方奕庚，彭春榮，方東明，王　宇，夏善紅

(1.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所,北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

微型折疊式三維電場(chǎng)傳感器

方奕庚1,2，彭春榮1，方東明1，王宇1,2，夏善紅1

(1.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所,北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

摘要:提出一種基于柔性襯底和三維組裝方法的新型三維電場(chǎng)傳感器。利用柔性襯底的折疊，構(gòu)建一種互相垂直的新型三維電場(chǎng)傳感器，研究了測(cè)量空間電場(chǎng)時(shí)的耦合，提出解耦算法，標(biāo)定靈敏度矩陣，實(shí)現(xiàn)了空間電場(chǎng)三個(gè)方向分量的準(zhǔn)確測(cè)量；通過(guò)一系列的溫濕度實(shí)驗(yàn)研究了三維結(jié)構(gòu)的形變，證明了三維電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研制的三維電場(chǎng)傳感器不僅能消除耦合干擾，實(shí)現(xiàn)空間電場(chǎng)分量的準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量誤差在3.61 %以?xún)?nèi)；而且通過(guò)新的三維組裝方法，大大減少了三維電場(chǎng)傳感器的質(zhì)量、體積，折疊工藝簡(jiǎn)化了三維傳感器的組裝，有利于批量化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞:三維電場(chǎng)；三維組裝；三維標(biāo)定；柔性折疊；MEMS電場(chǎng)傳感器

0引言

電場(chǎng)探測(cè)在氣象、電網(wǎng)、安全生產(chǎn)、石油化工、資源探測(cè)、飛行器發(fā)射等領(lǐng)域具有重大需求和重要意義[1～3]。縱觀(guān)電場(chǎng)探測(cè)器研制歷史，絕大多數(shù)的電場(chǎng)儀或電場(chǎng)傳感器只能測(cè)量電場(chǎng)一維或者二維的分量[4～9]，并不能測(cè)量三維電場(chǎng)三個(gè)方向的分量。中國(guó)科學(xué)院電子研究所研究人員曾研制出基于金屬零件加工和組裝的旋葉式三維電場(chǎng)傳感器[9]和基于MEMS工藝的多芯片組裝式三維電場(chǎng)傳感器。旋葉式三維電場(chǎng)傳感器主要通過(guò)感應(yīng)電極的屏蔽和暴露感應(yīng)大氣電場(chǎng)，利用相關(guān)算法[10，11]解調(diào)出電場(chǎng)三個(gè)方向的分量；多芯片組裝式三維電場(chǎng)傳感器主要通過(guò)多個(gè)芯片的規(guī)律布置來(lái)進(jìn)行電場(chǎng)三維矢量的測(cè)量，通過(guò)解調(diào)算法得出電場(chǎng)三個(gè)方向的分量，兩者分別存在著體積大、功耗高等不足。

本文結(jié)合上述兩種三維傳感器的優(yōu)點(diǎn)，提出一種通過(guò)折疊工藝構(gòu)建的新型三維電場(chǎng)傳感器，用于測(cè)量電場(chǎng)分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：測(cè)量誤差小于3.61 %，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1三維電場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)

三維電場(chǎng)傳感器示意圖如圖1所示。首先，將3只用于測(cè)量一維電場(chǎng)的MEMS電場(chǎng)傳感器芯片按預(yù)定位置壓焊于柔性電路板上，然后將柔性電路板進(jìn)行三維折疊，形成三軸正交的結(jié)構(gòu)。這種折疊式結(jié)構(gòu)，不僅大大提高了空間利用率，而且相互正交的傳感器結(jié)構(gòu)有利于空間電場(chǎng)三維矢量的解調(diào)。

圖1　三維電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Structure of 3D electric field sensor

2傳感器設(shè)計(jì)與標(biāo)定

本文設(shè)計(jì)的三維電場(chǎng)傳感器如圖2所示，主要由傳感器芯片和處理電路組成。由圖2(b)中對(duì)比可以看出，折疊后的三維電場(chǎng)傳感器在體積約為本課題組之前研制的多芯片三維電場(chǎng)傳感器體積的1/4。

圖2　三維電場(chǎng)傳感器折疊前和折疊后的實(shí)物圖Fig 2　3D electric field sensor before and after folding

用于標(biāo)定三維電場(chǎng)傳感器的標(biāo)定箱如圖3所示。該標(biāo)定箱主要由2個(gè)平行金屬板、高壓直流電源和計(jì)算機(jī)組成。

圖3　三維電場(chǎng)傳感器標(biāo)定箱Fig 3　Calibration box for 3D electric field sensor

一般情況下，傳感器芯片的輸出值與被測(cè)電場(chǎng)呈線(xiàn)性關(guān)系，可表示為

(1)

式中Vi為傳感器i的輸出值，Vi0為傳感器的零位輸出，Ki為傳感器i在勻強(qiáng)電場(chǎng)下的靈敏度系數(shù)，Ei為傳感器i感應(yīng)到的電場(chǎng)強(qiáng)度,i=1，2，3。

空間電場(chǎng)是以三維形式存在，每個(gè)傳感器的輸出值是由感應(yīng)到的三個(gè)方向的電場(chǎng)分量共同決定。以傳感器i為例，傳感器i的輸出值可表示為

(2)

式中Kix,Kiy,Kiz為傳感器i對(duì)X,Y,Z方向電場(chǎng)的靈敏度系數(shù)，Ex,Ey,Ez分別為空間矢量電場(chǎng)的三個(gè)方向分量。利用折疊后的三軸正交傳感器測(cè)量空間的三維電場(chǎng)，方法為

(3)

(4)

3傳感器溫濕度試驗(yàn)

由于空間環(huán)境復(fù)雜多變，溫度、濕度等均會(huì)對(duì)三維電場(chǎng)傳感器本身結(jié)構(gòu)和測(cè)量過(guò)程帶來(lái)影響，導(dǎo)致傳感器正常工作壽命減短并帶來(lái)測(cè)量誤差。為了檢驗(yàn)折疊后傳感器的正交結(jié)構(gòu)是否容易變形，本文對(duì)折疊固定后的三維電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了一系列的溫度、濕度試驗(yàn)。所進(jìn)行的試驗(yàn)如表1所示。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用了2組折疊后的三維電場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1　溫濕度試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與誤差

放置時(shí)間越長(zhǎng)，溫度濕度變化都會(huì)影響折疊后的傳感器結(jié)構(gòu)形變，主要原因是溫度、濕度在一定程度上會(huì)對(duì)用于固定的ALTECO膠和柔性電路板造成影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：傳感器的形變范圍基本保持在1 %～6 %，考慮測(cè)量本身的誤差，可以認(rèn)為形變不大，所以，本文設(shè)計(jì)的三維電場(chǎng)傳感器可以在外界惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

4傳感器靈敏度的標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1傳感器靈敏度矩陣的標(biāo)定

傳感器的靈敏度反映傳感器對(duì)空間電場(chǎng)的響應(yīng)程度，與傳感器的結(jié)構(gòu)和所處的位置有關(guān)。標(biāo)定靈敏度時(shí)，在兩平行金屬板施加0～45 kV/m的電場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)傳感器，使勻強(qiáng)電場(chǎng)分別垂直于X,Y,Z軸3個(gè)傳感器平面，得出3只傳感器對(duì) 3個(gè)方向的靈敏度曲線(xiàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4　3只傳感器在3個(gè)方向電場(chǎng)下的標(biāo)定曲線(xiàn)Fig 4　Calibrating curves of three sensors in three directional electric field

4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

旋轉(zhuǎn)任意角度，施加的電場(chǎng)大小分別為：0,10,15,17.5,20 kV/m，記錄3只傳感器的輸出值，代入式(4)，計(jì)算出合成場(chǎng)的大小，與所施加電場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：測(cè)量誤差在3.61 %以?xún)?nèi)，計(jì)算出的合成電場(chǎng)值與施加的電場(chǎng)大小一致性較好。

5結(jié)論

本文提出了一種新型的組裝方法構(gòu)建一種新型的三維電場(chǎng)傳感器，使三維電場(chǎng)傳感器質(zhì)量大大減小，而且體積比之前設(shè)計(jì)的多芯片組裝式三維電場(chǎng)傳感器減小3/4；研制出樣機(jī)，進(jìn)行空間電場(chǎng)3個(gè)方向分量的探測(cè)，并且進(jìn)行了一系列的溫濕度試驗(yàn)，以驗(yàn)證折疊后傳感器整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，標(biāo)定三維電場(chǎng)傳感器的靈敏度矩陣，通過(guò)任意角度的旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出傳感器感應(yīng)的合成電場(chǎng)值，與所施加的電場(chǎng)值相比較，誤差在3.61 %以?xún)?nèi)，一致性好。

表2　傳感器在不同角度下的輸出值與合成場(chǎng)大小

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Micro 3-dimensional folding electric field sensor

FANG Yi-geng1,2,PENG Chun-rong1,FANG Dong-ming1,WANG Yu1,2,XIA Shan-hong1

(1.Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:A novel 3D electric field sensor which based on flexible substrate and 3D assembling way is presented.Through folding flexible substrate,a novel 3D electric field sensor with orthogonal structure is formed.Coupling while measuring spatial electric field is researched,decoupling algorithm is proposed,and sensitivity matrix is calibrated to realize accurate measurement of X,Y,Z direction components of spatial electric field;through a series of humidity and temperature experiment,research on deformation of 3D structure,prove the structure of 3D electric field sensor is stable and reliable.Experimental results show that the 3D electric field sensor can not only eliminate coupling interference,realize accurate measurement of spatial electric field component,measurement errors is within 3.61 %,but also greatly reduce folding technology,mass the volume by new 3D assembling way,folding craft simplify assembling of 3D sensor,which is in favor of batch production.

Key words:3D electric field;3D assembling;3D calibration;flexible folding;MEMS electric field sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0067—03

收稿日期：2015—08—13

中圖分類(lèi)號(hào):TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)05—0067—03

作者簡(jiǎn)介:

方奕庚(1988-)，男，福建龍海人，博士，研究方向?yàn)殡妶?chǎng)傳感器與系統(tǒng)。