CN101435836B - 采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器，由MEMS器件和电路共同构成，所述MEMS器件是利用硅微加工技术制作的两个等值的电容器，电容器的介质是被检测液体，所述MEMS器件被固定在PCB板上与电路相连，构成一个文氏桥振荡电路及信号采集的后处理电路。检测时，被检测液体被注入频率检测器件或者频率检测器件放入被检测液体中，由于对应不同电导率的液体，频率检测器的电容值不同，文氏桥振荡电路的振荡频率不同，因此可以通过检测文氏桥振荡电路的振荡频率测量液体的电导率。这种检测器具有灵敏度高，抗干扰能力强，检测方便等优点，而且利用MEMS技术制作的微型器件，易于检测仪器的微型化，也方便与其它传感器集成构成多参数的微型检测仪器。

Description

采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器

技术领域

本发明涉及一种测量水等液体电导率的频率检测器。

背景技术

电导率是物体传导电流的能力，金属导电是靠金属晶体之间的自由电子在外加电场的作用下定向运动实现的，而水的电导则是靠分布在水中的正、负离子在外加电场的作用下分别定向运动完成。水的电导即水的电阻的倒数，与其所含无机酸、碱、盐的量有一定关系，常用于表示水的纯净度，推测水中离子的总浓度或含盐量，是衡量水质和测量溶液浓度的一项重要标志，是很重要的化学量。

目前，最常用的电导检测采用的原理是两电极法或四电极法。以两电极法为例，两电极平行排列，且保持一定的间距，放到被测溶液中，当电极上施加高频交流电压时，检测电极输出高频电流，通过电压和电流计算溶液的电导。无论是两电极还是四电极电导检测，电导都是通过电流电压的测量得到，这一测量原理在当今直接显示测量仪表中得到广泛应用。这种方法对低电导的高纯水检测有明显缺陷。一方面由于检测信号极微小很容易被噪声淹没，而使检测失败；另一方面随着激励电源频率的提高，也会增大检测误差。

发明内容

针对电流检测存在的不足，本发明提出一种采用文氏桥振荡电路测量液体导电率的频率检测器，通过测量与被检测液体相关的文氏桥振荡电路的振荡频率，进而得出被检测液体的电导率。采用文氏桥振荡电路的频率检测器的主要部件是利用MEMS技术制作的，该器件采用文氏桥振荡电路，提高了检测的灵敏度和抗干扰能力，并增强检测的方便性。

本检测器是由MEMS器件和电路共同构成，所述MEMS器件是利用硅微加工技术制作的两个等值的电容器，电容器的介质是被检测液体，所述MEMS器件被固定在PCB板上与电路相连，构成一个文氏桥振荡电路及信号采集的后处理电路。

所述MEMS器件是以硅衬底为上下极板，在上下极板上分别制作电极构成两个平行板电容器，在上极板的两个电极外包围一圈保护环以减少外界对电容的干扰因素，上极板两个电极的引线焊盘在电极的背面引出；下极板两个电极的引线焊盘布置在电极的一侧，上下极板键合时下极板的引线焊盘被封在电容的外侧与液体隔开；所述上下极板的间距为d＝400μm～2000μm，上下极板的四个电极大小相同，位置对称，形成两个等值的电容(C₁、C₂)。两个电容(C₁、C₂)与两个等值电阻R₁、R₂及其它元器件构成文氏桥振荡电路。

检测时，被检测液体被注入频率检测器件或者频率检测器件放入被检测液体中，由于对应不同电导率的液体，频率检测器的电容值不同，文氏桥振荡电路的振荡频率不同，因此可以通过检测文氏桥振荡电路的振荡频率测量液体的电导率。这种检测器与传统的电导检测装置相比，具有灵敏度高，抗干扰能力强，检测方便等优点，另一方面该器件是利用MEMS技术制作的微型器件，易于检测仪器的微型化，也方便与其它传感器集成构成多参数的微型检测仪器。

附图说明

图1为采用文氏桥振荡电路测量液体电导的频率检测器的示意图。

图2为采用文氏桥振荡电路测量液体电导的频率检测器的MEMS器件上下极板的示意图。

图3为文氏桥振荡电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明：

频率检测器是由MEMS器件和电路共同构成，如图1所示，1是印刷电路板(PCB板)，2是硅衬底，3是电极，4保护环，5是引线焊盘(pad)，用于电极的电连接，d是电极间距。MEMS器件是利用硅微加工技术制作的两个等值的电容器，电容器的介质是被检测液体。这个MEMS器件被固定在PCB板1上与电路相连，构成一个文氏桥振荡电路及信号采集的后处理电路。

MEMS器件是以硅衬底2为上下极板，分别制作电极3，形成两个平行板电容器，如图2所示，电极3的材料可以采用Cu、Pt等金属材料，上极板的两个电极被保护环4包围以减少外界对电容的干扰因素，上极板两个电极3的pad 5在电极的背面引出；下极板的两个电极的pad 5则在电极的一侧，键合时被封在电容的外侧与液体隔开。为了保护电极表面免受污染并增大电容值，在电极表面覆盖薄膜绝缘层，绝缘材料可以采用氮氧化硅、氮化硅或二氧化硅；上下极板的间距为d(d＝400μm～2000μm)。上下极板的四个电极大小相同，位置对称，形成两个等值的电容C₁、C₂，电容的介质是被检测的液体。

参见图3，频率检测的器MEMS器件的两个电容C₁、C₂，与两个等值电阻R₁、R₂及其它元器件构成文氏桥振荡电路，其振荡频率为

f＝1/2πRC                                        (1)

电容C₁，C₂的值与被测液体的介电常数相关，由公式(2)给出，

C＝ε₀ε_rS/d                                      (2)

其中ε₀绝对介电常数，ε_r为相对介电常数，与液体的电导相关。

当电极确定以后，式中的电极面积S和电极距离d均为常数，对应不同电导率的液体，其相对介电常数不同，从而导致电容值C₁、C₂的不同，相应的文氏桥振荡电路的振荡频率f的发生改变。

采用本频率检测器检测液体电导率的方法是：先利用标准溶液定标，建立振荡频率f与电导率的关系；再将器件放入被检测液体中，测量文氏桥振荡电路的输出波形的频率，利用查表的方式就可以得到被检测液体的电导率。

该器件的输出频率范围在几十～几百KHz，此频段检测易于实现。

Claims (4)

1.采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器，它是由MEMS器件和电路共同构成，其特征在于：所述MEMS器件是利用硅微加工技术制作的两个等值的电容器，电容器的介质是被检测液体，所述MEMS器件被固定在PCB板上与电路相连，构成一个文氏桥振荡电路及信号采集的后处理电路；先利用标准溶液定标，建立振荡频率f与电导率的关系；再将器件放入被检测液体中，测量文氏桥振荡电路的输出波形的频率，利用查表的方式就可以得到被检测液体的电导率；

所述MEMS器件是以硅衬底为上下极板，在上下极板上分别制作有上、下两对电极；上下极板的四个电极大小相同，位置对称。

2.根据权利要求1所述的采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器，其特征在于：所述MEMS器件的上极板两个电极的引线焊盘(5)在电极的背面引出；下极板两个电极的引线焊盘(5)则在电极的一侧引出，上下极板键合时下极板的引线焊盘(5)被封在电容的外侧与液体隔开；所述上下极板的间距为d＝400μm～2000μm，上下极板的四个电极形成两个等值的电容(C₁、C₂)，两个电容(C₁、C₂)与两个等值电阻(R₁、R₂)及其它元器件构成文氏桥振荡电路。

3.根据权利要求1或2所述的采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器，其特征在于：所述在上极板的两个电极外包围一圈保护环(4)。

4.根据权利要求3所述的采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器，其特征在于：所述电极的材料采用Cu或Pt金属材料，在电极表面覆盖薄膜绝缘层，绝缘材料采用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。 

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