CN203630077U - 基于mems技术的接触式四电极盐度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，包含石英基片衬底、Si₃N₄粘附层和铂金属电极，所述Si₃N₄粘附层位于石英基片底衬的上表面，所述铂金属电极位于Si₃N₄粘附层之上；所述铂金属电极包含接触区、电导率感应电极和温度感应电极；所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含一层Si₃N₄保护层，正面Si₃N₄保护层刻蚀出窗口，露出电导率感应电极和温度感应电极。本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器器件尺寸小，具有较高的测量范围和稳定性，可直接与海水长久接触而不产生漂移。

Description

基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器

技术领域

本实用新型涉及盐度传感器领域，尤其涉及一种基于MEMS（Micro ElectroMechanical Systems，微机电系统）技术的接触式四电极盐度传感器。

背景技术

海水盐度是自然海洋生态系统的基本参数，影响着生物的种类、结构和功能，是海洋调查、海洋渔业研究和海洋环境污染检测中最重要的观测项目之一。各处海水虽然含盐量不同，但其主要成分的比例却是基本恒定的，因此可利用电导率推算出盐度。电极式电导率盐度传感器具有信号强、灵敏度高、抗干扰能力高、测量电路简单的特点。电极式电导率盐度传感器目前有二电极、四电极等。二电极型电导率盐度传感器由于存在电极极化，其测量范围、测量精度受到极大的限制，同时也很容易受到外界的干扰。四电极型电导率盐度传感器将电压测量和电流输入电极分开，避免了杂散电流和极化阻抗的影响。

丹麦Lyngby大学的

采用硅基MEMS技术制作了尺寸达4mm×6mm的CTD（conductivity temperature depth）系统，其中就包含了一个约2mm×3mm的方形四电极电导率传感器和温度传感器，由于其采用LPCVD（低压化学气相淀积）、蚀刻、退火等工艺制作TiSi₂温度传感器，增加了制备工艺的复杂度（Autonomous multi-sensor micro-system for measurement of oceanwater salinity[J],Sensors and Actuators A:Physical,2008,147:474-484）。X.Huang等人在玻璃基底上制备了集成式的CT传感器，采用平面7电极电导传感器和块状铂电阻温度传感器，并采用环氧树脂保护电极，在海水中工作五周后由于海水透过环氧树脂而产生信号漂移，电导率测量采用交流电流输入，测量其输出电压（A Miniature,High Precision Conductivity and Temperature SensorSystem for Ocean Monitoring[J],Sensors Journal,IEEE,2011,11:3246-3252）。赵湛等人采用MEMS工艺在硅片上制作了铂电阻式温度传感器与圆环形四电极式电导率传感器（基于MEMS工艺的硅基四电极电导率与温度集成传感器芯片的研制[J]，传感技术学报，2011，24（7）：966-969）。

总的来说，目前的MEMS CTD以硅片作为基体材料，制备和封装过程中需要多次镀膜、光刻、刻蚀等步骤，工艺过程较为复杂，性能有待提高，有需要通过结构设计优化器件。

实用新型内容

有鉴于此，有必要针对上述问题，提出一种基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器及其检测方法。

基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，包含石英基片衬底、Si₃N₄粘附层和铂金属电极，所述Si₃N₄粘附层位于石英基片底衬的上表面，所述铂金属电极位于Si₃N₄粘附层之上；所述铂金属电极包含接触区、电导率感应电极和温度感应电极；所述电导率感应电极有4个，每个电导率感应电极具有1个接触区；所述温度感应电极有1个，温度感应电极的两端各有1个接触区；所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含一层Si₃N₄保护层，正面的保护层中刻蚀出窗口，露出电导率感应电极和温度感应电极。

优选地，所述温度感应电极呈蜿蜒式结构。

与现有技术相比，本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器具有以下有益效果：

1、本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器是采用微纳加工技术制备，电极宽度为200～600μm，电极厚度为纳米级别，器件尺寸小，可以用在需要微型传感器的场合；

2、本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器同时包含温度感应电极（温度传感器），用以进行温度补偿；温度感应电极采用惰性Pt为材料，具有较高的测量范围和稳定性，并采用蜿蜒式结构，有效降低噪声干扰；

3、本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器用化学惰性绝缘材料Si₃N₄封装，可直接与海水长久接触而不产生漂移。

附图说明

图1为本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的电极俯视图。1为接触区，用于连接测量电路；2为四个电导率感应电极；3为温度感应电极。

图2为本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的截面图。4为铂金属电极；5为Si₃N₄粘附层；6为石英基片；7为Si₃N₄保护层，露出电导率电极和温度感应电极部分。

图3为本实用新型基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的俯视图。

具体实施方式

为了更好的说明本实用新型，下面结合附图做进一步说明。本实用新型中使用的上下左右等方位名词，都与具体附图相对应。本实用新型中使用的术语，如无特殊说明都按本领域常规定义理解。

实施例1

如图1-3所示，基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，包含石英基片衬底6、位于石英基片衬底6的上表面Si₃N₄粘附层5和位于Si₃N₄粘附层5之上铂金属电极4；所述铂金属电极4包含接触区1、电导率感应电极2和温度感应电极3。所述电导率感应电极2有4个，每个电导率感应电极2的上部都有1个接触区1，用于与测量电路连接；外侧的2个电导率感应电极2为输入电极9，与交流驱动电流8连接；内侧的2个电导率感应电极2为输出电极10，与数据采集电路11连接。所述温度感应电极3仅有1个，呈蜿蜒式结构；温度感应电极3的两端各有1个接触区1，用于和数据采集电路11连接。所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含一层Si₃N₄保护层7；保护层7刻蚀出窗口，恰好露出电导率感应电极2和温度感应电极3，使其直接与待测液体接触。

如图4所示，基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的测量方法，包括以下步骤：

1）将基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的电导率感应电极2和温度感应电极3浸入待测液体中，向电导率感应电极2的两个输入电极9施加交流电流8；

2）电导率感应电极2的两个输出电极10与数据采集电路11连接，检测两个输出电极10间的电压差；

3）数据采集电路11还与温度感应电极3连接，还包括电阻测量模块，可实时检测温度感应电极3的阻值，计算温度；

4）根据步骤1）施加的电流值和步骤2）测量得到的电压差值计算对应的电导率的值；数据采集电路根据电导率和温度计算盐度值。

电导率γ与电压V、电流I的计算如式（1）所示：

$\mathrm{\γ}=K\frac{I}{V}...\left(1\right)$

其中，V为电压差，I为电流；K是与器件几何尺寸有关的参数，称为电导池常数：若使用两个平行电极测量电导率，则K=L/A，L为两电极间距，A为电极面积；若使用不规则电极测量电导率，则可使用标准溶液进行测量，推算K值。

温度补偿的公式如式（2）所示：

γ_t＝γ_ref[1+α(t-t_ref)]…………………………（2）

其中，γ_t、γ_ref分别是温度t、t_ref下的电导率，α是液体在温度t_ref下的温度系数；当t_ref=25℃时，α=0.022/℃。

Pt金属热电阻的温度计算公式如式（3）或（4）所示：

R_t＝R₀[1+At+Bt²+Ct³(t-100)]（t＜0℃）………（3）

R_t＝R₀(1+At+Bt²)(t＞0℃)……………………（4）

其中，R_t为温度t时的电阻值，R₀为0℃时的电阻值，

A=3.9083E-3,B=-5.775E-7,C=-4.183E-12。

电导率与盐度之间的计算公式如式（5）所示：

$\begin{array}{c}S=a_0+a_1{R}_t^{1/2}+a_2{R}_t+a_3{R}_t^{3/2}+a_4{R}_t^2+a_5{R}_t^2+a_5{R}_t^{5/2}+\frac{t-15}{1+K(t-15)}(b_0+b_1{R}_t^{1/2}+b_2{R}_t\\ +b_3{R}_t^{3/2}+b_4{R}_t^2+b_5{R}_t^{5/2})\end{array}...\left(5\right)$

其中，a0=0.008,a1=-0.1692,a2=25.3851,a3=14.0941,a4=-7.0261,a5=2.7081,b0=0.0005,b1=-0.0056,b2=-0.0066,b3=-0.0375,b4=0.0636,b5=-0.0144, $R\left(P\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_{s,t,p}}{{\mathrm{\γ}}_{s,t,0}},R=\frac{{\mathrm{\γ}}_{s,t,p}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{35,15,0}}},r\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_{35,t,0}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{35,15,0}}},R_t=\frac{R}{R\left(P\right)r\left(t\right)},{\mathrm{\γ}}_{s,t,p}$ 是盐度为S、温度为t、压力为P时的海水电导率，如γ_35,15,0是盐度为35、温度为15℃、压力为1个标准大气压时的海水电导率，适用范围为：温度-2～35℃，压力0～1000bar，盐度2～42。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，其特征在于：包含石英基片衬底、Si₃N₄粘附层和铂金属电极，所述Si₃N₄粘附层位于石英基片底衬的上表面，所述铂金属电极位于Si₃N₄粘附层之上；所述铂金属电极包含接触区、电导率感应电极和温度感应电极；所述电导率感应电极有4个，每个电导率感应电极具有1个接触区；所述温度感应电极有1个，温度感应电极的两端各有1个接触区；所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含一层Si₃N₄保护层，正面Si₃N₄保护层刻蚀出窗口，露出电导率感应电极和温度感应电极。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，其特征在于：所述温度感应电极呈蜿蜒式结构。

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