，其特征在于所述的光学电流传感器由高压端的探测头与低压端的驱动、检测装置构成；其中，①高压端的探测头有两种结构，一种有Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈（２），它与螺旋线圈式ＭＥＭＳ扭转微镜上的线圈构成串联回 路；另一种无Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈，由闭合线圈式ＭＥＭＳ扭转微镜单独构成，两种结构的ＭＥＭＳ扭转微镜都和双光纤准直器（４）封装在一起，镜面初始偏角为零度；②低压端部分包括光源驱动电路（１５）、光源（１６）、光功率计（１８）、光电转换器 与放大器（１９）、滤波器（２０）、显示器（２１）；工作状态下，位于低压端的光源驱动电路（１５）使光源（１６）产生的光信号，光源（１６）发出的光通过输入光纤（５）将光信号输入到双光纤准直器（４），当长直输电导线（１）流经交流电时，高压 端电流磁场驱动微镜转动，双光纤准直器（４）将转动信息转化为光学信息，通过输出光纤（６）传送到低压端，由光功率计（１８）检测，再经过光电转换器与放大器（１９）进行光电转换与放大、滤波器（２０）滤波对信号处理后由显示器（２１）得出交变电流的有效值。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴亚明，赵本刚，徐静，刘玉菲，高翔，李四华，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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