För att kunna beräkna styrkan hos elektriska fält har forskare i Wien utvecklat en sensor, som är mycket mindre och noggrannare än befintliga sensorer.
Elektrisk fältstyrka definieras som den elektriska kraft som verkar på en orörlig positivt laddad testpartikel i varje punkt i rummet i förhållande till fältets källor (genererande elektriska laddningar).
Noggrann mätning av elektriska fält är viktigt i en mängd olika applikationer, såsom i fråga om väderprognoser, kontroll av industrimaskiner eller när det gäller att garantera säkerheten för personer som arbetar med högspänningsledningar.
Men sett utifrån ett tekniskt perspektiv är exakt mätning ingen lätt uppgift.
Forskarteamet vid Wiens tekniska universitet har tagit fram en kiselbaserad sensor i form av ett mikroelektromekaniskt system (MEMS).
Tillverkad vid avdelningen för integrerade sensorsystem vid Donau Universitet i Krems har denna sensor den stora fördelen att den inte förändrar eller påverkar det elektriska fältets omfång eller styrka, som sensorn mäter i en given tidpunkt. En introduktion till den nya sensorn har också publicerats i elektronikjournalen Nature Electronics.
- Utrustning som används idag för att mäta elektrisk fältstyrka har en rad betydande nackdelar, förklarar Andreas Kainz från Sensor- och Actuator Systems Institute (fakulteten för elektroteknik, TU Wien).
Enligt Kainz innehåller dessa sensorer komponenter som blir elektriskt laddade. Metallkomponenter med ledningsförmåga kan väsentligt förändra fältet som beräknas, en effekt som blir ännu mer tydlig om enheten också måste jordas för att ge en referenspunkt för mätningen. Sådan utrustning tenderar också till att bli relativt opraktisk och svår att transportera.
Sensorn är gjord av kisel och bygger på ett mycket enkelt koncept: Små, gallerformiga kiselstrukturer som mäter bara några mikrometer i storlek har inmonterats på en liten fjäder. När kisel placeras på ett elektriskt fält, utsätts kiselkristallerna för en kraft, vilket gör att fjädern komprimerar sig lätt eller sträcks ut.
Dessa små rörelser måste nu synas. Därför har det försetts med en optisk lösning: ett extra galler ovanför det rörliga kiselnätet har uppställts så exakt att nät- öppningarna i gallret döljs av det andra.
När ett elektriskt fält är närvarande, anpassar den rörliga strukturen sig exakt med det fasta nätet, så att ljuset passerar genom öppningarna. Detta ljus mäts och därmed kan styrkan hos det elektriska fältet beräknas med en lämpligt kalibrerad anordning.
Enligt teamet har prototypen uppnått imponerande precision.
Den nya kiselsensorn mäter inte riktningen för det elektriska fältet, utan dess styrka. Den kan användas vid ett fält med en relativt låg frekvens på upp till en kilohertz.
- Med vår prototyp har vi kunnat mäta svaga fält på mindre än 200 volt per meter. Det betyder att vårt system redan uppnått samma nivå som befintliga sensorer, men våra är betydligt mindre och mycket enklare, säger Andreas Kainz.
Och det finns, enligt Kainz, fortfarande stora möjligheter till förbättringar.
- I framtiden kommer man att uppnå bättre resultat med vår mikroelektromekaniska sensor, tillägger Andreas Kainz förhoppningsfullt.
Källa: Wiens tekniska högskola, TU Wien.