中國科學(xué)院電子學(xué)研究所
夏善紅、彭春榮、陳賢祥、鄭鳳杰、楊鵬飛、聞小龍、陳博、方東明、王宇、方奕庚、儲(chǔ)昭志、顧植彬
圍繞國家重大需求，自主創(chuàng)新，創(chuàng)造性地發(fā)展了電場(chǎng)傳感器及其實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)地解決了從設(shè)計(jì)、工藝到應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)外空白。
電場(chǎng)就在我們周圍，看不見，摸不著，需要感測(cè)電場(chǎng)的傳感器來實(shí)現(xiàn)。盡管電場(chǎng)探測(cè)長期以來受到人們的關(guān)注，但是電場(chǎng)探測(cè)儀器設(shè)備的發(fā)展相對(duì)緩慢。傳統(tǒng)電場(chǎng)探測(cè)儀體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，工作時(shí)空間分辨率低、使用不便、故障率較高。
為滿足我國火箭、航天衛(wèi)星發(fā)射的安全條件保障、電網(wǎng)和石油石化等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的迫切需求，自從2000年開始，在國家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃等項(xiàng)目資助下，歷時(shí)15年，開始了研究空間電場(chǎng)探測(cè)器件自主創(chuàng)新的過程，取得了一系列重大突破，研制出只有小拇指甲蓋大小的微型電場(chǎng)傳感器核心芯片，開發(fā)出適合于地面、空中、電網(wǎng)等領(lǐng)域的系列化產(chǎn)品。
實(shí)現(xiàn)器件微型化的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)
微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。早在1959年就有科學(xué)家提出微型機(jī)械的設(shè)想，但直到1962年才出現(xiàn)屬于微機(jī)械范疇的產(chǎn)品—硅微型壓力傳感器。其后尺寸為50～500微米的齒輪、齒輪泵、氣動(dòng)蝸輪及連接件等微型機(jī)構(gòu)相繼問世。
微電子機(jī)械系統(tǒng)（以下簡稱MEMS）的制造，是從專用集成電路（ASIC）技術(shù)發(fā)展過來的，如同ASIC技術(shù)那樣，可以用微電子工藝技術(shù)的方法批量制造。但比ASIC制造更加復(fù)雜，這是由于 MEMS 的制造涉及三維立體加工出微小結(jié)構(gòu)，需要采用敏感生物、化學(xué)和物理特性的一些特殊材料。
由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗小、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事以及人們接觸到的幾乎所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)將對(duì)未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響。
開啟空間電場(chǎng)偵測(cè)的心臟微型化征途
采用基于MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)敏感器件很早就成為了項(xiàng)目組探索空間電場(chǎng)探測(cè)器件微型化的最主要的方案之一。
在2000年，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人帶隊(duì)到我國西昌衛(wèi)星發(fā)射基地考察調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)我國使用的空間電場(chǎng)探測(cè)設(shè)備陳舊落后，為了更好保障航天發(fā)射的安全，需要大量微小型、高性能、低成本的電場(chǎng)傳感器，否則難于滿足空間電場(chǎng)探測(cè)和日常業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人那時(shí)就下決心一定要研制出滿足我國空間電場(chǎng)探測(cè)的新一代器件。
為了實(shí)現(xiàn)核心電場(chǎng)敏感器件心臟的微型化，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所項(xiàng)目組基于MEMS技術(shù)，發(fā)明了新型的微結(jié)構(gòu)電場(chǎng)傳感器，創(chuàng)造性地發(fā)展了微型電場(chǎng)傳感器及其實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)地解決了從設(shè)計(jì)、工藝到應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的敏感結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、功耗低、易于集成、可批量制造等優(yōu)點(diǎn)。 微型敏感芯片基于微加工技術(shù)制備，敏感結(jié)構(gòu)特征尺寸只有微米量級(jí)，大約有人類頭發(fā)絲的1/3，加工難度大，敏感芯片典型尺寸為33平方毫米。
比較傳統(tǒng)的電場(chǎng)敏感器件，結(jié)構(gòu)尺寸大（一般在2020平方毫米以上），而這種微型敏感單元尺寸小、感應(yīng)信號(hào)微弱，靜態(tài)感應(yīng)電荷至少小于傳統(tǒng)機(jī)電器件1個(gè)量級(jí)，只有pA量級(jí)，耦合干擾大，信噪比低，甚至僅有-60dB，有效信號(hào)只有本底噪聲的1/1000。在如此微小的結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)高靈敏探測(cè)非常困難。
為此，一方面提高感應(yīng)效率，增強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)，提高分辨力 ；另一方面降低激勵(lì)電壓，提高信噪比。為此，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所發(fā)明了高性能共面電極和熱激勵(lì)微型敏感結(jié)構(gòu)。
其中，諧振式共面電極式電場(chǎng)敏感結(jié)構(gòu)采用激勵(lì)電極和感應(yīng)電極在同一平面，其工作原理就是通過屏蔽電極在水平方向來回往復(fù)振動(dòng)，側(cè)面屏蔽感應(yīng)電極，引起感應(yīng)電荷周期變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。采用梳齒式共面感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，感應(yīng)效率顯著高，提高了靈敏度。為降低激勵(lì)電壓，在國際上首次提出熱激勵(lì)電場(chǎng)敏感微結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電壓低，2V驅(qū)動(dòng)電壓即可實(shí)現(xiàn)大位移振動(dòng)。
新穎的一體化集成三維探測(cè)技術(shù)發(fā)揮大作用
經(jīng)過大量調(diào)研和深入的模擬仿真計(jì)算，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所項(xiàng)目組發(fā)明了國內(nèi)外首創(chuàng)的高性能旋轉(zhuǎn)電極式三維空中電場(chǎng)傳感器，一個(gè)敏感探頭可實(shí)現(xiàn)軸向和徑向三維電場(chǎng)探測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)單探頭空中三維電場(chǎng)探測(cè)。
結(jié)合對(duì)稱電極差分檢測(cè)技術(shù)，以及3/4周期積分信號(hào)處理方法，消除了電場(chǎng)耦合、帶電粒子、積累偏置電壓等噪聲信號(hào)，有效解決了X、Y、Z三維電場(chǎng)的耦合干擾、空間離子流和空間電荷干擾等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，提高了電場(chǎng)探測(cè)分辨力。
與美國（航空航天總局 NASA）機(jī)載三維電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)相比，傳感器數(shù)量由5~8個(gè)減為1個(gè)，精度提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，重量僅為NASA每個(gè)探頭的1/20、體積僅為每個(gè)探頭的1/10。
從2006年設(shè)計(jì)定型以來很長一段時(shí)間，本單位研制的新型三維空間電場(chǎng)傳感器一直是我國西昌、太原等衛(wèi)星發(fā)射基地等單位使用的唯一電場(chǎng)探空產(chǎn)品，已成功應(yīng)用于風(fēng)云系列、遙感系列、資源系列、北斗系列、嫦娥探月系列等各類衛(wèi)星發(fā)射和重大航天發(fā)射任務(wù)中，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
累累科研碩果多個(gè)領(lǐng)域盡顯神通
歷經(jīng)十多年載的長期艱苦努力，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的電場(chǎng)探測(cè)先進(jìn)傳感器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目獲發(fā)明專利24項(xiàng)、軟件著作權(quán)6項(xiàng) ；發(fā)表論文84篇，其中SCI/EI收錄45篇，國際會(huì)議大會(huì)特邀主題報(bào)告3篇 ；制定國家軍用/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng) ；獲得2014年度中國（國際）傳感器創(chuàng)新大賽特等獎(jiǎng)。中國電子學(xué)會(huì)組織的科學(xué)技術(shù)成果鑒定會(huì)上，由8名院士和多名權(quán)威專家組成的鑒定委員會(huì)認(rèn)為，本項(xiàng)目在國際上首次實(shí)現(xiàn)了微型電場(chǎng)傳感器實(shí)際應(yīng)用，空中三維電場(chǎng)傳感器為國際首創(chuàng)，顯著提升了電場(chǎng)探測(cè)傳感器技術(shù)和應(yīng)用水平。微型電場(chǎng)傳感器和空中三維電場(chǎng)傳感器的整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
項(xiàng)目成果已經(jīng)成功應(yīng)用于航天發(fā)射、國防、電網(wǎng)、石化、靜電測(cè)量、氣象和科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域40余家單位，已被美國、韓國用戶采購，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
