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基于MEMS的距離自適應(yīng)型非接觸靜電儀

2021-10-31 06:21:28聞小龍楊鵬飛儲(chǔ)昭志彭春榮劉宇濤
電子與信息學(xué)報(bào) 2021年10期
關(guān)鍵詞:靜電標(biāo)定電場(chǎng)

聞小龍 楊鵬飛 儲(chǔ)昭志 彭春榮 劉宇濤 吳 雙

①(北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院北京市弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 北京 100083)

②(北京信息科技大學(xué)理學(xué)院 北京 100192)

③(中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 北京 100029)

④(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

⑤(北京中科飛龍傳感技術(shù)有限責(zé)任公司 北京 100083)

1 引言

靜電放電具有瞬時(shí)電壓高、能量大、不易察覺等特點(diǎn),容易對(duì)集成電路、石油化工、航天、工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[1–5]。靜電測(cè)量是檢測(cè)人體、物品及環(huán)境等是否帶電最直接的手段,可用于評(píng)估靜電防護(hù)的效果,研究靜電積累及放電機(jī)理等,對(duì)于靜電防護(hù)具有重要意義。基于電場(chǎng)感應(yīng)原理對(duì)帶電物表面電位進(jìn)行非接觸測(cè)量,具有不干擾被測(cè)表面、測(cè)試過程無電荷轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn),是近年來靜電防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[6]。

按照檢測(cè)原理劃分,非接觸式靜電儀可分為高阻式、場(chǎng)磨式、振動(dòng)電容式及微機(jī)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(jìn)行測(cè)量[7],測(cè)量過程中感應(yīng)電荷在放大電路中隨時(shí)間衰減,造成測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定,需要定期清零,影響測(cè)量的穩(wěn)定性。場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀采用電機(jī)帶動(dòng)屏蔽電極旋轉(zhuǎn),周期性地屏蔽感應(yīng)電極,從而將感應(yīng)電極的感應(yīng)電荷調(diào)制成交流信號(hào),避免了信號(hào)衰減,提升了測(cè)試精度[8,9]。由于存在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)葉片等數(shù)十個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu),組裝工藝復(fù)雜,不利于批量化制造,電機(jī)旋轉(zhuǎn)磨損造成壽命衰減。振動(dòng)電容式靜電計(jì)通過壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極振動(dòng),從而在感應(yīng)電極上產(chǎn)生交流感應(yīng)信號(hào)[10,11],具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),在非接觸靜電測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而,壓電材料在長(zhǎng)期工作時(shí),溫度變化影響壓電常數(shù)和彈性模量,造成壓電懸臂梁諧振頻率和振幅發(fā)生改變,影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性[12]。此外,場(chǎng)磨式、振動(dòng)電容式兩種靜電儀均存在裸露的可動(dòng)部件,容易受機(jī)械碰撞、粉塵、油氣等影響而發(fā)生失效。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)技術(shù)的發(fā)展,人們采用硅微工藝制備出振動(dòng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)信號(hào)的周期性調(diào)制,研制出MEMS電場(chǎng)傳感器,具有體積小、可批量化制備,無機(jī)械磨損、壽命長(zhǎng),封裝后無裸露可動(dòng)部件、可靠性高等多種突出優(yōu)點(diǎn)[13–16],在靜電測(cè)量領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。本團(tuán)隊(duì)曾于2017年報(bào)道一種基于MEMS電場(chǎng)敏感芯片的靜電測(cè)量裝置,實(shí)現(xiàn)測(cè)量人體不同部位帶電分布的非接觸式測(cè)量[17]。

通過標(biāo)定實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)到被測(cè)表面電位的轉(zhuǎn)換,對(duì)保證非接觸式靜電儀的測(cè)量精度十分重要。傳統(tǒng)的場(chǎng)磨式及振動(dòng)電容式靜電儀均采用固定距離的方式進(jìn)行表面電位測(cè)量。例如,日本SIMCO公司的FMX-004型、美國(guó)MONROE公司的282A型等,通過兩個(gè)光斑重合的方式將測(cè)試距離固定為2.54 mm。德國(guó)Kleinwachter公司的EFM-022型測(cè)試儀利用兩根已知長(zhǎng)度的絕緣棒固定測(cè)試距離。美國(guó)TREK公司的520型測(cè)試儀將探頭設(shè)計(jì)成尖端形狀,可實(shí)現(xiàn)在5~25 mm小范圍內(nèi)的測(cè)量。然而,當(dāng)測(cè)試距離改變時(shí),到達(dá)傳感器的電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變,造成靈敏度變化,影響測(cè)試精度。文獻(xiàn)[17]介紹了一種用于測(cè)量人體靜電的門體結(jié)構(gòu),采用兩個(gè)相對(duì)布置的檢測(cè)電極,通過共模運(yùn)算解決了被測(cè)人體未居中造成的誤差問題,然而,對(duì)于不同體型的測(cè)試人員,仍存在測(cè)試距離不一致的難題,帶來測(cè)試誤差。在被測(cè)物難以維持靜止或不容易靠近等復(fù)雜環(huán)境下,固定距離可能對(duì)測(cè)試帶來不便。此外,帶電物尺寸不同,產(chǎn)生的電場(chǎng)分布也不相同,在固定距離下測(cè)試也容易造成偏差。難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)距離測(cè)試、對(duì)被測(cè)物尺寸缺乏標(biāo)定,是目前非接觸式表面電位測(cè)量面臨的問題。

本文基于MEMS電場(chǎng)傳感器,開展非接觸式表面靜電測(cè)量技術(shù)研究,區(qū)別于傳統(tǒng)的定距測(cè)量方案,提出距離可變的測(cè)量思路,研究靜電儀的動(dòng)態(tài)標(biāo)定及測(cè)試方法,實(shí)現(xiàn)距離自適應(yīng)的表面靜電位準(zhǔn)確測(cè)量。本文為復(fù)雜環(huán)境下非接觸表面靜電測(cè)試提供新的思路,從而進(jìn)一步提升靜電敏感領(lǐng)域的靜電防護(hù)效果,為集成電路、石油化工、航天等多種高端產(chǎn)品制造過程提供先進(jìn)技術(shù)手段。

2 MEMS電場(chǎng)敏感芯片

本文采用諧振式共面電極型MEMS電場(chǎng)敏感芯片,總體尺寸為5 mm×5 mm×0.5 mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括屏蔽電極、感應(yīng)電極、驅(qū)動(dòng)電極、彈性折梁等幾部分,屏蔽電極與彈性折梁相連構(gòu)成水平振動(dòng)微結(jié)構(gòu)。通過在驅(qū)動(dòng)電極上施加交流電壓信號(hào),驅(qū)動(dòng)電極與屏蔽電極之間產(chǎn)生交變靜電吸合力,帶動(dòng)屏蔽電極進(jìn)行周期性水平振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電極與屏蔽電極設(shè)計(jì)成梳齒形狀,用于增加二者之間的電容,從而增加靜電力。當(dāng)屏蔽電極振動(dòng)時(shí),周期性地屏蔽感應(yīng)電極,在靜電場(chǎng)及屏蔽電極的共同作用下,感應(yīng)電極上感生出正比于被測(cè)電場(chǎng)的交流感應(yīng)信號(hào)。屏蔽電極與感應(yīng)電極相互作用部分也設(shè)計(jì)成交錯(cuò)梳齒形狀,與條形結(jié)構(gòu)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(yīng)電極設(shè)計(jì)為兩組,受屏蔽電極交替屏蔽,產(chǎn)生相位差為180°的差分信號(hào),通過差分減小電路噪聲,提升信噪比。與場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀相比,MEMS諧振式敏感芯片無電機(jī)等易磨損器件,壽命長(zhǎng),工作過程具有更好的穩(wěn)定性及更高的可靠性。與采用壓電陶瓷的振動(dòng)電容式傳感器相比,避免了長(zhǎng)期工作時(shí)壓電常數(shù)和彈性模量的溫度漂移,長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好。

圖1 MEMS電場(chǎng)敏感芯片結(jié)構(gòu)示意圖

敏感芯片的振動(dòng)特性符合如圖2所示的2階動(dòng)力學(xué)模型。其中,ks,meff,cc,cs,strip分別為傳感器諧振狀態(tài)下的等效彈性系數(shù)、質(zhì)量、滑膜阻尼及壓膜阻尼。目前,敏感芯片工作在開環(huán)狀態(tài),通過掃頻確定芯片的諧振點(diǎn):在不同的頻率下,讀取敏感芯片的輸出本底值(由驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生本底電場(chǎng),感應(yīng)電極在該本底電場(chǎng)下產(chǎn)生輸出信號(hào)),峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為敏感芯片的諧振頻率。

圖2 敏感芯片諧振動(dòng)力學(xué)模型

MEMS電場(chǎng)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(yīng)電極、驅(qū)動(dòng)電極、彈性折梁等幾部分在同一結(jié)構(gòu)層,工藝簡(jiǎn)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(xué)腐蝕方法去除PSG層;

(2)制作焊盤:焊盤由20 nm鉻和500 nm金構(gòu)成,采用第1級(jí)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(jí)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(shè)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(hù)材料,采用第3級(jí)掩膜版,套刻圖形,利用反應(yīng)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(hù)材料及氧化埋層。

為了提升敏感芯片的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性,本文采用全密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)將敏感芯片完全密封在微小腔體內(nèi),實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)電場(chǎng)信號(hào)的傳導(dǎo)。E0表示封裝外部被測(cè)電場(chǎng),E1表示封裝內(nèi)部到達(dá)敏感芯片表面的電場(chǎng)。與敏感結(jié)構(gòu)直接裸露的其他靜電儀相比,該結(jié)構(gòu)封裝后無裸露可動(dòng)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(jié)構(gòu)原理圖

3 信號(hào)處理電路

本文研制的靜電儀主要包括MEMS電場(chǎng)敏感芯片、測(cè)距模塊、信號(hào)處理電路、顯示屏、蜂鳴器、溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-Time Clock,RTC)、電池等部分,如圖5所示。其中,MEMS電場(chǎng)敏感芯片和測(cè)距單元位于靜電儀前端:通過同時(shí)獲知電場(chǎng)及距離信息,并利用不同的距離下的標(biāo)定系數(shù),實(shí)現(xiàn)距離可變的表面靜電位測(cè)量。溫濕度傳感器主要用于測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度,從而對(duì)環(huán)境是否容易起電、物體是否帶電進(jìn)行評(píng)估。RTC時(shí)鐘用于為整個(gè)手持靜電儀提供時(shí)間信息,便于為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元上保存的數(shù)據(jù)標(biāo)記測(cè)試時(shí)間。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元可同時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間、電場(chǎng)、距離、溫度、濕度、測(cè)試電壓等信息。顯示屏上可實(shí)時(shí)顯示帶電體的表面電壓、距離等,當(dāng)測(cè)試電壓超過預(yù)設(shè)閾值時(shí),顯示屏及蜂鳴器能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行報(bào)警。此外,本文研制的靜電儀還包括USB充電及數(shù)據(jù)讀取、電池低壓報(bào)警、自動(dòng)校零等多種功能,為實(shí)際測(cè)量提供便利。

圖5 靜電儀電路功能框圖

在信號(hào)處理電路中,通過微控制單元(Micro-Controller Unit,MCU)控制直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)模塊輸出正弦信號(hào),為敏感芯片振動(dòng)提供交流驅(qū)動(dòng)電壓,使敏感芯片的屏蔽電極振動(dòng)。感應(yīng)電極上產(chǎn)生正比于被測(cè)電場(chǎng)的交流電流信號(hào),在I-V模塊進(jìn)行電流電壓變換放大,轉(zhuǎn)換成便于采集的交流電壓信號(hào)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)模塊用于對(duì)放大后的芯片輸出信號(hào)進(jìn)行高速采集,進(jìn)入MCU后進(jìn)行敏感芯片輸出信號(hào)的幅值信息處理。根據(jù)敏感芯片輸出信號(hào)為pA~nA級(jí)微弱電流信號(hào)的特征,芯片的第1級(jí)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?qǐng)D6所示的電路原理圖進(jìn)行信號(hào)的I-V轉(zhuǎn)換預(yù)處理。其中,Sen_out信號(hào)為敏感芯片輸出的微弱電流信號(hào),該放大電路的輸出信號(hào)Vout=Sen_out×R1,C1與R1構(gòu)成低通濾波器對(duì)放大的電壓信號(hào)進(jìn)行初步濾波處理。

圖6 I-V轉(zhuǎn)換電路原理圖

傳統(tǒng)靜電儀在測(cè)量帶電物表面靜電時(shí),通過兩個(gè)具有一定夾角光斑重合的方式,固定測(cè)試距離,一般為2.54 cm。光斑重合法采用目測(cè)觀察,可能由于目測(cè)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(chǎng)合,例如,當(dāng)被測(cè)電壓較高時(shí),近距離測(cè)試可能誘發(fā)放電現(xiàn)象,造成儀器損壞或人員觸電。當(dāng)被測(cè)物的距離增加時(shí),到達(dá)傳感器表面的電場(chǎng)減小,造成標(biāo)定靈敏度衰減,測(cè)試結(jié)果偏小。為了解決距離變化問題,本文基于超聲波原理測(cè)距模塊,準(zhǔn)確獲知靜電儀與被測(cè)物之間的距離,并在不同距離下對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,獲知靈敏度與距離的關(guān)系。在實(shí)際測(cè)試時(shí),根據(jù)測(cè)距結(jié)果查找靈敏度數(shù)值,計(jì)算被測(cè)物電壓,從而實(shí)現(xiàn)了距離可變的自適應(yīng)測(cè)試。本文選用的超聲波模塊中已對(duì)溫度漂移進(jìn)行了補(bǔ)償,在使用過程中可以忽略溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果帶來的影響。該模塊的探測(cè)距離范圍為2.0 cm~4.5 m,測(cè)試精度為0.3 cm。當(dāng)距離太近時(shí),測(cè)量結(jié)果偶爾出現(xiàn)較大偏差,可能是由于超聲波探頭與被測(cè)物之間形成的駐波造成的;當(dāng)距離太遠(yuǎn)時(shí),測(cè)量環(huán)境中其他物體可能對(duì)電場(chǎng)分布產(chǎn)生干擾,影響測(cè)量精度。因此,在實(shí)際使用中對(duì)測(cè)量距離限定在2.5~10 cm,當(dāng)超過該范圍時(shí)通過顯示屏進(jìn)行適當(dāng)提醒。

本文研制出了手持式的靜電儀,電場(chǎng)探測(cè)電極及超聲波測(cè)距單元位于最前端,面向被測(cè)帶電體。通過正面的顯示屏及按鍵,進(jìn)行測(cè)試、存儲(chǔ)等功能操作。

4 標(biāo)定與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

由于帶電人體、固體等被測(cè)物形貌及材料不同,產(chǎn)生非勻強(qiáng)電場(chǎng),靜電儀實(shí)際感應(yīng)到的為畸變電場(chǎng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物攜帶靜電電壓、電荷等的準(zhǔn)確測(cè)量,本文對(duì)靜電儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)兩次標(biāo)定。

實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定采用平行極板結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)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(chǎn)生0~60 kV/m的勻強(qiáng)電場(chǎng)。標(biāo)定過程記錄靜電儀輸出與高電壓之間的線性關(guān)系。

其中,E為被測(cè)電壓值;Vout為靜電儀輸出原始值;Vo為靜電儀電場(chǎng)零點(diǎn)標(biāo)定值;k為靜電儀的實(shí)驗(yàn)室靈敏度系數(shù)。

標(biāo)定時(shí),共施加6個(gè)行程(3個(gè)正行程,3個(gè)反行程),記錄每個(gè)電場(chǎng)下的靜電儀原始輸出結(jié)果(單位為mV),進(jìn)行直線擬合。其中,每個(gè)測(cè)試電場(chǎng)下共記錄6次測(cè)試結(jié)果。標(biāo)定結(jié)果如圖7所示,根據(jù)GB 18459計(jì)算,傳感器的總不確定度為2.98%。由于傳感器信號(hào)解調(diào)時(shí)包含與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相關(guān)的相位差信息,輸出結(jié)果也有可能為負(fù)值,本次標(biāo)定出的傳感器靈敏度k為正。

圖7 固定距離下靜電儀標(biāo)定結(jié)果

靜電儀的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置主要包括帶電極板、帶電極板支架、直線導(dǎo)軌、高壓源表及計(jì)算機(jī)等幾部分。其中,靜電儀固定在直線導(dǎo)軌上方,與帶電極板垂直放置,通過導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)待測(cè)物)上施加一個(gè)已知電壓VC,通過靜電儀的輸出結(jié)果及式(1),得到校準(zhǔn)前測(cè)試電壓VC0,則現(xiàn)場(chǎng)靈敏度系數(shù)C=VC0/VC,靜電儀的靈敏度由原來的k校準(zhǔn)為k×C。即待測(cè)電壓

靜電儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系數(shù)與被測(cè)物尺寸、測(cè)試距離兩個(gè)關(guān)鍵因素相關(guān)。為了研究這一規(guī)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(cè)物尺寸,并在不同測(cè)試距離下對(duì)靜電儀進(jìn)行標(biāo)定,獲取了直徑為15~80 cm金屬圓板現(xiàn)場(chǎng)靈敏度系數(shù)動(dòng)態(tài)關(guān)系,部分結(jié)果如圖8所示??梢钥闯觯粶y(cè)物尺寸越小、距離越遠(yuǎn),電場(chǎng)衰減越嚴(yán)重,需要進(jìn)行修正的現(xiàn)場(chǎng)靈敏度系數(shù)越高。通過該圖也可以反映測(cè)距誤差對(duì)于靈敏度選擇的影響,例如,當(dāng)測(cè)試距離為10 cm、被測(cè)物直徑為50 cm時(shí),0.3 cm的測(cè)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(shù)標(biāo)定結(jié)果

參考《JJF 1517-2015 非接觸式靜電電壓測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范》,本文將研制出的非接觸式靜電儀在北京東方計(jì)量測(cè)試研究所進(jìn)行了檢測(cè)(檢測(cè)證書編號(hào):DY19-1982)。分別選取2 cm,5 cm,10 cm 3個(gè)測(cè)試距離,施加不同的測(cè)試電壓,記錄靜電儀輸出與實(shí)際施加電壓的偏差情況,結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明,本文研制的非接觸式靜電儀可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)距離的表面電位測(cè)量,測(cè)量平均誤差為–2.98%,最大誤差為-10%。

表1 靜電儀第三方校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)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(tǒng)定距測(cè)量模式相比,具有使用場(chǎng)景更加廣泛、可靠性更好等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行第三方檢測(cè)時(shí),誤差最大可達(dá)–10%。誤差主要來源于以下4個(gè)方面。(1)測(cè)量距離誤差:本文采用超聲波反射原理獲知被測(cè)物距離,在測(cè)試距離較小時(shí),容易因超聲波多次反射,造成距離誤差,從而對(duì)表面電位造成誤差。(2)角度誤差:在靜電儀標(biāo)定及實(shí)際測(cè)試時(shí),理想情況是靜電儀與被測(cè)表面垂直,然而實(shí)際擺放的垂直度存在偏差,影響電場(chǎng)分布以及測(cè)距結(jié)果,從而造成最終結(jié)果偏差。(3)靜電荷干擾:在靜電儀測(cè)試時(shí),由于感應(yīng)電極上的靜電未消除干凈,造成零點(diǎn)存在偏差,正負(fù)電壓的測(cè)試誤差存在細(xì)微的差別。在實(shí)際使用時(shí),如果被測(cè)物為非平面結(jié)構(gòu),例如球面、凸起的尖端等,則不適用于圖8所示的標(biāo)定結(jié)果,需要針對(duì)被測(cè)物形貌進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。(4)受到溫度變化的影響,圖2中傳感器的等效彈性系數(shù)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(cè)量結(jié)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(diǎn),從而標(biāo)定出傳感器的溫度漂移規(guī)律,在測(cè)量時(shí)通過嵌入式軟件進(jìn)行溫度補(bǔ)償,可以消除一部分溫度的影響。在實(shí)際使用時(shí),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(cè)量零電位校準(zhǔn)零點(diǎn),也可以抑制部分溫度的影響。

此外,第三方檢測(cè)施加電壓的范圍為–5~5 kV,與傳統(tǒng)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(cè)量精度,本文增大了靜電儀外部感應(yīng)電極尺寸,從而提升響應(yīng)信號(hào)大小。當(dāng)被測(cè)電場(chǎng)過大時(shí),可能造成局部飽和。在需要測(cè)量更大電壓時(shí),可通過增加測(cè)試距離的方法來解決。

靜電測(cè)量是靜電防護(hù)的重要組成部分。本文基于MEMS電場(chǎng)芯片技術(shù),研制出距離可動(dòng)態(tài)適應(yīng)的非接觸式靜電儀,與傳統(tǒng)靜電儀相比,具有以下創(chuàng)新之處:(1)基于MEMS電場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)。(2)設(shè)計(jì)了敏感元件封裝,與傳統(tǒng)振動(dòng)電容式、場(chǎng)磨式靜電儀相比,無裸露可動(dòng)部件,可靠性高。(3)提出動(dòng)態(tài)標(biāo)定算法,克服了距離變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。經(jīng)第三方檢測(cè),本文研制的靜電儀在2 cm,5 cm,10 cm 3個(gè)距離下,平均測(cè)試誤差為–2.98%。

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