EPIC — новая эра в измерении электрического потенциала

Традиционно взаимодействие твердотельных устройств с электромагнитным полем осуществлялось, главным образом, путем обнаружения возмущений в магнитном поле. Датчики Холла, например, обеспечивают надежную работу во многих аналоговых и цифровых приложениях. В повседневной жизни мы пользуемся информацией, которая закодирована в электромагнитных сигналах, принимаемых нашими мобильными телефонами и телевизорами.
Электрометры измеряют электрический заряд или разность потенциалов и, по сути, являются вольтметрами с таким высоким входным импедансом, что их входной ток можно полагать равным нулю. До недавних пор электрометры пользовались репутацией неточных приборов, в которых часто использовались компоненты, чувствительные к механическим ударам. Описываемый в статье датчик EPIC является очень надежным твердотельным электрометром с высоким входным импедансом, благодаря чему этот прибор можно считать идеальным вольтметром. Перспективы его использования разнообразны, а недавние демонстрации возможностей электрометра получили одобрение со стороны инженерного сообщества.

EPIC (Electric Potential Integrated Circuit) представляет собой микросхему с датчиком для измерения электрического потенциала. По сути, это система со своими физическими принципами работы.
EPIC — бесконтактный электрометр, электрод которого защищен слоем диэлектрика для изоляции от измеряемого объекта. По принципу действия микросхему EPIC можно уподобить затвору полевого транзистора. Полоса пропускания устройства по уровню –3 дБ лежит в диапазоне от нескольких десятков до 200 МГц и выше. Эта характеристика подстраивается под нужды конкретного приложения. Такой электрометр не может иметь связи по постоянному току, т.к. электрическое поле Земли на уровне моря составляет около 100–150 В/м.
В несимметричном режиме это устройство применяется для определения электрического потенциала; в дифференциальном режиме оно измеряет локальное электрическое поле либо используется для отображения пространственного распределения потенциала.
На рисунке 1 представлена базовая структурная схема датчика EPIC [1]. Размер его электрода выбирается отчасти произвольно и зависит от входной емкости, определяемой конкретным приложением. Размер этого электрода критичен для помещаемых рядом с ним объектов, а работа прибора описывается в терминах емкостной связи. Для устройств, находящихся в нескольких метрах от измеряемого объекта, емкостная связь определяется только собственной емкостью электрода, а их характеристика в большой мере зависит от входного импеданса при взаимодействии устройства с полем. При этом следует учесть, что в активном режиме датчик EPIC забирает у поля очень малое количество энергии.

Рис. 1. Базовая структурная схема датчика EPIC

Входное сопротивление устройства повышается с помощью обратной связи, а снижение входной емкости достигается за счет методов защиты. Входную емкость можно снизить до 10–17 Ф, а входное сопротивление увеличить до 1015 Ом, сведя взаимодействие с измеряемым полем к абсолютному минимуму, когда остаются только малые токи смещения.
Чтобы лучше понять механизмы работы обратной связи, следует рассмотреть входной буфер усилителя и соответствующие импедансы (см. рис. 2). Для задания в первом каскаде коэффициента усиления, номинально равного единице, используются резисторы RG1 и RG2. Cin и Rin представляют входную емкость и сопротивление усилителя, соответственно, учитывающие паразитные компоненты схемы или подложки. Емкость Cext моделирует емкостную связь с объектом измерения.

Рис. 2. Входной каскад датчика EPIC

В условиях сильной связи (Cext >> Cin) Cext определяется уравнением 1:

(1)

где a — эквивалентная общая площадь электрод/объект; d — расстояние между объектом и датчиком; ε0 — ди­элек­трическая проницаемость свободного пространства; εr — относительная проницаемость диэлектрической среды, в которую помещен датчик.
В условиях слабой связи (Cext << Cin) Cext определяется уравнением 2:

Cext = ε₀ ε_r r,                      (2)

где r — диаметр пластины датчика.
Анализ схемы показывает, что мы имеем дело с классической однополюсной передаточной функцией, что видно из уравнения 3:

.

На рисунке 3 представлен график Боде.

Рис. 3. График Боде с передаточной функцией, определяемой уравнением 3

Частота излома (Fc1) определяется уравнением 4:

(4)

Используя обратную связь, можно задавать эффективные значения Cin и Rin для контроля пологого участка коэффициента усиления и частоты излома (при изменении с Fc1 до Fc2). Характеристика датчика контролируется также с помощью последующих каскадов и контуров положительной обратной связи, благодаря чему датчик настраивается в соответствии с потребностями конкретного приложения.

Большой интерес к датчику EPIC проявляют медики, которые применяют его в электрокардиографии (ЭКГ), электромиографии (ЭМГ), электроэнцефалографии (ЭЭГ) и электроокулографии (ЭОГ).
Датчики EPIC нашли применение в качестве замены влажных электрокардиографических электродов, поскольку не требуют ни геля, ни других веществ, улучшающих контакт. ЭКГ-сигнал наблюдается при наложении или приближении датчиков EPIC к пациенту. Датчик не только обеспечивает «мониторинг» ЭКГ, но и более точные диагностические измерения. Эти датчики можно применять вместо традиционных 12-выводных контактов электрокардиографа, которые накладываются на конечности человека и его туловище для измерения электрической активности сердца. При этом датчики EPIC позволяют получить более правильную картину работы сердца пациента. Массив датчиков EPIC, помещенный на грудь пациента, обеспечивает даже лучшее разрешение, чем то, которое достигается с помощью традиционных систем (см. рис. 4) [2].

Рис. 4. Данные ЭКГ, полученные с помощью датчиков EPIC (вверху) и влажных электродов (внизу)

Датчики EPIC также используются для восстановления других физиологических сигналов, например, вызванных электрической активностью мышц глаза, когда он последовательно смотрит в разных направлениях. У этих сигналов единственные в своем роде признаки. Информация, полученная путем контроля положения глаз методами ЭОГ, используется в военных приложениях и играх. Возможно, к числу наиболее интересных приложений этих датчиков в медицине относится электроэнцефалография, где регистрируется электрическая активность мозга. Применения датчиков EPIC в медицине еще находятся на стадии развития, но запись опознаваемых сигналов, меняющихся в зависимости от мыслей человека, открывает такие возможности, которые прежде существовали лишь в воображении фантастов.

Безопасность. В силу своих особенностей датчики EPIC могут применяться для обнаружения любого возмущения в локальном электрическом поле на расстоянии до нескольких десятков метров. Поскольку человеческое тело является совокупностью проводящих и поляризуемых веществ, оно вызывает большое возмущение в электрическом поле, которое очень легко обнаруживается с помощью датчиков. Например, незначительное изменение положения руки становится причиной появления сигнала, который легко регистрируется датчиком, находящимся в нескольких метрах от человека. Массивы датчиков используются с тем, чтобы обеспечить локализацию объекта в пространстве и отличить на больших дистанциях, например, человека от четвероногого животного или организовать охрану удаленной территории.
Человеко-машинный интерфейс. Способность датчиков EPIC различать сигналы, поступающие от разных групп мышц, позволяет усовершенствовать человеко-машинные интерфейсы. Например, люди, у которых парализованы четыре конечности, могут подавать сигналы компьютеру с помощью глазных мышц. И наоборот, сигналами с датчиков можно обеспечить управление протезами инвалида.
Микроскопия. Небольшие датчики, сканирующие интегральную микросхему, могут определять области высокого или низкого потенциала, позволяя проследить распределение тока по металлическим дорожкам и другим элементам цепи. Дефекты в диэлектрических материалах обнаруживаются либо пассивными методами (с помощью пьезоэлектрических эффектов), либо путем определения цепей утечки в активных цепях.
С помощью датчиков размером 6 мкм можно обнаружить отпечатки пальцев на тефлоновой пластине или проследить ее разрушение со временем [3]. Используя такие датчики, судмедэксперты получают несколько преимуществ, т.к. данный метод определения отпечатков пальцев не является разрушающим и после него не остаются посторонние вещества на изучаемой поверхности, благодаря чему эксперты могут взять образцы ДНК в удобное для них время.

Внедрение технологии EPIC в коммерческие приложения открывает широкие возможности для решения многих технических проблем. В этой статье мы коснулись только некоторых областей применения датчиков EPIC. К числу других областей деятельности относятся строительство и диагностика технического состояния транспорта, связь и сейсмология. У этой технологии много перспектив. Вполне возможно, что EPIC станет своеобразной вехой на пути совершенствования датчиковых технологий.