專利名稱：基于mems技術的電化學地震檢波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及地震檢波技術領域，是一種基于MEMS技術的電化學地震檢波器，可以對微弱地震波進行實時監(jiān)測。
背景技術：
目前，已提出的地震檢波器絕大部分是屬于慣性敏感測量器件，將微弱地震波信號轉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)動圈式地震檢波器，利用線圈在地面振動時切割磁感線，產生感應電動勢，通過測量感應電動勢的變化來檢測地震波。(2)壓電式地震檢波器，利用壓電材料的壓電、壓阻效應，通過質量塊敏感慣性力，使材料的電壓或電阻產生相應的變化，通過測量輸出的電壓來檢測地震波。(3)光柵光纖式地震檢波器，光柵式是利用光柵的波長調制原理，通過檢測由光柵的柵距變化引起的波長變化來測量表征地震波的加速度的大??；光纖加速度式是利用質量塊感應加速度產生運動，引起相關結構的變化而導致光輸出相位變化，通過測量出相位變化可計算地震波的振動參數。(4)MEMS電容式地震檢波器，利用MEMS技術微型化、低功耗等特點，采用質量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來感應地動加速度，再將電容變化轉化為可輸出的電壓信號，通過測量電壓信號來檢測地震波，美國Colibrys公司是地震用MEMS芯片的主要研制廠家。(5)電化學地震檢波器，基于電化學增益器的原理，利用了其增益倍數大、低功耗、低噪聲等特點，在外界加速度的作用下，帶電離子在電極處的反應速率發(fā)生變化，從而使電極電流輸出產生相應的改變，通過測量電流變化來檢測地震波，美國的PMD公司和MET公司是電化學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，動圈地震檢波器頻帶窄、動態(tài)范圍小、易受電磁干擾且壽命短；壓電地震檢波器嚴重依賴于材料，溫度穩(wěn)定性較差，噪聲大，信噪比低，敏感微弱振動有難度，而且壓電和壓阻材料的生產工藝一致性、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量塊敏感慣性產生振動不可避免地會引入相應的機械噪聲，信噪比難以做到很高；而且涉及到光學、機械學、電子檢測等，整個檢波器比較復雜，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引入機械熱噪聲，很難進一步提高傳感器的信噪比和分辨率，另外器件含各種復雜MEMS微結構，工藝復雜、成品率低、成本高，輸出信號微弱，對檢測電路要求苛刻；電化學地震檢波器采用鉬絲網狀電極與多孔陶瓷薄片和陶瓷管組裝而成，工藝復雜、成本高、電極一致性差、批量化生產能力差，器件體積大，制約著其使用范圍。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS技術的電化學地震檢波器，對微弱地震波進行高靈敏的檢測，并且實現微型化，降低工藝難度和加工成本。為實現本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術解決方案是—種基于MEMS技術的電化學地震檢波器,其敏感單兀密封在盛滿電解質溶液4的腔體中；其敏感單元為層狀疊加結構，每一層包括正面的兩對共面叉指形排列的電極la、lb、2a、2b和背面的多個溝槽形絕緣流道3，上一層的流道3緊貼在下一層的電極la、lb、2a、2b上，使電解質溶液4在電極la、lb、2a、2b表面流動。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面；每層的多個絕緣流道3之間橫向相互平行，不同層的多個絕緣流道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,或采用條形結構，多組條形結構可以增加電極面積，保證地震檢波器的靈敏度；電極la、lb、2a、2b材料為金屬鉬；電解質溶液4，為碘化鉀和碘單質的混合溶液、溴化物和溴單質的混合溶液，或包含二價鐵離子和三價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平行溝槽后，以熱氧化方法在單晶硅6表面生長氧化娃9制作絕緣層5 ；b)在沒有多個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共面叉指形排列的電極la、lb、2a、2b ；

c)根據需要層數，重復a)、b)步，加工每一層結構，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)在陽極la，Ib和陰極2a，2b之間施加工作電壓12，電解質溶液4中的離子會在電極la、lb、2a、2b表面發(fā)生電化學反應，產生電荷交換，從而形成電流；b)當地震檢波器受到地震波的振動時，相當于受到一個加速度的作用，電解質溶液4內部產生壓力梯度，改變電解質溶液4的離子濃度分布和速度場，影響電極la、lb、2a、2b處的反應速率，從而使陰極2a，2b的輸出電流發(fā)生改變；c)因為兩對電極la、lb、2a、2b的對稱排列，所以兩個陰極2a，2b的電流呈相反變化；d)將陰極2a，2b輸出的電流信號通過運放13轉化為電壓信號，結合電阻14實現放大，再經過減法器15差分輸出，通過檢測這個差分輸出，以完成對地震波的檢測。本發(fā)明的有益效果是(i)敏感單元的層狀疊加結構和電極的叉指形排列，增加了電解質溶液與電極發(fā)生電化學反應的接觸面積，保證了地震檢波器的高靈敏度的特性；( )陽極和陰極在同一表面上制作，電極一致性好，便于調節(jié)電極寬度和間距，并且降低了工藝復雜度；(iii)MEMS技術使加工工藝簡單、成本低，實現微型化，而且成品率高，適于批量化生產。


圖1是本發(fā)明的基于MEMS技術的電化學地震檢波器的結構示意圖；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構的示意圖。圖中l(wèi)a、lb-陽極 2a、2b-陰極 3_ 流道4-電解質溶液 5-絕緣層 6-單晶硅7-鋁8-光刻膠 9-氧化硅10-鉬11-導線12-工作電壓源13-運放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
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。在圖1所示的結構圖中，地震檢波器的敏感單元為層狀疊加結構，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溶液4的腔體中。陽極la, Ib和陰極2a，2b為叉指形結構排列，整體上從左到右為陽極la_、陰極2a_、陰極2b_、陽極Ib ;流道3為溝槽形結構，具有電絕緣的性質，上一層的流道3緊貼在下一層的電極la，lb, 2a，2b上，使電解質溶液4可以沿左右方向在電極la，lb, 2a，2b表面流動；電解質溶液4為碘化鉀和碘單質的混合溶液。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表面根據需要涂覆光刻膠8 ；c步，進行光刻后，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表面生長氧化硅9制作絕緣層5 ;f步，在e步基礎上，在單晶硅6正面根據需要涂覆光刻膠8 #步，接著對光刻膠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，加工完成一層結構后，重復步驟a 步驟h，根據需要制作多個一層結構，然后進行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所示實施例中，地震檢波器通過導線11與電路相連，在陽極la，lb和陰極2a，2b之間施加工作電壓12，電解質溶液4中的離子會在電極la，lb，2a，2b表面發(fā)生電化學反應，產生電荷交換，從而形成電流。當地震檢波器受到地震波的振動時，相當于受到一個加速度的作用，電解質溶液4內部產生壓力梯度，改變了電解質溶液4的離子濃度分布和速度場，影響電極la，lb, 2a，2b處的反應速率，從而使陰極2a，2b的輸出電流發(fā)生改變。因為兩對電極la，lb, 2a，2b的對稱排列，所以兩個陰極2a，2b的電流呈相反變化。將陰極2a，2b輸出的電流信號通過運放13轉化為電壓信號，結合電阻14實現一定的放大，再經過減法器15差分輸出，通過檢測這個差分輸出，就可實現對地震波的檢測。在圖5中，地震檢波器的電極la，lb, 2a, 2b的另一種排列結構，長條形的三對電極la, lb, 2a, 2b都是陽極Ia-陰極2a_陰極2b_陽極Ib的排列,各對相同的電極la, lb, 2a,2b相互連接；因為陽極la，Ib在工作時將施加相同的工作電壓12，所以可以連接在一起；電極對的個數可以根據需要調整，并不局限于三對。
權利要求
1.一種基于MEMS技術的電化學地震檢波器,其敏感單兀密封在盛滿電解質溶液(4)的腔體中；其特征是敏感單元為層狀疊加結構，每一層包括正面的兩對共面叉指形排列的電極(la，lb, 2a, 2b)和背面的多個溝槽形絕緣流道(3)，上一層的流道(3)緊貼在下一層的電極(la，lb，2a，2b)上，使電解質溶液⑷在電極(la，lb，2a，2b)表面流動。
2.根據權利要求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面；每層的多個絕緣流道(3)之間橫向相互平行，不同層的多個絕緣流道(3)之間疊加的相互平行。
3.根據權利要求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)，或米用條形結構，多組條形結構增加電極面積，保證地震檢波器的靈敏度；電極(la，lb，2a，2b)材料為金屬鉬；電解質溶液(4)，為碘化鉀和碘單質的混合溶液、溴化物和溴單質的混合溶液，或包含二價鐵離子和三價鐵離子的混合溶液其中之一。
4.根據權利要求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平行溝槽后，以熱氧化方法在單晶硅(6)表面生長氧化硅(9)制作絕緣層(5)； b)在沒有多個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共面叉指形排列的電極(la，lb，2a，2b)； c)根據需要層數，重復a)、b)步，加工每一層結構，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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的地震檢波器，其特征是工作流程是 a)在陽極(la，lb)和陰極(2a，2b)之間施加工作電壓(12)，電解質溶液⑷中的離子會在電極(la, lb, 2a, 2b)表面發(fā)生電化學反應,產生電荷交換,從而形成電流； b)當地震檢波器受到地震波的振動時，相當于受到一個加速度的作用，電解質溶液(4)內部產生壓力梯度，改變電解質溶液(4)的離子濃度分布和速度場，影響電極(la，lb，2a，2b)處的反應速率，從而使陰極(2a，2b)的輸出電流發(fā)生改變； c)因為兩對電極(la，lb，2a，2b)的對稱排列，所以兩個陰極(2a，2b)的電流呈相反變化； d)將陰極(2a，2b)輸出的電流信號通過運放(13)轉化為電壓信號，結合電阻(14)實現放大，再經過減法器(15)差分輸出，通過檢測這個差分輸出，以完成對地震波的檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于MEMS技術的電化學地震檢波器，涉及地震檢波技術，能夠檢測微弱地震波，是一個層狀疊加結構的敏感單元密封在一個盛滿電解質溶液的腔體里，敏感單元的每一層包括正面的兩對共面叉指形排列的電極和背面的溝槽形絕緣流道。當地震檢波器受到地震波的振動時，相當于受到一個加速度的作用，溶液內部將產生壓力梯度，改變了溶液的離子濃度分布和速度場，影響電極處的電化學反應速率，從而使電極電流發(fā)生改變。通過測量電極電流的變化，就可以實現對地震波的檢測。傳感器采用層狀和共面叉指電極的結構，提高了地震檢波器的靈敏度，電極一致性好，便于調節(jié)電極寬度和間距。
文檔編號G01V1/18GK103048680SQ20111030998
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權日2011年10月13日
發(fā)明者陳德勇, 李光北, 何文濤, 王軍波 申請人:中國科學院電子學研究所