實現器件微型化的微機電系統（MEMS）技術

圍繞國家重大需求，自主創新，創造性地發展了電場傳感器及其實際應用，系統地解決了從設計、工藝到應用的關鍵技術，填補了國內外空白。

電場就在我們周圍，看不見，摸不著，需要感測電場的傳感器來實現。盡管電場探測長期以來受到人們的關注，但是電場探測儀器設備的發展相對緩慢。傳統電場探測儀體積大、結構復雜、價格昂貴，工作時空間分辨率低、使用不便、故障率較高。

為滿足我國火箭、航天衛星發射的安全條件保障、電網和石油石化等多個領域應用的迫切需求，自從2000年開始，在國家自然科學基金、“863”計劃等項目資助下，歷時15年，開始了研究空間電場探測器件自主創新的過程，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傳感器核心芯片，開發出適合于地面、空中、電網等領域的系列化產品。

實現器件微型化的微機電系統（MEMS）技術

微機電系統技術是一種新型多學科交叉的技術，涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。早在1959年就有科學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、氣動蝸輪及連接件等微型機構相繼問世。

微電子機械系統（以下簡稱MEMS）的制造，是從專用集成電路（ASIC）技術發展過來的，如同ASIC技術那樣，可以用微電子工藝技術的方法批量制造。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、性能優異、功能強大、可以批量生產等傳統傳感器無法比擬的優點，因此在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監測、軍事以及人們接觸到的幾乎所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。該技術將對未來人類生活產生革命性的影響。

開啟空間電場偵測的“心臟”微型化征途

采用基于MEMS技術實現電場敏感器件很早就成為了項目組探索空間電場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射基地考察調研，發現當時我國使用的空間電場探測設備陳舊落后，為了更好保障航天發射的安全，需要大量微小型、高性能、低成本的電場傳感器，否則難于滿足空間電場探測和日常業務應用的需求。項目組負責人那時就下決心一定要研制出滿足我國空間電場探測的新一代器件。

為了實現核心電場敏感器件“心臟”的微型化，中國科學院電子學研究所項目組基于MEMS技術，發明了新型的微結構電場傳感器，創造性地發展了微型電場傳感器及其實際應用，系統地解決了從設計、工藝到應用的關鍵技術。

基于微電子機械系統（MEMS）技術的敏感結構具有體積小、重量輕、功耗低、易于集成、可批量制造等優點。 微型敏感芯片基于微加工技術制備，敏感結構特征尺寸只有微米量級，大約有人類頭發絲的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，靜態感應電荷至少小于傳統機電器件1個量級，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，中國科學院電子學研究所發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屏蔽電極在水平方向來回往復振動，側面屏蔽感應電極，引起感應電荷周期變化，從而產生感應電流。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敏感微結構，驅動電壓低，2V驅動電壓即可實現大位移振動。

新穎的一體化集成三維探測技術發揮大作用

經過大量調研和深入的模擬仿真計算，中國科學院電子學研究所項目組發明了國內外首創的高性能旋轉電極式三維空中電場傳感器，一個敏感探頭可實現軸向和徑向三維電場探測，首次實現單探頭空中三維電場探測。

結合對稱電極差分檢測技術，以及3/4周期積分信號處理方法，消除了電場耦合、帶電粒子、積累偏置電壓等噪聲信號，有效解決了X、Y、Z三維電場的耦合干擾、空間離子流和空間電荷干擾等關鍵技術難點，提高了電場探測分辨力。

與美國（航空航天總局 NASA）機載三維電場探測系統相比，傳感器數量由5~8個減為1個，精度提高1個數量級，重量僅為NASA每個探頭的1/20、體積僅為每個探頭的1/10。

從2006年設計定型以來很長一段時間，本單位研制的新型三維空間電場傳感器一直是我國西昌、太原等衛星發射基地等單位使用的唯一電場探空產品，已成功應用于風云系列、遙感系列、資源系列、北斗系列、嫦娥探月系列等各類衛星發射和重大航天發射任務中，發揮了關鍵作用。

累累科研碩果多個領域盡顯神通

歷經十多年載的長期艱苦努力，中國科學院電子學研究所的“電場探測先進傳感器關鍵技術及應用”項目獲發明專利24項、軟件著作權6項 ；發表論文84篇，其中SCI/EI收錄45篇，國際會議大會特邀主題報告3篇 ；制定國家軍用/行業標準6項 ；獲得2014年度中國（國際）傳感器創新大賽特等獎。中國電子學會組織的科學技術成果鑒定會上，由8名院士和多名權威專家組成的鑒定委員會認為，本項目“在國際上首次實現了微型電場傳感器實際應用，空中三維電場傳感器為國際首創，顯著提升了電場探測傳感器技術和應用水平。微型電場傳感器和空中三維電場傳感器的整體技術達到國際領先水平”。

項目成果已經成功應用于航天發射、國防、電網、石化、靜電測量、氣象和科學研究等多個領域40余家單位，已被美國、韓國用戶采購，產生了顯著的社會和經濟效益。