CN103274351B - 基于mems的电化学地震检波器电极敏感核心及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS技术的电化学地震检波器电极敏感核心及其制造方法。所述电极敏感核心由多层电极层和绝缘层交替堆叠构成，电极层和绝缘层分别是布满方形通孔或圆形通孔的矩形薄片，其均采用MEMS加工技术制造，可方便地改变电极层和绝缘层通孔的数量和大小以便改变流阻进而调整电化学地震检波器的灵敏度及噪声等特性，适应不同应用需求；基于本发明提出的制造方法能有效降低工艺难度，有利于实现电极敏感核心的批量化制造，制造的电极敏感核心具有良好的一致性。

Description

基于MEMS的电化学地震检波器电极敏感核心及其制造方法

技术领域

本发明涉及地震检波技术领域和MEMS(微电子机械系统)技术领域，尤其涉及一种基于MEMS的电化学地震检波器电极敏感核心及其制造方法。

背景技术

地震检波器属于振动传感器的一种，测量过程中被测振动参量(如位移、速度、加速度等)被转变为不同的信号形式(如机械、电、光信号等)。按照测量过程中信号的形式不同，测量方法可以分为机械法、电测法和光学测量方法。

目前，光学测量方法的检波器主要有光纤干涉式、光纤光栅式和光纤激光式。电测法地震检波器主要有动圈式、电容式、压电式。光纤干涉式检波器和光纤光栅式检波器检波时，前者光信号的相位和后者光信号的波长被地动信号调制，通过解调就能恢复出被测的地动信号。同样，光纤激光式检波器检波时其出射激光的频率被地动信号调制，解调后就能得到被测信号。动圈式检波器的工作原理是地动信号产生的惯性力使线圈切割磁感线从而产生感生电动势来检测地动信号；电容式检波器通过检测敏感核心电容的变化来检测地动信号，压电式检波器则是通过测量压电材料的电压或者电荷的变化来检测地动信号。

上述几种典型的地震检波器中，光纤地震检波器涉及到光学、机械学、电子检测等，解调复杂、成本高，另外，光纤对温度的敏感性强，地动信号和温度发生交叉敏感，难以分离；动圈地震检波器易受电磁干扰且寿命短，另外，其截止频率不易降低从而限制低频信号的检测；电容式地震检波器输出信号微弱，输出阻抗高，寄生电容大，读出电路复杂；压电式检波器严重依赖于压电材料，温度稳定性较差，噪声大，信噪比低，敏感微弱振动有难度。

电化学地震检波器以含碘和碘化钾的电解液为惯性体，其敏感元件是一个包含两对电极的电极敏感核心。该敏感核心中的每对电极均由阳极和阴极构成，两对电极呈阳极-阴极-阴极-阳极分布，敏感核心和电解液封装在有机玻璃和橡胶薄膜构成的外壳里。在地动信号的作用下，电解液和电极敏感核心产生相对运动，从而改变了两对电极附近反应离子的浓度分布，导致其中一对电极的电化学反应速率变快，而另一对电极的电化学反应速率变慢或者几乎不变，进而使其中一对电极的输出电流变大，另一对电极的输出电流变小或者几乎不变，通过测量两对电极之间输出电流的差的变化来检测地震波。因此，电化学检波器有噪声低，不易受热应力影响，抗电磁干扰强，灵敏度高，安装使用简单等优点。

传统电化学检波器的电极敏感核心由铂丝网状电极、多孔陶瓷薄片和陶瓷管组装而成，工艺复杂、成本高、电极一致性差、批量化生产能力差，制约着其使用范围。

由于MEMS技术的出现和发展，上述不同原理的检波器或者其核心敏感元件大都可以采用MEMS技术设计和制造。MEMS技术是在微电子技术和硅微加工基础上发展起来的多学科交叉的新学科，涉及微电子学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源组成的一体化的微型器件系统，具有微型化、集成化、可批量生产等特点。

综上，现有技术最主要的技术缺陷是：传统电化学检波器的电极敏感核心一致性差；次要的技术缺陷是：工艺复杂、成本高、批量化生产能力差。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于MEMS的电化学地震检波器电极敏感核心及其制造方法。

根据本发明的一方面，本发明提供一种电化学地震检波器电极敏感核心，该电极敏感核心由两层第一电极层2、两层第二电极层4、两层第一绝缘层1、两层第二绝缘层3和一层第三绝缘层5交替堆叠而成，其中：

所述电极层2，4和所述绝缘层1，3，5上均布有多个通孔；

所述电极层2、4由硅基材料或者金属材料制成；

所述绝缘层1、3、5由硅基材料、玻璃、石英或者陶瓷制成；

所述第一绝缘层1、第一电极层2、第二绝缘层3、第二电极层4、第三绝缘层5、第二电极层4、第二绝缘层3、第一电极层2和第一绝缘层1从上向下通过粘合或键合的方式依次堆叠起来。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种基于MEMS的电化学地震检波器电极敏感核心的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，采用MEMS加工方法制备第一电极层2和第二电极层4；

步骤S2，采用MEMS加工方法制备第一绝缘层1，第二绝缘层3和第三绝缘层5；

步骤S3，将所述第一绝缘层1、第一电极层2、第二绝缘层3、第二电极层4、第三绝缘层5、第二电极层4、第二绝缘层3、第一电极层2和第一绝缘层1从上向下依次堆叠起来得到所述电极敏感核心10。

本发明的有益效果是：(i)电极敏感核心的电极由MEMS技术制成，保证了通孔的一致性，溅射而成的电极减少了铂的用量从而降低了成本；(ii)电极敏感核心的绝缘层由MEMS技术制成，保证了通孔的一致性，并且能方便地改变孔的大小从而改变检波器的性能；(iii)电极敏感核心可以由绝缘层和电极层通过键合的方法堆叠而成，成品率高，适于批量化生产。

附图说明

图1是本发明电极敏感核心的结构示意图；

图2是本发明电极层制作工艺流程图；

图3是本发明绝缘层制作工艺流程图；

图4是本发明电极层与绝缘层堆叠示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

附图中附图标记所表示的含义为：

图1是本发明电极敏感核心的结构示意图，如图1所示，根据本发明的一方面，提供一种基于MEMS的电化学地震检波器电极敏感核心10，其由两层第一电极层2、两层第二电极层4、两层第一绝缘层1、两层第二绝缘层3和一层第三绝缘层5交替堆叠而成，其中：

所述电极层2，4上布有多个方形或者圆形或者其他形状的通孔；

所述第一电极层2和第二电极层4的长度不一致以便于引出电极引线，优选地，所述第一电极层2的长度小于第二电极层4的长度；

所述绝缘层1，3，5上布满方形或者圆形或者其他形状的通孔；

所述第一绝缘层1、第二绝缘层3和第三绝缘层5的长度不一致以便于引出电极引线，优选地，所述第一绝缘层1的长度小于第二绝缘层3的长度，所述第二绝缘层3的长度小于第三绝缘层5的长度；

所述第一绝缘层1、第一电极层2、第二绝缘层3、第二电极层4、第三绝缘层5、第二电极层4、第二绝缘层3、第一电极层2和第一绝缘层1从上向下依次堆叠。

进一步地，所述电极层和绝缘层均为矩形薄片。

其中，所述电极层2、4由硅基材料或者金属材料制成。

所述绝缘层1、3、5由硅基材料或者玻璃或者石英或者陶瓷制成。

所述绝缘层1、3、5和电极层2、4通过粘合或键合的方式交替堆叠起来。

根据本发明的另一方面，提供一种基于MEMS的电化学地震检波器电极敏感核心10的制造方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，采用MEMS加工方法制备第一电极层2和第二电极层4；

图2是本发明电极层制作工艺流程图，如图2所示，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

步骤S11，在衬底单晶硅6上旋涂光刻胶7，光刻、显影出多孔图案，光刻时，第一电极层2与第二电极层4所用的掩模板上的图案的长度不同，使得光刻、显影后第一电极层2与第二电极层4的长度不同；

步骤S12，在衬底单晶硅6上用深刻蚀制作多个通孔，然后去掉光刻胶7；

步骤S13，以热氧化方法在单晶硅6表面生长氧化硅8；

步骤S14，在氧化硅8的表面溅射铂金9得到所述第一电极层2和第二电极层4。

步骤S2，采用MEMS加工方法制备第一绝缘层1，第二绝缘层3和第三绝缘层5；

图3是本发明绝缘层制作工艺流程图，如图3所示，所述步骤S2进一步包括以下步骤：

步骤S21，在衬底单晶硅6上旋涂光刻胶7，光刻、显影出多孔图案，光刻时，第一绝缘层1，第二绝缘层3和第三绝缘层5所用的掩模板上的图案的长度不同，使得光刻、显影后第一绝缘层1，第二绝缘层3和第三绝缘层5的长度不同；

步骤S22，在衬底单晶硅6上用深刻蚀制作多个通孔，然后去掉光刻胶7；

步骤S23，以热氧化方法在单晶硅6表面生长氧化硅8，得到第一绝缘层1，第二绝缘层3和第三绝缘层5。

步骤S3，将所述第一绝缘层1、第一电极层2、第二绝缘层3、第二电极层4、第三绝缘层5、第二电极层4、第二绝缘层3、第一电极层2和第一绝缘层1从上向下通过粘合或键合的方式依次堆叠起来得到所述电极敏感核心10，如图4所示。

当然，可替换地，所述电极层和绝缘层也可以通过基于LIGA(光刻、电铸和塑铸)的MEMS技术制造出来。

本发明的电极层和绝缘层均采用MEMS加工技术制造，可方便地改变电极层和绝缘层通孔的数量和大小，以便改变流阻进而调整电化学地震检波器的灵敏度及噪声等特性，适应不同应用需求。另外，基于本发明提出的制备方法能够有效降低工艺难度，有利于实现电极敏感核心的批量化制造，且根据本发明提供的制备方法制得的电极敏感核心具有良好的一致性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电化学地震检波器电极敏感核心，其特征在于，所述电极敏感核心由两层第一电极层(2)、两层第二电极层(4)、两层第一绝缘层(1)、两层第二绝缘层(3)和一层第三绝缘层(5)交替堆叠而成，其中：

所述电极层(2，4)和所述绝缘层(1，3，5)上均布有多个通孔；

所述电极层(2、4)由硅基材料或者金属材料制成；

所述绝缘层(1、3、5)由硅基材料、玻璃、石英或者陶瓷制成；

所述第一绝缘层(1)、第一电极层(2)、第二绝缘层(3)、第二电极层(4)、第三绝缘层(5)、第二电极层(4)、第二绝缘层(3)、第一电极层(2)和第一绝缘层(1)从上向下通过粘合或键合的方式依次堆叠起来。

2.根据权利要求1所述的电极敏感核心，其特征在于，所述通孔为方形或者圆形。

3.根据权利要求1所述的电极敏感核心，其特征在于，所述第一电极层(2)和第二电极层(4)的长度不一致、所述第一绝缘层(1)、第二绝缘层(3)和第三绝缘层(5)的长度不一致以便于引出电极引线。

4.根据权利要求3所述的电极敏感核心，其特征在于，所述第一电极层(2)的长度小于第二电极层(4)的长度，所述第一绝缘层(1)的长度小于第二绝缘层(3)的长度，所述第二绝缘层(3)的长度小于第三绝缘层(5)的长度。

5.根据权利要求1所述的电极敏感核心，其特征在于，所述电极层和绝缘层均为矩形薄片。

6.一种基于MEMS的电化学地震检波器电极敏感核心的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，采用MEMS加工方法制备第一电极层(2)和第二电极层(4)；

步骤S2，采用MEMS加工方法制备第一绝缘层(1)，第二绝缘层(3)和第三绝缘层(5)；

步骤S3，将所述第一绝缘层(1)、第一电极层(2)、第二绝缘层(3)、第二电极层(4)、第三绝缘层(5)、第二电极层(4)、第二绝缘层(3)、第一电极层(2)和第一绝缘层(1)从上向下依次堆叠起来得到所述电极敏感核心。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

步骤S11，在衬底单晶硅(6)上旋涂光刻胶(7)，光刻、显影出多孔图案，光刻时，第一电极层(2)与第二电极层(4)所用的掩模板上的图案的长度不同，使得光刻、显影后第一电极层(2)与第二电极层(4)的长度不同；

步骤S12，在衬底单晶硅(6)上用深刻蚀制作多个通孔，然后去掉光刻胶(7)；

步骤S13，以热氧化方法在单晶硅(6)表面生长氧化硅(8)；

步骤S14，在氧化硅(8)的表面溅射铂金(9)得到所述第一电极层(2)和第二电极层(4)。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括以下步骤：

步骤S21，在衬底单晶硅(6)上旋涂光刻胶(7)，光刻、显影出多孔图案，光刻时，第一绝缘层(1)，第二绝缘层(3)和第三绝缘层(5)所用的掩模板上的图案的长度不同，使得光刻、显影后第一绝缘层(1)，第二绝缘层(3)和第三绝缘层(5)的长度不同；

步骤S22，在衬底单晶硅(6)上用深刻蚀制作多个通孔，然后去掉光刻胶(7)；

步骤S23，以热氧化方法在单晶硅(6)表面生长氧化硅(8)，得到第一绝缘层(1)，第二绝缘层(3)和第三绝缘层(5)。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述通孔为方形或者圆形。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电极层和绝缘层均为矩形薄片。