电子信息产业选型推荐，半导体精密研磨抛光机传感器应用案例

产品方案： FF-403+FFRS-310

2、晶片安放在研磨槽里面检测到位

产品方案： FF-403+FFRS-310

3、晶片研磨后进行清洗过程

产品方案： FF-403+ FFR-38M

4、研磨清洗后成品晶片检测

产品方案： FF-403+FFRC-310

5、检测气缸磁性开关是否到位

产品方案：FD-07R

6、压力开关控制整台设备气压

产品方案： FKP70BP-010-F3

7、导轨电源

产品方案： FP300D- 24MDA

8、固态继电器20A,40A直流控制交流

产品方案： WLHJP-22 25A或WLHJP-22 40A

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磨机传感器接口设计，是否能提高大气应用中，电场测量的精确性？

文 | 奇旅说

编辑 | 奇旅说

序

在大气应用中，精确测量电场是理解气象和大气现象的关键 。传统的感应探头方法存在一些局限，因此现场磨机传感器成为了一种可行的替代方案。

现场磨机传感器的优点包括灵敏度高、响应速度快以及不需要频繁重新归零等特点，使其成为大气应用中首选的电场测量仪器，然而，传感器接口的设计也是至关重要的，需要考虑参数如灵敏度、噪声和功耗等。

那么通过优化接口设计，并结合现代的微控制器单元 ，是否真的能够实现更精确和高性能的电场测量？

电场测量系统

用于各种科学和工程应用以及研究目的的电场测量系统的开发是广泛的，并且在过去几十年中都得到了广泛的研究，现代电力系统中HVDC线路用于输电的前景急剧增加，因此需要评估输电线路下的电气环境（即电场，离子电流密度和空间电荷密度） 以建立安全指南。

因此，由于操作过程中可能对健康和安全产生影响 ，因此在地面上和紧邻地面上了解这些参数具有重要意义，电场估计在靠近地球表面的尘埃现象中也很重要，对于航空航天项目和火箭发射，以及用于创建公平天气电场剖面的机载测量。

而且与电场测量相关的一个主要研究领域是电场在气象和大气现象中的行为，特别关注天气预报，在大气电中，测量最多的表面量是垂直电场，也称为势梯度，已经测量了局部电场。

以更好地了解雷云电气化以及全球闪电与大气之间的能量交换，预测雷电事件，并定义飞机雷击的电场阈值。

对雷暴中的电活动进行了调查，其中静电场是在发生雷击的带电云内飞行期间测量的，以提供超越表面测量的见解，在晴朗的天气条件下，大气电场的扰动表明存在气溶胶 ，并且在地震前和磁暴期间观察到气溶胶的强烈变化。

感应探头测量已平衡到相对于参考接地层的局部环境场的导电板或天线的电位，然而，由于感应探头，对环境空间电荷的敏感性，以及在屏蔽条件下需要频繁重新归零，因此不建议使用感应探头进行长期电场测量。

由于直流场测量的挑战部分是传感器附近随机空间电荷的积累 ，这些电荷会干扰电场的测量，因此对于大多数传感器的构造，采用振荡或振动装置来创建伪交流电场，从直流电场到交流信号的转换通过最大限度地减少空间电荷积聚和杂散偏移的影响而有利于测量。

这些器件通过交替屏蔽或暴露导电板、定期将其暴露在局部磁场中或通过振荡平行板电容器的顶板来工作，与感应探头相比，它们的优势在于它们提供更高的灵敏度，并且不需要不断的重新归零。

因此，大气应用中电场测量的首选仪器是电场磨机或百叶窗式场磨机，因为它的结构并不复杂;它提供了广泛的动态测量范围，具有灵敏度稳定、信噪比好 、响应速度快等特点;并且适合批量生产。

关于现场磨机结构的各个方面的改进、其正确安装及其有效的运行监控，可以找到广泛的研究，然而，有限的工作解决了传感器接口电路，特别是前置放大级引入的噪声，而由于传感器引起的微弱信号及其低频（Hz量级）而引起的挑战尚未得到充分分析。

我们其实还概述了电场磨机传感器的特性及其最重要的灵敏度相关参数，此外，还介绍了最流行的现场磨机传感器接口拓扑，提出了现场铣床传感器前端电路的低功耗设计 ，所介绍工作的主要目标是创建一个满足大气电场测量应用中定义的规格的传感器接口。

电场磨机传感器和前端电路

如下图描绘了快门式电场磨机传感器的结构 ，Harnwell和Van Voorhis开发了最早的已知电场磨机设计之一，该传感器也称为旋转电场磨，或简称电场磨，由两个同轴固定且相互绝缘的圆板型电极形成。

由屏蔽电极组成的扇形百叶窗（也称为转子或斩波器），屏蔽电极电接地并使用恒速电机旋转;以及固定的分段导电板（最常见），由扇形传感电极（有时称为定子）组成，旋转快门周期性地将感应电极暴露并覆盖在环境电场之外。

因此，电荷在曝光状态下累积，并在后者的屏蔽状态下传导。

传感电极、斩波器和保护环之间需要有足够的空间，现场磨机中活动表面之间的间隔间隙对于最大限度地减少沉淀引起的桥接（短路）是必要的，沉淀会导致影响测量的泄漏电流，产生谐波含量的边缘效应，可能是由于屏蔽电极与传感电极位于不同的平面上 ，并且随着它们之间间隙距离的减小而增强。

因此，斩波器和传感电极之间的合理距离，对于减少表面接触电位产生的电场和避免零点设置变化非常重要，在确定传感电极和屏蔽电极（转子）之间的间隙距离时应考虑的另一个方面是间隙和感应电荷之间的权衡。

实验测量表明，间隙距离的增加导致由于边缘效应而导致的感应电荷减少 ，这取决于间隙距离。

因此，虽然小的距离间隙会导致更高的灵敏度，但应解决环境条件以及当电极接近度很大时在组装和操作过程中产生的挑战。

管理接触电位产生的噪声的另一种方法是仔细选择转子和定子的材料，这些材料不应容易被金属氧化或表面污垢污染。

虽然选择能够提供高斩波频率的电机会产生低噪声信号，但需要更高的电机功耗 ，并且接地电刷磨损会增加，选择33.3 Hz的转速以平衡时间分辨率，功耗和机械寿命，通过将电机电源调节为60.3 V来实现3 Hz的转速，以最小化电流消耗。

并且足以在天气晴朗的电场测量应用中提供可测量的电流，大多数转速从几十赫兹（50赫兹）到几百赫兹不等，因为大多数低成本电机都以该速率旋转。

用于这项工作的现场研磨传感器设计有较大的传感电极面积以提供高灵敏度，并且它以低转速运行以减轻电机功耗。

典型的现场磨机传感器接口电路序列如下所述图。

电场磨机的典型传感器接口由前置放大器组成，前置放大器将感应电荷或电流转换为电压，并放大电极的弱电流信号输出，大多数作品使用电荷或跨阻放大器。

它应该引入最小的噪声并具有低输入偏置电流，因为感应电流的值通常与漏电流相当，并且现场测量会受到显着影响，多个接口中集成了一个额外的电压增益级。

在某些工作中，选择电荷放大器的RC网络，使输出电压信号与传感器旋转的频率无关，这是一个理想的特征，因为在运行过程中电机转速可能会略有变化，应仔细选择或设计前置放大级的运算放大器，因为它基本上确定了整个传感器接口的灵敏度。

采用同步检波器（相敏检波器）对信号进行同步解调，在大多数情况下，包括一个感测电机旋转的光学开关，为锁相信号检测提供参考信号。

该信号指示特定的角电机位置或传感电极的暴露状态 ，以及电机的转速，相位敏感检测用于提取环境电场的幅度和极性，可以通过锁相放大器实现。

相敏检测的另一个好处是降低了噪声，因为在此阶段，仅放大感应信号的频率，并且在某些应用中，还采用带通滤波器来补充噪声滤波，这种相敏检测级在模拟域或数字域中实现，文献中存在几种变体。

所述，采用同步检测并不能减轻奇次谐波的存在引起的噪声，因为这些频率乘以包含相同奇次谐波的正方形（因为平方信号是光学编码器提取的参考信号，具有感应电流信号的频率）。

在相敏检测之后，整流信号通常经过低通滤波，在某些情况下，馈送到模数转换器（ADC），微控制器可用于组织数据及其串行传输，以及记录各种参数以进行维护，以实现电机的恒定转速，以及激活/停用电机并选择解调后增益。

在大多数应用中，模拟电路的电源由双极性电源轨实现 ，因为信号的解调级需要使用±1放大增益或乘法的数学等效值，其中电场的不同极性由正负输出电压表示，然而，对称电源的使用在现代应用中受到限制，并且与当前单电源操作的趋势不兼容。

现场磨机传感器 的校准设置是通过将设备暴露在已知电场中进行的，该电场由两个平行导电板和一个可变高压电源产生，该电源在板上施加高压。

为避免已知均匀磁场失真，在其中一块板上打开一个孔，并将传感器与其齐平安装，IEEE指南有关导电板的适当尺寸以及它们之间的正确距离（相对于传感器尺寸），可以找到;为避免顶板上的表面电荷密度受到干扰，板之间的距离d应至少为现场研磨传感器半径R的三倍。

拟议的电场磨机传感器和前端电路

电场磨机传感器传感电极的顶视图，其规格决定了传感器接口前端级的设计，如下所示图4两组传感电极，A组和B组，每组由两个叶片组成 ，用于差分测量，A组感应的电流信号与B组感应的电流相位差为180°。

所提出的传感器接口包括相位敏感检测电路的替代简化版本，而不是大多数工作中常用的模拟乘法器、同步解调器或锁相放大器，该接口可以选择与纳米功率微控制器单元（MCU）（例如德州仪器的MSP430系列）结合使用，该单元可以控制电机激活并有助于信号处理。

图5描述了所提出的传感器接口，该接口由预放大级 、滤波级和相敏检测级组成，产生信号的光学编码器，V光电指示传感电极的暴露状态，也用于电场符号提取。

结论

在这项工作中，概述了电场磨机传感器的灵敏度相关参数以及影响其功耗的参数，介绍了在大气应用中电场磨机传感器接口设计过程中应考虑的设计参数，满足此特定应用要求的传感器接口在集成版本中进行了设计、实验测试和优化，在噪声和功耗方面提供了改进的性能。

为了实现前端电路，设计了一种结合窄带通滤波器的替代相敏检测配置，并进行了FFT频谱分析，以证明其对外部和内部噪声消除的贡献，传感器实现的灵敏度为45 mV/kV/m ，接口电路的总功耗为165 μW。

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