CN113253002A - 一种用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，包括：电场敏感单元，用于感知被测电场强度，并将其转化为能够解调的电信号；敏感芯片封装，包覆在电场敏感单元外部，用于保护电场敏感单元，且不屏蔽被测电场；测试电路，用于为电场敏感单元提供驱动电压，并解调其输出信号；离子化壳体，包覆在敏感芯片封装外部，用于防护电场敏感单元及敏感芯片封装，避免敏感芯片封装附近沉积电荷；离子化电极，用于接受沉积电荷，并利用沉积电荷进行测量。本发明提出的封装结构能够克服沉积电荷对测试的干扰，增大了测试灵敏度，实现在离子化空气环境中对于电场的准确测量，提升环境适应性能力。
Description
技术领域
本发明涉及电场监测及静电测量技术领域，特别涉及一种用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构。
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；在电子及石化领域，人体、设备、油气等静电荷积累到一定程度后容易引发放电，造成设备损伤、火灾、爆炸等严重的事故，通过监测电场，评估静电高危区域带电情况，为电子及石化领域安全生产提供必要参数。
在这些应用领域中，有时会遇到离子化空气环境，当电荷沉积在电场传感器敏感单元上，造成了测量误差。例如，强电场及高电压可能引发空气电离，形成离子化的被测环境。在电子、半导体等领域中，通过离子风机、软X射线仪使气体电离，电离后的气体可用于中和带静电的物质，也由此产生了离子化空气环境。如何在离子化空气环境中实现电场或静电的准确测量一直是这一领域的难题。
传统的场磨式、振动电容式等电场传感器通过调制感应电荷为交变信号实现测量，然而在离子化空气环境中，沉积电荷产生的附加电流对感应电荷量造成了干扰。此外，由于包含裸露的可动部件，这两种传感器均存在组装复杂、机械结构易损坏等问题。传统的光学式电场传感器利用Pockels效应、Kerr效应等进行检测，当电荷沉积到光学敏感晶体表面时，产生了附加电场，也对测量产生影响。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，具有重要的科研及产业价值。
申请人技术团队曾提出“基于高阻材料的电场传感器封装元件CN 103633036 B”，“电极型电场传感器封装元件及其用途CN 106124870 B”，“一种灵敏度增强型电场传感器的封装盖板及封装方法CN 106672890 B” 等发明专利，提出了一系列封装结构，解决了电场传感器的敏感单元裸露易损坏、灵敏度不足等难题。然而，前期的敏感芯片封装结构在离子化空气环境中，也可能受沉积电荷影响，造成测试误差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，利用在封装结构表面沉积电荷的电场进行电场测量，避免电荷对电场敏感单元的影响，无裸露可动部件，使用便捷，可靠性高。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，包括：
电场敏感单元，用于感知被测电场强度，并将被测电场强度转化为能够解调的电信号；
敏感芯片封装，包覆在所述电场敏感单元外部，用于保护所述电场敏感单元，且不屏蔽被测电场；
测试电路，用于为所述电场敏感单元提供驱动电压，并解调其输出信号；
离子化壳体，包覆在所述敏感芯片封装外部，用于防护所述电场敏感单元及所述敏感芯片封装，避免所述敏感芯片封装附近沉积电荷；
离子化电极，用于接受沉积电荷，并利用沉积电荷进行测量。
优选地，所述电场敏感单元为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敏感芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片中的任意一种或多种。
优选地，所述离子化壳体为全部包覆式离子化壳体或局部包覆式离子化壳体；所述全部包覆式离子化壳体将所述电场敏感单元、所述敏感芯片封装及所述测试电路完全密封在壳体内部；所述局部包覆式离子化壳体通过与所述测试电路紧密配合，形成局部的密封壳体，将所述电场敏感单元及所述敏感芯片封装密封在壳体内部。
优选地，所述离子化壳体采用绝缘材料，所述绝缘材料为塑料或陶瓷。
优选地，所述离子化壳体的形状为中空的圆柱体、半球体或正方体中的任意一种，用于阻挡环境中的离子化空气进入壳体。
优选地，所述离子化壳体上设置有用于固定所述电场敏感单元的探头的定位孔，以及用于供电及通讯的接口。
优选地，所述离子化电极为金属或防静电材料，覆盖于所述离子化壳体表面并与电路地及大地绝缘，离子沉积在所述离子化电极上，从而在所述离子化壳体内部产生电场。
优选地，所述离子化电极位于所述电场敏感单元的探头的敏感面方向，且与所述电场敏感单元平行。
优选地，所述离子化电极通过胶粘、螺纹固定、螺丝固定或者卡扣固定的方式贴合在所述离子化壳体的表面。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
（1）通过外部封装结构设计，避免离子沉积到电场敏感单元及敏感芯片封装表面，增强环境适应性。
（2）该结构利用沉积电荷进行测量，与原有测量方法相比，灵敏度显著提升。
（3）若基于电场法进行非接触式表面电位测量，则电荷沉积量受被测距离变化影响小，即克服了距离变化对测量结果的影响，更加适用于复杂结构下的表面静电压测量应用，呈现出新的测试机理。
（4）无需改变原有电场传感器结构，只在外部进行结构改进，易于实施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种用于离子化空气中的全部包覆式电场敏感单元封装结构具体实施例示意图；
图2是本发明实施例提供的一种用于离子化空气中的局部包覆式电场敏感单元封装结构具体实施例示意图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，具体包括：
电场敏感单元，用于感知被测电场强度，并将被测电场强度转化为能够解调的电信号；
敏感芯片封装，包覆在所述电场敏感单元外部，用于保护所述电场敏感单元，且不屏蔽被测电场；
测试电路，用于为所述电场敏感单元提供驱动电压，并解调其输出信号；
离子化壳体，包覆在所述敏感芯片封装外部，用于防护所述电场敏感单元及所述敏感芯片封装，避免所述敏感芯片封装附近沉积电荷；
离子化电极，用于接受沉积电荷，并利用沉积电荷进行测量。
其中，所述电场敏感单元为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敏感芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片或其他类型的敏感芯片。
进一步地，所述离子化壳体为全部包覆式离子化壳体或局部包覆式离子化壳体；所述全部包覆式离子化壳体将所述电场敏感单元、所述敏感芯片封装及所述测试电路完全密封在壳体内部；所述局部包覆式离子化壳体通过与所述测试电路紧密配合，形成局部的密封壳体，将所述电场敏感单元及所述敏感芯片封装密封在壳体内部。
作为本发明的第一种具体实施方式，如图1所示，为全部包覆式电场敏感单元封装结构示意图。该封装结构具体包括：
电场敏感单元1，用于感知被测电场强度，将被测电场强度转换为易在电路中处理的电信号。敏感芯片封装2，用于为电场敏感单元1提供机械保护，同时使被测电场通过。测试电路3，用于为电场敏感单元1提供驱动电压，例如，当采用谐振式微型电场传感器时提供的是交变电压，同时，将电场敏感单元1的输出信号进行电流/电压转换、放大、滤波、模数转换及幅值提取等。全包覆式离子化壳体4，将电场敏感单元1、敏感芯片封装2及测试电路3完全密封在壳体内部，从而避免外界离子化的空气进入腔体内部。
全部包覆式离子化壳体4中还包括用于固定电场敏感单元1的探头的定位孔，以及用于供电及信号通讯的接口等。该壳体为绝缘材料，可采用机械加工、注塑、3D打印、灌胶等工艺来实现。全部包覆式离子化电极5为金属或防静电材料，位于整个探头的敏感面方向，一般与电场敏感单元1平行，可通过胶粘、螺纹固定、螺丝固定、卡扣固定等方式贴合在全部包覆式离子化壳体4的表面，与电路地及大地绝缘并形成一个悬浮电势的固体，避免沉积在全部包覆式离子化电极5上的电荷导通流入大地而造成屏蔽。
全部包覆式离子化离子化电极5可如图1所示在全部包覆式离子化壳体4的厚度方向上有所延伸，也可以不延伸只与全部包覆式离子化壳体4的侧壁齐平。当位于被测电场环境中，带电离子受电场力作用运动而沉积在全部包覆式离子化电极5上，由于全部包覆式离子化壳体4的侧面与离子运动方向平行，电荷不容易在该侧面沉积，影响可以忽略。
作为本发明的第二种具体实施方式，如图2所示，为局部包覆式电场敏感单元封装结构示意图。与第一种实施方式不同的是，局部包覆式离子化壳体6和局部包覆式离子化电极7为局部包覆方式，通过与测试电路3紧密配合，形成局部的密封壳体，只对电场敏感单元1及敏感芯片封装2进行保护。此时，测试电路3应有其他的金属屏蔽或防静电灌封等措施，避免静电沉积而发生局部放电，造成电子元件损坏。
综上所述，本发明的实施例中，为了满足在离子化空气中应用的需求，提出了一种新型的电场敏感单元封装结构，通过在原有电场敏感单元外部设置离子化壳体及离子化电极，使被测环境的静电荷沉积到外部的离子化电极上。当电荷沉积到达稳定时，离子化电极的外部电场为零，不再有离子发生移动，此时，离子化电极上沉积的电荷量与被测电场成正比。在离子化壳体内部的电场等于原被测电场与沉积电荷的电场之和，这一电场与仅有被测电场相比显著增大，即电场敏感单元感测更大电场从而有更高的灵敏度。该结构克服了离子化环境中电荷沉积的影响，并且使电场敏感单元在这一环境中具备更优的探测能力。
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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，包括：
电场敏感单元，用于感知被测电场强度，并将被测电场强度转化为能够解调的电信号；
敏感芯片封装，包覆在所述电场敏感单元外部，用于保护所述电场敏感单元，且不屏蔽被测电场；
测试电路，用于为所述电场敏感单元提供驱动电压，并解调其输出信号；
离子化壳体，包覆在所述敏感芯片封装外部，用于防护所述电场敏感单元及所述敏感芯片封装，避免所述敏感芯片封装附近沉积电荷；
离子化电极，用于接受沉积电荷，并利用沉积电荷进行测量。
2.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述电场敏感单元为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敏感芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述离子化壳体为全部包覆式离子化壳体或局部包覆式离子化壳体；所述全部包覆式离子化壳体将所述电场敏感单元、所述敏感芯片封装及所述测试电路完全密封在壳体内部；所述局部包覆式离子化壳体通过与所述测试电路紧密配合，形成局部的密封壳体，将所述电场敏感单元及所述敏感芯片封装密封在壳体内部。
4.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述离子化壳体采用绝缘材料，所述绝缘材料为塑料或陶瓷。
5.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述离子化壳体的形状为中空的圆柱体、半球体或正方体中的任意一种，用于阻挡环境中的离子化空气进入壳体。
6.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述离子化壳体上设置有用于固定所述电场敏感单元的探头的定位孔，以及用于供电及通讯的接口。
7.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述离子化电极为金属或防静电材料，覆盖于所述离子化壳体表面并与电路地及大地绝缘，离子沉积在所述离子化电极上，从而在所述离子化壳体内部产生电场。
8.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述离子化电极位于所述电场敏感单元的探头的敏感面方向，且与所述电场敏感单元平行。
9.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的电场敏感单元封装结构，其特征在于，所述离子化电极通过胶粘、螺纹固定、螺丝固定或者卡扣固定的方式贴合在所述离子化壳体的表面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20230928 Address after: 100083 No. 30, Haidian District, Beijing, Xueyuan Road Patentee after: BEIJING TFLYING TRANSDUCER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100083 No. 30, Haidian District, Beijing, Xueyuan Road Patentee before: University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY BEIJING |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
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