基于MEMS的距離自適應(yīng)型非接觸靜電儀

聞小龍 楊鵬飛 儲(chǔ)昭志 彭春榮 劉宇濤 吳 雙

①(北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院北京市弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 北京 100083)

②(北京信息科技大學(xué)理學(xué)院 北京 100192)

③(中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 北京 100029)

④(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

⑤(北京中科飛龍傳感技術(shù)有限責(zé)任公司 北京 100083)

1 引言

靜電放電具有瞬時(shí)電壓高、能量大、不易察覺(jué)等特點(diǎn)，容易對(duì)集成電路、石油化工、航天、工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[1–5]。靜電測(cè)量是檢測(cè)人體、物品及環(huán)境等是否帶電最直接的手段，可用于評(píng)估靜電防護(hù)的效果，研究靜電積累及放電機(jī)理等，對(duì)于靜電防護(hù)具有重要意義?；陔妶?chǎng)感應(yīng)原理對(duì)帶電物表面電位進(jìn)行非接觸測(cè)量，具有不干擾被測(cè)表面、測(cè)試過(guò)程無(wú)電荷轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)靜電防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[6]。

按照檢測(cè)原理劃分，非接觸式靜電儀可分為高阻式、場(chǎng)磨式、振動(dòng)電容式及微機(jī)電式等。高阻式靜電壓儀利用高輸入阻抗的直流放大電路進(jìn)行測(cè)量[7]，測(cè)量過(guò)程中感應(yīng)電荷在放大電路中隨時(shí)間衰減，造成測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定，需要定期清零，影響測(cè)量的穩(wěn)定性。場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀采用電機(jī)帶動(dòng)屏蔽電極旋轉(zhuǎn)，周期性地屏蔽感應(yīng)電極，從而將感應(yīng)電極的感應(yīng)電荷調(diào)制成交流信號(hào)，避免了信號(hào)衰減，提升了測(cè)試精度[8,9]。由于存在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)葉片等數(shù)十個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，組裝工藝復(fù)雜，不利于批量化制造，電機(jī)旋轉(zhuǎn)磨損造成壽命衰減。振動(dòng)電容式靜電計(jì)通過(guò)壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極振動(dòng)，從而在感應(yīng)電極上產(chǎn)生交流感應(yīng)信號(hào)[10,11]，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在非接觸靜電測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，壓電材料在長(zhǎng)期工作時(shí)，溫度變化影響壓電常數(shù)和彈性模量，造成壓電懸臂梁諧振頻率和振幅發(fā)生改變，影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性[12]。此外，場(chǎng)磨式、振動(dòng)電容式兩種靜電儀均存在裸露的可動(dòng)部件，容易受機(jī)械碰撞、粉塵、油氣等影響而發(fā)生失效。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)技術(shù)的發(fā)展，人們采用硅微工藝制備出振動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)信號(hào)的周期性調(diào)制，研制出MEMS電場(chǎng)傳感器，具有體積小、可批量化制備，無(wú)機(jī)械磨損、壽命長(zhǎng)，封裝后無(wú)裸露可動(dòng)部件、可靠性高等多種突出優(yōu)點(diǎn)[13–16]，在靜電測(cè)量領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。本團(tuán)隊(duì)曾于2017年報(bào)道一種基于MEMS電場(chǎng)敏感芯片的靜電測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)測(cè)量人體不同部位帶電分布的非接觸式測(cè)量[17]。

通過(guò)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)到被測(cè)表面電位的轉(zhuǎn)換，對(duì)保證非接觸式靜電儀的測(cè)量精度十分重要。傳統(tǒng)的場(chǎng)磨式及振動(dòng)電容式靜電儀均采用固定距離的方式進(jìn)行表面電位測(cè)量。例如，日本SIMCO公司的FMX-004型、美國(guó)MONROE公司的282A型等，通過(guò)兩個(gè)光斑重合的方式將測(cè)試距離固定為2.54 mm。德國(guó)Kleinwachter公司的EFM-022型測(cè)試儀利用兩根已知長(zhǎng)度的絕緣棒固定測(cè)試距離。美國(guó)TREK公司的520型測(cè)試儀將探頭設(shè)計(jì)成尖端形狀，可實(shí)現(xiàn)在5～25 mm小范圍內(nèi)的測(cè)量。然而，當(dāng)測(cè)試距離改變時(shí)，到達(dá)傳感器的電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，造成靈敏度變化，影響測(cè)試精度。文獻(xiàn)[17]介紹了一種用于測(cè)量人體靜電的門體結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)相對(duì)布置的檢測(cè)電極，通過(guò)共模運(yùn)算解決了被測(cè)人體未居中造成的誤差問(wèn)題，然而，對(duì)于不同體型的測(cè)試人員，仍存在測(cè)試距離不一致的難題，帶來(lái)測(cè)試誤差。在被測(cè)物難以維持靜止或不容易靠近等復(fù)雜環(huán)境下，固定距離可能對(duì)測(cè)試帶來(lái)不便。此外，帶電物尺寸不同，產(chǎn)生的電場(chǎng)分布也不相同，在固定距離下測(cè)試也容易造成偏差。難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)距離測(cè)試、對(duì)被測(cè)物尺寸缺乏標(biāo)定，是目前非接觸式表面電位測(cè)量面臨的問(wèn)題。

本文基于MEMS電場(chǎng)傳感器，開(kāi)展非接觸式表面靜電測(cè)量技術(shù)研究，區(qū)別于傳統(tǒng)的定距測(cè)量方案，提出距離可變的測(cè)量思路，研究靜電儀的動(dòng)態(tài)標(biāo)定及測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)距離自適應(yīng)的表面靜電位準(zhǔn)確測(cè)量。本文為復(fù)雜環(huán)境下非接觸表面靜電測(cè)試提供新的思路，從而進(jìn)一步提升靜電敏感領(lǐng)域的靜電防護(hù)效果，為集成電路、石油化工、航天等多種高端產(chǎn)品制造過(guò)程提供先進(jìn)技術(shù)手段。

2 MEMS電場(chǎng)敏感芯片

本文采用諧振式共面電極型MEMS電場(chǎng)敏感芯片，總體尺寸為5 mm×5 mm×0.5 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括屏蔽電極、感應(yīng)電極、驅(qū)動(dòng)電極、彈性折梁等幾部分，屏蔽電極與彈性折梁相連構(gòu)成水平振動(dòng)微結(jié)構(gòu)。通過(guò)在驅(qū)動(dòng)電極上施加交流電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電極與屏蔽電極之間產(chǎn)生交變靜電吸合力，帶動(dòng)屏蔽電極進(jìn)行周期性水平振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電極與屏蔽電極設(shè)計(jì)成梳齒形狀，用于增加二者之間的電容，從而增加靜電力。當(dāng)屏蔽電極振動(dòng)時(shí)，周期性地屏蔽感應(yīng)電極，在靜電場(chǎng)及屏蔽電極的共同作用下，感應(yīng)電極上感生出正比于被測(cè)電場(chǎng)的交流感應(yīng)信號(hào)。屏蔽電極與感應(yīng)電極相互作用部分也設(shè)計(jì)成交錯(cuò)梳齒形狀，與條形結(jié)構(gòu)相比，增大了二者之間的電容，從而增大了屏蔽與暴露的效率。感應(yīng)電極設(shè)計(jì)為兩組，受屏蔽電極交替屏蔽，產(chǎn)生相位差為180°的差分信號(hào)，通過(guò)差分減小電路噪聲，提升信噪比。與場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀相比，MEMS諧振式敏感芯片無(wú)電機(jī)等易磨損器件，壽命長(zhǎng)，工作過(guò)程具有更好的穩(wěn)定性及更高的可靠性。與采用壓電陶瓷的振動(dòng)電容式傳感器相比，避免了長(zhǎng)期工作時(shí)壓電常數(shù)和彈性模量的溫度漂移，長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好。

圖1 MEMS電場(chǎng)敏感芯片結(jié)構(gòu)示意圖

敏感芯片的振動(dòng)特性符合如圖2所示的2階動(dòng)力學(xué)模型。其中，ks,meff,cc,cs,strip分別為傳感器諧振狀態(tài)下的等效彈性系數(shù)、質(zhì)量、滑膜阻尼及壓膜阻尼。目前，敏感芯片工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，通過(guò)掃頻確定芯片的諧振點(diǎn)：在不同的頻率下，讀取敏感芯片的輸出本底值(由驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生本底電場(chǎng)，感應(yīng)電極在該本底電場(chǎng)下產(chǎn)生輸出信號(hào))，峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為敏感芯片的諧振頻率。

圖2 敏感芯片諧振動(dòng)力學(xué)模型

MEMS電場(chǎng)敏感芯片采用絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)晶圓制備，屏蔽電極、感應(yīng)電極、驅(qū)動(dòng)電極、彈性折梁等幾部分在同一結(jié)構(gòu)層，工藝簡(jiǎn)單，成品率高。工藝流程圖如圖3所示。

圖3 MEMS敏感芯片工藝流程示意圖

具體的流程如下：

(1)硅摻雜：采用1層磷硅酸玻璃(Phospho-Silicate Glass,PSG)沉積在器件層的表面，并退火1 h，然后用濕法化學(xué)腐蝕方法去除PSG層；

(2)制作焊盤：焊盤由20 nm鉻和500 nm金構(gòu)成，采用第1級(jí)掩膜版，通過(guò)電子束蒸鍍的方法將金屬沉積到硅表面；

(3)器件層圖形化：在器件層旋涂UV光刻膠，采用第2級(jí)掩膜版，圖形化器件層的光刻膠，然后利用等離子深刻蝕(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)設(shè)備，刻蝕器件層到氧化埋層停止；

(4)基板層圖形化：在已刻蝕完的器件層上旋涂保護(hù)材料，采用第3級(jí)掩膜版，套刻圖形，利用反應(yīng)離子刻蝕移除基板層底層的氧化層，再用DRIE完整地刻穿基板層至氧化埋層停止；

(5)釋放：移除器件層上的保護(hù)材料及氧化埋層。

為了提升敏感芯片的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性，本文采用全密封結(jié)構(gòu)的MEMS敏感芯片封裝，主要由基板、絕緣層、封裝蓋等幾部分組成，如圖4所示。其中，基于絕緣材料的封帽結(jié)構(gòu)將敏感芯片完全密封在微小腔體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)電場(chǎng)信號(hào)的傳導(dǎo)。E0表示封裝外部被測(cè)電場(chǎng)，E1表示封裝內(nèi)部到達(dá)敏感芯片表面的電場(chǎng)。與敏感結(jié)構(gòu)直接裸露的其他靜電儀相比，該結(jié)構(gòu)封裝后無(wú)裸露可動(dòng)部件，可耐高濕度、粉塵、碰撞等惡劣條件的影響，使傳感器可在戶外、粉塵車間等更多工礦條件下使用。

圖4 敏感芯片封裝結(jié)構(gòu)原理圖

3 信號(hào)處理電路

本文研制的靜電儀主要包括MEMS電場(chǎng)敏感芯片、測(cè)距模塊、信號(hào)處理電路、顯示屏、蜂鳴器、溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-Time Clock,RTC)、電池等部分，如圖5所示。其中，MEMS電場(chǎng)敏感芯片和測(cè)距單元位于靜電儀前端：通過(guò)同時(shí)獲知電場(chǎng)及距離信息，并利用不同的距離下的標(biāo)定系數(shù)，實(shí)現(xiàn)距離可變的表面靜電位測(cè)量。溫濕度傳感器主要用于測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度，從而對(duì)環(huán)境是否容易起電、物體是否帶電進(jìn)行評(píng)估。RTC時(shí)鐘用于為整個(gè)手持靜電儀提供時(shí)間信息，便于為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元上保存的數(shù)據(jù)標(biāo)記測(cè)試時(shí)間。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元可同時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間、電場(chǎng)、距離、溫度、濕度、測(cè)試電壓等信息。顯示屏上可實(shí)時(shí)顯示帶電體的表面電壓、距離等，當(dāng)測(cè)試電壓超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，顯示屏及蜂鳴器能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行報(bào)警。此外，本文研制的靜電儀還包括USB充電及數(shù)據(jù)讀取、電池低壓報(bào)警、自動(dòng)校零等多種功能，為實(shí)際測(cè)量提供便利。

圖5 靜電儀電路功能框圖

在信號(hào)處理電路中，通過(guò)微控制單元(Micro-Controller Unit,MCU)控制直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)模塊輸出正弦信號(hào)，為敏感芯片振動(dòng)提供交流驅(qū)動(dòng)電壓，使敏感芯片的屏蔽電極振動(dòng)。感應(yīng)電極上產(chǎn)生正比于被測(cè)電場(chǎng)的交流電流信號(hào)，在I-V模塊進(jìn)行電流電壓變換放大，轉(zhuǎn)換成便于采集的交流電壓信號(hào)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)模塊用于對(duì)放大后的芯片輸出信號(hào)進(jìn)行高速采集，進(jìn)入MCU后進(jìn)行敏感芯片輸出信號(hào)的幅值信息處理。根據(jù)敏感芯片輸出信號(hào)為pA～nA級(jí)微弱電流信號(hào)的特征，芯片的第1級(jí)放大擬采用低偏置電流、低偏置電壓的軌到軌放大器，并按照?qǐng)D6所示的電路原理圖進(jìn)行信號(hào)的I-V轉(zhuǎn)換預(yù)處理。其中，Sen_out信號(hào)為敏感芯片輸出的微弱電流信號(hào)，該放大電路的輸出信號(hào)Vout=Sen_out×R1，C1與R1構(gòu)成低通濾波器對(duì)放大的電壓信號(hào)進(jìn)行初步濾波處理。

圖6 I-V轉(zhuǎn)換電路原理圖

傳統(tǒng)靜電儀在測(cè)量帶電物表面靜電時(shí)，通過(guò)兩個(gè)具有一定夾角光斑重合的方式，固定測(cè)試距離，一般為2.54 cm。光斑重合法采用目測(cè)觀察，可能由于目測(cè)重合度不好造成距離誤差。固定距離方式也限制了傳感器的使用場(chǎng)合，例如，當(dāng)被測(cè)電壓較高時(shí)，近距離測(cè)試可能誘發(fā)放電現(xiàn)象，造成儀器損壞或人員觸電。當(dāng)被測(cè)物的距離增加時(shí)，到達(dá)傳感器表面的電場(chǎng)減小，造成標(biāo)定靈敏度衰減，測(cè)試結(jié)果偏小。為了解決距離變化問(wèn)題，本文基于超聲波原理測(cè)距模塊，準(zhǔn)確獲知靜電儀與被測(cè)物之間的距離，并在不同距離下對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲知靈敏度與距離的關(guān)系。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，根據(jù)測(cè)距結(jié)果查找靈敏度數(shù)值，計(jì)算被測(cè)物電壓，從而實(shí)現(xiàn)了距離可變的自適應(yīng)測(cè)試。本文選用的超聲波模塊中已對(duì)溫度漂移進(jìn)行了補(bǔ)償，在使用過(guò)程中可以忽略溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果帶來(lái)的影響。該模塊的探測(cè)距離范圍為2.0 cm～4.5 m，測(cè)試精度為0.3 cm。當(dāng)距離太近時(shí)，測(cè)量結(jié)果偶爾出現(xiàn)較大偏差，可能是由于超聲波探頭與被測(cè)物之間形成的駐波造成的；當(dāng)距離太遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)量環(huán)境中其他物體可能對(duì)電場(chǎng)分布產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量精度。因此，在實(shí)際使用中對(duì)測(cè)量距離限定在2.5～10 cm，當(dāng)超過(guò)該范圍時(shí)通過(guò)顯示屏進(jìn)行適當(dāng)提醒。

本文研制出了手持式的靜電儀，電場(chǎng)探測(cè)電極及超聲波測(cè)距單元位于最前端，面向被測(cè)帶電體。通過(guò)正面的顯示屏及按鍵，進(jìn)行測(cè)試、存儲(chǔ)等功能操作。

4 標(biāo)定與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

由于帶電人體、固體等被測(cè)物形貌及材料不同，產(chǎn)生非勻強(qiáng)電場(chǎng)，靜電儀實(shí)際感應(yīng)到的為畸變電場(chǎng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物攜帶靜電電壓、電荷等的準(zhǔn)確測(cè)量，本文對(duì)靜電儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)兩次標(biāo)定。

實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定采用平行極板結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)箱完成。其中，一組極板接地，另一組極板接高壓。靜電儀固定在接地極板上，與高壓極板之間的距離為20 cm。在高壓極板上施加0～12 kV的電壓，從而在兩極板之間產(chǎn)生0～60 kV/m的勻強(qiáng)電場(chǎng)。標(biāo)定過(guò)程記錄靜電儀輸出與高電壓之間的線性關(guān)系。

其中，E為被測(cè)電壓值；Vout為靜電儀輸出原始值；Vo為靜電儀電場(chǎng)零點(diǎn)標(biāo)定值；k為靜電儀的實(shí)驗(yàn)室靈敏度系數(shù)。

標(biāo)定時(shí)，共施加6個(gè)行程(3個(gè)正行程，3個(gè)反行程)，記錄每個(gè)電場(chǎng)下的靜電儀原始輸出結(jié)果(單位為mV)，進(jìn)行直線擬合。其中，每個(gè)測(cè)試電場(chǎng)下共記錄6次測(cè)試結(jié)果。標(biāo)定結(jié)果如圖7所示，根據(jù)GB 18459計(jì)算，傳感器的總不確定度為2.98%。由于傳感器信號(hào)解調(diào)時(shí)包含與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相關(guān)的相位差信息，輸出結(jié)果也有可能為負(fù)值，本次標(biāo)定出的傳感器靈敏度k為正。

圖7 固定距離下靜電儀標(biāo)定結(jié)果

靜電儀的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置主要包括帶電極板、帶電極板支架、直線導(dǎo)軌、高壓源表及計(jì)算機(jī)等幾部分。其中，靜電儀固定在直線導(dǎo)軌上方，與帶電極板垂直放置，通過(guò)導(dǎo)軌的平移改變靜電儀與帶電極板之間的距離。在帶電極板(標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)物)上施加一個(gè)已知電壓VC，通過(guò)靜電儀的輸出結(jié)果及式(1)，得到校準(zhǔn)前測(cè)試電壓VC0，則現(xiàn)場(chǎng)靈敏度系數(shù)C=VC0/VC，靜電儀的靈敏度由原來(lái)的k校準(zhǔn)為k×C。即待測(cè)電壓

靜電儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系數(shù)與被測(cè)物尺寸、測(cè)試距離兩個(gè)關(guān)鍵因素相關(guān)。為了研究這一規(guī)律，本文加工了不同尺寸的金屬圓板作為高壓極板，用于模擬不同的被測(cè)物尺寸，并在不同測(cè)試距離下對(duì)靜電儀進(jìn)行標(biāo)定，獲取了直徑為15～80 cm金屬圓板現(xiàn)場(chǎng)靈敏度系數(shù)動(dòng)態(tài)關(guān)系，部分結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，被測(cè)物尺寸越小、距離越遠(yuǎn)，電場(chǎng)衰減越嚴(yán)重，需要進(jìn)行修正的現(xiàn)場(chǎng)靈敏度系數(shù)越高。通過(guò)該圖也可以反映測(cè)距誤差對(duì)于靈敏度選擇的影響，例如，當(dāng)測(cè)試距離為10 cm、被測(cè)物直徑為50 cm時(shí)，0.3 cm的測(cè)距誤差可造成約1.38%的靈敏度誤差。

圖8 不同尺寸、不同距離的靈敏度系數(shù)標(biāo)定結(jié)果

參考《JJF 1517-2015 非接觸式靜電電壓測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范》，本文將研制出的非接觸式靜電儀在北京東方計(jì)量測(cè)試研究所進(jìn)行了檢測(cè)(檢測(cè)證書編號(hào)：DY19-1982)。分別選取2 cm,5 cm,10 cm 3個(gè)測(cè)試距離，施加不同的測(cè)試電壓，記錄靜電儀輸出與實(shí)際施加電壓的偏差情況，結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，本文研制的非接觸式靜電儀可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)距離的表面電位測(cè)量，測(cè)量平均誤差為–2.98%，最大誤差為-10%。

表1 靜電儀第三方校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并研制了一種距離可變的非接觸式表面靜電儀。與傳統(tǒng)定距測(cè)量模式相比，具有使用場(chǎng)景更加廣泛、可靠性更好等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行第三方檢測(cè)時(shí)，誤差最大可達(dá)–10%。誤差主要來(lái)源于以下4個(gè)方面。(1)測(cè)量距離誤差：本文采用超聲波反射原理獲知被測(cè)物距離，在測(cè)試距離較小時(shí)，容易因超聲波多次反射，造成距離誤差，從而對(duì)表面電位造成誤差。(2)角度誤差：在靜電儀標(biāo)定及實(shí)際測(cè)試時(shí)，理想情況是靜電儀與被測(cè)表面垂直，然而實(shí)際擺放的垂直度存在偏差，影響電場(chǎng)分布以及測(cè)距結(jié)果，從而造成最終結(jié)果偏差。(3)靜電荷干擾：在靜電儀測(cè)試時(shí)，由于感應(yīng)電極上的靜電未消除干凈，造成零點(diǎn)存在偏差，正負(fù)電壓的測(cè)試誤差存在細(xì)微的差別。在實(shí)際使用時(shí)，如果被測(cè)物為非平面結(jié)構(gòu)，例如球面、凸起的尖端等，則不適用于圖8所示的標(biāo)定結(jié)果，需要針對(duì)被測(cè)物形貌進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。(4)受到溫度變化的影響，圖2中傳感器的等效彈性系數(shù)kx，以及受氣壓變化造成空氣阻尼cc,cs,strip的變化，均可能造成敏感芯片諧振頻率的改變，從而造成測(cè)量結(jié)果的溫度漂移。通過(guò)在不同溫度下記錄傳感器的靈敏度和零點(diǎn)，從而標(biāo)定出傳感器的溫度漂移規(guī)律，在測(cè)量時(shí)通過(guò)嵌入式軟件進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以消除一部分溫度的影響。在實(shí)際使用時(shí)，在該手持式靜電儀上增加了校零功能，在使用前使靜電儀測(cè)量零電位校準(zhǔn)零點(diǎn)，也可以抑制部分溫度的影響。

此外，第三方檢測(cè)施加電壓的范圍為–5～5 kV，與傳統(tǒng)靜電儀相比量程偏小。其原因在于，為了提高靜電儀在小電壓的測(cè)量精度，本文增大了靜電儀外部感應(yīng)電極尺寸，從而提升響應(yīng)信號(hào)大小。當(dāng)被測(cè)電場(chǎng)過(guò)大時(shí)，可能造成局部飽和。在需要測(cè)量更大電壓時(shí)，可通過(guò)增加測(cè)試距離的方法來(lái)解決。

靜電測(cè)量是靜電防護(hù)的重要組成部分。本文基于MEMS電場(chǎng)芯片技術(shù)，研制出距離可動(dòng)態(tài)適應(yīng)的非接觸式靜電儀，與傳統(tǒng)靜電儀相比，具有以下創(chuàng)新之處：(1)基于MEMS電場(chǎng)敏感元件，具有體積小、功耗低、易集成、可批量化制備等突出優(yōu)點(diǎn)。(2)設(shè)計(jì)了敏感元件封裝，與傳統(tǒng)振動(dòng)電容式、場(chǎng)磨式靜電儀相比，無(wú)裸露可動(dòng)部件，可靠性高。(3)提出動(dòng)態(tài)標(biāo)定算法，克服了距離變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。經(jīng)第三方檢測(cè)，本文研制的靜電儀在2 cm,5 cm,10 cm 3個(gè)距離下，平均測(cè)試誤差為–2.98%。