CN114384334B - 一种无线传输的静电场在线监测装置及无线监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种无线传输的静电场在线监测装置及无线监控系统，无线监控系统包括静电场在线监测装置和监控端，静电场在线监测装置与监控端无线连接，所述静电场在线监测装置包括一壳体，所述壳体内的电路板上设有静电场检测传感器、信号处理模块和数据发送器；所述静电场检测传感器检测测量点的电场强度、根据表面波振动的机械信号转变成对应的电信号，信号处理模块对电信号进行滤波后计算出检测点的电场强度，数据发送器将所述电场强度无线传输至监控端。由于静电场在线监测装置与监控端之间无线连接，与有线连接相比，没有布线的限制，静电场在线监测装置可随意移动至任何所需的位置，移动方便，灵活性更强。

Description

一种无线传输的静电场在线监测装置及无线监控系统

技术领域

本发明涉及静电监测技术领域，尤其涉及一种无线传输的静电场在线监测装置及无线监控系统。

背景技术

随着半导体技术的不断发展以及智能设备的普及，半导体芯片的集成度及数量的需求也在日益增长。在半导体芯片的生产过程中，微量的静电场的存在不仅会让灰尘容易吸附在半导体集成电路及元件上，半导体生产设备工作时容易出现误差和干扰，并且静电放电会引起半导体芯片集成电路的损坏，大大降低了成品率。

目前，半导体芯片生产厂家大多使用静电检测仪对半导体生产设备进行在线检测；但是，传统的有线传输式静电检测仪器，静电检测的测量点位分布较少，若增设检测点则对应增加成本，由于此种方式布线和维护成本高，也不利于工厂搬迁，不方便移动导致使用的灵活性较差，扩展性差。此外，传统的静电场检测传感器的检测精度差，检测结果不准确。

发明内容

针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种无线传输的静电场在线监测装置及无线监控系统，以解决现有有线传输式静电检测仪器不方便移动的问题。

本发明实施例提供一种无线传输的静电场在线监测装置，其与监控端无线连接，所述静电场在线监测装置包括一壳体，所述壳体内的电路板上设有静电场检测传感器、信号处理模块和数据发送器；

所述静电场检测传感器检测测量点的电场强度、根据表面波振动的机械信号转变成对应的电信号，信号处理模块对电信号进行滤波后计算出检测点的电场强度，数据发送器将所述电场强度无线传输至监控端。

可选地，所述的无线传输的静电场在线监测装置中，所述信号处理模块包括逆变器、低通滤波器和控制器；

所述逆变器将输入的直流电源转换为交变电流信号并传输给静电场检测传感器和控制器；

所述低通滤波器对静电场检测传感器输出的电信号进行低通滤波后传输给控制器；

所述控制器对低通滤波后的电信号进行模数转换后，根据电信号的截止频率进行数字滤波，根据数字滤波后的电信号和逆变器输出的交变电流信号进行检波运算，得出检测点的电场强度的数值，将电场强度的数值传输至数据发送器。

可选地，所述的无线传输的静电场在线监测装置中，所述静电场检测传感器包括上封装层、下封装层和传感器件；所述传感器件设置在上封装层与下封装层之间，上封装层和下封装层对传感器件的感应部进行封装，传感器件的探测部露出。

可选地，所述的无线传输的静电场在线监测装置中，所述传感器件包括极化电极组、探测电极组、第一绝缘层、第二绝缘层和压电陶瓷层；所述第二绝缘层设置在压电陶瓷层的上方，第二绝缘层上设有与极化电极组和探测电极组中各个金属电极的尺寸适配的若干个镂空槽，极化电极组和探测电极组中的各个金属电极放在对应的镂空槽中，第一绝缘层覆盖在极化电极组和探测电极组的上方并与第二绝缘层对齐。

可选地，所述的无线传输的静电场在线监测装置中，所述极化电极组以及上下对应的绝缘层部分组成传感器件的感应部；

所述极化电极组包括5个交叉排列的金属电极；位于正中间的金属电极和位于两边的2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第一导线；剩余2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第二导线；剩余2个金属电极的另一端位于正中间的金属电极的中部；第一导线和第二导线上的接入端口连接逆变器。

可选地，所述的无线传输的静电场在线监测装置中，所述探测电极组以及上下对应的绝缘层部分组成传感器件的感应部；

所述探测电极组包括5个交叉排列的金属电极；位于正中间的金属电极和位于两边的2个金属电极组成静电场检测传感器的探头，3个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第三导线；剩余2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第四导线；剩余2个金属电极的另一端位于正中间的金属电极的中部；第三导线和第四导线上的输出端口连接控制器。

可选地，所述的无线传输的静电场在线监测装置中，所述上封装层的面积是下封装层的一半。

可选地，所述的无线传输的静电场在线监测装置中，所述控制器为一高数位控制器。

本发明实施例第二方面提供了一种无线监控系统，包括监控端和所述的无线传输的静电场在线监测装置；

所述静电场在线监测装置检测测量点的电场强度并无线传输至监控端，监控端接收电场强度并进行整合展示。

本发明实施例提供的技术方案中，无线监控系统包括静电场在线监测装置和监控端，静电场在线监测装置与监控端无线连接，所述静电场在线监测装置包括一壳体，所述壳体内的电路板上设有静电场检测传感器、信号处理模块和数据发送器；所述静电场检测传感器检测测量点的电场强度、根据表面波振动的机械信号转变成对应的电信号，信号处理模块对电信号进行滤波后计算出检测点的电场强度，数据发送器将所述电场强度无线传输至监控端。由于静电场在线监测装置与监控端之间无线连接，与有线连接相比，没有布线的限制，静电场在线监测装置可随意移动至任何所需的位置，移动方便，灵活性更强。

附图说明

图1为本发明实施例中无线监控系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中静电场检测传感器的结构示意图。

图3为本发明实施例中传感器件的爆炸图。

图4为本发明实施例中静电场检测传感器置于电场中输出波形的变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的无线监控系统主要用于电场强度的监测，其包括无线传输的静电场在线监测装置和监控端；所述静电场在线监测装置检测测量点的电场强度并无线传输至监控端，监控端接收电场强度并进行整合展示，从而实现静电场的实时在线监控功能。所述监控端可为手机、平板电脑、台式机等终端设备。

所述无线传输的静电场在线监测装置包括一壳体，所述壳体内的电路板上设有静电场检测传感器100、信号处理模块200和数据发送器300；所述静电场检测传感器100检测测量点的电场强度、根据表面波振动的机械信号转变成对应的电信号，信号处理模块200对电信号进行滤波后计算出检测点的电场强度，数据发送器300(可采用Wi-Fi方式与监控端无线通信)将所述电场强度无线传输至监控端。

由于静电场在线监测装置与监控端之间无线连接，与有线连接相比，没有布线的限制，静电场在线监测装置可随意移动至任何所需的位置，移动方便，灵活性更强。

所述信号处理模块200包括逆变器210、低通滤波器220和控制器230，逆变器210连接静电场检测传感器100和控制器230，所述低通滤波器220连接静电场检测传感器100和控制器230，所述控制器230连接数据发送器300。所述逆变器210将输入的直流电源转换为交变电流信号并传输给静电场检测传感器100和控制器230；所述低通滤波器220对静电场检测传感器100输出的电信号(一种交变电流衰减信号，没有经过信号放大处理)进行低通滤波处理后，与逆变器210输出的交变电流信号分别传输至控制器230内的模/数变换器将模拟的电信号转变为数字的电信号，且进行数字滤波后再进行检波差值运算，通过正压电效应计算得出检测点的电场强度的数值。控制器230为一高数位控制器且由直流电源供电。运算时会根据用户需求不同而进行修改，本实施例中，先是控制器230获得低通滤波后的电信号，由控制器230内的模/数变换器将模拟的电信号转变为数字的电信号，再由控制器230内的数字滤波器根据截止频率算法计算出数字信号的截止频率(Cut-off frequency)、并将该截止频率的数值运用于控制器230内含的数字滤波器中，数字滤波器根据该截止频率对数字信号进行数字滤波；最后由检波器比较所述数字滤波后的电信号(由静电场影响后的经过处理的电信号)与输入的交变电流信号(由逆变器210直接输出)的差值，即减法运算，可得出变化量；再通过数据及已写入控制器中的静电场的电场强度与数字信号变化量的拟合关系式，从而获得电场强度的数值。控制器230中的检波器将计算出的电场强度的数值传输至数据发送器300。需要理解的是，模/数变换器、数字滤波器和检波器均是控制器内预先编写的数据处理代码，此处根据功能进行模块划分，对应实现电信号的接收和模数转换、数字滤波、计算电场强度并输出的功能。

请一并参阅图2和图3，本实施例中，所述静电场检测传感器100是超小型的可搭载于半导体基板减薄、半导体芯片生产设备的静电场检测传感器，其包括一上封装层1、下封装层2和传感器件3；所述传感器件3设置在上封装层1与下封装层2之间，上封装层1和下封装层2对传感器件3的感应部进行封装，传感器件3的探测部露出。

通过封装层的封装，将静电场检测传感器制成芯片的形式，即可实现静电场检测传感器的小型化设计，大大缩小了静电场检测传感器的体积。还能解决了传统静电场检测传感器由于受线程制约或者体积过大无法适用于铁电体基板减薄设备及半导体芯片生产设备的问题。

所述上封装层1与下封装层2的尺寸不同，本实施例上封装层1的面积是下封装层2的一半，这样上封装层1和下封装层2将传感器件2的感应部封装后，使感应部呈包裹状态，传感器件2的探测部没有被上封装层1包裹而裸露出来。所述上封装层1和下封装层2采用类似IC封装工艺来进行封装，被上下封装层包裹住的感应部就不会受到外界电场的影响。

所述传感器件3包括极化电极组31、探测电极组32、第一绝缘层33、第二绝缘层34和压电陶瓷层35；所述第二绝缘层34设置在压电陶瓷层35的上方，第二绝缘层34上设有与极化电极组31和探测电极组32中各个金属电极的尺寸适配的若干个镂空槽36，极化电极组31和探测电极组32中的各个金属电极放在对应的镂空槽中36，第一绝缘层33覆盖在极化电极组31和探测电极组32的上方并与第二绝缘层34对齐。

第一绝缘层33的覆盖可以使极化电极组31和探测电极组32中交叉排列的各个金属电极不受外界的自由电子影响其带电量，第二绝缘层34上设置的镂空槽36的位置与各个金属电极的位置和尺寸对应(根据金属电极的摆放位置来决定镂空槽的位置，金属电极的尺寸与镂空槽的尺寸适配，以金属电极正好能卡入镂空槽中且无间隙为较佳)，使得金属电极的侧面带电量不会影响底部的压电陶瓷层。第一绝缘层33和第二绝缘层34采用镀膜方式来制作，如SAW filter的封装工艺；在实际使用中不会出现移位，即可确保各个金属电极的表面和侧面的绝缘性。

所述极化电极组31以及其上下对应的绝缘层部分(尺寸与上封装层1相同)组成传感器件2的感应部，是表面振荡波的构成元件。所述极化电极组31包括5个交叉排列的金属电极(厚度是纳米级别)；位于正中间的金属电极和位于两边的2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第一导线311；剩余2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第二导线312；剩余2个金属电极的另一端与正中间的金属电极之间相互插入的深度可根据需求设置，本实施例中剩余2个金属电极的另一端位于正中间的金属电极的中部(即没有与端部对齐)；第一导线311和第二导线312上的接入端口(图3中的圆圈所示，是交变电流的输入端)连接信号处理模块中的逆变器210(如图1，交变电流用双线)。

所述探测电极组32以及其上下对应的绝缘层部分(如图2所示露出的部分)组成传感器件2的感应部。所述探测电极组32包括5个交叉排列的金属电极；位于正中间的金属电极和位于两边的2个金属电极组成静电场检测传感器100的探头(没有被上封装层1封装包裹)，这3个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第三导线321；剩余2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第四导线322；剩余2个金属电极的另一端与正中间的金属电极之间相互插入的深度可根据需求设置，本实施例中剩余2个金属电极的另一端位于正中间的金属电极的中部(即没有与端部对齐)；第三导线321和第四导线322上的输出端口(图3中的圆圈所示)连接控制器220。

需要理解的是，极化电极组31和探测电极组32中的金属电极的个数可根据实际需求对应增减，只要相互之间间隔预设距离交叉排列即可；并且，同侧的金属电极连接同一根导线；此处对金属电极的个数、相互之间插入的深度不作限定。

请一并参阅图4，所述静电场检测传感器100的工作原理为：

高频的交变电流信号通过接入端口、第一导线311和第二导线312导入极化电极组31，在交叉排列的金属电极(图4中的A所示)上形成的交变电场，由于这5个金属电极的上方覆盖第一绝缘层33、使得交叉排列的金属电极不受外界的自由电子影响其带电量，同时，由于金属电极的下方与压电陶瓷层35相接触，交变电场引起压电陶瓷层35产生逆压电效应，即压电陶瓷层呈现电能转机械能的现象引起压电陶瓷层35出现拉伸与压缩的机械变形B，并形成对应的振动波形C，振动波形C呈横向传递(如图3箭头37所示的传递方向)，振动传递到压电陶瓷层35的另一端(如图3所示的右端)并引起正压电效应，即高频振动产生高频电流，高频电流通过不带电的探测电极组32中的各个金属电极(图4中的D所示)、第三导线321、第四导线322、输出端口输出为对应的电信号。

若在不受静电场影响，且不考虑能量损耗的情况下，输入的高频的交变电流信号的电流值应与输出的电信号的电流值一致。若受到静电场E的影响，高频振动的波形F会随着电场强度的数值而发生变化，从而改变高频输出的电信号的电流数值，在不考虑能量损耗的情况下，输入的交变电流信号的电流值将与输出的电信号的电流值存在差值。通过实验数据可得出差值与静电场数值的关系式。

综上所述，本发明提供的无线传输的静电场在线监测装置及无线监控系统，通过超小型的静电场检测传感器检测测量点的电场强度并输出对应的电信号，对电信号进行滤波后结合交变电流信号计算出检测点的电场强度，将所述电场强度无线传输至监控端进行显示，实现静电场的在线监测。无线传输方式没有有线连接导致的布线限制，静电场在线监测装置可随意移动至任何所需的位置，移动方便，监测的灵活性更强。同时，由于静电场检测传感器的体积较小且数据传输形式为无线传输，可在多个检测点放置静电场检测传感器来进行监测，静电场检测传感器的个数不受监测空间数值的限制，降低了安装与日常维护成本。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种无线传输的静电场在线监测装置，其特征在于，与监控端无线连接，所述静电场在线监测装置包括一壳体，所述壳体内的电路板上设有静电场检测传感器、信号处理模块和数据发送器；

所述静电场检测传感器检测测量点的电场强度、根据表面波振动的机械信号转变成对应的电信号，信号处理模块对电信号进行滤波后计算出检测点的电场强度，数据发送器将所述电场强度无线传输至监控端；

所述信号处理模块包括逆变器、低通滤波器和控制器；

所述逆变器将输入的直流电源转换为交变电流信号并传输给静电场检测传感器和控制器；

所述低通滤波器对静电场检测传感器输出的电信号进行低通滤波后传输给控制器；

所述控制器对低通滤波后的电信号进行模数转换后，根据电信号的截止频率进行数字滤波，根据数字滤波后的电信号和逆变器输出的交变电流信号进行检波运算，得出检测点的电场强度的数值，将电场强度的数值传输至数据发送器；

所述静电场检测传感器包括上封装层、下封装层和传感器件；所述传感器件设置在上封装层与下封装层之间，上封装层和下封装层对传感器件的感应部进行封装，传感器件的探测部露出；

所述传感器件包括极化电极组、探测电极组、第一绝缘层、第二绝缘层和压电陶瓷层；所述第二绝缘层设置在压电陶瓷层的上方，第二绝缘层上设有与极化电极组和探测电极组中各个金属电极的尺寸适配的若干个镂空槽，极化电极组和探测电极组中的各个金属电极放在对应的镂空槽中，第一绝缘层覆盖在极化电极组和探测电极组的上方并与第二绝缘层对齐。

2.根据权利要求1所述的无线传输的静电场在线监测装置，其特征在于，

所述极化电极组包括5个交叉排列的金属电极；位于正中间的金属电极和位于两边的2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第一导线；剩余2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第二导线；剩余2个金属电极的另一端位于正中间的金属电极的中部；第一导线和第二导线上的接入端口连接逆变器。

3.根据权利要求1所述的无线传输的静电场在线监测装置，其特征在于，

所述探测电极组包括5个交叉排列的金属电极；位于正中间的金属电极和位于两边的2个金属电极组成静电场检测传感器的探头，3个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第三导线；剩余2个金属电极的一端对齐并相互连接，还连接第四导线；剩余2个金属电极的另一端位于正中间的金属电极的中部；第三导线和第四导线上的输出端口连接控制器。

4.根据权利要求1所述的无线传输的静电场在线监测装置，其特征在于，所述上封装层的面积是下封装层的一半。

5.根据权利要求1所述的无线传输的静电场在线监测装置，其特征在于，所述控制器为一高数位控制器。

6.一种无线监控系统，其特征在于，包括监控端和如权利要求1-5任一项所述的无线传输的静电场在线监测装置；所述静电场在线监测装置检测测量点的电场强度并无线传输至监控端，监控端接收电场强度并进行整合展示。

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