CN107367771B - 电化学地震检波器敏感电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电化学地震检波器敏感电极，包括：一支撑基板，所述支撑基板的材料为有机绝缘体，支撑基板中设置有至少一个支撑基板通孔；以及两个电极层，分别覆盖于所述支撑基板的上表面和下表面，所述两个电极层中分别设置有至少一个电极层通孔；所述电极层通孔与所述支撑基板通孔之间形成通道。此外，本发明还提供了一种电化学地震检波器敏感电极的制备方法。通过本发明，减小了阴阳电极间距，因此可以大幅提高敏感电极的灵敏度，同时降低了组装难度，制备方法简单，成本低。

Description

电化学地震检波器敏感电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及加速度计技术领域和MEMS(微电子机械系统)技术领域，尤其涉及一种电化学地震检波器敏感电极及其制备方法。

背景技术

加速度计是一种将外界的加速度转变为电信号的敏感器件，在惯性导航、地震监测、振动分析以及消费电子中有广泛的应用。常见的类型有传统机械式加速度计、石英加速度计、MEMS加速度计以及光纤加速度计等，在这些器件的内部有一个惯性质量块，工作时质量块在惯性力的作用下相对于器件的固定部件产生位移(或梁结构应力发生改变)，通过相关的技术可将该位移(或应力变化、频移)转变为电信号。

与上述基于固体惯性质量块不同的是，近年来出现的电化学加速度计以电解质溶液为惯性质量块，其敏感单元由两对对称的电极及其间的绝缘层构成。其中，每对电极均包含一个阳极和一个阴极，两对电极呈阳极-阴极-阴极-阳极分布，敏感单元和电解液封装在有机玻璃和橡胶薄膜构成的外壳里。工作时，在阳极与阴极上施加一个恒定的工作电压，参加反应的离子将建立一个稳定的浓度分布，在外界加速度的作用下，电解液和敏感电极产生相对运动，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电流增大，而另一对电极的电化学反应电流减小，两对电极输出的交变电流的大小反应了外界加速度的大小。已有的电化学加速度计具有高灵敏度、低噪声、低功耗、大倾角工作能力、不易损坏、设计简单等优点，已经应用在高性能的地震仪中，作为地震检波器使用。

传统的电化学地震检波器的核心敏感电极由铂丝网状电极、多孔陶瓷绝缘片组装而成，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。为了克服传统工艺方法的缺点，近年来出现了基于MEMS技术制作电化学地震检波器敏感电极的方法。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技术，具有微型化、集成化、可批量生产等特点。在新出现的MEMS电化学地震检波器中，有的方案利用硅片分别制作出电极层与间隔层，然后进行组装，其优点是电极层与间隔层分别利用单片硅片制作出来，工艺简单，但是存在层间对齐较差、组装复杂的缺点。有的方案在一个硅片上完成两层电极层的制作，硅片作为中间绝缘层，其优点是层间对齐好，将敏感电极所需硅片数减小到两片，减小了组装复杂度，缺点是电极间距受限于硅片的厚度，加工工艺复杂。有的方案在硅片上依次制作四层铂电极，以氮化硅为绝缘层，可以将电极间距减小到1微米左右，但其加工工艺中采用了聚焦离子束刻蚀等，工艺复杂，加工效率低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种电化学地震检波器敏感电极及其制备方法，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面，提供了一种电化学地震检波器敏感电极，包括：

一支撑基板，所述支撑基板的材料为有机绝缘体，支撑基板中设置有至少一个支撑基板通孔；以及

两个电极层，分别覆盖于所述支撑基板的上表面和下表面，所述两个电极层中分别设置有至少一个电极层通孔；所述电极层通孔与所述支撑基板通孔之间形成通道。

可选地，所述有机绝缘体材料选自以下材料中的一种或两种以上：

聚对二甲苯、SU-8光刻胶、聚酰亚胺和干膜光刻胶。

可选地，所述电极层通孔与所述支撑基板通孔的形状相同。

可选地，所述电极层的材料选自以下材料的一种或两种以上：

铂、石墨和石墨烯。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种电化学地震检波器敏感电极的制备方法，包括：

在衬底上生长一层有机绝缘体；

在该有机绝缘体上制作第一图形化电极层；以及

去除衬底，根据所述第一图形化电极层，在该有机绝缘体上制作支撑基板通孔，在该有机绝缘体的另一表面上制作第二图形化电极层。

可选地，所述衬底为平面结构，所述衬底的材料选自以下的一种或两种以上：

硅、玻璃和铝。

可选地，在生长有机绝缘体之前还包括步骤：在所述衬底上涂覆脱膜剂。

可选地，通过溅射或者蒸发方式分别制作所述第一图形化电极层以及第二图形化电极层。

可选地，利用导电银胶将导线固定在第一图形化电极层和第二图形化电极层上，得到键合引线的电极芯片；以及将两个键合引线的电极芯片进行组装。

(三)有益效果

本发明相较于现有技术具有以下优点：

1、本发明采用有机薄膜作为阴阳电极绝缘层，阴阳电极间距可以减小至几微米，因此可以大幅度提高电化学地震检波器敏感电极的灵敏度。

2、本发明将两层电极层与一层绝缘层集成，电化学地震检波器敏感电极仅需要两个芯片组装，提高了阴阳电极的对齐精度，降低了组装难度。

3、本发明的制备方法无需硅深刻蚀等复杂工艺，加工工艺简单，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例的电化学地震检波器敏感电极的结构示意图；

图2为本发明实施例的电化学地震检波器敏感电极的制备方法的步骤流程图；

图3A为本发明实施例在制备敏感电极时，在衬底上制作支撑基板的示意图；

图3B为本发明实施例在制备敏感电极时，在支撑基板上制作第一图形化铂电极的示意图；

图3C为本发明实施例在制备敏感电极时，去除衬底的示意图；

图3D为本发明实施例在制备敏感电极时，在支撑基板背面制作一层铂电极的示意图；

图3E为本发明实施例在制备敏感电极时，在支撑基板上制作出支撑基板通孔的示意图；

图3F为本发明实施例在制备敏感电极时，释放支撑基板背面电极的电极层通孔的示意图；

图4为本发明实施例的键合引线的电极芯片的示意图；

图5为本发明实施例的敏感电极的组装示意图。

具体实施方式

针对现有技术的两大缺陷：因硅片的厚度难以方便调节，且较薄的硅片在加工过程中易碎裂，基于硅片制作电化学地震检波器敏感电极的方法，阴阳电极的间距受限于硅片的厚度，难以制作出具有很小阴阳极间距的敏感电极，限制了电化学地震检波器灵敏度的进一步提升；以及基于硅片制作电化学地震检波器敏感电极的方法，加工工艺中需要硅的深度反应离子刻蚀等工艺，工艺复杂，成本高，本发明提供了一种电化学地震检波器敏感电极，其以有机绝缘体为支撑基板，以隔绝阴阳电极，使得阴阳电极间距大大减小，大幅提高了敏感电极的灵敏度；另外，本发明提供的电化学地震检波器敏感电极的制备方法，仅需要两个电极组装，提高了阴阳电极的对齐精度，降低了组装难度，且无需硅深刻蚀等复杂工艺，因此具有加工工艺简单，成本低的优点。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号；实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”“纵向”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

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。

本发明实施例的一方面，提供了一种电化学地震检波器敏感电极，图1为本发明实施例的电化学地震检波器敏感电极的结构示意图，如图1所示，该电化学地震检波器敏感电极，包括：

一支撑基板2，所述支撑基板2的材料为有机绝缘体，支撑基板2中设置有至少一个支撑基板通孔4；其中，有机绝缘体的材料包括聚对二甲苯(派瑞林Parylene)、SU-8光刻胶、聚酰亚胺和干膜光刻胶中的一种或多种。另外，为了减小阴阳电极的间距，提高敏感电极的灵敏度，本发明实施例采用有机绝缘体的薄膜形式来制作支撑基板2，在其他实施例中，支撑基板2也能以其他形态结构呈现，且有机绝缘体的厚度可以根据实际需要进行调节。

两个电极层1，分别覆盖于所述支撑基板2的上表面和下表面，所述两个电极层1中分别设置有至少一个电极层通孔3；所述电极层通孔3与所述支撑基板通孔4之间形成通道供电解质溶液流动。

为了避免电解液腐蚀电极，保持该敏感电极的稳定性，因此本发明实施例的电极层1选择铂和/或石墨类材料(例如石墨和石墨烯)。

其中，电极层通孔3与支撑基板通孔4的形状可以不同，只要保证二者有相对部分，以形成供电解液流动的通道即可。在本发明实施例，为了增大电极层通孔3与支撑基板通孔4之间的沟道的相对面积，以便于电解液更高效地流动，从而提高敏感电极的敏感度，电极层通孔3与支撑基板通孔4的形状可以设置为相同的规则形状(例如矩形、圆形或者其他形状)，且电极层通孔3与支撑基板通孔4正对放置。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种电化学地震检波器敏感电极的制备方法，本发明就以基于Parylene薄膜的电化学地震检波器敏感电极的制备过程为例，进行说明，其他材料的情况与之类似，因此不再赘述。一般来说，有机绝缘体5还可以为SU-8光刻胶、聚酰亚胺和干膜光刻胶等其他材料。图2为本发明实施例的电化学地震检波器敏感电极的制备方法的步骤流程图，如图2所示，该方法包括：

步骤S1、图3A为本发明实施例在制备敏感电极时，在衬底上制作支撑基板的示意图，如图3所示，在衬底7上生长一层有机绝缘体5，以该有机绝缘体5作为支撑基板，另外，为了方便将衬底7与有机绝缘层分离，还在二者之间增加了脱膜剂6；

具体地，该步骤包括以下子步骤：

步骤S11、将衬底7放置在匀胶机中，在表面平整、干净且干燥的衬底7上旋涂一层脱膜剂6，其中，该衬底的材料可以为硅、玻璃和/或铝；

步骤S12、将涂覆有脱膜剂6的衬底7放入Parylene镀膜机中，在其上淀积一层Parylene薄膜，其中，Parylene薄膜的厚度由所使用的原材料Parylene C(聚C型对二甲苯)的质量决定。

步骤S2、图3B为本发明实施例在制备敏感电极时，在支撑基板上制作第一图形化铂电极的示意图，如图3B所示，在支撑基板上制作第一图形化电极层；

具体地，包括以下子步骤：

步骤S21、在Parylene薄膜上旋涂一层正性光刻胶AZ 1500，然后经过曝光、显影等操作，制作出图形化的光刻胶；

步骤S22、在Parylene薄膜和图形化的光刻胶上，溅射一层铂金属层作为电极层；在其他实施例中，也可以采取蒸发工艺制得电极层，且电极层的材料包括但不限于铂和石墨类材料，例如石墨和石墨烯。

步骤S23、放入丙酮中浸泡、超声清洗，去除图形化的光刻胶及其上的铂金属层，完成第一图形化铂电极的制作。

步骤S3、去除衬底7，根据所述第一图形化电极层，在所述支撑基板上制作支撑基板通孔，在支撑基板的另一表面上制作第二图形化电极层；

具体地，包括以下子步骤：

步骤S31、图3C为本发明实施例在制备敏感电极时，去除衬底的示意图，如图3C所示，在揭下有机薄膜基板的同时去除衬底7。由于事先在衬底7上涂了脱膜剂6，所以Parylene薄膜较容易揭下来，用镊子9揭下衬底7上的Parylene薄膜；

步骤S32、图3D为本发明实施例在制备敏感电极时，在支撑基板背面制作一层铂电极的示意图，如图3D所示，在有机薄膜背面制作一层铂电极：为了使得薄膜更平整，方便在其上溅射铂电极层，因此先将Parylene薄膜翻过来，在边缘上选取若干点用胶带将其固定在衬底上，在Parylene薄膜背面溅射一层铂电极；

步骤S33、图3E为本发明实施例在制备敏感电极时，在支撑基板上制作出支撑基板通孔的示意图，如图3E所示，在有机薄膜上通过刻蚀制作出支撑基板通孔：在正面以图形化的铂为掩膜通过氧等离子体10刻蚀Parylene膜直至露出背面的铂，制作出薄膜基板通孔；

步骤S34、图3F为本发明实施例在制备敏感电极时，释放支撑基板背面电极的电极层通孔的示意图，如图3F所示，释放背面电极的电极层通孔：在超声清洗机中，将薄膜浸入水溶液中，采用超声法将流道孔中裸露的铂层清洗掉，形成贯穿的支撑基板通孔和薄膜背面图形化的铂电极，得到第二图形化电极层，最终完成基于Parylene薄膜的电极芯片的制作。

此外，为了防止因薄膜电极较薄，利用金丝球焊键合引线、或用焊锡焊接导线易导致薄膜破损、上下电极短路的问题，该方法还可以包括：

步骤S4、图4为本发明实施例的键合引线的电极芯片的示意图，如图4所示，得到键合引线的电极芯片：在铂电极层上利用导电银胶11将细铜丝导线12固定在第一图形化电极层和第二图形化电极层上，完成键合引线。

步骤S5、图5为本发明实施例的敏感电极的组装示意图，如图5所示，完成敏感电极的组装：将两个键合引线后的薄膜电极芯片和三个橡胶O形胶垫13用两个带有流道通孔16的有机玻璃块14采用螺丝钉15进行机械压紧，组装在一起组成了具有四层电极层及相应溶液流动通道的电化学地震检波器敏感电极。

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 (9)

1.一种电化学地震检波器敏感电极，包括：

一支撑基板，所述支撑基板的材料为有机绝缘体，支撑基板中设置有至少一个支撑基板通孔；

第一图形化电极层，覆盖于所述支撑基板的上表面；以及

第二图形化电极层，覆盖于所述支撑基板的下表面，所述第一图形化电极层和所述第二图形化电极层中分别设置有至少一个电极层通孔；所述电极层通孔与所述支撑基板通孔之间形成通道；

其中，所述电化学地震检波器敏感电极按照如下方法制备：

在衬底上生长一层有机绝缘体作为所述支撑基板；

在所述支撑基板上制作具有通孔的所述第一图形化电极层；以及

去除所述衬底，在所述支撑基板的另一表面上制作第二电极层，然后根据所述第一图形化电极层的通孔，在所述支撑基板上制作所述支撑基板通孔，最后根据所述第一图形化电极层的通孔和所述支撑基板通孔在所述第二电极层上形成通孔，得到所述第二图形化电极层。

2.根据权利要求1所述的电化学地震检波器敏感电极，其中，所述有机绝缘体材料选自以下材料中的一种或两种以上：

聚对二甲苯、SU-8光刻胶、聚酰亚胺和干膜光刻胶。

3.根据权利要求1所述的电化学地震检波器敏感电极，其中，所述电极层通孔与所述支撑基板通孔的形状相同。

4.根据权利要求1所述的电化学地震检波器敏感电极，其中，所述电极层的材料选自以下材料的一种或两种以上：

铂、石墨和石墨烯。

5.一种电化学地震检波器敏感电极的制备方法，包括：

在衬底上生长一层有机绝缘体；

在该有机绝缘体上制作具有通孔的第一图形化电极层；以及

去除衬底，在该有机绝缘体的另一表面上制作第二电极层，然后根据所述第一图形化电极层的通孔，在该有机绝缘体上制作支撑基板通孔，最后根据所述第一图形化电极层的通孔和所述支撑基板通孔在所述第二电极层上形成通孔，得到第二图形化电极层。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述衬底为平面结构，所述衬底的材料选自以下的一种或两种以上：

硅、玻璃和铝。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，在生长有机绝缘体之前还包括步骤：在所述衬底上涂覆脱膜剂。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，通过溅射或者蒸发方式在所述有机绝缘体的一个面上制作电极材料形成电极层，然后在电极层上制作通孔，形成所述第一图形化电极层或所述第二图形化电极层。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，还包括步骤：利用导电银胶将导线固定在第一图形化电极层和第二图形化电极层上，得到键合引线的电极芯片；以及将两个键合引线的电极芯片进行组装。

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