CN205844359U - 平面叉指电极结构的电化学惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，属于惯性传感技术领域。包括叉指电极板、敏感液体、U型壳体、弹性橡胶膜及检测电路。所述叉指电极板为表面对称排列有两对叉指电极的绝缘平板，叉指电极作为电化学反应的两对阴/阳电极；所述敏感液体为溶液离子在阴/阳电极间发生可逆氧化/还原反应的电解液。所述U型壳体与叉指电极板共同组成敏感液体的流道，流道两端被弹性橡胶膜密封，敏感液体在外部惯性力作用下相对叉指电极表面流动。优点在于：结构简单、制作方便、成本低廉、可批量生产，应用范围广，实用性强。

Description

平面叉指电极结构的电化学惯性传感器

技术领域

本实用新型涉及惯性传感技术领域，特别涉及一种平面叉指电极结构的电化学惯性传感器。

背景技术

惯性传感器是检测加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器，包括直线和角加速度传感器，在导航定位、运动控制、及振动测量等领域有着重要的应用。惯性传感器一直是各国惯性技术领域的研究重点,尤其是各种新材料、新技术在惯性传感器中的使用。

质量-弹簧-阻尼谐振系统是最简单和常用的惯性测量系统，通过合适的机电换能装置将惯性质量体相对固定框架的位移、速度及加速度转化为可测量的电压或电流，即可获得被测物的惯性量。电化学惯性传感器采用液体作为质量体，通过测量敏感液体内离子的电荷迁移变化来表征敏感液体与固定电极间的相对运动。电化学惯性传感器通常采用四电极结构，四支惰性金属电极被放置在充满可逆氧化还原反应的敏感液体流道中，电极之间由绝缘网隔开，如图1所示，敏感液体可以在管道中自由运动，在小幅度直流电流作用下，阴阳电极之间会形成离子浓度梯度。当敏感液体在外界惯性力的作用下在管道内移动时，溶液中的离子在阴极和阳极之间发生迁移，与敏感液体运动成比例的附加电流就会流向电极，图2为电化学惯性传感器电路原理示意图，通过测量该附加电流，可以得到外界速度或加速度的大小。电化学惯性传感器因其具有灵敏度及信噪比高、动态范围大、低频特性好、不受电磁干扰、抗冲击性强、无机械噪声等优点，在最近10年得到了广泛关注及迅速发展。

电化学惯性传感器主要包括电化学换能单元、敏感液体、流道、弹性橡胶膜及检测电路等部分。换能单元是电化学惯性传感器制作的核心部件，结构如图3所示，按加工方式的不同可分为两大方向，其一是以美国EENTEC公司和俄罗斯MET公司为代表的机械加工，电化学换能单元以编织的铂网作为电极、工程塑料筛网作为间隔层，并采用粘接或者焊接的方式组合到一起，该方法虽已商业化生产，但存在技术参数离散性大、产品尺寸压缩空间小等问题。其二是以美国亚利桑那州立大学的Hongyu Yu小组和中国科学院北京电子所的王军波小组为代表的微机械MEMS加工，如专利CN103048680A、CN103274351A及CN103472480A，采用体硅加工及光刻掩膜的方法制作间隔层及电极，并通过多层粘接或键合的方式组合到一起，该方法制作的传感器具有较高的灵敏度，但存在前期投入大、技术要求高等问题。

通常，两类加工方法制作的电化学换能单元均采用垂直方式安装在敏感液体流道中间位置，由于敏感液体的强腐蚀性及渗透性，为防止敏感液体的渗漏需要良好的密封机构，如专利CN103235337A，传感器的尺寸被限制不能太小，图4为现有的电化学惯性传感器组装结构示意图。

目前，电化学惯性传感器仅作为地震检波器/地震计，应用于对运动测量精度要求高、传感器尺寸要求低的地震波测量中，而在如汽车、精密农业、工业自动化、医疗设备、手机、导航、游戏机等广泛的中、低精度惯性传感器需求领域未能应用，传感器尺寸、结构及成本是其中的主要因素。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型采用两对对称排列的叉指电极代替电极/绝缘层间隔排列的换能单元，大幅减小传感器的整体尺寸，简化电化学惯性传感器的加工工艺及过程。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，包括叉指电极板、敏感液体、U型壳体2、弹性橡胶膜3及检测电路，所述叉指电极板由基板6和印刷在其上的叉指电极1组成，所述的叉指电极板安装在U型壳体2的下表面，所述U型壳体2与叉指电极板共同组成敏感液体的流道，流道两端通过弹性橡胶膜3密封，敏感液体在外部惯性力作用下相对叉指电极1表面流动，导致与惯性力相对应的阴/阳极电流发生变化，电流信号经检测电路差分放大后转为电压信号输出。

所述的敏感液体为能在阴/阳电极间发生自身可逆氧化/还原反应的电解液。

所述的能在阴/阳电极间发生自身可逆氧化/还原反应的电解液为碘/碘离子溶液、溴/溴离子溶液、 硫酸根/亚硫酸根离子溶液或二价铁离子/三价铁离子溶液。

所述的叉指电极1采用两对对称平行排列结构，分别做为电化学传感的阳/阴/阴/阳或阴/阳/阳/阴极，叉指电极1采用丝网印刷、光刻掩膜或激光蚀刻法制作。

所述的叉指电极1的材质为与密封的敏感液体不发生电化学反应的惰性金属。

所述的与密封的敏感液体不发生电化学反应的惰性金属为铂、金或银。

所述的U型壳体2上表面设有一灌注孔4，敏感液体采用真空导流法通过灌注孔4注入电化学惯性传感器内部，以排除流道内壁附着的微小气泡，灌注孔4通过环氧树脂密封。

所述的U型壳体2粘接在叉指电极板两侧的粘接区域5的表面。

本实用新型的有益效果在于：

1、两对叉指电极代替电极/绝缘层间隔排列的换能单元，电极平面平行于流道，大幅减小传感器的整体尺寸；

2、平面叉指电极结构代替电极/绝缘层间隔排列结构，简化了电化学换能单元的制作过程，并大幅降低了器件成本；

3、叉指电极板与U型壳体直接装配成为密封敏感液体的流道，省去了电化学换能单元的封装过程。

4、结构简单、制作方便、成本低廉、可批量生产，应用范围广，实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为现有电化学惯性传感器结构示意图；

图2为现有的电化学换能单元结构示意图；

图3、图4为现有的电化学惯性传感器组装结构示意图；

图5为本实用新型的电化学惯性传感器叉指电极结构示意图；

图6为本实用新型的电化学惯性传感器组装结构示意图。

图中：1、叉指电极；2、U型壳体；3、弹性橡胶膜；4、灌注孔；5、粘接区域；6、基板；7、焊盘。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图5及图6所示，本实用新型的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，包括叉指电极板、敏感液体、U型壳体2、弹性橡胶膜3及检测电路，所述叉指电极板由基板6和印刷在其上的叉指电极1组成，所述的叉指电极板安装在U型壳体2的下表面，所述U型壳体2与叉指电极板共同组成敏感液体的流道，流道两端通过弹性橡胶膜3密封，敏感液体在外部惯性力作用下相对叉指电极1表面流动，导致与惯性力相对应的阴/阳极电流发生变化，电流信号经检测电路差分放大后转为电压信号输出。

所述的敏感液体为能在阴/阳电极间发生自身可逆氧化/还原反应的电解液。

所述的能在阴/阳电极间发生自身可逆氧化/还原反应的电解液为碘/碘离子溶液、溴/溴离子溶液、 硫酸根/亚硫酸根离子溶液或二价铁离子/三价铁离子溶液。

所述的叉指电极1采用两对对称平行排列结构，分别做为电化学传感的阳/阴/阴/阳或阴/阳/阳/阴极，叉指电极1采用丝网印刷、光刻掩膜或激光蚀刻法制作。

所述的叉指电极1的材质为与密封的敏感液体不发生电化学反应的惰性金属。

所述的与密封的敏感液体不发生电化学反应的惰性金属为铂、金或银。

所述的U型壳体2上表面设有一灌注孔4，敏感液体采用真空导流法通过灌注孔4注入电化学惯性传感器内部，以排除流道内壁附着的微小气泡，灌注孔4通过环氧树脂密封。

所述的U型壳体2粘接在叉指电极板两侧的粘接区域5的表面。

实施例：

参见图5及图6所示，本实施例所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，包括U型壳体2、弹性橡胶膜3、由叉指电极1和基板6组成的叉指电极板、及流道内承装的敏感液体；所述叉指电极板为表面对称排列有两对叉指电极的绝缘平板，叉指电极作为电化学反应的两对阴/阳电极；所述敏感液体为溶液离子在阴/阳电极间发生可逆氧化/还原反应的电解液。所述U型壳体2与叉指电极板共同组成敏感液体的流道，流道两端被弹性橡胶膜密封，敏感液体在外部惯性力作用下相对叉指电极表面流动。所述U型壳体2、基板6采用亚克力材料加工，弹性密封膜3采用硅橡胶注塑成型，U型壳体2、叉指电极板及弹性密封膜3间采用粘接的办法组装。

所述的U型壳体2内部加工成U型凹槽，与叉指电极板共同作为敏感液体流动的通道，通道两端采用弹性橡胶膜3密封，敏感液体在外部惯性力作用下相对叉指电极1表面流动；

所述的U型壳体2上表面有一灌注孔4，敏感液体采用真空导流的方法经此灌注孔4注入电化学惯性传感器内部，以排除流道内壁附着的微小气泡，灌注孔4最后采用环氧树脂密封。

所述的敏感液体为由0. 01mol/L碘和1mol/L的碘化钾组成的混合溶液，溶液内碘离子在阴/阳电极间发生可逆氧化/还原反应；

所述的叉指电极1采用丝网印刷的方法加工，材质选用惰性金属铂，U型壳体2粘接在叉指电极板两侧的粘接区域5的表面

所述的叉指电极1采用两对对称平行排列结构，分别做为电化学传感的阳/阴/阴/阳或阴/阳/阳/阴极，电极宽度100μm，电极间隔200μm。

所述的焊盘7与检测电路相连接，电流信号经跨阻放大器转为电压信号，经差分放大后输出。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：包括叉指电极板、敏感液体、U型壳体（2）、弹性橡胶膜（3）及检测电路，所述叉指电极板由基板（6）和印刷在其上的叉指电极（1）组成，所述的叉指电极板安装在U型壳体（2）的下表面，所述U型壳体（2）与叉指电极板共同组成敏感液体的流道，流道两端通过弹性橡胶膜（3）密封，敏感液体在外部惯性力作用下相对叉指电极（1）表面流动，导致与惯性力相对应的阴/阳极电流发生变化，电流信号经检测电路差分放大后转为电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：所述的敏感液体为能在阴/阳电极间发生自身可逆氧化/还原反应的电解液。

3.根据权利要求2所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：所述的能在阴/阳电极间发生自身可逆氧化/还原反应的电解液为碘/碘离子溶液、溴/溴离子溶液、 硫酸根/亚硫酸根离子溶液或二价铁离子/三价铁离子溶液。

4.根据权利要求1所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：所述的叉指电极（1）采用两对对称平行排列结构，分别做为电化学传感的阳/阴/阴/阳或阴/阳/阳/阴极，叉指电极（1）采用丝网印刷、光刻掩膜或激光蚀刻法制作。

5.根据权利要求1或4所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：所述的叉指电极（1）的材质为与密封的敏感液体不发生电化学反应的惰性金属。

6.根据权利要求5所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：所述的与密封的敏感液体不发生电化学反应的惰性金属为铂、金或银。

7.根据权利要求1所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：所述的U型壳体（2）上表面设有一灌注孔（4），敏感液体采用真空导流法通过灌注孔（4）注入电化学惯性传感器内部，以排除流道内壁附着的微小气泡，灌注孔（4）通过环氧树脂密封。

8.根据权利要求1或7所述的平面叉指电极结构的电化学惯性传感器，其特征在于：所述的U型壳体（2）粘接在叉指电极板两侧的粘接区域（5）的表面。