CN105388192B - 一种基于mems硅‑玻璃键合工艺的海水电导率传感器 - Google Patents

一种基于mems硅‑玻璃键合工艺的海水电导率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS硅‑玻璃键合工艺的海水电导率传感器，包括绝缘衬底、四个金属电极和过滤装置，所述的过滤装置呈圆帽型，包括半球形部和环形沿部，半球形部的顶部有过滤孔阵列，过滤装置通过其环形沿部固定在绝缘衬底的上端面上，过滤装置与绝缘衬底之间形成的空腔为电导池，四个金属电极均设置于电导池内的绝缘衬底上，四个金属电极分别通过连接引线与外界测试电路相连。与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服了现有MEMS电导率传感器抗污染能力差、测量精度低的缺点；具有结构简单、体积小巧、功耗低、成本低、通用性强等优点，便于实现实时高精度的海水电导率测量。

Description

一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器
技术领域
本发明属于微电子机械系统制造领域，适用于海洋测量应用场合，特别适用于实时高精度的海水电导率测量，涉及一种带过滤装置的海水电导率传感器，尤其涉及一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器。
背景技术
目前，海洋观测一直受到广泛的关注，海水电导率是海洋水体最基本的物理要素，海洋中的各种现象、过程，海洋生物的生存与繁殖，以及人类的海上活动，包括海上军事活动，几乎都与海水电导率的时空分布直接或间接相关。
现有技术中，海水电导率测量所采用的专门测试设备，设备昂贵、体积庞大、测量成本高。而MEMS电导率传感器体积小、功耗低、成本低、可大批量生产，适合应用于自动、在线、长期、连续、多平台、网络化的海洋观测，然而已有的MEMS电导率传感器的抗污染能力较差，容易引起测量误差，致使测量精度不高，限制了其在海洋观测中的应用。
发明内容
本发明需要解决的问题是针对上述现有的海水电导率测量设备，价格昂贵、体积庞大、测量成本高；已有的MEMS电导率传感器的抗污染能力较差，存在测量误差，测量精度不高，限制其在海洋中观测的不足，而提供一种结构简单，体积小巧，操作方便，成本较低，测量速度快，抗污染能力强，测量精度高的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，包括绝缘衬底、四个金属电极和过滤装置，所述的过滤装置呈圆帽型，包括半球形部和环形沿部，半球形部的顶部有过滤孔阵列，过滤装置通过其环形沿部固定在绝缘衬底的上端面上，过滤装置与绝缘衬底之间形成的空腔为电导池，四个金属电极均设置于电导池内的绝缘衬底上，四个金属电极包括直径依次变大的第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极和第四金属电极，第一金属电极为圆形，第二金属电极、第三金属电极和第四金属电极均为圆环形，且第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极和第四金属电极呈同心圆等间距分布，其中第一金属电极和第四金属电极为电流电极，第二金属电极和第三金属电极为电压电极，四个金属电极分别通过连接引线与外界测试电路相连。
绝缘衬底为硅基材料制成，绝缘衬底的上端面为二氧化硅绝缘层。
四个金属电极均由表面镀金的镍材料经金属微加工工艺制成。
过滤孔为圆形，过滤孔的大小和间距可根据环境需要进行加工。
过滤装置由二氧化硅经微加工工艺制造而成。
过滤装置的制造方法包括以下步骤：
A、选用尺寸一致的玻璃盖和单晶硅圆片，在单晶硅圆片上刻蚀圆形凹槽；
B、将玻璃盖和刻蚀圆形凹槽后的单晶硅圆片进行阳极键合，形成一个器件；
C、然后使用高温炉加热器件，高温作用下玻璃盖熔融，圆形凹槽内的气体被加热产生压力使平面的玻璃盖变为圆帽型的玻璃盖；
D、使用选择性腐蚀剂腐蚀单晶硅圆片，保留圆帽型的玻璃盖；
E、对圆帽型的玻璃盖的半球形部的顶部进行聚焦离子束刻蚀，刻蚀出过滤孔阵列。
所述过滤装置与绝缘衬底的连接面通过阳极键合工艺相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）采用MEMS硅-玻璃键合工艺制造的过滤装置能够有效过滤出海水中的有机残渣、微粒、空气泡、海藻等，使进入电导池中的海水较为纯净，克服了现有MEMS电导率传感器抗污染能力差、测量精度低的缺点；
（2）圆帽型形的过滤装置使海水可以从多个方向进入电导池，当改变本发明的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器在海水中的位置时，能够快速置换电导池中的海水，使测量得到的电导率能够实时反映当前所处环境的海水盐度；
（3）本发明的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器基于MEMS加工技术，具有结构简单、体积小巧、功耗低、成本低、通用性强等优点，便于实现实时高精度的海水电导率测量。
附图说明
图1是本发明的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器的剖面图；
图2为过滤装置的剖面图；
图3为过滤装置的俯视图；
图4为绝缘衬底和金属电极的剖面图；
图5为绝缘衬底和金属电极的俯视图。
其中，1、绝缘衬底，201、第一金属电极，202、第二金属电极，203、第三金属电极，204、第四金属电极，3、过滤装置，301、二氧化硅，302、过滤孔，4、电导池。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-5所示，一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，包括绝缘衬底1、四个金属电极和过滤装置3，所述的过滤装置3呈圆帽型，包括半球形部和环形沿部，半球形部的顶部有过滤孔302阵列，过滤装置3通过其环形沿部固定在绝缘衬底1的上端面上，过滤装置3与绝缘衬底1之间形成的空腔为电导池4，四个金属电极均设置于电导池4内的绝缘衬底1上，四个金属电极包括直径依次变大的第一金属电极201、第二金属电极202、第三金属电极203和第四金属电极204，第一金属电极201为圆形，第二金属电极202、第三金属电极203和第四金属电极204均为圆环形，且第一金属电极201、第二金属电极202、第三金属电极203和第四金属电极204呈同心圆等间距分布，其中第一金属电极201和第四金属电极204为电流电极，第二金属电极202和第三金属电极203为电压电极，四个金属电极分别通过连接引线与外界测试电路相连。
绝缘衬底1为硅基材料制成，绝缘衬底1的上端面为二氧化硅绝缘层。
四个金属电极均由表面镀金的镍材料经金属微加工工艺制成。
过滤孔302为圆形，过滤孔302的大小和间距可根据环境需要进行加工。
过滤装置3由二氧化硅301经微加工工艺制造而成。
过滤装置3的制造方法包括以下步骤：
A、选用尺寸一致的玻璃盖和单晶硅圆片，在单晶硅圆片上刻蚀圆形凹槽；
B、将玻璃盖和刻蚀圆形凹槽后的单晶硅圆片进行阳极键合，形成一个器件；
C、然后使用高温炉加热器件，高温作用下玻璃盖熔融，圆形凹槽内的气体被加热产生压力使平面的玻璃盖变为圆帽型的玻璃盖；
D、使用选择性腐蚀剂腐蚀单晶硅圆片，保留圆帽型的玻璃盖；
E、对圆帽型的玻璃盖的半球形部的顶部进行聚焦离子束刻蚀，刻蚀出过滤孔302阵列。
所述过滤装置3与绝缘衬底1的连接面通过阳极键合工艺相连。
一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器浸入海水中，过滤装置3对海水进行过滤，滤去海水中的有机残渣、微粒、空气泡及海藻，较纯净的海水进入电导池4内；
B、施加激励，测量响应，分别在第一金属电极201和第四金属电极204上接入交流激励信号，在两个电流电极：第一金属电极201和第四金属电极204，之间的海水中生成一个交流电场，同时测量两个电压电极：第二金属电极202和第三金属电极203，上接收到的交变电场的电压降，通过运放反馈电路保持这两个电压的幅值；
C、计算结果，利用电导率与施加电流、测量电压之间的关系式，得到海水的电导率，公式如下：
式中，K为电导池常数，I为施加的交流激励，V为测量的电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）采用MEMS硅-玻璃键合工艺制造的过滤装置能够有效过滤出海水中的有机残渣、微粒、空气泡、海藻等，使进入电导池中的海水较为纯净，克服了现有MEMS电导率传感器抗污染能力差、测量精度低的缺点；
（2）圆帽型形的过滤装置使海水可以从多个方向进入电导池，当改变本发明的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器在海水中的位置时，能够快速置换电导池中的海水，使测量得到的电导率能够实时反映当前所处环境的海水盐度；
（3）本发明的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器基于MEMS加工技术，具有结构简单、体积小巧、功耗低、成本低、通用性强等优点，便于实现实时高精度的海水电导率测量。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，包括绝缘衬底和四个金属电极，四个金属电极均设置于电导池内的绝缘衬底上，四个金属电极包括直径依次变大的第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极和第四金属电极，第一金属电极为圆形，第二金属电极、第三金属电极和第四金属电极均为圆环形，且第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极和第四金属电极呈同心圆等间距分布，其中第一金属电极和第四金属电极为电流电极，第二金属电极和第三金属电极为电压电极，四个金属电极分别通过连接引线与外界测试电路相连，其特征在于：还包括过滤装置，所述的过滤装置呈圆帽型，包括半球形部和环形沿部，半球形部的顶部有过滤孔阵列，过滤装置通过其环形沿部固定在绝缘衬底的上端面上，过滤装置与绝缘衬底之间形成的空腔为电导池。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，其特征在于：绝缘衬底为硅基材料制成，绝缘衬底的上端面为二氧化硅绝缘层。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，其特征在于：四个金属电极均由表面镀金的镍材料经金属微加工工艺制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，其特征在于：过滤孔为圆形，过滤孔的大小和间距可根据环境需要进行加工。
5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，其特征在于：过滤装置由二氧化硅经微加工工艺制造而成。
6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，其特征在于：过滤装置的制造方法包括以下步骤：
A、选用尺寸一致的玻璃盖和单晶硅圆片，在单晶硅圆片上刻蚀圆形凹槽；
B、将玻璃盖和刻蚀圆形凹槽后的单晶硅圆片进行阳极键合，形成一个器件；
C、然后使用高温炉加热器件，高温作用下玻璃盖熔融，圆形凹槽内的气体被加热产生压力使平面的玻璃盖变为圆帽型的玻璃盖；
D、使用选择性腐蚀剂腐蚀单晶硅圆片，保留圆帽型的玻璃盖；
E、对圆帽型的玻璃盖的半球形部的顶部进行聚焦离子束刻蚀，刻蚀出过滤孔阵列。
7.根据权利要求1所述的一种基于MEMS硅-玻璃键合工艺的海水电导率传感器，其特征在于：所述过滤装置与绝缘衬底的连接面通过阳极键合工艺相连。
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