Sviluppo di un sensore di campo elettrostatico MEMS = Development of an electrostatic field MEMS sensor

I sensori di campo elettrico piccoli ed a bassa potenza sono cruciali per molte applicazioni come per gli studi di metrologia, diversi utilizzi in campo aerospaziale ed anche per il monitoraggio di linee ad alta tensione (dall’inglese UHV, Ultra High Voltage). Nonostante negli ultimi due decenni molte soluzioni siano state proposte, nessuna di loro possiede i requisiti adatti siccome solitamente soffrono di una forte dipendenza dalla temperatura, del drift effect o di un’alta complessità data dal processo di fabbricazione. Infine, il sensore di campo elettrico più comune rimane l’electric field mill. Il suo principio di funzionamento è spesso adattato a sensori low scale: una tensione differenziale è ottenuta dalla schermatura periodica degli elettrodi di misura rispetto ad un elettrodo posto a ground. In questa pubblicazione mostriamo che un MEMS (Micro Electro-Mechanical System) risonante basato su materiale piezoelettrico può essere utilizzato per raggiungere una risoluzione molto alta, con una bassa dipendenza dalla temperatura e senza rumore autoindotto. Un modello analitico del sistema è qui concepito, migliorato con un modello ad elementi finiti (Finite Element Analysis) e quindi viene applicato al fine di ottimizzare la geometria del sensore per minimizzare la distorsione del campo elettrico e per raggiungere una risoluzione ottimizzata. Un prototipo in fase di sviluppo è previsto possa raggiungere una sensibilità di 0.8 µHz/(V/m) con una risoluzione di 9 V/m/√Hz, mentre dispositivi pienamente ottimizzati potrebbero raggiungere una risoluzione di 4.6 V/m/√Hz. Questi sensori sono piccolo e permettono un ampio range di applicazioni grazie alla loro abilità di essere prodotti in grande scala e grazie al loro basso consumo di potenza e resistenza alle radiazioni.