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)際應用，系統地解決了從設計、工藝到應用的關(guān)鍵技術(shù)，填補了國內外空白。
電場(chǎng)就在我們周?chē)?，看不?jiàn)，摸不著(zhù)，需要感測電場(chǎng)的傳感器來(lái)實(shí)現。盡管電場(chǎng)探測長(cháng)期以來(lái)受到人們的關(guān)注，但是電場(chǎng)探測儀器設備的發(fā)展相對緩慢。傳統電場(chǎng)探測儀體積大、結構復雜、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(mǎn)足我國火箭、航天衛星發(fā)射的安全條件保障、電網(wǎng)和石油石化等多個(gè)領(lǐng)域應用的迫切需求，自從2000年開(kāi)始，在國家自然科學(xué)基金、863計劃等項目資助下，歷時(shí)15年，開(kāi)始了研究空間電場(chǎng)探測器件自主創(chuàng )新的過(guò)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(kāi)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)現器件微型化的微機電系統（MEMS）技術(shù)
微機電系統技術(shù)是一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，涉及機械、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)家提出微型機械的設想，但直到1962年才出現屬于微機械范疇的產(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構相繼問(wèn)世。
微電子機械系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS）的制造，是從專(zhuān)用集成電路（ASIC）技術(shù)發(fā)展過(guò)來(lái)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制造更加復雜，這是由于 MEMS 的制造涉及三維立體加工出微小結構，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、功能強大、可以批量生產(chǎn)等傳統傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天、汽車(chē)、生物醫學(xué)、環(huán)境監測、軍事以及人們接觸到的幾乎所有領(lǐng)域中都有著(zhù)十分廣闊的應用前景。該技術(shù)將對未來(lái)人類(lèi)生活產(chǎn)生革命性的影響。
開(kāi)啟空間電場(chǎng)偵測的心臟微型化征途
采用基于MEMS技術(shù)實(shí)現電場(chǎng)敏感器件很早就成為了項目組探索空間電場(chǎng)探測器件微型化的最主要的方案之一。
在2000年，項目負責人帶隊到我國西昌衛星發(fā)射基地考察調研，發(fā)現當時(shí)我國使用的空間電場(chǎng)探測設備陳舊落后，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(mǎn)足空間電場(chǎng)探測和日常業(yè)務(wù)應用的需求。項目組負責人那時(shí)就下決心一定要研制出滿(mǎn)足我國空間電場(chǎng)探測的新一代器件。
為了實(shí)現核心電場(chǎng)敏感器件心臟的微型化，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所項目組基于MEMS技術(shù)，發(fā)明了新型的微結構電場(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)際應用，系統地解決了從設計、工藝到應用的關(guān)鍵技術(shù)。
基于微電子機械系統（MEMS）技術(shù)的敏感結構具有體積小、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，敏感結構特征尺寸只有微米量級，大約有人類(lèi)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。
比較傳統的電場(chǎng)敏感器件，結構尺寸大（一般在2020平方毫米以上），而這種微型敏感單元尺寸小、感應信號微弱，靜態(tài)感應電荷至少小于傳統機電器件1個(gè)量級，只有pA量級，耦合干擾大，信噪比低，甚至僅有-60dB，有效信號只有本底噪聲的1/1000。在如此微小的結構上實(shí)現高靈敏探測非常困難。
為此，一方面提高感應效率，增強響應信號，提高分辨力 ；另一方面降低激勵電壓，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微型敏感結構。
其中，諧振式共面電極式電場(chǎng)敏感結構采用激勵電極和感應電極在同一平面，其工作原理就是通過(guò)屏蔽電極在水平方向來(lái)回往復振動(dòng)，側面屏蔽感應電極，引起感應電荷周期變化，從而產(chǎn)生感應電流。采用梳齒式共面感應電極結構設計，感應效率顯著(zhù)高，提高了靈敏度。為降低激勵電壓，在國際上首次提出熱激勵電場(chǎng)敏感微結構，驅動(dòng)電壓低，2V驅動(dòng)電壓即可實(shí)現大位移振動(dòng)。
新穎的一體化集成三維探測技術(shù)發(fā)揮大作用
經(jīng)過(guò)大量調研和深入的模擬仿真計算，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所項目組發(fā)明了國內外首創(chuàng )的高性能旋轉電極式三維空中電場(chǎng)傳感器，一個(gè)敏感探頭可實(shí)現軸向和徑向三維電場(chǎng)探測，首次實(shí)現單探頭空中三維電場(chǎng)探測。
結合對稱(chēng)電極差分檢測技術(shù)，以及3/4周期積分信號處理方法，消除了電場(chǎng)耦合、帶電粒子、積累偏置電壓等噪聲信號，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)探測分辨力。
與美國（航空航天總局 NASA）機載三維電場(chǎng)探測系統相比，傳感器數量由5~8個(gè)減為1個(gè)，精度提高1個(gè)數量級，重量?jì)H為NASA每個(gè)探頭的1/20、體積僅為每個(gè)探頭的1/10。
從2006年設計定型以來(lái)很長(cháng)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(lèi)衛星發(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(cháng)期艱苦努力，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的電場(chǎng)探測先進(jìn)傳感器關(guān)鍵技術(shù)及應用項目獲發(fā)明專(zhuān)利24項、軟件著(zhù)作權6項 ；發(fā)表論文84篇，其中SCI/EI收錄45篇，國際會(huì )議大會(huì )特邀主題報告3篇 ；制定國家軍用/行業(yè)標準6項 ；獲得2014年度中國（國際）傳感器創(chuàng )新大賽特等獎。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名院士和多名權威專(zhuān)家組成的鑒定委員會(huì )認為，本項目在國際上首次實(shí)現了微型電場(chǎng)傳感器實(shí)際應用，空中三維電場(chǎng)傳感器為國際首創(chuàng )，顯著(zhù)提升了電場(chǎng)探測傳感器技術(shù)和應用水平。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)達到國際領(lǐng)先水平。
項目成果已經(jīng)成功應用于航天發(fā)射、國防、電網(wǎng)、石化、靜電測量、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(hù)采購，產(chǎn)生了顯著(zhù)的社會(huì )和經(jīng)濟效益。
