一种新型电场传感器--电极型MEMS电场传感器

苏州捷研芯

电场传感器在航天、国防、电网、石化、气象等领域具有广泛应用。在航天领域，探空电场传感器用于探测空中电场，空中电场是飞行器发射规范中安全保障的主要条件和不可缺少的决策依据之一。在电网领域，电场传感器用于测试交直流输电线路电压、电磁环境，检测绝缘子缺陷等。在石油、石化领域，通过非接触式电场测量，可直接获知人员、设备等的带静电情况，对于保障安全生产，避免出现重大安全事故具有重要意义。

为了提高MEMS电场传感器敏感芯片的环境适应性，本文介绍一种新型的电极型MEMS电场传感器。将传感器敏感芯片及探头放置于被测环境中，通过在MEMS电场传感器封装管壳外部增加封装电极，仅将封装电极暴露在被测环境中，有效避免了传感器敏感芯片封装管壳受到多种恶劣环境的干扰。新型MEMS地面电场传感器及探空电场传感器，仿真及试验结果均表明，该结构传感器能够实现对电场的高精度准确测量，在高湿、低温等恶劣环境下输出稳定可靠。

什么是电极型电场传感器？

电级型电场传感器封装结构包含封装基板、封帽及封装电极 3 部分组成。图 1为所设计的封装结构剖面示意图。MEMS 电场传感器芯片安装在封装基板上，被密封在基板与封帽组成的密闭空腔内。封装电极为金属材料，一端连接封帽，另一端连接电荷放大极板。

如图1所示，封装电极包含电荷放大极板的一端直接暴露在被测电场 E 中。电荷放大极板表面产生正比于被测电场 E 的电荷-Q，基于电荷守恒原理，在封装电极的另一端产生相反电荷 Q。MEMS 电场传感器感应到封帽上电荷 Q 的产生电场，从而实现对外电场的测量。电荷放大极板面积越大，极板上产生的感应电荷越多，该封装结构的电场响应灵敏度越高。根据被测电场或被测物方向，可将封装电极进行弯曲，使电荷放大极板对准被测电场或被测物，而不用旋转传感器芯片及对应的放大电路，从而提升了传感器多方向的感知能力。

                                                        

                                                 图1电极型MEMS电场传感器结构

电极型电场传感器仿真

如图 2 所示，图2(a)为直电极形状电场传感器封装结构，电场传感器芯片密封于管壳内，在管壳表面延伸出一根金属丝，为了增大感应灵敏度，在金属丝末端连接一个约4倍于管壳面积的金属电极。图2(b)为弯电极形状封装结构，与图2(a)相比，传感器敏感片由垂直于被测电场变为平行于被测电场，从芯片到电极之间的距离保持不变，电极面积、直径等参数保持不变。采用ANSYS 有限元分析软件，将两种结构分别放入匀强电场中进行仿真，对比到达芯片表面的电场。

                                                                    

图 2 两种电极结构封装仿真模型

从图2可以看出，虽然在弯曲电极结构中，传感器的方向旋转了90 ,但是传感器芯片表面的电场始终与芯片表面垂直。读取如图2(a)所示直电极封装结构的芯片表面电场强度为 5.547 kV/m，图 2(b) 所示弯曲电极结构的芯片表面电场强度为 3.514 kV/m。即所设计的弯曲电极结构能够有效测试外界电场。所仿真结构芯片表面的电场有一定衰减，原因在于弯曲的电极部分尖端积聚了表面电荷，降低了到达封装管壳封盖表面的电场。

对封装电极的宽度进行仿真分析结果表明，电极越宽，到达芯片表面的电场越强，如图4 所示。弯电极结构的灵敏度始终为直电极结构的约60%。在实际应用中，可根据使用环境，对电极宽度进行优化。

                                                                     

图 3 两种电极结构封装仿真结果

电场传感器封装是主要瓶颈之一

日本AIST在2008年报道压电陶瓷谐振结构时，传感器封装结构为上表面开孔的金属封帽，该封装结构无法避免环境灰尘、气压改变等对微结构造成的影响，传感器封装后无法在户外环境使用。中国某电子研究所自2005年开始对 MEMS电场传感器封装进行研究，提出了基于绝缘材料和金属材料的多种密封式封装结构，实现了气密性以及真空封装，传感器能够在多种恶劣自然环境下正常运行。然而，在应用过程中发现，传感器封装在受到高湿度、灰尘等恶劣环境影响时，性能下降，影响了系统稳定性。

捷研芯成功挑战MEMS电场传感器封装技术

一款完美的MEMS电场传感器离不开顶级的传感器封装技术，产品体积小、重量轻、高绝缘、精度高、功耗低、易集成、可靠性好和可批量化生产是重要的技术挑战，对封装方案的设计、材料的选择和封装工艺是极大的挑战。

作为国内首家专注MEMS传感器及系统集成微模块定制化设计和封装的解决方案商，近期完美的帮客户完成一款MEMS电场传感器封装，产品已通过客户实验室标定、湿度试验、地面大气电场测试、探空电场测试等相关应用环境的严苛测试，2018年有望实现批量化生产。