一、 产品概述

1. 应用背景

高空大气电场强度是大气电学的基本参数，电云层、雷电都会使大气电场发生很大的变化，当飞行器穿越强电场区域时，有可能遭到雷击或诱发闪电，造成飞行器直接损坏或间接损伤。为了避免或减少雷电给人类造成的伤害和损失，对空中大气电场的测量是什么必要的。

KDC-W04型MEMS探空电场传感器是一款采用了MEMS电场敏感元件的空中电场传感器，具有灵敏度高、无裸露可动结构、易于批量化制备等独特优点，可实现便捷、快速、长期和可靠地对空中大气电场的准确测量，在航空航天、气象观测以及科学研究等空中电场探测方面具有显著的技术优势。

2. 功能简介

KDC-W04型MEMS探空电场传感器采用密封式的敏感结构及外壳设计，提高了设备的可靠性，可应用于3万米高空的电场测量。具有测量结果稳定、精度高、电场分辨力强、无裸露可动部件、可靠性高等特点。

KDC-W04型MEMS探空电场传感器主要功能特点包括：

1) 高灵敏、低功耗的MEMS电场传感器敏感芯片技术：KDC-W04型MEMS探空电场传感器的电场敏感结构采用基于MEMS技术制作的电场敏感芯片，使得产品拥有更高的电场感应灵敏度及更低的电路功耗；

2) 无裸露可动部件，可靠性高：KDC-W04型MEMS探空电场传感器采用全密封式的外部结构设计，拥有更好的环境适应性；

3) 数字输出接口，便于系统集成：KDC-W04型MEMS探空电场传感器将感应电荷调制为模拟弱电流信号后，进一步将其解算为TTL数字信号输出给用户使用，便于与数字探空仪相结合，组成功能更全面的探空系统；

4) 测试结果现场实时显示：KDC-W04型MEMS探空电场传感器按1s一组数据的形式，实时的将空中电场探测数据发送给用户设备，使用起来更加方便快捷。

3. 结构组成

KDC-W04型MEMS探空电场传感器主要由金属感应电极、外壳、挂钩、数据接口等组成。

图1 产品结构图

1） 钢缆：用于将传感器本体挂载在探空气球末端；

2） 外壳：其内部拥有泡沫保温层，采用金属外壳一方面可使传感器更加美观、可靠，另一方面可防止内部泡沫保温层自身所带静电场对测量结果的干扰；

3） 金属感应电极：金属感应电极为一金属球面制品，用于将空中感应电荷引入到MEMS电场敏感芯片表面，从而在芯片内部产生一被测电场，进行定量测量；

4） 数字接口：用于对电场传感器进行调校及与其他设备集成为功能更全面的探空系统；

5） 防水结构：采用伞帽结构设计，使模拟信号线缆屏蔽层及感应层之间留有间隙，不会因水珠等短接在一起。

图2 产品尺寸图

4. 测量原理

为解决已有机械型传感器具有裸露金属可动部件、易损坏等问题，我们在此产品中使用了中国科学院电子学研究所研制的基于MEMS技术的电场敏感元件，较目前应用的传统产品，具有更高的可靠性和寿命，并具有空间分辨率高、易于批量化制备等突出优点。

由于电荷感应现象的存在，当传感器金属感应极靠近带电云团时，将在感应面上产生一定量的感应电荷，同时由于传感器金属感应面与MEMS电场敏感芯片表面金属盖板连通，将使该感应电荷驻留在MEMS电场敏感芯片表面，从而使MEMS电场敏感芯片内部产生一电场信号。

MEMS电场敏感芯片内部采用梳齿状振动结构，其屏蔽电极接地，在激励电压驱动下，激励电极带动屏蔽电极以频率ω水平振动，周期性遮挡芯片内部感应电极，从而使芯片内部的感应电极表面的感应电荷量发生周期性改变，产生感应电流，此电流幅值与被测电场幅值成正比，测量此电流值即可达到测量被测电场目的。

为提高传感器空间分辨率及使传感器具有更好的环境特性，MEMS电场敏感元件使用了陶瓷芯片封装技术，进行了芯片封装。

a) MEMS电场敏感芯片调制原理  b) MEMS电场敏感芯片电镜扫描图

c） MEMS电场敏感芯片陶瓷封装

图4 MEMS电场敏感芯片

5. 
性能指标

6. 接口信息

表1 数字接口信息

注：因产品的改良升级，可能会导致产品规格和性能的改变，请以实物为准，恕不能事先告知。

7. 通信协议

数字信号输出端口输出协议格式为ASCII码，输出波特率为9600，数据间用空格号分隔，具体内容如表2所示。

表2 数字信号输出协议

待测空中电场值E=(V-V₀)/(k*k_out)，其中，V₀为标定零点，k为标定灵敏度，k_out为外场灵敏度。

二、 保修规定

因产品自身质量引起的故障，自购买日期起，一年内免费保修，三个月免费保换（请注意保持产品包装齐全）。超过免费保修期，公司将按规定收取维护服务费，更换的配件按成本价收取费用。

以下情况不属免费保修范围：用户操作不当或保管不当造成的损坏的；电压不稳定或电压超过电脑标准电压造成损坏的；不可抗拒力造成损坏的；由于其他硬件引起的兼容性问题；未经公司同意而自行拆装者。

三、 企业简介

北京中科飞龙传感技术有限责任公司是一家研发、生产、销售高技术传感器产品的高科技公司，关键技术源于中国科学院电子学研究所在电场探测先进传感器技术方面取得的重大创新成果。公司聚集了一批具有国际视野的国家级首席科学家、行业精英、具有丰富公司管理经验的高素质人才，核心技术骨干全部拥有博士学位，能力突出，具有非常大的发展潜力。

团队围绕国家重大需求，经过十余年自主创新攻关，突破了高性能MEMS（微机电系统）电场传感器设计、制造、封装、测试及可靠性等多项关键技术，发明了国际最高分辨力的高性能MEMS电场敏感芯片，成功研发出系列化MEMS电场传感器创新产品，并在国际上首次实现了MEMS电场传感器的应用。经权威专家鉴定，整体技术达到国际领先水平，填补了国际空白。研制的传感器已经应用于航天、国防、电网、气象和科学研究等多个领域，被美国、韩国等国外用户采购。获发明专利授权25项（其中1项美国专利），制定国家军用/企业标准6项；获得2015年度北京市科学技术奖一等奖和2014年度中国（国际）传感器创新大赛特等奖。MEMS电场传感器研究团队获得2015年度“中国科学院科技成果在北京转化先进团队”科技成果转化奖一等奖。