基于MEMS的距離自適應型非接觸靜電儀

聞小龍 楊鵬飛 儲昭志 彭春榮 劉宇濤 吳 雙

①(北京科技大學數理學院北京市弱磁檢測及應用工程技術研究中心 北京 100083)

②(北京信息科技大學理學院 北京 100192)

③(中國科學院微電子研究所 北京 100029)

④(中國科學院空天信息創新研究院傳感技術國家重點實驗室 北京 100190)

⑤(北京中科飛龍傳感技術有限責任公司 北京 100083)

1 引言

靜電放電具有瞬時電壓高、能量大、不易察覺等特點，容易對集成電路、石油化工、航天、工業生產等多個領域產生嚴重的危害[1–5]。靜電測量是檢測人體、物品及環境等是否帶電最直接的手段，可用于評估靜電防護的效果，研究靜電積累及放電機理等，對于靜電防護具有重要意義?；陔妶龈袘韺щ娢锉砻骐娢贿M行非接觸測量，具有不干擾被測表面、測試過程無電荷轉移風險等優點，是近年來靜電防護領域的研究熱點之一[6]。

按照檢測原理劃分，非接觸式靜電儀可分為高阻式、場磨式、振動電容式及微機電式等。高阻式靜電壓儀利用高輸入阻抗的直流放大電路進行測量[7]，測量過程中感應電荷在放大電路中隨時間衰減，造成測試結果不穩定，需要定期清零，影響測量的穩定性。場磨式電場儀采用電機帶動屏蔽電極旋轉，周期性地屏蔽感應電極，從而將感應電極的感應電荷調制成交流信號，避免了信號衰減，提升了測試精度[8,9]。由于存在電機驅動、旋轉葉片等數十個機械結構，組裝工藝復雜，不利于批量化制造，電機旋轉磨損造成壽命衰減。振動電容式靜電計通過壓電陶瓷片驅動感應電極振動，從而在感應電極上產生交流感應信號[10,11]，具有體積小、重量輕等優點，在非接觸靜電測量領域廣泛應用。然而，壓電材料在長期工作時，溫度變化影響壓電常數和彈性模量，造成壓電懸臂梁諧振頻率和振幅發生改變，影響長期穩定性[12]。此外，場磨式、振動電容式兩種靜電儀均存在裸露的可動部件，容易受機械碰撞、粉塵、油氣等影響而發生失效。隨著微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)技術的發展，人們采用硅微工藝制備出振動結構，實現了感應信號的周期性調制，研制出MEMS電場傳感器，具有體積小、可批量化制備，無機械磨損、壽命長，封裝后無裸露可動部件、可靠性高等多種突出優點[13–16]，在靜電測量領域具有廣闊的發展前景。本團隊曾于2017年報道一種基于MEMS電場敏感芯片的靜電測量裝置，實現測量人體不同部位帶電分布的非接觸式測量[17]。

通過標定實現電場到被測表面電位的轉換，對保證非接觸式靜電儀的測量精度十分重要。傳統的場磨式及振動電容式靜電儀均采用固定距離的方式進行表面電位測量。例如，日本SIMCO公司的FMX-004型、美國MONROE公司的282A型等，通過兩個光斑重合的方式將測試距離固定為2.54 mm。德國Kleinwachter公司的EFM-022型測試儀利用兩根已知長度的絕緣棒固定測試距離。美國TREK公司的520型測試儀將探頭設計成尖端形狀，可實現在5～25 mm小范圍內的測量。然而，當測試距離改變時，到達傳感器的電場強度發生改變，造成靈敏度變化，影響測試精度。文獻[17]介紹了一種用于測量人體靜電的門體結構，采用兩個相對布置的檢測電極，通過共模運算解決了被測人體未居中造成的誤差問題，然而，對于不同體型的測試人員，仍存在測試距離不一致的難題，帶來測試誤差。在被測物難以維持靜止或不容易靠近等復雜環境下，固定距離可能對測試帶來不便。此外，帶電物尺寸不同，產生的電場分布也不相同，在固定距離下測試也容易造成偏差。難以實現動態距離測試、對被測物尺寸缺乏標定，是目前非接觸式表面電位測量面臨的問題。

本文基于MEMS電場傳感器，開展非接觸式表面靜電測量技術研究，區別于傳統的定距測量方案，提出距離可變的測量思路，研究靜電儀的動態標定及測試方法，實現距離自適應的表面靜電位準確測量。本文為復雜環境下非接觸表面靜電測試提供新的思路，從而進一步提升靜電敏感領域的靜電防護效果，為集成電路、石油化工、航天等多種高端產品制造過程提供先進技術手段。

2 MEMS電場敏感芯片

本文采用諧振式共面電極型MEMS電場敏感芯片，總體尺寸為5 mm×5 mm×0.5 mm，結構如圖1所示，主要包括屏蔽電極、感應電極、驅動電極、彈性折梁等幾部分，屏蔽電極與彈性折梁相連構成水平振動微結構。通過在驅動電極上施加交流電壓信號，驅動電極與屏蔽電極之間產生交變靜電吸合力，帶動屏蔽電極進行周期性水平振動。驅動電極與屏蔽電極設計成梳齒形狀，用于增加二者之間的電容，從而增加靜電力。當屏蔽電極振動時，周期性地屏蔽感應電極，在靜電場及屏蔽電極的共同作用下，感應電極上感生出正比于被測電場的交流感應信號。屏蔽電極與感應電極相互作用部分也設計成交錯梳齒形狀，與條形結構相比，增大了二者之間的電容，從而增大了屏蔽與暴露的效率。感應電極設計為兩組，受屏蔽電極交替屏蔽，產生相位差為180°的差分信號，通過差分減小電路噪聲，提升信噪比。與場磨式電場儀相比，MEMS諧振式敏感芯片無電機等易磨損器件，壽命長，工作過程具有更好的穩定性及更高的可靠性。與采用壓電陶瓷的振動電容式傳感器相比，避免了長期工作時壓電常數和彈性模量的溫度漂移，長期穩定性更好。

圖1 MEMS電場敏感芯片結構示意圖

敏感芯片的振動特性符合如圖2所示的2階動力學模型。其中，ks,meff,cc,cs,strip分別為傳感器諧振狀態下的等效彈性系數、質量、滑膜阻尼及壓膜阻尼。目前，敏感芯片工作在開環狀態，通過掃頻確定芯片的諧振點：在不同的頻率下，讀取敏感芯片的輸出本底值(由驅動電極產生本底電場，感應電極在該本底電場下產生輸出信號)，峰值所對應的頻率即為敏感芯片的諧振頻率。

圖2 敏感芯片諧振動力學模型

MEMS電場敏感芯片采用絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)晶圓制備，屏蔽電極、感應電極、驅動電極、彈性折梁等幾部分在同一結構層，工藝簡單，成品率高。工藝流程圖如圖3所示。

圖3 MEMS敏感芯片工藝流程示意圖

具體的流程如下：

(1)硅摻雜：采用1層磷硅酸玻璃(Phospho-Silicate Glass,PSG)沉積在器件層的表面，并退火1 h，然后用濕法化學腐蝕方法去除PSG層；

(2)制作焊盤：焊盤由20 nm鉻和500 nm金構成，采用第1級掩膜版，通過電子束蒸鍍的方法將金屬沉積到硅表面；

(3)器件層圖形化：在器件層旋涂UV光刻膠，采用第2級掩膜版，圖形化器件層的光刻膠，然后利用等離子深刻蝕(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)設備，刻蝕器件層到氧化埋層停止；

(4)基板層圖形化：在已刻蝕完的器件層上旋涂保護材料，采用第3級掩膜版，套刻圖形，利用反應離子刻蝕移除基板層底層的氧化層，再用DRIE完整地刻穿基板層至氧化埋層停止；

(5)釋放：移除器件層上的保護材料及氧化埋層。

為了提升敏感芯片的環境適應性及可靠性，本文采用全密封結構的MEMS敏感芯片封裝，主要由基板、絕緣層、封裝蓋等幾部分組成，如圖4所示。其中，基于絕緣材料的封帽結構將敏感芯片完全密封在微小腔體內，實現了對被測電場信號的傳導。E0表示封裝外部被測電場，E1表示封裝內部到達敏感芯片表面的電場。與敏感結構直接裸露的其他靜電儀相比，該結構封裝后無裸露可動部件，可耐高濕度、粉塵、碰撞等惡劣條件的影響，使傳感器可在戶外、粉塵車間等更多工礦條件下使用。

圖4 敏感芯片封裝結構原理圖

3 信號處理電路

本文研制的靜電儀主要包括MEMS電場敏感芯片、測距模塊、信號處理電路、顯示屏、蜂鳴器、溫濕度傳感器、數據存儲單元、實時時鐘(Real-Time Clock,RTC)、電池等部分，如圖5所示。其中，MEMS電場敏感芯片和測距單元位于靜電儀前端：通過同時獲知電場及距離信息，并利用不同的距離下的標定系數，實現距離可變的表面靜電位測量。溫濕度傳感器主要用于測量環境的溫度、濕度，從而對環境是否容易起電、物體是否帶電進行評估。RTC時鐘用于為整個手持靜電儀提供時間信息，便于為數據存儲單元上保存的數據標記測試時間。數據存儲單元可同時存儲時間、電場、距離、溫度、濕度、測試電壓等信息。顯示屏上可實時顯示帶電體的表面電壓、距離等，當測試電壓超過預設閾值時，顯示屏及蜂鳴器能夠實時進行報警。此外，本文研制的靜電儀還包括USB充電及數據讀取、電池低壓報警、自動校零等多種功能，為實際測量提供便利。

圖5 靜電儀電路功能框圖

在信號處理電路中，通過微控制單元(Micro-Controller Unit,MCU)控制直接數字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)模塊輸出正弦信號，為敏感芯片振動提供交流驅動電壓，使敏感芯片的屏蔽電極振動。感應電極上產生正比于被測電場的交流電流信號，在I-V模塊進行電流電壓變換放大，轉換成便于采集的交流電壓信號。模擬數字轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)模塊用于對放大后的芯片輸出信號進行高速采集，進入MCU后進行敏感芯片輸出信號的幅值信息處理。根據敏感芯片輸出信號為pA～nA級微弱電流信號的特征，芯片的第1級放大擬采用低偏置電流、低偏置電壓的軌到軌放大器，并按照圖6所示的電路原理圖進行信號的I-V轉換預處理。其中，Sen_out信號為敏感芯片輸出的微弱電流信號，該放大電路的輸出信號Vout=Sen_out×R1，C1與R1構成低通濾波器對放大的電壓信號進行初步濾波處理。

圖6 I-V轉換電路原理圖

傳統靜電儀在測量帶電物表面靜電時，通過兩個具有一定夾角光斑重合的方式，固定測試距離，一般為2.54 cm。光斑重合法采用目測觀察，可能由于目測重合度不好造成距離誤差。固定距離方式也限制了傳感器的使用場合，例如，當被測電壓較高時，近距離測試可能誘發放電現象，造成儀器損壞或人員觸電。當被測物的距離增加時，到達傳感器表面的電場減小，造成標定靈敏度衰減，測試結果偏小。為了解決距離變化問題，本文基于超聲波原理測距模塊，準確獲知靜電儀與被測物之間的距離，并在不同距離下對傳感器進行標定，獲知靈敏度與距離的關系。在實際測試時，根據測距結果查找靈敏度數值，計算被測物電壓，從而實現了距離可變的自適應測試。本文選用的超聲波模塊中已對溫度漂移進行了補償，在使用過程中可以忽略溫度對測距結果帶來的影響。該模塊的探測距離范圍為2.0 cm～4.5 m，測試精度為0.3 cm。當距離太近時，測量結果偶爾出現較大偏差，可能是由于超聲波探頭與被測物之間形成的駐波造成的；當距離太遠時，測量環境中其他物體可能對電場分布產生干擾，影響測量精度。因此，在實際使用中對測量距離限定在2.5～10 cm，當超過該范圍時通過顯示屏進行適當提醒。

本文研制出了手持式的靜電儀，電場探測電極及超聲波測距單元位于最前端，面向被測帶電體。通過正面的顯示屏及按鍵，進行測試、存儲等功能操作。

4 標定與現場校準

由于帶電人體、固體等被測物形貌及材料不同，產生非勻強電場，靜電儀實際感應到的為畸變電場。為了實現對被測物攜帶靜電電壓、電荷等的準確測量，本文對靜電儀進行實驗室及現場兩次標定。

實驗室標定采用平行極板結構的電場箱完成。其中，一組極板接地，另一組極板接高壓。靜電儀固定在接地極板上，與高壓極板之間的距離為20 cm。在高壓極板上施加0～12 kV的電壓，從而在兩極板之間產生0～60 kV/m的勻強電場。標定過程記錄靜電儀輸出與高電壓之間的線性關系。

其中，E為被測電壓值；Vout為靜電儀輸出原始值；Vo為靜電儀電場零點標定值；k為靜電儀的實驗室靈敏度系數。

標定時，共施加6個行程(3個正行程，3個反行程)，記錄每個電場下的靜電儀原始輸出結果(單位為mV)，進行直線擬合。其中，每個測試電場下共記錄6次測試結果。標定結果如圖7所示，根據GB 18459計算，傳感器的總不確定度為2.98%。由于傳感器信號解調時包含與驅動信號相關的相位差信息，輸出結果也有可能為負值，本次標定出的傳感器靈敏度k為正。

圖7 固定距離下靜電儀標定結果

靜電儀的現場標定裝置主要包括帶電極板、帶電極板支架、直線導軌、高壓源表及計算機等幾部分。其中，靜電儀固定在直線導軌上方，與帶電極板垂直放置，通過導軌的平移改變靜電儀與帶電極板之間的距離。在帶電極板(標準待測物)上施加一個已知電壓VC，通過靜電儀的輸出結果及式(1)，得到校準前測試電壓VC0，則現場靈敏度系數C=VC0/VC，靜電儀的靈敏度由原來的k校準為k×C。即待測電壓

靜電儀的現場校準系數與被測物尺寸、測試距離兩個關鍵因素相關。為了研究這一規律，本文加工了不同尺寸的金屬圓板作為高壓極板，用于模擬不同的被測物尺寸，并在不同測試距離下對靜電儀進行標定，獲取了直徑為15～80 cm金屬圓板現場靈敏度系數動態關系，部分結果如圖8所示?？梢钥闯觯粶y物尺寸越小、距離越遠，電場衰減越嚴重，需要進行修正的現場靈敏度系數越高。通過該圖也可以反映測距誤差對于靈敏度選擇的影響，例如，當測試距離為10 cm、被測物直徑為50 cm時，0.3 cm的測距誤差可造成約1.38%的靈敏度誤差。

圖8 不同尺寸、不同距離的靈敏度系數標定結果

參考《JJF 1517-2015 非接觸式靜電電壓測量儀校準規范》，本文將研制出的非接觸式靜電儀在北京東方計量測試研究所進行了檢測(檢測證書編號：DY19-1982)。分別選取2 cm,5 cm,10 cm 3個測試距離，施加不同的測試電壓，記錄靜電儀輸出與實際施加電壓的偏差情況，結果如表1所示。測試結果表明，本文研制的非接觸式靜電儀可實現動態距離的表面電位測量，測量平均誤差為–2.98%，最大誤差為-10%。

表1 靜電儀第三方校準結果

5 結束語

本文提出并研制了一種距離可變的非接觸式表面靜電儀。與傳統定距測量模式相比，具有使用場景更加廣泛、可靠性更好等優點。在進行第三方檢測時，誤差最大可達–10%。誤差主要來源于以下4個方面。(1)測量距離誤差：本文采用超聲波反射原理獲知被測物距離，在測試距離較小時，容易因超聲波多次反射，造成距離誤差，從而對表面電位造成誤差。(2)角度誤差：在靜電儀標定及實際測試時，理想情況是靜電儀與被測表面垂直，然而實際擺放的垂直度存在偏差，影響電場分布以及測距結果，從而造成最終結果偏差。(3)靜電荷干擾：在靜電儀測試時，由于感應電極上的靜電未消除干凈，造成零點存在偏差，正負電壓的測試誤差存在細微的差別。在實際使用時，如果被測物為非平面結構，例如球面、凸起的尖端等，則不適用于圖8所示的標定結果，需要針對被測物形貌進行現場標定。(4)受到溫度變化的影響，圖2中傳感器的等效彈性系數kx，以及受氣壓變化造成空氣阻尼cc,cs,strip的變化，均可能造成敏感芯片諧振頻率的改變，從而造成測量結果的溫度漂移。通過在不同溫度下記錄傳感器的靈敏度和零點，從而標定出傳感器的溫度漂移規律，在測量時通過嵌入式軟件進行溫度補償，可以消除一部分溫度的影響。在實際使用時，在該手持式靜電儀上增加了校零功能，在使用前使靜電儀測量零電位校準零點，也可以抑制部分溫度的影響。

此外，第三方檢測施加電壓的范圍為–5～5 kV，與傳統靜電儀相比量程偏小。其原因在于，為了提高靜電儀在小電壓的測量精度，本文增大了靜電儀外部感應電極尺寸，從而提升響應信號大小。當被測電場過大時，可能造成局部飽和。在需要測量更大電壓時，可通過增加測試距離的方法來解決。

靜電測量是靜電防護的重要組成部分。本文基于MEMS電場芯片技術，研制出距離可動態適應的非接觸式靜電儀，與傳統靜電儀相比，具有以下創新之處：(1)基于MEMS電場敏感元件，具有體積小、功耗低、易集成、可批量化制備等突出優點。(2)設計了敏感元件封裝，與傳統振動電容式、場磨式靜電儀相比，無裸露可動部件，可靠性高。(3)提出動態標定算法，克服了距離變化對測量結果的影響。經第三方檢測，本文研制的靜電儀在2 cm,5 cm,10 cm 3個距離下，平均測試誤差為–2.98%。