基于mems技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器，包含石英基片襯底、Si3N4粘附層和鉑金屬電極，所述Si3N4粘附層位于石英基片底襯的上表面，所述鉑金屬電極位于Si3N4粘附層之上；所述鉑金屬電極包含接觸區(qū)、電導(dǎo)率感應(yīng)電極和溫度感應(yīng)電極；所述基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的正面和背面還各包含一層Si3N4保護(hù)層，正面Si3N4保護(hù)層刻蝕出窗口，露出電導(dǎo)率感應(yīng)電極和溫度感應(yīng)電極。本發(fā)明還公開了一種基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的測量方法，根據(jù)交流電流、電壓差等計(jì)算出電導(dǎo)率，進(jìn)而計(jì)算出鹽度值。本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器器件尺寸小，具有較高的測量范圍和穩(wěn)定性，可直接與海水長久接觸而不產(chǎn)生漂移。
【專利說明】基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鹽度傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于MEMS (Micro ElectroMechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器及其檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海水鹽度是自然海洋生態(tài)系統(tǒng)的基本參數(shù)，影響著生物的種類、結(jié)構(gòu)和功能，是海洋調(diào)查、海洋漁業(yè)研究和海洋環(huán)境污染檢測中最重要的觀測項(xiàng)目之一。各處海水雖然含鹽量不同，但其主要成分的比例卻是基本恒定的，因此可利用電導(dǎo)率推算出鹽度。電極式電導(dǎo)率鹽度傳感器具有信號強(qiáng)、靈敏度高、抗干擾能力高、測量電路簡單的特點(diǎn)。電極式電導(dǎo)率鹽度傳感器目前有二電極、四電極等。二電極型電導(dǎo)率鹽度傳感器由于存在電極極化，其測量范圍、測量精度受到極大的限制，同時(shí)也很容易受到外界的干擾。四電極型電導(dǎo)率鹽度傳感器將電壓測量和電流輸入電極分開，避免了雜散電流和極化阻抗的影響。
[0003]丹麥Lyngby大學(xué)的A.Hyldgird采用娃基MEMS技術(shù)制作了尺寸達(dá)4mmX6mm的 CTD (conductivity temperature depth)系統(tǒng)，其中就包含了一個(gè)約 2_X3mm 的方形四電極電導(dǎo)率傳感器和溫度傳感器，由于其采用LPCVD (低壓化學(xué)氣相淀積)、蝕刻、退火等工藝制作TiSi2溫度傳感器,增加了制備工藝的復(fù)雜度(Autonomous mult1-sensormicro-system for measurement of ocean water salinity[J], Sensors and ActuatorsA:Physical, 2008, 147:474-484)。X.Huang等人在玻璃基底上制備了集成式的CT傳感器，采用平面7電極電導(dǎo)傳感器和塊狀鉬電阻溫度傳感器，并采用環(huán)氧樹脂保護(hù)電極，在海水中工作五周后由于海水透過環(huán)氧樹脂而產(chǎn)生信號漂移，電導(dǎo)率測量采用交流電流輸入，測量其輸出電壓(A Miniature, High Precision Conductivity and Temperature SensorSystem for Ocean Monitoring [J], Sensors Journal, IEEE, 2011，11:3246-3252)。趙湛等人采用MEMS工藝在硅片上制作了鉬電阻式溫度傳感器與圓環(huán)形四電極式電導(dǎo)率傳感器(基于MEMS工藝的硅基四電極電導(dǎo)率與溫度集成傳感器芯片的研制[J]，傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011,24 (7):966-969)。
[0004]總的來說，目前的MEMS CTD以硅片作為基體材料，制備和封裝過程中需要多次鍍膜、光刻、刻蝕等步驟，工藝過程較為復(fù)雜，性能有待提高，有需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，有必要針對上述問題，提出一種基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器及其檢測方法。
[0006]基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器，包含石英基片襯底、Si3N4粘附層和鉬金屬電極，所述Si3N4粘附層位于石英基片底襯的上表面，所述鉬金屬電極位于Si3N4粘附層之上；所述鉬金屬電極包含接觸區(qū)、電導(dǎo)率感應(yīng)電極和溫度感應(yīng)電極；所述電導(dǎo)率感應(yīng)電極有4個(gè)，每個(gè)電導(dǎo)率感應(yīng)電極具有I個(gè)接觸區(qū)；所述溫度感應(yīng)電極有I個(gè)，溫度感應(yīng)電極的兩端各有I個(gè)接觸區(qū)；所述基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的正面和背面還各包含ー層Si3N4保護(hù)層，正面的保護(hù)層中刻蝕出窗ロ，露出電導(dǎo)率感應(yīng)電極和溫度感應(yīng)電扱。
[0007]優(yōu)選地，所述溫度感應(yīng)電極呈蜿蜒式結(jié)構(gòu)。
[0008]基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的測量方法，包括以下步驟:
[0009]I)向電導(dǎo)率感應(yīng)電極的兩個(gè)輸入電極施加交流電流；
[0010]2)電導(dǎo)率感應(yīng)電極的兩個(gè)輸出電極與數(shù)據(jù)采集電路連接，檢測兩個(gè)輸出電極間的電壓差；
[0011]3)數(shù)據(jù)采集電路還與溫度感應(yīng)電極連接，還包括電阻測量模塊，可實(shí)時(shí)檢測溫度感應(yīng)電極的阻值，計(jì)算溫度；
[0012]4)根據(jù)步驟I)施加的電流值和步驟2)測量得到的電壓差值計(jì)算對應(yīng)的電導(dǎo)率的值；數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)電導(dǎo)率和溫度計(jì)算鹽度值。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器及其檢測方法具有以下有益效果:
[0014]1、本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器是采用微納加工技術(shù)制備，電極寬度為200?eOOym，電極厚度為納米級別，器件尺寸小，可以用在需要微型傳感器的場合；
[0015]2、本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器同時(shí)包含溫度感應(yīng)電極(溫度傳感器)，用以進(jìn)行溫度補(bǔ)償；溫度感應(yīng)電極采用惰性Pt為材料，具有較高的測量范圍和穩(wěn)定性，并采用蜿蜒式結(jié)構(gòu)，有效降低噪聲干擾；
[0016]3、本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器用化學(xué)惰性絕緣材料Si3N4封裝，可直接與海水長久接觸而不產(chǎn)生漂移。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的電極俯視圖。I為接觸區(qū)，用于連接測量電路；2為四個(gè)電導(dǎo)率感應(yīng)電極；3為溫度感應(yīng)電扱。
[0018]圖2為本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的截面圖。4為鉬金屬電極；5為Si3N4粘附層；6為石英基片；7為Si3N4保護(hù)層，露出電導(dǎo)率電極和溫度感應(yīng)電極部分。
[0019]圖3為本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的俯視圖。
[0020]圖4為本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的測量方法示意圖。8為交流驅(qū)動電流，9為電導(dǎo)率感應(yīng)電極輸入電極，10為電導(dǎo)率感應(yīng)電極輸出電極，11為數(shù)據(jù)采集電路。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了更好的說明本發(fā)明，下面結(jié)合附圖做進(jìn)ー步說明。本發(fā)明中使用的上下左右等方位名詞，都與具體附圖相對應(yīng)。本發(fā)明中使用的術(shù)語，如無特殊說明都按本領(lǐng)域常規(guī)定
義理解。
[0022]實(shí)施例1
[0023]如圖1-3所示，基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器，包含石英基片襯底6、位于石英基片襯底6的上表面Si3N4粘附層5和位于Si3N4粘附層5之上鉬金屬電極4 ;所述鉬金屬電極4包含接觸區(qū)1、電導(dǎo)率感應(yīng)電極2和溫度感應(yīng)電極3。所述電導(dǎo)率感應(yīng)電極2有4個(gè)，每個(gè)電導(dǎo)率感應(yīng)電極2的上部都有I個(gè)接觸區(qū)1，用于與測量電路連接；外側(cè)的2個(gè)電導(dǎo)率感應(yīng)電極2為輸入電極9，與交流驅(qū)動電流8連接；內(nèi)側(cè)的2個(gè)電導(dǎo)率感應(yīng)電極2為輸出電極10，與數(shù)據(jù)采集電路11連接。所述溫度感應(yīng)電極3僅有I個(gè)，呈蜿蜒式結(jié)構(gòu)；溫度感應(yīng)電極3的兩端各有I個(gè)接觸區(qū)I，用于和數(shù)據(jù)采集電路11連接。所述基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的正面和背面還各包含一層Si3N4保護(hù)層7 ;保護(hù)層7刻蝕出窗口，恰好露出電導(dǎo)率感應(yīng)電極2和溫度感應(yīng)電極3，使其直接與待測液體接觸。
[0024]實(shí)施例2
[0025]如圖4所示，基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的測量方法，包括以下步驟:
[0026]I)將基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的電導(dǎo)率感應(yīng)電極2和溫度感應(yīng)電極3浸入待測液體中，向電導(dǎo)率感應(yīng)電極2的兩個(gè)輸入電極9施加交流電流8 ；
[0027]2)電導(dǎo)率感應(yīng)電極2的兩個(gè)輸出電極10與數(shù)據(jù)采集電路11連接，檢測兩個(gè)輸出電極10間的電壓差；
[0028]3)數(shù)據(jù)采集電路11還與溫度感應(yīng)電極3連接，還包括電阻測量模塊，可實(shí)時(shí)檢測溫度感應(yīng)電極3的阻值，計(jì)算溫度；
[0029]4)根據(jù)步驟I)施加的電流值和步驟2)測量得到的電壓差值計(jì)算對應(yīng)的電導(dǎo)率的值；數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)電導(dǎo)率和溫度計(jì)算鹽度值。
[0030]電導(dǎo)率Y與電壓V、電流I的計(jì)算如式(I)所示:
[0031]T = Ky....................................(I)
[0032]其中，V為電壓差，I為電流；K是與器件幾何尺寸有關(guān)的參數(shù)，稱為電導(dǎo)池常數(shù):若使用兩個(gè)平行電極測量電導(dǎo)率，則K=L/A，L為兩電極間距，A為電極面積；若使用不規(guī)則電極測量電導(dǎo)率，則可使用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測量，推算K值。
[0033]溫度補(bǔ)償?shù)墓饺缡?2)所示:
[0034]Yt= Yref[l+a (t-tref)]..............................(2)
[0035]其中，Y0 Yref分別是溫度t、tref下的電導(dǎo)率，α是液體在溫度tMf下的溫度系數(shù)；當(dāng) tref=25°C 時(shí)，α =0.022/。。。
[0036]Pt金屬熱電阻的溫度計(jì)算公式如式(3)或(4)所示:
[0037]Rt = R0[l+At+Bt2+Ct3(t-100)] (t < 0°C).........(3)
[0038]Rt = R0(l+At+Bt2) (t > 0°C )........................(4)
[0039]其中，Rt為溫度t時(shí)的電阻值，R0為(TC時(shí)的電阻值，A=3.9083E-3, B=_5.775E-7，C=-4.183E-12。
[0040]電導(dǎo)率與鹽度之間的計(jì)算公式如式(5)所示:
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器，其特征在于:包含石英基片襯底、Si3N4粘附層和鉬金屬電極，所述Si3N4粘附層位于石英基片底襯的上表面，所述鉬金屬電極位于Si3N4粘附層之上；所述鉬金屬電極包含接觸區(qū)、電導(dǎo)率感應(yīng)電極和溫度感應(yīng)電極；所述電導(dǎo)率感應(yīng)電極有4個(gè)，每個(gè)電導(dǎo)率感應(yīng)電極具有I個(gè)接觸區(qū)；所述溫度感應(yīng)電極有I個(gè)，溫度感應(yīng)電極的兩端各有I個(gè)接觸區(qū)；所述基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的正面和背面還各包含ー層Si3N4保護(hù)層，正面Si3N4保護(hù)層刻蝕出窗ロ，露出電導(dǎo)率感應(yīng)電極和溫度感應(yīng)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器，其特征在于:所述溫度感應(yīng)電極呈蜿蜒式結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的基于MEMS技術(shù)的接觸式四電極鹽度傳感器的測量方法，包括以下步驟: 1)向電導(dǎo)率感應(yīng)電極的兩個(gè)輸入電極施加交流電流； 2)電導(dǎo)率感應(yīng)電極的兩個(gè)輸出電極與數(shù)據(jù)采集電路連接，檢測兩個(gè)輸出電極間的電壓差; 3)數(shù)據(jù)采集電路還與溫度感應(yīng)電極連接，還包括電阻測量模塊，可實(shí)時(shí)檢測溫度感應(yīng)電極的阻值，計(jì)算溫度； 4)根據(jù)步驟I)施加的電流值和步驟2)測量得到的電壓差值計(jì)算對應(yīng)的電導(dǎo)率的值；數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)電導(dǎo)率和溫度計(jì)算鹽度值。
【文檔編號】G01N27/06GK103592341SQ201310561953
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】陳秋蘭, 唐觀榮, 邸思, 金建, 陳賢帥 申請人:廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所