中国科学院理化技术研究所叶子、杨乾泓等：基于液态金属的小型智能传感器电磁屏蔽原理与性能研究

在智能电网中， 传感器是实现状态监测与信息采集的重要单元，但是其工作环境常伴随强电磁干扰，易导致信号失真甚至功能失效。针对这一问题，中国科学院理化技术研究所、中国科学院大学未来技术学院、中国电力科学研究院有限公司的叶子、杨乾泓、李振明、刘昌林、桂林，在2026年第4期《电气技术》上撰文，通过液态金属与微流控技术，明确液态金属屏蔽原理，设计线栅型液态金属屏蔽层，开展参数化仿真研究并进行实验验证。

在仿真部分，系统分析线栅宽度、间距和高度对屏蔽性能的影响，明确屏蔽层设计的关键参数。在实验部分，利用 10 kV 静电场与 0.1～1 mT 低频磁场测试平台，分别以应变（电容）传感器和温度（电阻） 传感器为对象，对屏蔽层在电场与磁场干扰下的屏蔽性能进行验证。结果表明， 线栅型液态金属屏蔽层能够显著提升传感器在强电磁环境下的抗干扰能力，可应用于电力系统传感器及关键设备的电磁防护设计。

随着电力系统的数字化与智能化进程不断加快，大量小型智能传感器部署在变电站、输配电线路及用电终端等多种应用场景中，用于实时采集电压、电流、温度等运行参数。这类传感器体积小、功耗低，通常需要在复杂的电磁环境中长期稳定工作。

然而，电力系统运行过程中会产生工频电场、低频磁场及多种形式的电磁干扰，特别是在高压设备附近和开关操作瞬间，强电磁场可能通过耦合路径影响传感器内部电路的正常工作，造成测量误差甚至设备损坏。因此，针对小型智能传感器的电磁防护技术研究具有重要的工程意义。

传统电磁屏蔽技术多依赖铜、铝等金属材料，其导电性和导磁性优异， 在高频段具备较好的屏蔽效果，但在低频电场、尤其是低频磁场条件下， 往往需要较大厚度才能获得理想屏蔽效能，难以满足传感器小型化和轻量化的设计要求。同时，刚性金属屏蔽层的结构设计受限，难以与复杂外形或柔性封装的传感器实现高效集成。

液态金属材料（如镓基合金）兼具高电导率与良好的流动性，可在常温下呈液态，便于在柔性或复杂曲面结构中实现连续封闭的屏蔽层。微流控技术能够对液态金属进行精确塑形，使屏蔽结构在形状和厚度上易于优化调整，从而在保证屏蔽效能的同时兼顾小型化和结构适应性。此外，液态金属屏蔽层可与柔性基底及传感单元一体化构建，实现柔性、传感与屏蔽功能的同时集成。

现有研究表明，液态金属在静电场、低频电场下可提供与传统金属相当的屏蔽性能，在低频磁场中亦具有一定衰减作用 ，显示出其在智能电网及电力传感器中的应用潜力。

本文聚焦于小型化与集成化传感器在高电场/高电压邻近布置工况下的电磁防护需求，强调结构可塑性与集成便捷性带来的工程潜力。

本文针对电力系统中小型智能传感器的电磁干扰防护需求， 开展基于液态金属的电磁屏蔽机理分析与性能研究。主要工作包括：分析液态金属在静电场、低频电场和低频磁场下的屏蔽原理，建立相应的理论模型；设计线栅屏蔽结构， 并通过仿真进行参数化分析，得到结构设计参数； 制备液态金属屏蔽层样品， 并分别在温度（电阻） 传感器与应变（电容）传感器上验证屏蔽效果。研究结果可为电力系统中小型传感器的电磁防护提供新的设计思路与材料选择依据。

1 液态金属屏蔽层

1.1 液态金属材料特性

液态金属通常以镓基合金（Ga75.5In24.5）为代表，其室温下呈液态，兼具高导电率与良好延展性 。在电磁屏蔽应用中，材料的电导率和磁导率是影响屏蔽效能的关键物理参数，高电导率有助于反射高频电磁波，高磁导率则有助于引导低频磁场磁力线集中并衰减。镓基液态金属的电导率（约 3.4× 106 S/m）远高于导电聚合物及多数复合屏蔽材料，同时其液态特性使得其能够与柔性基底、复杂结构或微小空腔紧密贴合，减少漏缝效应。

此外，液态金属可通过微流道、薄膜灌封等方式形成连续屏蔽层，实现结构轻量化与柔性化。这种可加工性特别适用于小型智能传感器的局部屏蔽，能够在不显著增加体积和质量的情况下提升抗干扰能力。在长期运行中，液态金属不易产生微裂纹或因机械振动而失效， 这在高振动、高热循环的电力设备应用现场具有明显优势。

1.2 液态金属屏蔽原理与屏蔽层结构

液态金属屏蔽层的基本原理在于利用其优良的导电性，通过改变电磁场的分布路径来削弱外部干扰。在电场干扰下，其作用机理为静电屏蔽与电容耦合抑制；在磁场干扰下，则主要依靠感生涡流抵消部分干扰磁场。

具体而言，在电场干扰下，液态金属屏蔽层通过接地形成稳定的零电位面，保证内部不受外部静电场或交变电场影响。当外加电场为静态或低频时，屏蔽层可以有效削弱外部干扰与被屏蔽对象之间的直接电容耦合，从而降低感应电压，达到屏蔽目的。

在低频磁场条件下，由于液态金属的相对磁导率接近真空，其磁通分流效应基本不起作用， 因此屏蔽主要依靠涡流屏蔽。外部磁场变化在液态金属中感生涡流，涡流产生反向磁场以部分抵消外加磁场，但在工频下趋肤深度远大于屏蔽层厚度， 导致效果有限。

随着干扰频率升高，趋肤效应逐渐增强， 趋肤深度减小至 μm 甚至 nm 量级，液态金属能够表现出显著的磁场衰减能力。因此，在电场和高频磁场环境下，液态金属屏蔽层的优势更加突出。

基于如上机理，结合液态金属材料特性与屏蔽层制造方法，设计如图 1 所示的线栅屏蔽结构。在本文研究中， 液态金属屏蔽层依赖微流道灌注方法制作，而微流道截面尺寸较小，若设计为连续的大面积封闭结构，加工过程中易发生塌陷与灌注不完全等问题，导致屏蔽效果受限。

相比之下，线栅型结构能够显著提高灌注的均匀性、流畅性，便于实现屏蔽层中液态金属的均匀分布。此外，线栅几何参数（宽度、间距和高度）直接影响屏蔽效果， 因此可以通过优化这些参数提升整体屏蔽效果。

图 1 线栅型液态金属屏蔽层结构示意图

1.3 液态金属屏蔽层制造方法

液态金属屏蔽层由微流控技术制造。液态金属有良好的流动性和导电性，结合微流控技术能够在μm 尺度的流道中实现可控灌注与精确成型，以实现几何尺寸可调、分布均匀的屏蔽结构。微流控技术不仅可以保证屏蔽层内液态金属的稳定、精准分布，还能通过流道设计实现不同尺寸的线栅结构，为液态金属屏蔽层的小型化和可集成化提供了有效途径。

液态金属屏蔽层的制备流程如图 2 所示。首先，通过软光刻制备微流道模具结构，并用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）倒模，揭下，形成最初的软光刻结构。在该结构对应的液态金属灌注口处打孔后，与一个空白的 PDMS 结构通过等离子体处理键合，完成流道密封。然后，在注入口灌注液态金属，保证液态金属填满整个微流道。最后，在灌注口导线并封装，得到具有完整电极引出和屏蔽功能的液态金属屏蔽层。

从工程应用角度来看，液态金属屏蔽层的封装可靠性是其实际应用的关键问题。本文采用的微流控结构使液态金属约束在封闭微通道中，液态金属在空气中会迅速形成致密氧化层，配合毛细效应，微流道内的液态金属状态稳定，不会自发流动； 灌注口则通过硅胶密封。

图 2 液态金属屏蔽层制备流程

单个屏蔽层灌注的液态金属体积仅为 4～8 μL，在此体积下微流道内的静压与惯性极小，振动扰动难以驱动金属柱迁移；即便极端工况下发生损伤，潜在外泄量亦极低，风险可控。

2 液态金属屏蔽结构参数化仿真

2.1 液态金属屏蔽结构设计与仿真模型建立

液态金属屏蔽层中， 线栅结构的宽度、间距和高度等参数会直接影响屏蔽性能，因此有必要通过仿真分析其规律。这里仅进行电场屏蔽性能的仿真，未开展磁场仿真，主要原因在于低频磁场的屏蔽效果主要由材料的磁导率决定， 结构尺寸对屏蔽性能影响不大，因此不在本文研究的仿真范围内。

利用 Comsol Multiphysics 软件对液态金属屏蔽层的屏蔽效能进行计算，仿真模型如图 3 所示。该模型为侧视模型， 由两层结构组成： 外层为整体接地的外壳，用于在仿真空间内提供稳定、均匀的电场环境；内层为电压源层，用于设置电压。在模型的中间，布置两层平行放置的液态金属屏蔽层， 中间空间作为实际的屏蔽区域。这一布置方式与实际应用情景一致，即液态金属屏蔽层分布在被屏蔽物的上下两侧， 以实现电场屏蔽。

具体建模条件为：上电压源层距上层屏蔽层 55 000 μm，电势设置为10 kV；下电压源层距上层屏蔽层 42 000 μm，设置为接地；两层屏蔽层之间的间距为 2 000 μm。屏蔽层具体参数则为待研究内容，在具体仿真中具体设置。除屏蔽层外，其余空间均为空气介质。

在实际工作时，液态金属屏蔽层须接地，因此仿真中设置两种工况：当液态金属屏蔽层接地时，视为“有屏蔽”情况；当液态金属屏蔽层未接地（悬空）时，视为“无屏蔽”情况。

图 3 液态金属屏蔽层仿真模型

在网格划分方面，为确保计算精度，液态金属区域使用细化网格，最小单元尺寸不超过屏蔽层厚度的 1/10；空气区域采用自适应加密，兼顾计算效率与边界条件的准确性。求解过程中，采用稳态求解器计算静电场和低频磁场的屏蔽效能。屏蔽效能的评价指标定义为

式1

2.2 屏蔽性能仿真结果

图 4 所示为屏蔽前后空间内电场与电势分布的仿真结果。图 4（a）为无屏蔽条件下的电场分布，可以看到内层区域形成了均匀的电场；图 4（b）为对应的电势分布，电势沿竖直方向呈均匀下降趋势。相比之下， 图 4（c）为引入两层液态金属屏蔽层后的电势分布， 可以发现屏蔽层之间及其下方区域电势基本维持在零，形成了稳定的屏蔽区。

为评估线栅型液态金属屏蔽层的结构参数对屏蔽性能的影响，对不同液态金属线栅宽度、线栅间距及线栅高度进行参数化仿真研究， 仿真结果如图5 所示。其中，仿真结果为两屏蔽层中心线与屏蔽层平行方向的电场强度，具体位置如图 5（a）所示。

图 4 屏蔽前后空间内电场与电势分布仿真结果

图 5（b）～图 5（d）分别展示了不同线栅间距、线栅宽度与线栅高度下，屏蔽后被屏蔽区域的电场强度。

图 5 线栅型液态金属屏蔽层参数化仿真结果

图 5（b）展示了线栅间距为 100～2 350 μm 时的屏蔽效果， 间距越小， 屏蔽效果越好； 当线栅间距超过 850 μm 时，屏蔽区域内的电场强度分布出现明显的周期性波动，导致屏蔽稳定性下降。图 5（c）展示了线栅宽度为 40～140 μm 时的屏蔽效果，屏蔽效果随线栅宽度增加而提升。图 5（d）展示了线栅高度为 40～140 μm 时的屏蔽效果，屏蔽效果随线栅高度增加而提升。

总结来说，线栅宽度增大、线栅高度增加及线栅间距减小均能够显著提升屏蔽效果。此仿真结果为线栅型屏蔽层的结构参数设计提供了理论基础。

式2

表 1 液态金属线栅屏蔽层的静电场屏蔽效能仿真计算结果

从现有参数化仿真结果可知，线栅间距、宽度与高度是影响液态金属电场屏蔽性能的关键几何参数。总体而言，线栅间距减小、宽度增大和高度增加均可有效提升屏蔽效果，但这三者的变化同时受到加工工艺与经济成本的制约。

在工艺层面，间距的减小会导致单位面积下线栅长度增加、液态金属灌注路径延长，从而增加灌注阻力， 降低灌注成功率；宽度的增加虽有助于增强屏蔽效果，但会使键合过程中结构塌陷的风险上升；高度的增加能够进一步提升屏蔽性能，但也提高了线栅结构的高宽比，对软光刻技术有更高要求。

在经济性方面，液态金属屏蔽层的材料用量极少，在当前设计参数下单层灌注体积小于 10 μL ，材料成本可忽略，其经济性主要取决于加工成功率。线栅型结构相较于大面积封闭腔体具有更高的成形可靠性与更低的灌注阻力，能有效降低制造缺陷率并提高封装稳定性。

综合考虑性能提升、制造可行性与经济成本的平衡，结合本文研究的实验经验，在 μm 量级加工条件下，线栅间距约 100 μm、宽度150 μm、高度 100 μm 的结构可兼顾较高的屏蔽效能、可靠的加工稳定性与较低的制造成本，具备良好的工程可行性。

3 液态金属屏蔽层的实验验证

3.1 样品制备与实验平台

为验证液态金属屏蔽层在实际传感器中的应用效果，本文制作两种柔性测试传感器——应变（电容）传感器和温度（电阻）传感器， 用于验证液态金属屏蔽层在实际微型传感器屏蔽中的性能，其结构如图 6（a）所示，二者均采用软光刻工艺成型后进行液态金属灌注与封装。

其中，应变（电容） 传感器为双流道平行蛇形结构，温度（电阻）传感器为单流道平行蛇形结构。在应变（电容）传感器中，双平行液态金属结构作为电极，其间夹持的介电层若发生拉伸形变，则会导致电容变化，从而实现应变检测；在温度（电阻） 传感器中， 液态金属自身电阻会随温度变化而改变，因此可用于温度测量。

图 6（b）与图 6（c）分别展示了电容传感器与电阻传感器在无干扰条件下的输出性能。对于电容传感器，在无拉伸时， 电容基础值为 11.42 pF，每毫米拉伸电容值变化约 0.06 pF。对于电阻传感器，温度为 20℃时，电阻基础值为 10.83 Ω, 每摄氏度温度变化带来的电阻值变化约 5 mΩ。

图 6 传感器结构及无干扰下的传感器输出

测试中， 将液态金属屏蔽层覆盖于传感器敏感区域，分别比较无屏蔽、液态金属线栅屏蔽与锡箔纸屏蔽条件下的输出变化，以评估屏蔽效果。电容值测量采用依赖自动平衡电桥法的 TH2817B-LCR表，电阻值测量采用两线法，使用 34420A 型微欧计。

测试平台采用型号为 EMS000-2A 的静电放电装置，在 10 kV 放电电压下产生特定静电放电环境。测试过程中， 所有屏蔽层与屏蔽线均接地，并通过导线引出后接入三相插头的地线端， 与排插地线相连。静电放电装置与传感器置于密闭箱体内，传感器信号通过导线引至箱体外部测试仪器。放电夹（两极板间距 1 mm）固定于传感器上方，其放电方向与线栅屏蔽层单条线栅的延伸方向一致。实验测试平台示意图如图 7 所示。

图 7 实验测试平台示意图

需要指出的是，实验中采用的电容与电阻差值绝对值的变化，实质上分别反映了外加电场和磁场在传感器上的耦合强度。对于电容传感器，当屏蔽层存在且有效接地时，外部电场被部分隔离，传感器上的感应电荷减弱，从而导致电容差值下降； 而在无屏蔽情况下，外部电场直接耦合至传感器， 电容差值相对增大。对于电阻传感器， 其电阻变化量反映了在干扰下传感器输出的被扰动幅度，屏蔽层存在时该扰动减弱，说明外部干扰被部分抑制。因而， 电容与电阻差值可视为屏蔽效能的间接表征。

虽然这些指标尚不能给出屏蔽效能的绝对数值， 但能够反映屏蔽性能的变化趋势，为分析和验证提供依据。

3.2 电场屏蔽实验结果及分析

首先，对电容传感器进行静电屏蔽层的参数化研究。实验中，测试系统采用型号为 SK650 的便携式电源供电， 并将除电容传感器外的其余部分均用锡箔纸包裹，以避免外界干扰。在静电放电条件下，对线栅型液态金属屏蔽层的结构尺寸进行参数化研究。

为简化实验过程，电容传感器下端屏蔽层用铝箔纸，上屏蔽层采用不同线栅参数的液态金属屏蔽层。所有屏蔽层结构参数被划分为 3 组，每组分别包含无屏蔽层、锡箔纸屏蔽层、液态金属线栅屏蔽层 3 种屏蔽状态。3 组屏蔽层具体结构尺寸见表 2，实验结果如图 8 所示。

表 2 电容传感器静电屏蔽层参数化实验中结构尺寸

电容信号的波动主要源于外界静电干扰，因此波动程度越小，说明屏蔽层对外加电场的抑制作用越强，屏蔽效果越好。为量化信号波动幅度，依次将电容传感器在相邻两个采样点的差值取绝对值，并计算其平均值与最大值。测试结果表明，相比无屏蔽层，无论屏蔽层结构尺寸如何， 所测得的电容差值绝对值均接近或减小，证明了线栅屏蔽层静电屏蔽的有效性。

图 8 电容传感器的屏蔽层参数化实验结果

第一组实验研究的是不同线栅间距对屏蔽效果的影响，随着线栅间距增加，屏蔽后的电容差绝对值的最大值与平均值均呈现增加趋势，其中线栅间距 1 000 μm时的电容差绝对值最大值为间距 100 μm 时的 2.1 倍，是无屏蔽时的 84%。因此，线栅间距增加，屏蔽效果减弱。

第二组实验研究的是不同线栅宽度对屏蔽效果的影响， 随着线栅宽度增加，屏蔽后的电容差绝对值的最大值降低，其中线栅宽度 50 μm 时的电容差绝对值最大值为宽度150 μm 时的 2.2 倍，是无屏蔽时的 96%。因此，线栅宽度增加， 屏蔽效果增强。

第三组实验研究的是不同线栅高度对屏蔽效果的影响，随着线栅高度增加，屏蔽后的电容差绝对值的最大值降低，其中线栅高度 35 μm 时 的电容差绝对值最大值为高度100 μm 时的 1.75 倍，是无屏蔽时的 76%。因此，线栅高度增加，屏蔽效果增强。综上所述，屏蔽层线栅间距越小、宽度越大、高度越高，对静电放电的屏蔽效果越好。这与电场屏蔽层参数化仿真研究得出的结论一致。当线栅间距较宽， 导致有屏蔽层与无屏蔽层的电容差绝对值接近时， 线栅间距缩小对屏蔽效果的优化作用有限，优化程度可能小于数据波动的幅度。

进一步地，为了验证屏蔽层在拉伸形变下的屏蔽性能，将电容传感器与上下液态金属屏蔽层用等离子体键合后进行拉伸（整体长度为 8.5 cm，厚度为 3 mm ）。在测试中使用的线栅屏 蔽层尺寸为150 μm×100 μm×35 μm（宽度×间距×高度）。在拉伸长度为 1～5 mm 的条件下分别进行 10 kV 静电放电实验，结果如图 9 所示。

结果表明， 线栅屏蔽层在被拉伸的情况下也能保证电容差绝对值在 0.011 4 pF （小于无屏蔽层的电容差绝对值最大值 0.018 5 pF）以内，这证明了液态金属线栅屏蔽层在拉伸状态下仍具有良好 的电磁屏蔽效果。

在拉伸长度分别为1 mm 、2 mm 、5 mm 时，线栅屏蔽层的电容差绝对值最大值略大于不拉伸状态下的值， 而在拉伸长度分别为 3 mm 、4 mm 时，线栅屏蔽层的电容差绝对值最大值略小于不拉伸状态下的值。

原因可能是拉伸长度为 3 mm 和 4 mm 时，线栅屏蔽层的线栅间距减小导致电磁屏蔽性能提高的幅度， 大于线栅屏蔽层的线栅宽度减小导致电磁屏蔽性能衰减的幅度；而在拉伸长度为 1 mm 、2 mm 和 5 mm 时，则与之相反。

从电容差绝对值的平均值出发，可以得出拉伸长度为 3 mm、4 mm 和 5 mm（电容差绝对值平均值分别为不拉伸的 88% 、96% 、94%）的线栅屏蔽层对静电放电的屏蔽性能略有提升， 而拉伸长度为1 mm、2 mm（电容差绝对值平均值分别为不拉伸的110%、102%）的线栅屏蔽层对静电放电的屏蔽性能有所下降，但下降幅度很小。

然而， 不管拉伸是否导致线栅屏蔽层屏蔽性能的变化，拉伸后的液态金属线栅屏蔽层仍然对静电放电具有良好的电磁屏蔽效果。

图 9 屏蔽层拉伸状态下屏蔽效果实验结果

类似地， 对电阻传感器进行屏蔽层的参数化研究。电阻测试方法与电容相似，只是把屏蔽层内部的传感器更换为电阻传感器，测试方法为二线法。将所有屏蔽层的结构参数分为 3 组，具体结构尺寸见表 3，实验结果如图 10 所示。

表 3 电阻传感器静电屏蔽层参数化实验中结构尺寸

图 10 电阻传感器屏蔽层参数化实验结果

第一组实验研究不同线栅间距对屏蔽效果的影响，随着线栅间距增加， 屏蔽效果降低。以电阻差绝对值最大值计算，线栅间距 1000 μm 时的值为间距 100 μm 时的 4.7 倍；以电阻差绝对值平均值计算，间距 1000 μm 时的值为间距 100 μm 时的 3.3 倍。

第二组实验研究不同线栅宽度对屏蔽效果的影响，相比而言，线栅宽度变化对屏蔽效果的影响不明显，其中线栅宽度 150 μm 时的电阻差绝对值最大值为宽度 50 μm 时的 94%；对应的平均值比例为 95% 。

第三组实验研究不同线栅高度对屏蔽效果的影响，线栅高度变化对屏蔽效果的影响同样不明显，其中线栅高度 35 μm 时的电阻差绝对值最大值为高度100 μm 时的 1.2 倍；对应的平均值比例为 102% 。

与电容的电场屏蔽层参数化研究结论稍有不同， 线栅屏蔽层间距越小，对电阻传感器信号的静电放电的屏蔽效果越好， 宽度与高度的影响则不明显。此实验结果与仿真结果相似。

3.3 磁场屏蔽实验结果及分析

将液态金属屏蔽层与温度（电阻）传感器连接起来，利用传感器示数值反映磁场屏蔽层对低频交变磁场的屏蔽效果。由于低频交变磁场产生的电场是有旋无源的，使得交变磁场产生的电场在电容传感器极板上没有净电荷流入与流出， 即没有电荷积累。

另外，受电流检测精度限制，pF 量级电容传感器的读数频率为 100 kHz 左右，远大于磁场发生装置产生的磁场频率，使得电容传感器在一个测量周期内磁场基本不变，而静磁场无法产生电场，因而选择电阻传感器来评估屏蔽层对磁场的屏蔽效果。

选用纯液态金属线栅屏蔽层、液态金属与铁粉1: 1 掺混粉体的线栅屏蔽层和商业坡莫合金屏蔽层 3种材料进行对比验证。屏蔽层贴附在电阻传感器的上表面，磁场为工频（50 Hz）磁场，测试结果如图 11 所示。图 11（a）展示了不同磁场干扰强度（0.1~ 1 mT）、不同屏蔽层材料下，测得的电阻传感器电阻差绝对值的最大值， 每次测试重复 3 次。随着磁场干扰强度增加，电阻差绝对值最大值增加。图 11（b）展示了对 1 mT 磁场干扰下的各屏蔽层的 20 次重复实验结果。

从图 11 可以看出，在多次测量中，纯液态金属屏蔽层的电阻差绝对值的最大值与掺混粉体液态金属和商业坡莫合金屏蔽层接近，说明液态金属屏蔽层在工频磁场下能起到一定的屏蔽作用。需要指出的是，在无屏蔽层时，电阻传感器的电阻差绝对值的最大值本身并不高，而在屏蔽层作用下，3 种材料的最大值均降低至无屏蔽情况下的 75%左右（20次测量中，纯液态金属、掺混粉体液态金属、商业磁屏蔽层分别为无屏蔽的 73% 、77% 、78%）。

图 11 电阻传感器在低频交变磁场下的磁屏蔽性能实验结果

这一现象并非意味着 3 种屏蔽材料的性能完全一致，而更可能是由于在最大 1 mT 的工频磁场条件下，磁场对传感器输出的影响有限，因此即便是不同材料的屏蔽层，只要存在屏蔽作用便能实现类似的屏蔽效果。

虽然液态金属的相对磁导率远低于坡莫合金，但在本文实验条件下，传感器对工频磁场的灵敏度有限，本身的响应变化较小， 因此不同屏蔽材料在结果上表现为相近水平。这一结果并不意味着液态金属与高磁导率合金的磁屏蔽机理和性能完全相同，而是说明在低频、弱磁场和传感器响应有限的条件下，液态金属也能够提供与传统材料接近的屏蔽效果。

此外，由于本文研究所采用的屏蔽层横向尺寸较大，而上下两层屏蔽层间距相对较小，侧面磁场的漏入量可以忽略；线栅结构中存在的间隙对屏蔽性能的影响， 已在电场仿真和实验的参数化研究中得到说明，因此在磁场实验中也具有参考意义。图11（c）进一步展示了导线在磁场干扰下的影响。

结果表明，裸露导线与包覆磁屏蔽材料导线的响应差异明显，说明导线本身也是磁干扰的重要耦合路径。因此，在实际应用中，除了考虑传感器本体的屏蔽外，还须对信号导线进行磁场防护， 以确保系统整体的稳定性和可靠性。

4 结论

本文围绕电力系统中小型智能传感器的电磁干扰防护问题， 开展了基于液态金属屏蔽层的机理分析、结构设计、仿真研究与实验验证。主要结论如下：

1）液态金属具备高导电率和良好流动性，通过微流控技术可实现可控成形，适用于构建线栅型屏蔽层。理论分析表明，其在静电场和低频电场下能够形成有效的电势隔离， 对降低电场耦合干扰具有显著优势；在低频磁场下虽受限于磁导率，但仍可依靠涡流衰减机制提供一定屏蔽作用。

2）通过参数化仿真研究了线栅结构的关键设计参数，发现线栅间距、宽度和高度均对电场屏蔽性能有重要影响。其中，间距减小、宽度和高度增加均能有效提高屏蔽效能， 为后续设计与优化提供了依据。

3）实验结果进一步验证了液态金属屏蔽层的屏蔽性能。在 10 kV 静电场环境下， 电容式应变传感器在屏蔽条件下信号波动显著减小， 证明了其在强电场干扰下的有效防护作用；在 0.1～1 mT 工频磁场环境下，电阻式温度传感器测试表明液态金属屏蔽层在低频磁场中的性能可与传统坡莫合金屏蔽材料相当，且在可加工性与集成度方面具有优势。

综上所述，线栅型液态金属屏蔽层能够有效提升小型智能传感器在电场与低频磁场干扰下的抗扰度，适合应用于电力系统传感器及关键设备的电磁防护设计。研究可为智能电网中小型化、集成化传感器的电磁兼容设计提供新的材料和结构设计思路。

尽管液态金属在导电性、柔性等方面表现出显著优势，但其在工程化应用中仍存在一定局限性。首先，液态金属的封装可靠性仍是制约其长期使用的关键问题之一，尤其在高温、振动等复杂环境下，封装材料的粘附与界面稳定性可能影响系统安全性。其次， 液态金属及其微流控加工工艺成本较高，与传统铜、铝等金属相比，尚不具备大规模产业化条件。然而， 随着微流控制造技术、柔性封装工艺及界面改性方法的持续进步，这些问题将逐步改善。

此外，不同电压等级下的电场分布与屏蔽机理存在差异。在高电压条件下，介质击穿场强、屏蔽层间距及封装介质性能将对屏蔽效果产生重要影响；而在中低电压及局部防护场景中，则需更多考虑结构轻量化与经济性平衡。

未来研究可在多电压实验与参数化仿真的基础上，建立电压等级与屏蔽效能的定量映射关系，为不同应用场景提供设计依据。从工程化角度来看， 通过优化微流控工艺、降低制备成本并提升封装界面结合强度，有望进一步提高液态金属屏蔽层的经济性与长期可靠性。

本工作成果发表在2026年第4期《电气技术》，论文标题为“ 基于液态金属的小型智能传感器电磁屏蔽原理与性能研究 ”，本项目得到国家电网有限公司科技项目的支持。