CN106124870B - 电极型电场传感器封装元件及其用途 - Google Patents

Abstract

一种电极型电场传感器封装元件，包括封装管壳；电场传感器芯片，固定于所述封装管壳内；封装盖，覆盖所述管壳开口，形成内腔以容纳所述电场传感器芯片；以及封装电极，位于封装盖背离内腔的一侧，根据与封装盖由近及远的关系封装电极分为首端、中段和尾端。以及一种该电极型电场传感器封装元件的应用。通过多种封装电极设计，提升了电场传感器的空间分辨率，提高了传感器的灵敏度，增强了传感器的环境适应性。

Description

电极型电场传感器封装元件及其用途

技术领域

本发明涉及电场监测技术领域，尤其涉及一种电场传感器封装的元件，还涉及应用所述的电极型电场传感器封装元件对待测电场区域进行监测。

背景技术

电场监测具有十分重要的意义。在气象领域，监测地表及高空大气电场变化，可获知雷电的孕育、发展及发生信息，为雷电预警提供重要指标，从而为导弹和卫星等飞行器的发射升空提供重要的安全保障，也能够为森林、景区、输电线路、石化炼厂提供预警信息。在电网领域，监测输电线路及变电站等附近的电场，可准确获知交直流电压及相位信息，为智能电网输电状态提供重要参考，也可获知输电线路附近民宅等设施附近电场强度，为评估电网电磁环境影响提供依据。在石化领域，人体、设备、油气等静电荷积累到一定程度后容易引发放电，造成火灾、爆炸等严重的安全事故，通过监测电场，评估静电高危区域带电情况，为石化领域安全生产提供有力支撑。

空中电场一般为球载一次性探测，要求电场传感器体积小、重量轻、成本低；地面电场需要长期组网探测，要求传感器寿命长、稳定性高；电网领域有交流、直流电场探测需求，同时要求传感器功耗低、易集成；石化领域则要求传感器无裸露可动部件，自身无静电放电风险。现有电场传感器多采用传统机械加工工艺制备，无法在上述领域使用或大批量应用，制约了相关领域的发展。基于微纳米技术的电场传感器具有成本低、体积小、功耗低、可实现批量生产、易于集成化、工作频带宽，以及电场探测的空间分辨率高等突出优点，是电场探测传感器的重要发展方向，受到国际上越来越多的关注。

在实际应用中，微型电场传感器敏感芯片易受到灰尘、气流、雨雪、高湿度等恶劣环境的影响而无法正常工作。封装是解决上述环境问题的重要途径。然而，传感器封装也存在环境适应性问题。例如，封装后的传感器仍然体积较大，无法在狭小空间内探测，封装导致传感器灵敏度衰减，封装材料本身也会因为环境恶劣导致性能下降，封装无法解决传感器温度漂移问题等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种电极型电场传感器封装元件以及应用所述的电极型电场传感器封装元件对待测电场区域进行监测。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种电极型电场传感器封装元件，包括：封装管壳；电场传感器芯片，固定于所述封装管壳内；封装盖，覆盖所述管壳开口，形成内腔以容纳所述电场传感器芯片；以及封装电极，位于封装盖背离内腔的一侧，根据与封装盖由近及远的关系封装电极分为首端、中段和尾端。

根据本发明的一具体实施方案，所述封装电极为金属材料和/或半导体材料。

根据本发明的一具体实施方案，所述首端与封装盖直接相连；或者首端与封装盖之间存在预设距离，在该预设距离处电场传感器感应到封装电极首端产生的电场。

根据本发明的一具体实施方案，所述尾端尺寸小于等于待测物、电场传感器芯片或待测物附近空隙。

根据本发明的一具体实施方案，所述尾端还连接导体，导体尺寸大于等于待测物或电场传感器芯片。

根据本发明的一具体实施方案，所述导体形状为圆形板、方形板或球体。

根据本发明的一具体实施方案，所述中段的形状为直线形、弧形或二者的任意组合。

根据本发明的一具体实施方案，所述中段被屏蔽层包裹，屏蔽层包含至少两层材料，其中一层为金属屏蔽层，金属屏蔽层与中段之间存在绝缘层进行隔离；优选的，屏蔽层接传感器的零电位或其他固定电位，屏蔽层向传感器一端延伸并包裹所述封装管壳及封装盖。

根据本发明的一具体实施方案，所述封装电极为一个或多个，装配在同一个传感器芯片附近，实现多个方向电场的同时测量。

根据本发明的另一方面，提供一种应用以上所述的任意一种电极型电场传感器封装元件对待测电场区域进行监测的产品用途，其中，所述尾端位于待测电场区域，所述待测电场区域为大气中、真空中、带电溶液内、粉体内、油内、带电物体表面或者狭缝内。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明电极型电场传感器封装元件及其用途具有以下有益效果：

(1)有效避免传感器敏感芯片及封装管壳暴露在待测环境中，使传感器远离剧烈温度变化、高湿度等恶劣环境的影响，提升传感器的环境适应性；

(2)通过减小电极末端体积，传感器能够探测比芯片尺寸更狭小区间内的电场，扩大传感器的应用范围；

(3)通过增大电极末端体积，提高传感器的灵敏度，提升传感器检测微小电场的能力；

(4)通过改变电极方向，传感器可感应任意方向电场，提升传感器空间三维电场探测能力；

(5)通过该传感器封装元件，实现对电场传感器的高可靠性封装，提升电场传感器的探测能力及环境适应性。

附图说明

图1为根据本发明第一示例性实施例的电极型电场传感器封装元件的剖面示意图；

图2为根据本发明第二示例性实施例的电极型电场传感器封装元件的剖面示意图；

图3为根据本发明第三示例性实施例的电极型电场传感器封装元件的剖面示意图；

图4为根据本发明第四示例性实施例的电极型电场传感器封装元件的剖面示意图；

图5为根据本发明第五示例性实施例的电极型电场传感器封装元件的剖面示意图；

图6为根据本发明第六示例性实施例的电极型电场传感器封装元件的剖面示意图；

图7为根据本发明第七示例性实施例的电极型电场传感器封装元件的剖面示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-封装管壳；

2-电场传感器芯片；

3-引线；

4-封装盖；

5(a)、5(b)-封装电极；

6(a)-尖端探针、6(b)-平板探针；

7-屏蔽层；

8-传感器屏蔽罩。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种电极型电场传感器封装元件。该电极型电场传感器封装元件中，通过传感器封装电极的体积、形状变化，扩展了传感器探测能力、提高了传感器灵敏度、提升了传感器环境适应性，满足了实际应用需求。

在本发明中，根据与封装盖由近及远的关系封装电极分为首端、中段和尾端。其中，首端为与电场传感器芯片封装盖相接触部分，或为距离电场传感器芯片最近的部分；尾端为离封装盖最远的部分，中段为其余部分。

在本发明的第一示例性实施例中，提供了一种电极型电场传感器封装元件。请参照图1，该电极型电场传感器封装元件包括：封装管壳1；电场传感器芯片2，固定于所述封装管壳内；引线3，用于将传感器信号从管壳中引出；封装盖4，固定于封装管壳1的开口处，与封装管壳1共同形成内腔，以容纳电场传感器芯片2；封装电极5(a)，固定于封装盖外部，并向远离电场传感器芯片2的方向延伸一段距离。

以下分别对本实施例电场传感器封装元件的各个组成元件进行详细说明。

封装管壳1可以为金属管壳、陶瓷管壳、塑料管壳或其他类型管壳的任一种，在封装管壳1上应包含金属焊盘与信号通路，以便于电场传感器芯片2进行电气交互连接。根据不同的管壳类型，管壳上可以含有管脚、焊盘、芯片槽、通孔、接插件等元件。

电场传感器芯片2固定于封装管壳1中，并与封装管壳1的金属焊盘之间通过引线3进行连接并传输信号。固定电场传感器芯片2的方式有双面胶粘接、焊料键合或其他固定芯片方式中的任一种；引线3键合的方式包括金丝球焊、硅铝丝焊、倒装焊或其他键合方式中的任一种。

电场传感器芯片2是静电场传感器芯片或交流电场传感器芯片，包括采用微纳米加工技术制备而成的微机械结构芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片，或其他类型的敏感芯片。

封装盖4固定于所述封装管壳1的开口处，二者形成密闭空腔，以容纳电场传感器芯片2，提高电场传感器芯片2的环境适应性。

封装电极5(a)固定于封装管壳1及封装盖4形成的密闭腔外侧，与封装盖板直接接触。当封装电极5(a)的上端暴露于被测电场中，上端的表面会产生正比于被测电场的电荷信号，从而在探针下端产生等值相反的电荷信号。电场传感器芯片2测试到探针下端的电荷产生的电场后，即可反演出被测电场。封装电极5(a)的材料可以为金属、半导体等任意材料，不同材料对电场的响应灵敏度不同。

在本发明的第二示例性实施例中，提供了一种尖端电极型电场传感器封装元件。请参照图2，与第一个实施例相比，在封装电极5(a)上端增加了尖端探针6(a)，该尖端探针的直径小于等于被测物及被测缝隙尺寸，从而可以距离被测物更近，提升传感器的空间分辨率，提升传感器对狭小空间内电场的探测能力，避免附近带电体的干扰电场。尖端探针6(a)可选取与封装电极5(a)相同或不同的材料。

在本发明的第三示例性实施例中，提供了一种平板电极型电场传感器封装元件。请参照图3，与第一个实施例相比，在封装电极5(a)上端增加了平板探针6(b)，该平板探针的直径大于等于传感器芯片尺寸，从而可以在被测电场中收集更多的感应电荷，提升传感器的电场灵敏度、分辨率及探测能力。平板探针6(b)可选取与封装电极5(a)相同或不同的材料。

在本发明的第四示例性实施例中，提供了一种平板电极型电场传感器封装元件。请参照图4，与第三个实施例相比，封装电极5(a)的下端不与传感器封装盖4相连，二者之间留有一定空隙。封装电极5(a)及平板探针6(b)通过螺丝、胶粘等方式固定到传感器系统的其他部件上。封装电极上端感应电场后产生感应电荷，下端则有相反的感应电荷，探针下端与传感器芯片之间产生的电场大小正比于被测电场。

在本发明的第五示例性实施例中，提供了一种弯曲电极型电场传感器封装元件。请参照图5，与第一个实施例相比，封装电极5(b)较封装电极5(a)，变为任意弯曲的柔性形状。封装电极5(b)可根据具体测试需求进行弯曲，进而改变传感器的敏感方向，提升传感器对于空间三维电场的感知能力。

在本发明的第六示例性实施例中，提供了一种弯曲带屏蔽电极型电场传感器封装元件。请参照图6，与第五个实施例相比，封装电极5(b)周围包裹了屏蔽层7。屏蔽层包含至少两层材料，与封装电极5(b)接触的绝缘层，以及包裹绝缘层的接地金属层。通过增加屏蔽层7，可避免封装电极5(b)中部对外电场的感应，或避免接触等电荷传导对测试的影响，增加传感器探测的方向性与稳定性。

在本发明的第七个示例性实施例中，提供了一种带双屏蔽层的电极型电场传感器封装元件。请参照图7，与第六个实施例相比，在封装电极5(a)的末端增加了平板探针6(b)，在封装管壳1及封装盖4的外部增加了传感器屏蔽罩8。封装电极5(a)也可以用弯曲形的封装电极5(b)替代。传感器屏蔽罩8接传感器信号地，顶部预留孔，用于封装电极5(a)穿过并与封装盖4相连。

至此，已经结合附图对本发明电极型电场传感器封装元件进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电场传感器封装组件有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种电极型电场传感器封装元件，含有至少一个传感器封装管壳、电场传感器敏感芯片、电场传感器引线、传感器封装盖板、传感器封装电极，根据被测空间大小及对传感器灵敏度要求等情况，对传感器封装电极进行改进，可增加传感器封装电极末端、传感器封装电极屏蔽层、传感器屏蔽罩等。本发明由于采用电极型封装结构，可以避免传感器敏感芯片暴露在被测环境中，增强了传感器的环境适应性，提升了传感器系统测试狭小区间的能力，提升了传感器系统的灵敏度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电极型电场传感器封装元件，其特征在于包括：

封装管壳；

电场传感器芯片，固定于所述封装管壳内；

封装盖，覆盖所述管壳开口，形成内腔以容纳所述电场传感器芯片；以及

封装电极，位于封装盖背离内腔的一侧，根据与封装盖由近及远的关系封装电极分为首端、中段和尾端；所述中段的形状为弧形，或弧形与直线形二者的组合；

其中，所述中段被屏蔽层包裹。

2.根据权利要求1所述的电极型电场传感器封装元件，其特征在于，所述封装电极为金属材料和/或半导体材料。

3.根据权利要求1所述的电极型电场传感器封装元件，其特征在于，所述首端与封装盖直接相连；或者首端与封装盖之间存在预设距离，在该预设距离处电场传感器感应到封装电极首端发出的电场。

4.根据权利要求1所述的电极型电场传感器封装元件，其特征在于，所述尾端尺寸小于等于待测物、电场传感器芯片或待测物附近空隙。

5.根据权利要求1所述的电极型电场传感器封装元件，其特征在于，所述尾端还连接导体，导体尺寸大于等于待测物或电场传感器芯片。

6.根据权利要求5所述的电极型电场传感器封装元件，其特征在于，所述导体形状为圆形板、方形板或球体。

7.根据权利要求1所述的电极型电场传感器封装元件，其特征在于，屏蔽层包含至少两层材料，其中一层为金属屏蔽层，金属屏蔽层与中段之间存在绝缘层进行隔离；屏蔽层接传感器的固定电位，屏蔽层向传感器一端延伸并包裹所述封装管壳及封装盖。

8.根据权利要求1所述的电极型电场传感器封装元件，其特征在于，所述封装电极为一个或多个，装配在同一个传感器芯片附近，实现多个方向电场的同时测量。

9.应用权利要求1-8任意一项所述的电极型电场传感器封装元件对待测电场区域进行监测的方法，其中，所述尾端位于待测电场区域，所述待测电场区域为大气中、真空中、带电溶液内、粉体内、油内、带电物体表面或者狭缝内。