CN108931692A - 球载式mems探空电场传感器及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种球载式MEMS探空电场传感器，包括：保温罩，内部形成一空腔，用于提供一容纳空间，并且该保温罩具有一开口；MEMS电场传感器敏感芯片，设于所述保温罩所述容纳空间内；感应探头，其一端固定连接在所述保温罩内的所述传感器敏感芯片上，另一端经所述保温罩的开口延伸至所述保温罩的外部。本发明还提供了一种球载式MEMS探空电场传感器集成系统以及一种球载式MEMS探空电场传感器的标定方法。本发明球载式MEMS探空电场传感器、MEMS探空电场传感器集成系统及标定方法，使用便捷，可避免受到低温、高湿度、降水等恶劣环境的影响，具有更高的灵敏度及稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及空中电场监测技术领域，尤其涉及一种球载式MEMS探空电场传感器及其标定方法。
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。然而，电场检测离不开对电场传感器的基础研究工作。
随着电场检测技术的发展，电场传感器朝体积小、集成化、批量化的方向发展，尤其是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。然而，在进行空中电场测试时，传感器需面临低温、高湿、低气压、降水等多种恶劣环境的影响，探空电场传感器的结构设计及对应结构的标定方法尤为重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决或者至少部分缓解上述技术问题，本发明提供了一种球载式MEMS探空电场传感器及其标定方法。本发明球载式MEMS探空电场传感器及其标定方法，使用便捷，可避免受到低温、高湿度、降水等恶劣环境的影响，具有更高的灵敏度及稳定性。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种球载式MEMS探空电场传感器，包括：保温罩，内部形成一空腔，用于提供一容纳空间；并且该保温罩具有一开口；MEMS电场传感器敏感芯片，设于所述保温罩所述容纳空间内；感应探头，其一端固定连接在所述保温罩内的所述传感器敏感芯片上，另一端经所述保温罩的开口延伸至所述保温罩的外部。
在本发明的一些实施例中，所述感应探头从所述保温罩内部向外延伸预设长度，其位于所述保温罩之外的一端部的形状为球体、倒角圆柱体或倒角正方体。
在本发明的一些实施例中，在所述开口处的所述感应探头与保温罩之间设有绝缘隔离层，绝缘隔离层电阻率不小于108Ωcm。
在本发明的一些实施例中，所述保温罩为防静电保温罩，该防静电保温罩通过在泡沫或塑料外表面涂覆、包裹金属材料或防静电材料形成。
在本发明的一些实施例中，还包括：信号处理单元，位于所述保温罩之内，用于为敏感芯片提供工作的驱动信号，及处理敏感芯片的输出信号；电源，包括干电池或干电池组，固定于所述保温罩内部；以及加热单元，用于对MEMS电场传感器敏感芯片及信号处理单元进行辅助供热。
根据本发明的另一个方面，提供了一种MEMS探空电场传感器集成系统，包括所述的球载式MEMS探空电场传感器，还包括探空仪电路及天线，该探空仪电路设于所述保温罩内，该天线从保温罩内部穿出。
在本发明的一些实施例中，所述MEMS探空电场传感器的信号处理单元通过有线或无线方式将电场信号输出至探空仪。
根据本发明的另一个方面，提供了一种球载式MEMS探空电场传感器的标定方法，包括以下步骤：获取MEMS探空电场传感器在平行板电场中的灵敏度k1；获取在匀强电场大气环境条件下MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2；根据获取的所述灵敏度k1与比率k2得到MEMS探空电场传感器的最终出厂灵敏度k，其中，k＝k1×k2。
在本发明的一些实施例中，获取MEMS探空电场传感器在平行板电场中的灵敏度k1包括：将传感器敏感探头放置于一对平行板产生的电场中，探头与低压极板齐平，施加不同的电场强度，读取传感器的输出值，通过线性拟合得到传感器的灵敏度k1。
在本发明的一些实施例中，获取在匀强电场大气环境条件下MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2包括：将MEMS探空电场传感器通过系留探空气球或无人机方式悬浮于空中，在匀强电场大气环境条件下，对比MEMS探空电场传感器的输出与地面标准电场仪的输出，得到MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明球载式MEMS探空电场传感器及其标定方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过将MEMS电场传感器敏感芯片置于保温材料结构内部，避免传感器受低温、高湿度、降水等恶劣环境的影响，有效提升MEMS电场传感器在高空低温、高湿度、降水、离子流等恶劣条件下的环境适应性。
(2)通过防静电保温材料结构，避免传感器静电荷积累的影响。
(3)在所述开口处的所述感应探头与保温罩之间设有绝缘隔离层即可避免感应探头上的感应电荷衰减，保证探空电场传感器的性能。
(4)球载式MEMS探空电场传感器无需水泡电池，可直接采用干电池，无需打开传感器内部，提升了传感器使用便捷性。
(5)通过探头结构，探头向外延伸，将探头的感应电荷引导到传感器敏感芯片表面，避免传感器敏感芯片外露，提升传感器的准确性及稳定性。感应探头末端设为球体，增大了感应探头的感应面积，提升了传感器的灵敏度。
(6)采用加热单元，实现对敏感芯片的保温，降低使用过程中敏感芯片附近的温度变化区间，从而降低温度漂移。
(7)采用本发明探空电场传感器标定方法，有效克服了传统标定方法忽略传感器自身结构造成电场畸变这一难题，提升了传感器的测量准确性。
附图说明
图1为根据本发明实施例球载式MEMS探空电场传感器的剖面示意图。
图2为根据本发明实施例球载式MEMS探空电场传感器集成系统的剖面示意图。
图3为根据本发明实施例球载式MEMS探空电场传感器标定方法流程图。
<符号说明>
1-MEMS电场传感器敏感芯片，2-信号处理单元，3-感应探头，O-感应探头末端，4-电源，5-加热单元，6-保温罩，7-绝缘隔离层，8-探空仪电路及天线。
具体实施方式
电场传感器是静电场传感器或交流电场传感器，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。通常电场传感器的使用需要封装管壳进行安置。
为了满足空中电场探测需求，本发明提出一种基于感应探头结构的探空电场传感器，避免MEMS电场传感器敏感芯片及信号处理电路受恶劣环境影响，同时保证了电场探测的可实施性。由于该结构传感器自身也会造成电场畸变，仅对传感器敏感芯片进行标定无法准确反演被测电场，本发明提出对应于该结构的传感器标定方法，通过结合被测环境进行标定，保证测试的准确性。
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，对本发明作进一步的详细说明。
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。
在本发明的一具体实施例中，提供了一种球载式MEMS探空电场传感器。请参照图1，球载式MEMS探空电场传感器包括：
保温罩6，内部形成一空腔，用于提供一容纳空间；并且该保温罩具有一开口；
MEMS电场传感器敏感芯片1，设于所述保温罩所述容纳空间内；
感应探头3，其一端固定连接在所述保温罩内的所述传感器敏感芯片上，另一端经所述保温罩的开口延伸至所述保温罩的外部。
进一步的，所述球载式MEMS探空电场传感器，还包括：
信号处理单元2，位于所述保温罩之内，用于给敏感芯片提供工作的驱动信号，同时将敏感芯片的输出信号进行放大、AD采样、信号处理、信号输出等。根据不同的封装类型，敏感芯片封装可通过焊接、接插件等方式刚性固定于信号处理单元上。
电源4，固定于保温罩6内部，可以为水泡电池或干电池。优选地，选取干电池或干电池组，以提升传感器使用的便捷性。电源4与信号处理单元2各自带有电源接头，电源接头可放置于防静电保温罩6内部，也可以同时悬空在防静电保温罩6外部，使用时将两个接头对插实现供电。
加热单元5，用于对MEMS电场传感器敏感芯片1及信号处理单元2进行辅助供热。优选地，可将加热单元5贴装在敏感芯片1附近，实现对敏感芯片1的保温，降低使用过程中敏感芯片1附近的温度变化区间，从而降低温度漂移。
绝缘隔离层7，以在保温罩6与感应探头3之间嵌入绝缘隔离层7为佳，以避免感应探头上的感应电荷衰减。绝缘隔离层7主要包裹感应探头位于所述保温罩之内的部分即可，可以适当外露，但无需过长。
具体的，所述MEMS电场传感器敏感芯片1为封装后的传感器微芯片。电场传感器敏感芯片是静电场传感器或交流电场传感器敏感芯片，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。
为避免微芯片受保温罩内部参与静电荷的影响，可采用金属屏蔽盖对封装后的芯片进行包裹保护。金属屏蔽盖接电池低压端，可通过焊接、胶粘、螺丝等方式固定于微芯片的基板上。
所述感应探头3从所述保温罩内部向外延伸预设长度，其位于所述保温罩之外的一端部的形状为球体、倒角圆柱体或倒角正方体(即圆柱体或正方体的直角进行适当的倒角处理)。所述感应探头固定在MEMS电场传感器敏感芯片1封装的表面，可通过焊接、胶粘、螺丝等方式固定。若敏感芯片采用金属屏蔽盖保护，可在金属屏蔽盖侧面开孔，从而将感应探头穿出。感应探头与接地金属屏蔽盖之间可采用绝缘材料隔离，避免感应探头上的感应电荷被短路。
优选地，可采用屏蔽线穿入屏蔽盖中，屏蔽线的内芯连接封装盖上表面。感应探头可以采用细金属线或半导体线，以减轻系统重量，在感应探头末端O连接球体，以增大感应探头的感应面积，提升传感器的灵敏度。感应探头末端O可以采用与感应探头3的材料相同或不同的金属/半导体材料形成。
更具体而言，所述保温罩6优选为防静电保温罩，防静电保温罩6用于对内部的MEMS电场传感器敏感芯片1、信号处理单元2、电源4进行保温，同时也起到隔绝湿度的作用。防静电保温罩6与感应探头3之间嵌入绝缘隔离层7，避免感应探头上的感应电荷衰减。
优选地，可采用泡沫塑料形成保温罩进行保温，在泡沫塑料外表面再包覆一层包装盒，包装盒外表面为金属导电材料或防静电材料。也可以在泡沫或包装盒外部喷涂导电漆或防静电漆。
在本发明的另一具体实施例中，提供了一种MEMS探空电场传感器集成系统。请参照图2，与前述具体实施例相比，在球载式MEMS探空电场传感器上集成了探空仪，具体的在保温罩6内部增加了探空仪的相关电路及天线8及其他模块，其中该探空仪电路设于保温罩内，天线从保温罩6内部穿出。采用这种集成方案有利于减小整个探空系统的体积，同时利用探空仪自身电路发热给系统保温，降低系统的总功耗；本实施例MEMS探空电场传感器集成系统所包括的MEMS探空电场传感器结构可与前述具体实施例提供的MEMS探空电场传感器相同。
其中，MEMS电场探空传感器的信号处理单元通过有线或无线方式将电场信号输出至探空仪，优选地，选取无线方式与探空仪进行通讯。当选取有线方式时，信号处理单元的输出信号通过线缆接入探空仪。当选取无线方式时，信号处理单元可包括蓝牙模块、400MHz等无线传输模块，将传感器的输出信号无线发送到探空仪，相应的，探空仪中包含有对应的无线同步收发模块。
本领域技术人员可以理解的是，所述探空仪电路也可采用其他防静电保温罩包覆，探空仪信号发射天线末端进行倒角处理，从而避免尖端放电，从而造成整个探测系统的自身电位升高，影响电场测试准确性。
在本发明的另一具体实施例中，还提供了一种球载式MEMS探空电场传感器标定方法。请参照图3，包括：
S1、获取MEMS探空电场传感器在平行板电场中的灵敏度k1。具体的，可将传感器敏感探头放置于一对平行板产生的电场中，探头与低压极板齐平，施加不同的电场强度，读取传感器的输出值，通过线性拟合得到传感器的灵敏度k1。
S2、获取在匀强电场大气环境条件下MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2。
具体的，可将MEMS探空电场传感器通过系留探空气球、无人机等方式悬浮于空中，在近似匀强电场大气环境条件下，对比MEMS探空电场传感器的输出与地面标准电场仪的输出，得到MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2。
S3、根据步骤S1获取的所述灵敏度k1与步骤S2获取的比率k2得到MEMS探空电场传感器的最终出厂灵敏度k，其中，k＝k1×k2。式中，k2与传感器的结构、形状、尺寸相关，同一类传感器只需标定一次。
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 (10)
1.一种球载式MEMS探空电场传感器，包括：
保温罩，内部形成一空腔，用于提供一容纳空间；并且该保温罩具有一开口；
MEMS电场传感器敏感芯片，设于所述保温罩所述容纳空间内；
感应探头，其一端固定连接在所述保温罩内的所述传感器敏感芯片上，另一端经所述保温罩的开口延伸至所述保温罩的外部。
2.根据权利要求1所述的球载式MEMS探空电场传感器，其中，所述感应探头从所述保温罩内部向外延伸预设长度，其位于所述保温罩之外的一端部的形状为球体、倒角圆柱体或倒角正方体。
3.根据权利要求1所述的球载式MEMS探空电场传感器，其中，在所述开口处的所述感应探头与保温罩之间设有绝缘隔离层，绝缘隔离层电阻率不小于108Ωcm。
4.根据权利要求1所述的球载式MEMS探空电场传感器，其中，所述保温罩为防静电保温罩，该防静电保温罩通过在泡沫或塑料外表面涂覆、包裹金属材料或防静电材料形成。
5.根据权利要求1所述的球载式MEMS探空电场传感器，还包括：
信号处理单元，位于所述保温罩之内，用于为敏感芯片提供工作的驱动信号，及处理敏感芯片的输出信号；
电源，包括干电池或干电池组，固定于所述保温罩内部；以及
加热单元，用于对MEMS电场传感器敏感芯片及信号处理单元进行辅助供热。
6.一种MEMS探空电场传感器集成系统，包括如权利要求1至5中任一项所述的球载式MEMS探空电场传感器，还包括探空仪电路及天线，该探空仪电路设于所述保温罩内，该天线从保温罩内部穿出。
7.根据权利要求6所述的MEMS探空电场传感器集成系统，其中，所述MEMS探空电场传感器的信号处理单元通过有线或无线方式将电场信号输出至探空仪。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的球载式MEMS探空电场传感器的标定方法，包括以下步骤：
获取MEMS探空电场传感器在平行板电场中的灵敏度k1；
获取在匀强电场大气环境条件下MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2；
根据获取的所述灵敏度k1与比率k2得到MEMS探空电场传感器的最终出厂灵敏度k，其中，k＝k1×k2。
9.根据权利要求8所述的标定方法，其中，获取MEMS探空电场传感器在平行板电场中的灵敏度k1包括：将传感器敏感探头放置于一对平行板产生的电场中，探头与低压极板齐平，施加不同的电场强度，读取传感器的输出值，通过线性拟合得到传感器的灵敏度k1。
10.根据权利要求9所述的标定方法，其中，获取在匀强电场大气环境条件下MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2包括：将MEMS探空电场传感器通过系留探空气球或无人机方式悬浮于空中，在匀强电场大气环境条件下，对比MEMS探空电场传感器的输出与地面标准电场仪的输出，得到MEMS探空电场传感器测试电场值与地面标准电场仪测试值的比率k2。
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