实现器件微型化的微机电系统(MEMS)技术

MEMS 2018-06-13 14:19 次阅读

围绕国家重大需求,自主创新,创造性地发展了电场传感器及其实际应用,系统地解决了从设计、工艺到应用的关键技术,填补了国内外空白。

电场就在我们周围,看不见,摸不着,需要感测电场的传感器来实现。尽管电场探测长期以来受到人们的关注,但是电场探测仪器设备的发展相对缓慢。传统电场探测仪体积大、结构复杂、价格昂贵,工作时空间分辨率低、使用不便、故障率较高。

为满足我国火箭、航天卫星发射的安全条件保障、电网和石油石化等多个领域应用的迫切需求,自从2000年开始,在国家自然科学基金、“863”计划等项目资助下,历时15年,开始了研究空间电场探测器件自主创新的过程,取得了一系列重大突破,研制出只有小拇指甲盖大小的微型电场传感器核心芯片,开发出适合于地面、空中、电网等领域的系列化产品。

实现器件微型化的微机电系统(MEMS)技术

微机电系统技术是一种新型多学科交叉的技术,涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想,但直到1962年才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其后尺寸为50~500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及连接件等微型机构相继问世。

微电子机械系统(以下简称MEMS)的制造,是从专用集成电路(ASIC)技术发展过来的,如同ASIC技术那样,可以用微电子工艺技术的方法批量制造。但比ASIC制造更加复杂,这是由于 MEMS 的制造涉及三维立体加工出微小结构,需要采用敏感生物、化学和物理特性的一些特殊材料。

由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点,因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及人们接触到的几乎所有领域中都有着十分广阔的应用前景。该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。

开启空间电场侦测的“心脏”微型化征途

采用基于MEMS技术实现电场敏感器件很早就成为了项目组探索空间电场探测器件微型化的最主要的方案之一。

在2000年,项目负责人带队到我国西昌卫星发射基地考察调研,发现当时我国使用的空间电场探测设备陈旧落后,为了更好保障航天发射的安全,需要大量微小型、高性能、低成本的电场传感器,否则难于满足空间电场探测和日常业务应用的需求。项目组负责人那时就下决心一定要研制出满足我国空间电场探测的新一代器件。

为了实现核心电场敏感器件“心脏”的微型化,中国科学院电子学研究所项目组基于MEMS技术,发明了新型的微结构电场传感器,创造性地发展了微型电场传感器及其实际应用,系统地解决了从设计、工艺到应用的关键技术。

基于微电子机械系统(MEMS)技术的敏感结构具有体积小、重量轻、功耗低、易于集成、可批量制造等优点。 微型敏感芯片基于微加工技术制备,敏感结构特征尺寸只有微米量级,大约有人类头发丝的1/3,加工难度大,敏感芯片典型尺寸为33平方毫米。

比较传统的电场敏感器件,结构尺寸大(一般在2020平方毫米以上),而这种微型敏感单元尺寸小、感应信号微弱,静态感应电荷至少小于传统机电器件1个量级,只有pA量级,耦合干扰大,信噪比低,甚至仅有-60dB,有效信号只有本底噪声的1/1000。在如此微小的结构上实现高灵敏探测非常困难。

为此,一方面提高感应效率,增强响应信号,提高分辨力 ;另一方面降低激励电压,提高信噪比。为此,中国科学院电子学研究所发明了高性能共面电极和热激励微型敏感结构。

其中,谐振式共面电极式电场敏感结构采用激励电极和感应电极在同一平面,其工作原理就是通过屏蔽电极在水平方向来回往复振动,侧面屏蔽感应电极,引起感应电荷周期变化,从而产生感应电流。采用梳齿式共面感应电极结构设计,感应效率显著高,提高了灵敏度。为降低激励电压,在国际上首次提出热激励电场敏感微结构,驱动电压低,2V驱动电压即可实现大位移振动。

新颖的一体化集成三维探测技术发挥大作用

经过大量调研和深入的模拟仿真计算,中国科学院电子学研究所项目组发明了国内外首创的高性能旋转电极式三维空中电场传感器,一个敏感探头可实现轴向和径向三维电场探测,首次实现单探头空中三维电场探测。

结合对称电极差分检测技术,以及3/4周期积分信号处理方法,消除了电场耦合、带电粒子、积累偏置电压等噪声信号,有效解决了X、Y、Z三维电场的耦合干扰、空间离子流和空间电荷干扰等关键技术难点,提高了电场探测分辨力。

与美国(航空航天总局 NASA)机载三维电场探测系统相比,传感器数量由5~8个减为1个,精度提高1个数量级,重量仅为NASA每个探头的1/20、体积仅为每个探头的1/10。

从2006年设计定型以来很长一段时间,本单位研制的新型三维空间电场传感器一直是我国西昌、太原等卫星发射基地等单位使用的唯一电场探空产品,已成功应用于风云系列、遥感系列、资源系列、北斗系列、嫦娥探月系列等各类卫星发射和重大航天发射任务中,发挥了关键作用。

累累科研硕果多个领域尽显神通

历经十多年载的长期艰苦努力,中国科学院电子学研究所的“电场探测先进传感器关键技术及应用”项目获发明专利24项、软件著作权6项 ;发表论文84篇,其中SCI/EI收录45篇,国际会议大会特邀主题报告3篇 ;制定国家军用/行业标准6项 ;获得2014年度中国(国际)传感器创新大赛特等奖。中国电子学会组织的科学技术成果鉴定会上,由8名院士和多名权威专家组成的鉴定委员会认为,本项目“在国际上首次实现了微型电场传感器实际应用,空中三维电场传感器为国际首创,显著提升了电场探测传感器技术和应用水平。微型电场传感器和空中三维电场传感器的整体技术达到国际领先水平”。

项目成果已经成功应用于航天发射、国防、电网、石化、静电测量、气象和科学研究等多个领域40余家单位,已被美国、韩国用户采购,产生了显著的社会和经济效益。

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原文标题:电场传感器:侦测电场的“利眼”

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