一种电极型MEMS电场传感器封装结构

闻小龙 任天令 夏善红



一种电极型MEMS电场传感器封装结构

闻小龙*①任天令①夏善红②

①(清华大学微电子学研究所 北京 100084)②(中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室 北京 100190)

为了提高MEMS电场传感器敏感芯片封装的环境适应性，该文提出一种新型的电极型MEMS电场传感器封装结构。区别于将传感器敏感芯片及探头放置于被测环境中，该文通过在MEMS电场传感器封装管壳外部增加封装电极，仅将封装电极暴露在被测环境中，有效避免了传感器敏感芯片封装管壳受到多种恶劣环境的干扰。研制出基于新型封装结构的MEMS地面电场传感器及探空电场传感器，仿真及试验结果表明，该结构传感器能够实现对电场高精度准确测量，在高湿、低温等恶劣环境下输出稳定可靠。

电场传感器；微机械电子系统；封装；环境适应性；大气电场探测

1 引言

电场传感器在航天、国防、电网、石化、气象等领域具有广泛应用。在航天领域，探空电场传感器用于探测空中电场，空中电场是飞行器发射规范中安全保障的主要条件和不可缺少的决策依据之一[9]。在电网领域，电场传感器用于测试交直流输电线路电压、电磁环境，检测绝缘子缺陷等[10,11]。在石油、石化领域，通过非接触式电场测量，可直接获知人员、设备等的带静电情况，对于保障安全生产，避免出现重大安全事故具有重要意义。

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)电场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、易集成、可批量化制备、成本低等突出优点，是电场传感器的重要前沿发展方向。目前，已报道的MEMS电场传感器多为基于电荷感应原理的谐振式结构。例如，美国U.C Berkeley大学、MIT、AD公司、英国剑桥大学、加拿大Manitoba大学、中国科学院电子学研究所等分别研制了不同驱动及感应结构的谐振式梳齿结构，日本AIST(高级工业研究院)研制了压电陶瓷谐振式结构MEMS电场传感器[16]。

在谐振式MEMS电场传感器应用过程中，封装是主要瓶颈问题之一。日本AIST在2008年报道压电陶瓷谐振结构时，传感器封装结构为上表面开孔的金属封帽[16]。该封装结构无法避免环境灰尘、气压改变等对微结构造成的影响，传感器封装后无法在户外环境使用。中国科学院电子学研究所自2005年开始对MEMS电场传感器封装进行研究，提出了基于绝缘材料和金属材料的多种密封式封装结构，实现了气密性以及真空封装，传感器能够在多种恶劣自然环境下正常运行。然而，在应用过程中发现，传感器封装在受到高湿度、灰尘等恶劣环境影响时，性能下降，影响了系统稳定性。

本文提出了一种新型电极型MEMS电场传感器封装结构。该结构在封帽外部加装封装电极，并只将封装电极暴露在被测环境中。仿真及实验表明，该结构有效提升了传感器电场探测能力，改善了传感器及封装的环境适应性。

2 结构设计

电极型MEMS电场传感器封装结构包含封装基板、封帽及封装电极3部分组成。图1为所设计的封装结构剖面示意图。MEMS电场传感器芯片安装在封装基板上，被密封在基板与封帽组成的密闭空腔内。封装电极为金属材料，一端连接封帽，另一端连接电荷放大极板。

如图1所示，封装电极包含电荷放大极板的一端直接暴露在被测电场中。电荷放大极板表面产生正比于被测电场的电荷-，基于电荷守恒原理，在封装电极的另一端产生相反电荷。MEMS电场传感器感应到封帽上电荷的产生电场，从而实现对外电场的测量。电荷放大极板面积越大，极板上产生的感应电荷越多，该封装结构的电场响应灵敏度越高。根据被测电场或被测物方向，可将封装电极进行弯曲，使电荷放大极板对准被测电场或被测物，而不用旋转传感器芯片及对应的放大电路，从而提升了传感器多方向的感知能力。

封装的其余部分及MEMS传感器芯片可通过屏蔽盒等密闭保护，与被测电场及被测区间的恶劣环境隔绝。在图1被保护区域(虚线)内进行温度、湿度、气压、防静电控制，可避免传感器零点漂移，提升传感器系统的环境适应性。

3 ANSYS仿真

如图2所示，图2(a)为直电极形状电场传感器封装结构，电场传感器芯片密封于管壳内，在管壳表面延伸出一根金属丝，为了增大感应灵敏度，在金属丝末端连接一个约4倍于管壳面积的金属电极。图2(b)为弯电极形状封装结构，与图2(a)相比，传感器敏感片由垂直于被测电场变为平行于被测电场，从芯片到电极之间的距离保持不变，电极面积、直径等参数保持不变。采用ANSYS有限元分析软件，将两种结构分别放入匀强电场中进行仿真，对比到达芯片表面的电场。仿真设置参数如表1所示，电场线的分布结果如图3所示。

图1 电极型MEMS电场传感器封装结构剖面示意图

图2 两种电极结构封装仿真模型

从图2可以看出，虽然在弯曲电极结构中，传感器的方向旋转了，但是传感器芯片表面的电场始终与芯片表面垂直。读取如图2(a)所示直电极封装结构的芯片表面电场强度为5.547 kV/m，图2(b)所示弯曲电极结构的芯片表面电场强度为3.514 kV/m。即所设计的弯曲电极结构能够有效测试外界电场。所仿真结构芯片表面的电场有一定衰减，原因在于弯曲的电极部分尖端积聚了表面电荷，降低了到达封装管壳封盖表面的电场。

对封装电极的宽度进行仿真分析。仿真结果表明，电极越宽，到达芯片表面的电场越强，如图4所示。弯电极结构的灵敏度始终为直电极结构的约60%。在实际应用中，可根据使用环境，对电极宽度进行优化。

表1 ANSYS仿真参数

图3 两种电极结构封装仿真结果

对封装电极的长度进行仿真分析，结果如图5所示。电极越长，芯片表面电场越强。这主要是由于电场的畸变效应，电极增长加强了传感器末端对电场的集聚效应。在实际使用中，电场传感器的形状越长，灵敏度放大倍数越大，电场灵敏度和分辨力越高。为方便使用，MEMS地面电场传感器和MEMS探空电场传感器的长度设置为1.5 m。

4 测试

本文设计的MEMS电场传感器封装结构适用于多种应用环境。例如，在地面大气电场测试时，将传感器芯片及封装管壳密封在金属腔体内，可以有效隔绝电磁干扰、环境湿度、降水等对敏感芯片的影响。在探空电场测试时，将传感器芯片、封装管壳及信号处理电路密封在保温泡沫内，可以通过信号处理电路自发热对传感器芯片进行热补偿，降低传感器温度漂移，也可以起到隔绝湿度、离子流干扰等的影响。

4.1实验室标定

采用基于平行板电场原理的电场箱，对所研制的电极结构传感器进行标定。如图6所示，将传感器电极平行于接地极板，置于标准电场中。连接封装管壳的金属丝及传感器敏感芯片、信号处理电路等部分放置在施加电场的外部。为避免标定区域外电场对测试的影响，采用了带有屏蔽层的金属丝，屏蔽层接传感器地电平。施加电场范围为0~100 kV/m，对传感器进行总不确定度测试。

测试结果如图7所示。测试结果表明，传感器在0~100 kV/m区间内，响应为19.6 mV，约为传统探头结构的50%。总不确定度为0.65%，满足使用需求。

4.2 湿度试验

将传感器敏感芯片、信号处理电路密封在金属盒内，只将部分金属丝及末端电极暴露在空气中。将传感器整机放置在交变湿热箱内进行湿度环境试验。在4小时内，设置温度恒定于，湿度在30%~90%之间交替变化，观测传感器输出情况。试验结果如图8所示。

试验结果表明，传感器在剧烈的湿度变化条件下，电极结构电场传感器输出保持稳定不变，较直接裸露封装管壳的传感器，高湿度条件下的稳定性得到了明显改善。

4.3 地面大气电场测试

地面电场测试时，传感器经受数小时甚至数天的连续高湿度环境。以往的传感器封装结构，封装管壳在长时间的高湿度条件下性能下降，造成传感器灵敏度降低甚至失效。这种失效现象一般出现在清晨或者降雨天气。

本文研制的电极结构电场传感器安装在中国科学院电子学研究所6805工艺楼顶，进行长期的地面电场监测验证。传感器敏感芯片及信号处理电路密封于金属盒内，并采用了干燥剂进行进一步防湿处理，以增强传感器的使用寿命。如图9所示的传感器支架高1.5 m，探头截面为圆形，截面直径为73 mm。

图10为2016年5月1日雷雨天气的传感器输出结果。该日天气为雾霾、雷阵雨，在全天高湿度的情况下，传感器的零点稳定，未因高湿度而发生漂移，且在16:00~22:00的探测曲线反映了当时的雷雨天气。

4.4 探空电场测试

如图11(a)所示，在整个探空过程中，传感器敏感芯片附近的温度始终在以上。如图11(b)所示，在晴天大气电场探测时，传感器的零点保持稳定，证明该结构显著抑制了传感器的温度漂移，提升了MEMS探空电场传感器的环境适应性。

图4 不同电极宽度对传感器灵敏度的影响仿真结果      图5 不同电极长度对传感器灵敏度的影响仿真结果

图6 传感器标定               图7 传感器标定结果

图8 MEMS电场传感器湿度试验曲线

图9 地面电场测试照片               图10 2016年5月1日地面大气电场测试结果

图11 MEMS探空电场传感器试验及探测结果

5 结论

本文研制了一种新型电极结构MEMS电场传感器。该结构在传感器封帽外部设置了金属电极，只将感应电极暴露于被测环境中，对传感器敏感芯片及信号处理电路进行环境防护处理。对电极结构进行了ANSYS仿真以及实验室标定验证，结果表明，传感器能够有效感应被测电场，总不确定度满足使用需求。研制了MEMS地面电场传感器和MEMS探空电场传感器，环境试验及外场试验结果表明，传感器输出结果稳定、可靠，环境适应性得到了有效提升。

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Electrode Package for Electric Field Micro Sensor

WEN Xiaolong①REN Tianling①XIA Shanhong②

①(,,100084,)②(,,,100190,)

To improve the environmental adaptation of the package of electric field micro sensor, this article introducs a new electrode package. Different from placing the sensing chip and package inside the measured environment, a package electrode, which is the only part exposed outside, is invented. In this way, the package shell is effectively protected from various environmental extremes. Based on this structure, new atmospheric electric field micro sensors are introduced on the ground and for sounding. The FEM and experiments show that the new sensors measure electric field accurately and stably under high humidity and low temperature environment.

Electric field micro sensor; Micro-Electro-Mechanical System (MEMS); Package; Environmental adaptation; Atmospheric electric field

TP212

A

1009-5896(2016)11-2960-05

10.11999/JEIT160608

2016-06-08；改回日期：2016-09-14；

2016-09-30

闻小龙 wenguangguy@163.com

国家自然科学基金(61302032, 61327810, 61201078)

The National Natural Science Foundation of China (61302032, 61327810, 61201078)

闻小龙： 男，1988年生，博士后，研究方向为MEMS传感器及应用.

任天令： 男，1971年生，教授，研究方向为新型微机电器件与系统、新型半导体存储技术、纳电子与自旋电子学、微纳电子技术中的新材料.

夏善红： 女，1958年生，研究员，研究方向为电场传感器、水环境监测传感器、微传感集成芯片系统、无线网络传感器、微纳制造技术等.