專利名稱：基于mems技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震檢波技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器，可以對(duì)微弱地震波進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
目前，已提出的地震檢波器絕大部分是屬于慣性敏感測(cè)量器件，將微弱地震波信號(hào)轉(zhuǎn)化為符合儀器記錄系統(tǒng)需要的能量形式。幾種典型的地震檢波器有(I)動(dòng)圈式地震檢波器，利用線圈在地面振動(dòng)時(shí)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化來檢測(cè)地震波。(2)壓電式地震檢波器，利用壓電材料的壓電、壓阻效應(yīng)，通過質(zhì)量塊敏感慣性力，使材料的電壓或電阻產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過測(cè)量輸出的電壓來檢測(cè)地震波。(3)光柵光纖式地震檢波器，光柵式是利用光柵的波長(zhǎng)調(diào)制原理，通過檢測(cè)由光柵的柵距變化引起的波長(zhǎng)變化來測(cè)量表征地震波的加速度的大?。还饫w加速度式是利用質(zhì)量塊感應(yīng)加速度產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，引起相關(guān)結(jié)構(gòu)的變化而導(dǎo)致光輸出相位變化，通過測(cè)量出相位變化可計(jì)算地震波的振動(dòng)參數(shù)。(4)MEMS電容式地震檢波器，利用MEMS技術(shù)微型化、低功耗等特點(diǎn)，采用質(zhì)量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來感應(yīng)地動(dòng)加速度，再將電容變化轉(zhuǎn)化為可輸出的電壓信號(hào)，通過測(cè)量電壓信號(hào)來檢測(cè)地震波，美國(guó)Colibrys公司是地震用MEMS芯片的主要研制廠家。(5)電化學(xué)地震檢波器，基于電化學(xué)增益器的原理，利用了其增益倍數(shù)大、低功耗、低噪聲等特點(diǎn)，在外界加速度的作用下，帶電離子在電極處的反應(yīng)速率發(fā)生變化，從而使電極電流輸出產(chǎn)生相應(yīng)的改變，通過測(cè)量電流變化來檢測(cè)地震波，美國(guó)的PMD公司和MET公司是電化學(xué)地震檢波器的主要研制廠家。上述幾種典型的地震檢波器中，動(dòng)圈地震檢波器頻帶窄、動(dòng)態(tài)范圍小、易受電磁干擾且壽命短；壓電地震檢波器嚴(yán)重依賴于材料，溫度穩(wěn)定性較差，噪聲大，信噪比低，敏感微弱振動(dòng)有難度，而且壓電和壓阻材料的生產(chǎn)工藝一致性、誤差等問題將引入到檢波器中影響其性能；光纖光柵地震檢波器通過質(zhì)量塊敏感慣性產(chǎn)生振動(dòng)不可避免地會(huì)引入相應(yīng)的機(jī)械噪聲，信噪比難以做到很高；而且涉及到光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子檢測(cè)等，整個(gè)檢波器比較復(fù)雜，成本高，在惡劣條件下容易損壞；MEMS電容式地震檢波器同樣會(huì)引入機(jī)械熱噪聲，很難進(jìn)一步提高傳感器的信噪比和分辨率，另外器件含各種復(fù)雜MEMS微結(jié)構(gòu)，工藝復(fù)雜、成品率低、成本高，輸出信號(hào)微弱，對(duì)檢測(cè)電路要求苛刻；電化學(xué)地震檢波器采用鉬絲網(wǎng)狀電極與多孔陶瓷薄片和陶瓷管組裝而成，工藝復(fù)雜、成本高、電極一致性差、批量化生產(chǎn)能力差，器件體積大，制約著其使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器，對(duì)微弱地震波進(jìn)行高靈敏的檢測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)微型化，降低工藝難度和加工成本。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器,其敏感單兀密封在盛滿電解質(zhì)溶液4的腔體中；其敏感單元為層狀疊加結(jié)構(gòu)，每一層包括正面的兩對(duì)共面叉指形排列的電極la、lb、2a、2b和背面的多個(gè)溝槽形絕緣流道3，上一層的流道3緊貼在下一層的電極la、lb、2a、2b上，使電解質(zhì)溶液4在電極la、lb、2a、2b表面流動(dòng)。所述的地震檢波器，其所述溝槽形絕緣流道3，為一字型，兩端貫通于層狀疊加體兩側(cè)面；每層的多個(gè)絕緣流道3之間橫向相互平行，不同層的多個(gè)絕緣流道3之間疊加的相互平行。所述的地震檢波器，其所述敏感元件的每一層為不同的長(zhǎng)度，便于將各層相同的電極la、lb、2a、2b相互連接起來；電極la、lb、2a、2b,或采用條形結(jié)構(gòu)，多組條形結(jié)構(gòu)可以增加電極面積，保證地震檢波器的靈敏度；電極la、lb、2a、2b材料為金屬鉬；電解質(zhì)溶液4，為碘化鉀和碘單質(zhì)的混合溶液、溴化物和溴單質(zhì)的混合溶液，或包含二價(jià)鐵離子和三價(jià)鐵離子的混合溶液其中之所述的地震檢波器，其敏感單元采用MEMS工藝加工制作，包括步驟a)在襯底單晶硅6背面用深刻蝕制作多個(gè)平行溝槽后，以熱氧化方法在單晶硅6表面生長(zhǎng)氧化娃9制作絕緣層5 ；b)在沒有多個(gè)平行溝槽的襯底單晶硅6正面濺射金屬鉬10后，以分層剝離工藝制作兩對(duì)共面叉指形排列的電極la、lb、2a、2b ；

c)根據(jù)需要層數(shù)，重復(fù)a)、b)步，加工每一層結(jié)構(gòu)，然后將多層堆疊固接起來，上一層的溝槽作為下一層電極1&、113、2&、213的流道3，各層相同的電極1&、113、2&、213間相互電連接，得成品。所述的地震檢波器，其所述將多層堆疊固接起來，是將每層的背面固接在下一層的正面上，使上一層的溝槽作為下一層電極la、lb、2a、2b的流道3。所述的地震檢波器，其所述固接起來，是各層之間粘合堆疊，或鍵合堆疊。所述的地震檢波器，其所述襯底，或用玻璃、或用石英。所述的地震檢波器，其工作流程是a)在陽(yáng)極la，Ib和陰極2a，2b之間施加工作電壓12，電解質(zhì)溶液4中的離子會(huì)在電極la、lb、2a、2b表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電荷交換，從而形成電流；b)當(dāng)?shù)卣饳z波器受到地震波的振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于受到一個(gè)加速度的作用，電解質(zhì)溶液4內(nèi)部產(chǎn)生壓力梯度，改變電解質(zhì)溶液4的離子濃度分布和速度場(chǎng)，影響電極la、lb、2a、2b處的反應(yīng)速率，從而使陰極2a，2b的輸出電流發(fā)生改變；c)因?yàn)閮蓪?duì)電極la、lb、2a、2b的對(duì)稱排列，所以兩個(gè)陰極2a，2b的電流呈相反變化；d)將陰極2a，2b輸出的電流信號(hào)通過運(yùn)放13轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，結(jié)合電阻14實(shí)現(xiàn)放大，再經(jīng)過減法器15差分輸出，通過檢測(cè)這個(gè)差分輸出，以完成對(duì)地震波的檢測(cè)。本發(fā)明的有益效果是(i)敏感單元的層狀疊加結(jié)構(gòu)和電極的叉指形排列，增加了電解質(zhì)溶液與電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的接觸面積，保證了地震檢波器的高靈敏度的特性；( )陽(yáng)極和陰極在同一表面上制作，電極一致性好，便于調(diào)節(jié)電極寬度和間距，并且降低了工藝復(fù)雜度；(iii)MEMS技術(shù)使加工工藝簡(jiǎn)單、成本低，實(shí)現(xiàn)微型化，而且成品率高，適于批量化生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的地震檢波器敏感單元y_z剖面制作工藝流程圖；圖3是本發(fā)明的地震檢波器層間電極連接的示意圖；圖4是本發(fā)明的地震檢波器實(shí)施例x-z剖面示意圖；圖5是本發(fā)明的地震檢波器電極的多組條形結(jié)構(gòu)的示意圖。圖中l(wèi)a、lb-陽(yáng)極 2a、2b-陰極 3_ 流道4-電解質(zhì)溶液 5-絕緣層 6-單晶硅7-鋁8-光刻膠 9-氧化硅10-鉬11-導(dǎo)線12-工作電壓源13-運(yùn)放14-電阻 15-減法器a-蒸鍍b_光刻C-磷酸腐蝕d-深刻蝕e_熱氧化 f_光刻g_濺射h_分層剝離 i_粘合堆疊
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。在圖1所示的結(jié)構(gòu)圖中，地震檢波器的敏感單元為層狀疊加結(jié)構(gòu)，每一層有正面的電極la，lb, 2a，2b和背面的流道3，敏感單元密封在盛滿電解質(zhì)溶液4的腔體中。陽(yáng)極la, Ib和陰極2a，2b為叉指形結(jié)構(gòu)排列，整體上從左到右為陽(yáng)極la_、陰極2a_、陰極2b_、陽(yáng)極Ib ;流道3為溝槽形結(jié)構(gòu)，具有電絕緣的性質(zhì)，上一層的流道3緊貼在下一層的電極la，lb, 2a，2b上，使電解質(zhì)溶液4可以沿左右方向在電極la，lb, 2a，2b表面流動(dòng)；電解質(zhì)溶液4為碘化鉀和碘單質(zhì)的混合溶液。在圖2中，介紹了具體的工藝制作流程，包括a步，首先在單晶硅6背面蒸鍍鋁層7 ；b步，在鋁層7表面根據(jù)需要涂覆光刻膠8 ；c步，進(jìn)行光刻后，用磷酸腐蝕將鋁層7圖形化，作為掩膜；(1步，在c步基礎(chǔ)上，用深刻蝕在單晶硅6背面制作溝槽；e步，然后用熱氧化的方法在單晶硅6表面生長(zhǎng)氧化硅9制作絕緣層5 ;f步，在e步基礎(chǔ)上，在單晶硅6正面根據(jù)需要涂覆光刻膠8 #步，接著對(duì)光刻膠8光刻后，在單晶硅6正面濺射金屬鉬10出步，用分層剝離工藝將金屬鉬10制作成電極la，lb, 2a，2b。由步驟a 步驟h，加工完成一層結(jié)構(gòu)后，重復(fù)步驟a 步驟h，根據(jù)需要制作多個(gè)一層結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行i步，將幾層粘合堆疊起來，上一層的溝槽作為下一層電極la，lb，2a，2b的流道3，得地震檢波器的敏感單元成品。在圖3所示的層間電極連接示意圖，地震檢波器敏感單元的每一層為不同的長(zhǎng)度，便于將各層相問的電極la，lb, 2a，2b相互連接起來。在圖4所示實(shí)施例中，地震檢波器通過導(dǎo)線11與電路相連，在陽(yáng)極la，lb和陰極2a，2b之間施加工作電壓12，電解質(zhì)溶液4中的離子會(huì)在電極la，lb，2a，2b表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電荷交換，從而形成電流。當(dāng)?shù)卣饳z波器受到地震波的振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于受到一個(gè)加速度的作用，電解質(zhì)溶液4內(nèi)部產(chǎn)生壓力梯度，改變了電解質(zhì)溶液4的離子濃度分布和速度場(chǎng)，影響電極la，lb, 2a，2b處的反應(yīng)速率，從而使陰極2a，2b的輸出電流發(fā)生改變。因?yàn)閮蓪?duì)電極la，lb, 2a，2b的對(duì)稱排列，所以兩個(gè)陰極2a，2b的電流呈相反變化。將陰極2a，2b輸出的電流信號(hào)通過運(yùn)放13轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，結(jié)合電阻14實(shí)現(xiàn)一定的放大，再經(jīng)過減法器15差分輸出，通過檢測(cè)這個(gè)差分輸出，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)地震波的檢測(cè)。在圖5中，地震檢波器的電極la，lb, 2a, 2b的另一種排列結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)條形的三對(duì)電極la, lb, 2a, 2b都是陽(yáng)極Ia-陰極2a_陰極2b_陽(yáng)極Ib的排列,各對(duì)相同的電極la, lb, 2a,2b相互連接；因?yàn)殛?yáng)極la，Ib在工作時(shí)將施加相同的工作電壓12，所以可以連接在一起；電極對(duì)的個(gè)數(shù)可以根據(jù)需要調(diào)整，并不局限于三對(duì)。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器,其敏感單兀密封在盛滿電解質(zhì)溶液(4)的腔體中；其特征是敏感單元為層狀疊加結(jié)構(gòu)，每一層包括正面的兩對(duì)共面叉指形排列的電極(la，lb, 2a, 2b)和背面的多個(gè)溝槽形絕緣流道(3)，上一層的流道(3)緊貼在下一層的電極(la，lb，2a，2b)上，使電解質(zhì)溶液⑷在電極(la，lb，2a，2b)表面流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震檢波器，其特征是所述溝槽形絕緣流道(3)，為一字型，兩端貫通于層狀疊加體兩側(cè)面；每層的多個(gè)絕緣流道(3)之間橫向相互平行，不同層的多個(gè)絕緣流道(3)之間疊加的相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震檢波器，其特征是所述敏感元件的每一層為不同的長(zhǎng)度，便于將各層相問的電極(la，lb，2a，2b)相互連接起來；電極(la，lb，2a，2b)，或米用條形結(jié)構(gòu)，多組條形結(jié)構(gòu)增加電極面積，保證地震檢波器的靈敏度；電極(la，lb，2a，2b)材料為金屬鉬；電解質(zhì)溶液(4)，為碘化鉀和碘單質(zhì)的混合溶液、溴化物和溴單質(zhì)的混合溶液，或包含二價(jià)鐵離子和三價(jià)鐵離子的混合溶液其中之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震檢波器，其特征是敏感單元采用MEMS工藝加工制作，包括步驟 a)在襯底單晶硅(6)背面用深刻蝕制作多個(gè)平行溝槽后，以熱氧化方法在單晶硅(6)表面生長(zhǎng)氧化硅(9)制作絕緣層(5)； b)在沒有多個(gè)平行溝槽的襯底單晶硅(6)正面濺射金屬鉬(10)后，以分層剝離工藝制作兩對(duì)共面叉指形排列的電極(la，lb，2a，2b)； c)根據(jù)需要層數(shù)，重復(fù)a)、b)步，加工每一層結(jié)構(gòu)，然后將多層堆疊固接起來，上一層的溝槽作為下一層電極(la，lb，2a，2b)的流道(3)，各層相同的電極(la，lb，2a，2b)間相互電連接，得成品。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的地震檢波器，其特征是所述將多層堆疊固接起來，是將每層的背面固接在下一層的正面上，使上一層的溝槽作為下一層電極(la，lb，2a，2b)的流道⑶。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的地震檢波器，其特征是所述固接起來，是各層之間粘合堆疊，或鍵合堆疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的地震檢波器，其特征是所述襯底，或用玻璃、或用石英。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震檢波器，其特征是工作流程是 a)在陽(yáng)極(la，lb)和陰極(2a，2b)之間施加工作電壓(12)，電解質(zhì)溶液⑷中的離子會(huì)在電極(la, lb, 2a, 2b)表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生電荷交換,從而形成電流； b)當(dāng)?shù)卣饳z波器受到地震波的振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于受到一個(gè)加速度的作用，電解質(zhì)溶液(4)內(nèi)部產(chǎn)生壓力梯度，改變電解質(zhì)溶液(4)的離子濃度分布和速度場(chǎng)，影響電極(la，lb，2a，2b)處的反應(yīng)速率，從而使陰極(2a，2b)的輸出電流發(fā)生改變； c)因?yàn)閮蓪?duì)電極(la，lb，2a，2b)的對(duì)稱排列，所以兩個(gè)陰極(2a，2b)的電流呈相反變化； d)將陰極(2a，2b)輸出的電流信號(hào)通過運(yùn)放(13)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，結(jié)合電阻(14)實(shí)現(xiàn)放大，再經(jīng)過減法器(15)差分輸出，通過檢測(cè)這個(gè)差分輸出，以完成對(duì)地震波的檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器，涉及地震檢波技術(shù)，能夠檢測(cè)微弱地震波，是一個(gè)層狀疊加結(jié)構(gòu)的敏感單元密封在一個(gè)盛滿電解質(zhì)溶液的腔體里，敏感單元的每一層包括正面的兩對(duì)共面叉指形排列的電極和背面的溝槽形絕緣流道。當(dāng)?shù)卣饳z波器受到地震波的振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于受到一個(gè)加速度的作用，溶液內(nèi)部將產(chǎn)生壓力梯度，改變了溶液的離子濃度分布和速度場(chǎng)，影響電極處的電化學(xué)反應(yīng)速率，從而使電極電流發(fā)生改變。通過測(cè)量電極電流的變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地震波的檢測(cè)。傳感器采用層狀和共面叉指電極的結(jié)構(gòu)，提高了地震檢波器的靈敏度，電極一致性好，便于調(diào)節(jié)電極寬度和間距。
文檔編號(hào)G01V1/18GK103048680SQ20111030998
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者陳德勇, 李光北, 何文濤, 王軍波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所