基于MEMS技術的非接觸式人體靜電測量裝置

聞小龍 彭春榮 楊鵬飛 陳 博 夏善紅

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基于MEMS技術的非接觸式人體靜電測量裝置

聞小龍*①②彭春榮①楊鵬飛①②陳 博①夏善紅①

①(中國科學院電子學研究所傳感技術聯合國家重點實驗室 北京 100190)②(北京中科飛龍傳感技術有限責任公司 北京 100084)

為解決傳統非接觸式靜電儀工作時振動或旋轉部件裸露在外，無法在靜電高危區域使用，難以測量運動人體帶電情況等難題，該文研制出基于MEMS電場傳感器的非接觸式靜電測量裝置。提出一種新型檢測電極與敏感芯片相連結構，顯著增大了電場感應面積，增強了靈敏度。設計11個檢測電極分布式布置形成門體結構，成功實現人體頭、肩、臂、手、腿、腳部位在運動過程中帶電情況的同時測量。基于金屬仿真帶電人體，提出模擬應用現場的標定方法，準確實現了靜電安檢門的標定。該靜電測量裝置具有無裸露可動部件、安全性高、環境適應性強等突出優點，滿足粉塵濃度高、易燃油氣濃度高等惡劣環境下的使用需求。試驗結果表明，該裝置測量范圍為-30~30 kV，分辨力優于50 V，總不確定度優于3%。

微機械電子系統；電場傳感器；非接觸；靜電測量；靜電儀

1 引言

靜電是引起油氣火災、軍用電子元件失效等重大事故的關鍵因素之一。靜電監測在航天、石油石化、工業生產、氣象、集成電路等多個領域具有重要意義。在航天領域，靜電放電容易造成電子元器件內部損傷[1,2]，也可能引燃推進燃料或點火裝置，造成重大的航天發射事故。在石油石化領域，儲罐區、煉化區、付油區、加油站等易燃易爆場所對于防靜電都有十分嚴格的要求。在工業生產領域，靜電放電能量達到閾值即可點燃生產車間內的可燃氣體及粉塵[6]，紡織車間內人體易頻繁遭受紡織品的靜電電擊。在氣象領域，雷電就是雷暴云中電荷積累到一定程度對外界發生的強烈靜電放電現象[7,8]。

盡管有防靜電服、靜電釋放球、等離子靜電消除等靜電防護措施，然而，目前對于靜電防護的效果評估仍缺乏有效手段。人體靜電綜合測試儀通過檢測人手、腳的電阻值，評估防靜電服、手腕帶等措施的靜電泄放能力，間接地判定人體帶電量符合要求。該測試儀無法評估人體在運動過程中的阻值變化，也無法預見人體運動時的摩擦起電情況。直接測量人體帶電情況的非接觸式靜電壓儀主要有場磨式和振動電容式兩種。場磨式靜電儀[9,10]主要包含旋轉的屏蔽電極及靜止的感應電極兩部分組成，由電機帶動屏蔽電極周期性旋轉，從而感應電極上產生正比于被測電場的交流信號，通過電場值與電壓值計算被測物帶電電壓。由于包含裸露的可動部件，該靜電儀自身存在機械碰撞、摩擦起電的風險。振動電容式靜電儀利用振動的電極感知外界電場，通過反饋電路調節自身電位，使該電位等于被測物，實現電壓測量[11,12]。該靜電儀同樣存在裸露可動部件，無法在粉塵濃度大的環境中使用，也無法在易燃易爆油氣濃度高的靜電高危區域使用。

本文提出一種基于MEMS電場傳感器[13,14]的新型非接觸式靜電測量裝置，基于電場檢測原理進行非接觸式電壓測量，測試距離遠、靈敏度高。采用封裝后的MEMS電場傳感器芯片，無裸露可動部件，安全性好，能夠適應惡劣環境及靜電高危環境下的測試需求。

2　MEMS電場傳感器基本原理

本文研制的非接觸式靜電測量裝置采用如圖1所示的MEMS電場傳感器敏感芯片[15]，芯片包括共面分布的驅動梳齒、屏蔽梳齒、感應梳齒等。屏蔽梳齒接地，在推挽式驅動梳齒的作用下往復振動，從而周期性地屏蔽正、負感應梳齒，在感應梳齒上產生幅值正比于外加電場的交流信號。

圖1 MEMS電場傳感器敏感芯片及其封裝

屏蔽梳齒做簡諧振動的諧振頻率、振幅、品質因數等振動特征，由屏蔽梳齒的重量、剛度等自身屬性與外界阻尼兩部分決定，通過求解動力學方程，可得在諧振頻率點的最大振幅為

敏感芯片在振幅最大時，可獲得最佳感應效率。通過正、負兩個感應梳齒的差分輸出，有效去除本底串擾噪聲，提高了信噪比。

3　信號解調電路及系統結構設計

3.1信號解調電路設計

與傳統場磨式電場儀相比，微型電場傳感器芯片的感應面積僅為原有的約千分之一，響應信號十分微弱，約為pA~nA量級。為了準確、高速解調出被測電場，避免環境溫濕度變化對解調電路的影響，本文利用高精度信號放大電路及高速數字相關處理技術進行電路設計。

首先，在電場敏感單元探頭內將敏感芯片的輸出進行I/V轉換，再進行差分放大，將響應信號轉化為mV級別的電壓信號，前置放大電路原理圖如圖2所示。

傳感器芯片的兩路輸出信號SIG1和SIG2首先通過雙通道放大芯片AD8626進行I/V轉換，該電路的增益為

圖2 MEMS電場傳感器前置放大電路圖

本文采用的電場微芯片為差分輸出，即兩路信號SIG1與SIG2幅值相等、相位差180°，通過二者差分可解調同頻信號，實現噪聲抑制，提高信噪比。微芯片的兩路輸出信號經過放大后，進入以AD620芯片為核心的差分放大電路。該電路實現信號增益為

然后在信號處理電路中通過A/D采樣后進行相關解調處理，解調結果及閾值判斷結果傳送到顯示控制單元。此外，信號解調電路中還包含用于驅動敏感芯片振動的激勵信號模塊。

設傳感器探頭輸出的響應信號為

(6)

本文以基于ARM的中央處理單元為核心，對AD采樣后的傳感器輸出信號進行數字相關解調處理，具有響應時間小、功耗低、電路體積小、抗干擾性強、環境適應性強等優點。

人體靜電通常在頭發、衣服摩擦處、鞋與地面摩擦處等位置集聚。只測量人體某一部位的電壓，或在人體遠處測量綜合電場，不能準確反應出人體電荷分布情況。靜電荷隨時間迅速變化，在摩擦時增多，在人體靜止狀態下快速消散，因此，采用單一傳感器逐點靜止測試，難以準確獲取人體實時帶電情況，影響靜電成因分析及靜電消除手段評估。

為了準確實現人體不同部位實時帶電情況測量，本文采用11個MEMS電場傳感器分布式布置，能夠實現人體多個部位同時測量。每個傳感器敏感芯片和前置放大電路組成一個電場敏感單元，11個電場敏感單元的輸出信號同時傳送到信號處理電路中，進行數字信號處理，解調成電場信號后通過無線發射模塊發送出去。本文研制的MEMS靜電安全檢測裝置電路框圖如圖3所示。

3.2 系統結構設計

為了提升裝置檢測靈敏度，擴大每個電場傳感器芯片的檢測范圍，本文提出一種新型檢測電極結構。將尺寸為35.5 cm×34.0 cm×0.5 cm的金屬極板采用金屬導線連接到MEMS電場傳感器芯片上蓋，當金屬極板處于被測電場環境中，表面產生正比于被測電場的感應電荷，電場傳感器蓋板上將產生近似等量的反極性電荷，從而敏感芯片實現對被測電場的感應。與直接采用傳感器敏感芯片進行測試相比，采用感應極板結構，明顯增加了電場感應面積，增大了感應電荷量，提升了感應靈敏度。圖4為該極板型檢測結構仿真情況，結果表明，電極越寬，傳感器表面電場越強，該結構對電場檢測靈敏度放大效果明顯。

圖3 MEMS靜電安全檢測裝置電路框圖

為了準確測量人體靜電分布，靜電測量裝置采用檢測門結構，將11個檢測極板固定在檢測門體內表面上，位置分別對應于人體頭、肩、臂、手、腿、腳部位，如圖5所示。下方5組電極為差分結構，能夠減小被測物左右移動對測試結果的影響。檢測門高度為2.2 m，寬度為0.8 m。信號處理電路及無線發射模塊放置在安檢門的控制箱內，整個檢測電路接大地，采用220VAC供電。此外，靜電安檢門內還放置了聲光報警模塊，對超閾值情況進行實時報警。

4　標定結構設計

傳統的靜電儀標定裝置將靜電儀固定在支架上，垂直對準一個直徑約為1 m的圓形高壓金屬板進行校準。該標定裝置體積小，只適用于測量小探頭結構，無法容納整個安檢門體。即使采用足夠大的金屬極板，也難以構建本文的標定裝置。傳統靜電標定裝置為一種近似理論模型，即認為被標定的靜電儀對準的是一個無窮大帶電極板，然而，實際應用環境的被測物與校準結構存在顯著不同，導致被測物形貌影響測試的準確性。

本文采取直接模擬現場的方法進行靜電門標定，如圖6所示。在安檢門中放置一個仿真人體，仿真人體高度為1.8 m，人體表面包裹一層金屬，通過直流高壓電源給人體施加一定電壓，記錄安檢門在不同電壓條件下的輸出結果。仿真人體腳底放置一塊絕緣薄膜以與地面之間隔離，防止施加在仿真人體的高電壓對地放電發生衰減。該標定結構避免了傳統標定裝置理論與應用的巨大差異，使測試結果更加真實可靠。

通過高壓源表給金屬仿真人體施加電壓的范圍為0~30 kV，在測量上限與下限之間均勻選取6個測試點，進行3個正反行程電壓輸出，標定過程中同時記錄11個電極的輸出結果，其中一個電極的響應曲線如圖7所示，結果表明，該靜電安檢門在-30~30 kV的測量范圍內，總不確定度優于5%。另外，該安檢門可分辨的最小電壓變化約為50 V，整機功耗小于10 W(供電AC220V)。

5　測試系統設計及試驗

基于LABVIEW編寫了靜電安檢門上位機軟件，如圖8(a)所示，上位機與靜電安檢門之間采用網絡協議通訊，無傳輸距離限制，能夠實現不同部位測試曲線與數值的實時顯示，對于帶電超標情況給予實時聲光報警，數據在后臺實時存儲。3 min的測試曲線如圖8(b)所示，從測試結果可以看出，當帶電人員通過時，人體不同部位帶電約為0.5~1.5 kV，且不同部位帶電量大小存在差異，為人體帶電原因分析、評估防靜電措施的效果提供量化結果。

在實際應用環境中，本裝置不僅會對帶電被測人員產生響應，也可能感應到附近其他帶電物體產生的電場。例如，安檢門以外的帶電人員、帶電設備、戶外大氣中的雷暴云等。另外，安檢門附近的其他物體，會使帶電人體產生的電場發生畸變，也會影響測試結果。因此，在實際使用中，本裝置應該應用于防靜電工作場所以避免其它帶電物的影響，例如，設置單獨的靜電屏蔽區域放置靜電安檢門，不改變靜電屏蔽區域內的物品放置等。軟件設置了調零校準功能，當測試環境中存在本底電場，或傳感器發生零點漂移時，可通過軟件對測試結果進行調零。

圖4 極板形檢測結構仿真

圖5 MEMS靜電安全檢測門結構圖

圖6 MEMS靜電安全檢測門標定照片

圖7 MEMS非接觸式手持靜電儀總不確定度測試

圖8 靜電安檢門上位機軟件及測試結果

盡管實現了人體運動過程中的靜電電壓測量，該裝置在以下幾方面仍存在誤差：(1)傳感器噪聲與漂移；(2)實際使用過程中人體與標定模型之間體型不同。在實際使用過程中，可以對應用環境內每個人進行校準，以提升檢測精度。

6　結論

本文基于封裝后的MEMS電場傳感器敏感芯片，研制出新型靜電安全檢測門，能夠準確測量人體在運動過程中不同部位的帶電情況。與傳統靜電儀相比，具有測量節點多、無裸露可動部件、安全性高、環境適應性強等多種突出優點，能夠滿足靜電高危區域的使用需求。試驗結果表明，本文研制的靜電測量裝置測量范圍為-30~30 kV，分辨力優于50 V，總不確定度優于5%。

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Non-contact Human Body Electrostatic Voltmeter Based on MEMS Technology

WEN Xiaolong①②PENG Chunrong①YANG Pengfei①②CHEN Bo①XIA Shanhong①

①(,,,100190,)②(..,100084,)

The vibrating or rotating parts of the traditional non-contact voltmeters are exposed, thus they can not be used in high-risk areas, and can hardly measure moving bodies. To solve the above problems, this paper develops new non-contact voltmeters based on MEMS electric field sensors. A new detecting electrode, which connects to the sensor chip, is brought out and effectively enhances the sensitivity. Eleven electrodes are placed on a door frame, and measure the charge distribution of head, shoulder, arm, hand, leg and foot at the same time. By means of a metal human body model, a new calibration method for application is proposed. The voltmeter built in this paper is accurately calibrated. The voltmeters have significant advantages, such as no exposed moving components, safety, high environmental adaptability, and therefore can be used under high dust concentration, high concentration of flammable gas and other harsh environments. Test results show that the measurement range is -30~30 kV, the volt resolution is better than 50 V, and the uncertainty is better than 3%.

MicroElectroMechanical System (MEMS); Electric field sensor; Non-contact; Electrostatic charge measurement; Voltmeter

TP212; O441.5

A

1009-5896(2017)08-1835-06

10.11999/JEIT161190

2016-11-04；

改回日期：2017-02-09；

2017-02-23

聞小龍 wenguangguy@163.com

國家自然科學基金(61302032, 61327810)

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

聞小龍： 男，1988年生，博士，研究方向為MEMS傳感器應用及產業化.

彭春榮： 男，1979年生，博士，副研究員，研究方向為MEMS傳感器及系統.

夏善紅： 女，1958年生，研究員，研究方向為電場傳感器、水環境監測傳感器、微傳感集成芯片系統、無線網絡傳感器、微納制造技術等.