聞小龍 任天令 夏善紅

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一種電極型MEMS電場傳感器封裝結(jié)構(gòu)

聞小龍*①任天令①夏善紅②

①(清華大學(xué)微電子學(xué)研究所 北京 100084)②(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室 北京 100190)

為了提高M(jìn)EMS電場傳感器敏感芯片封裝的環(huán)境適應(yīng)性，該文提出一種新型的電極型MEMS電場傳感器封裝結(jié)構(gòu)。區(qū)別于將傳感器敏感芯片及探頭放置于被測環(huán)境中，該文通過在MEMS電場傳感器封裝管殼外部增加封裝電極，僅將封裝電極暴露在被測環(huán)境中，有效避免了傳感器敏感芯片封裝管殼受到多種惡劣環(huán)境的干擾。研制出基于新型封裝結(jié)構(gòu)的MEMS地面電場傳感器及探空電場傳感器，仿真及試驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對電場高精度準(zhǔn)確測量，在高濕、低溫等惡劣環(huán)境下輸出穩(wěn)定可靠。

電場傳感器；微機(jī)械電子系統(tǒng)；封裝；環(huán)境適應(yīng)性；大氣電場探測

1 引言

電場傳感器在航天、國防、電網(wǎng)、石化、氣象等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，探空電場傳感器用于探測空中電場，空中電場是飛行器發(fā)射規(guī)范中安全保障的主要條件和不可缺少的決策依據(jù)之一[9]。在電網(wǎng)領(lǐng)域，電場傳感器用于測試交直流輸電線路電壓、電磁環(huán)境，檢測絕緣子缺陷等[10,11]。在石油、石化領(lǐng)域，通過非接觸式電場測量，可直接獲知人員、設(shè)備等的帶靜電情況，對于保障安全生產(chǎn)，避免出現(xiàn)重大安全事故具有重要意義。

微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)電場傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、易集成、可批量化制備、成本低等突出優(yōu)點，是電場傳感器的重要前沿發(fā)展方向。目前，已報道的MEMS電場傳感器多為基于電荷感應(yīng)原理的諧振式結(jié)構(gòu)。例如，美國U.C Berkeley大學(xué)、MIT、AD公司、英國劍橋大學(xué)、加拿大Manitoba大學(xué)、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所等分別研制了不同驅(qū)動及感應(yīng)結(jié)構(gòu)的諧振式梳齒結(jié)構(gòu)，日本AIST(高級工業(yè)研究院)研制了壓電陶瓷諧振式結(jié)構(gòu)MEMS電場傳感器[16]。

在諧振式MEMS電場傳感器應(yīng)用過程中，封裝是主要瓶頸問題之一。日本AIST在2008年報道壓電陶瓷諧振結(jié)構(gòu)時，傳感器封裝結(jié)構(gòu)為上表面開孔的金屬封帽[16]。該封裝結(jié)構(gòu)無法避免環(huán)境灰塵、氣壓改變等對微結(jié)構(gòu)造成的影響，傳感器封裝后無法在戶外環(huán)境使用。中國科學(xué)院電子學(xué)研究所自2005年開始對MEMS電場傳感器封裝進(jìn)行研究，提出了基于絕緣材料和金屬材料的多種密封式封裝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了氣密性以及真空封裝，傳感器能夠在多種惡劣自然環(huán)境下正常運行。然而，在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，傳感器封裝在受到高濕度、灰塵等惡劣環(huán)境影響時，性能下降，影響了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本文提出了一種新型電極型MEMS電場傳感器封裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在封帽外部加裝封裝電極，并只將封裝電極暴露在被測環(huán)境中。仿真及實驗表明，該結(jié)構(gòu)有效提升了傳感器電場探測能力，改善了傳感器及封裝的環(huán)境適應(yīng)性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電極型MEMS電場傳感器封裝結(jié)構(gòu)包含封裝基板、封帽及封裝電極3部分組成。圖1為所設(shè)計的封裝結(jié)構(gòu)剖面示意圖。MEMS電場傳感器芯片安裝在封裝基板上，被密封在基板與封帽組成的密閉空腔內(nèi)。封裝電極為金屬材料，一端連接封帽，另一端連接電荷放大極板。

如圖1所示，封裝電極包含電荷放大極板的一端直接暴露在被測電場中。電荷放大極板表面產(chǎn)生正比于被測電場的電荷-，基于電荷守恒原理，在封裝電極的另一端產(chǎn)生相反電荷。MEMS電場傳感器感應(yīng)到封帽上電荷的產(chǎn)生電場，從而實現(xiàn)對外電場的測量。電荷放大極板面積越大，極板上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷越多，該封裝結(jié)構(gòu)的電場響應(yīng)靈敏度越高。根據(jù)被測電場或被測物方向，可將封裝電極進(jìn)行彎曲，使電荷放大極板對準(zhǔn)被測電場或被測物，而不用旋轉(zhuǎn)傳感器芯片及對應(yīng)的放大電路，從而提升了傳感器多方向的感知能力。

封裝的其余部分及MEMS傳感器芯片可通過屏蔽盒等密閉保護(hù)，與被測電場及被測區(qū)間的惡劣環(huán)境隔絕。在圖1被保護(hù)區(qū)域(虛線)內(nèi)進(jìn)行溫度、濕度、氣壓、防靜電控制，可避免傳感器零點漂移，提升傳感器系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。

3 ANSYS仿真

如圖2所示，圖2(a)為直電極形狀電場傳感器封裝結(jié)構(gòu)，電場傳感器芯片密封于管殼內(nèi)，在管殼表面延伸出一根金屬絲，為了增大感應(yīng)靈敏度，在金屬絲末端連接一個約4倍于管殼面積的金屬電極。圖2(b)為彎電極形狀封裝結(jié)構(gòu)，與圖2(a)相比，傳感器敏感片由垂直于被測電場變?yōu)槠叫杏诒粶y電場，從芯片到電極之間的距離保持不變，電極面積、直徑等參數(shù)保持不變。采用ANSYS有限元分析軟件，將兩種結(jié)構(gòu)分別放入勻強電場中進(jìn)行仿真，對比到達(dá)芯片表面的電場。仿真設(shè)置參數(shù)如表1所示，電場線的分布結(jié)果如圖3所示。

圖1 電極型MEMS電場傳感器封裝結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖2 兩種電極結(jié)構(gòu)封裝仿真模型

從圖2可以看出，雖然在彎曲電極結(jié)構(gòu)中，傳感器的方向旋轉(zhuǎn)了，但是傳感器芯片表面的電場始終與芯片表面垂直。讀取如圖2(a)所示直電極封裝結(jié)構(gòu)的芯片表面電場強度為5.547 kV/m，圖2(b)所示彎曲電極結(jié)構(gòu)的芯片表面電場強度為3.514 kV/m。即所設(shè)計的彎曲電極結(jié)構(gòu)能夠有效測試外界電場。所仿真結(jié)構(gòu)芯片表面的電場有一定衰減，原因在于彎曲的電極部分尖端積聚了表面電荷，降低了到達(dá)封裝管殼封蓋表面的電場。

對封裝電極的寬度進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，電極越寬，到達(dá)芯片表面的電場越強，如圖4所示。彎電極結(jié)構(gòu)的靈敏度始終為直電極結(jié)構(gòu)的約60%。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)使用環(huán)境，對電極寬度進(jìn)行優(yōu)化。

表1 ANSYS仿真參數(shù)

圖3 兩種電極結(jié)構(gòu)封裝仿真結(jié)果

對封裝電極的長度進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。電極越長，芯片表面電場越強。這主要是由于電場的畸變效應(yīng)，電極增長加強了傳感器末端對電場的集聚效應(yīng)。在實際使用中，電場傳感器的形狀越長，靈敏度放大倍數(shù)越大，電場靈敏度和分辨力越高。為方便使用，MEMS地面電場傳感器和MEMS探空電場傳感器的長度設(shè)置為1.5 m。

4 測試

本文設(shè)計的MEMS電場傳感器封裝結(jié)構(gòu)適用于多種應(yīng)用環(huán)境。例如，在地面大氣電場測試時，將傳感器芯片及封裝管殼密封在金屬腔體內(nèi)，可以有效隔絕電磁干擾、環(huán)境濕度、降水等對敏感芯片的影響。在探空電場測試時，將傳感器芯片、封裝管殼及信號處理電路密封在保溫泡沫內(nèi)，可以通過信號處理電路自發(fā)熱對傳感器芯片進(jìn)行熱補償，降低傳感器溫度漂移，也可以起到隔絕濕度、離子流干擾等的影響。

4.1實驗室標(biāo)定

采用基于平行板電場原理的電場箱，對所研制的電極結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。如圖6所示，將傳感器電極平行于接地極板，置于標(biāo)準(zhǔn)電場中。連接封裝管殼的金屬絲及傳感器敏感芯片、信號處理電路等部分放置在施加電場的外部。為避免標(biāo)定區(qū)域外電場對測試的影響，采用了帶有屏蔽層的金屬絲，屏蔽層接傳感器地電平。施加電場范圍為0~100 kV/m，對傳感器進(jìn)行總不確定度測試。

測試結(jié)果如圖7所示。測試結(jié)果表明，傳感器在0~100 kV/m區(qū)間內(nèi)，響應(yīng)為19.6 mV，約為傳統(tǒng)探頭結(jié)構(gòu)的50%?？偛淮_定度為0.65%，滿足使用需求。

4.2 濕度試驗

將傳感器敏感芯片、信號處理電路密封在金屬盒內(nèi)，只將部分金屬絲及末端電極暴露在空氣中。將傳感器整機(jī)放置在交變濕熱箱內(nèi)進(jìn)行濕度環(huán)境試驗。在4小時內(nèi)，設(shè)置溫度恒定于，濕度在30%~90%之間交替變化，觀測傳感器輸出情況。試驗結(jié)果如圖8所示。

試驗結(jié)果表明，傳感器在劇烈的濕度變化條件下，電極結(jié)構(gòu)電場傳感器輸出保持穩(wěn)定不變，較直接裸露封裝管殼的傳感器，高濕度條件下的穩(wěn)定性得到了明顯改善。

4.3 地面大氣電場測試

地面電場測試時，傳感器經(jīng)受數(shù)小時甚至數(shù)天的連續(xù)高濕度環(huán)境。以往的傳感器封裝結(jié)構(gòu)，封裝管殼在長時間的高濕度條件下性能下降，造成傳感器靈敏度降低甚至失效。這種失效現(xiàn)象一般出現(xiàn)在清晨或者降雨天氣。

本文研制的電極結(jié)構(gòu)電場傳感器安裝在中國科學(xué)院電子學(xué)研究所6805工藝樓頂，進(jìn)行長期的地面電場監(jiān)測驗證。傳感器敏感芯片及信號處理電路密封于金屬盒內(nèi)，并采用了干燥劑進(jìn)行進(jìn)一步防濕處理，以增強傳感器的使用壽命。如圖9所示的傳感器支架高1.5 m，探頭截面為圓形，截面直徑為73 mm。

圖10為2016年5月1日雷雨天氣的傳感器輸出結(jié)果。該日天氣為霧霾、雷陣雨，在全天高濕度的情況下，傳感器的零點穩(wěn)定，未因高濕度而發(fā)生漂移，且在16:00~22:00的探測曲線反映了當(dāng)時的雷雨天氣。

4.4 探空電場測試

如圖11(a)所示，在整個探空過程中，傳感器敏感芯片附近的溫度始終在以上。如圖11(b)所示，在晴天大氣電場探測時，傳感器的零點保持穩(wěn)定，證明該結(jié)構(gòu)顯著抑制了傳感器的溫度漂移，提升了MEMS探空電場傳感器的環(huán)境適應(yīng)性。

圖4 不同電極寬度對傳感器靈敏度的影響仿真結(jié)果??????圖5 不同電極長度對傳感器靈敏度的影響仿真結(jié)果

圖6 傳感器標(biāo)定???????????????圖7 傳感器標(biāo)定結(jié)果

圖8 MEMS電場傳感器濕度試驗曲線

圖9 地面電場測試照片???????????????圖10 2016年5月1日地面大氣電場測試結(jié)果

圖11 MEMS探空電場傳感器試驗及探測結(jié)果

5 結(jié)論

本文研制了一種新型電極結(jié)構(gòu)MEMS電場傳感器。該結(jié)構(gòu)在傳感器封帽外部設(shè)置了金屬電極，只將感應(yīng)電極暴露于被測環(huán)境中，對傳感器敏感芯片及信號處理電路進(jìn)行環(huán)境防護(hù)處理。對電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了ANSYS仿真以及實驗室標(biāo)定驗證，結(jié)果表明，傳感器能夠有效感應(yīng)被測電場，總不確定度滿足使用需求。研制了MEMS地面電場傳感器和MEMS探空電場傳感器，環(huán)境試驗及外場試驗結(jié)果表明，傳感器輸出結(jié)果穩(wěn)定、可靠，環(huán)境適應(yīng)性得到了有效提升。

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Electrode Package for Electric Field Micro Sensor

WEN Xiaolong①REN Tianling①XIA Shanhong②

①(,,100084,)②(,,,100190,)

To improve the environmental adaptation of the package of electric field micro sensor, this article introducs a new electrode package. Different from placing the sensing chip and package inside the measured environment, a package electrode, which is the only part exposed outside, is invented. In this way, the package shell is effectively protected from various environmental extremes. Based on this structure, new atmospheric electric field micro sensors are introduced on the ground and for sounding. The FEM and experiments show that the new sensors measure electric field accurately and stably under high humidity and low temperature environment.

Electric field micro sensor; Micro-Electro-Mechanical System (MEMS); Package; Environmental adaptation; Atmospheric electric field

TP212

A

1009-5896(2016)11-2960-05

10.11999/JEIT160608

2016-06-08；改回日期：2016-09-14；

2016-09-30

聞小龍 wenguangguy@163.com

國家自然科學(xué)基金(61302032, 61327810, 61201078)

The National Natural Science Foundation of China (61302032, 61327810, 61201078)

聞小龍： 男，1988年生，博士后，研究方向為MEMS傳感器及應(yīng)用.

任天令： 男，1971年生，教授，研究方向為新型微機(jī)電器件與系統(tǒng)、新型半導(dǎo)體存儲技術(shù)、納電子與自旋電子學(xué)、微納電子技術(shù)中的新材料.

夏善紅： 女，1958年生，研究員，研究方向為電場傳感器、水環(huán)境監(jiān)測傳感器、微傳感集成芯片系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器、微納制造技術(shù)等.