一種MEMS電極式低電導率傳感器及其測量方法與流程

2023-12-12 13:46:17

本發明涉及一種MEMS電極式低電導率傳感器及其測量方法，涉及微電子機械系統製造及水質檢測領域。

背景技術：

水質檢測與日常的生活和生產息息相關，電導率是水質檢測中十分重要的測量參數，淺海、河口、水庫等電導率較低的各種水體中，往往需要進行長期實時的水質監測。現有技術中，採用傳統機械加工製造的電導率傳感器，加工精度低、加工難度大、加工成本高、不適合大批量製造，而採用MEMS工藝製造的電導率傳感器體積小、功耗低、成本低、可大批量生產，是電導率傳感器的發展方向。

電導率傳感器主要分為電極式和感應式兩種，其中電極式電導率傳感器由於後續處理電路簡單、測量精度高、使用方便，廣泛應用於水質檢測中。與其他電極式MEMS電導率傳感器相比，由一對平面叉指電極所構成的MEMS電導率傳感器，其電導池常數較低，特別適合用於低電導率水體的水質檢測，但是這種電導率傳感器的叉指電極既是電流電極又是電壓電極，在測量過程中，待測水體與電極的接觸面上會產生極化電壓，使測量結果產生一定的誤差，限制了其在水質檢測中的應用。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種MEMS電極式低電導率傳感器及其測量方法，本發明克服傳統機械加工技術的不足，採用MEMS加工技術製造電導率傳感器；同時克服已有MEMS平面叉指電極式電導率傳感器在檢測低電導率水體時，存在極化效應，產生測量誤差，測量精度不高的不足；本發明的電導率傳感器結構簡單，體積小巧，操作方便，成本較低，測量速度快，測量精度高。

本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：

一方面，本發明提供一種MEMS電極式低電導率傳感器，包括絕緣襯底以及固定在絕緣襯底上端面的三個平面矩形電極和兩對平面叉指電極對，其中：

所述三個平面矩形電極包括大小相等的第一平面矩形電極、第二平面矩形電極和第三平面矩形電極；所述兩對平面叉指電極對包括大小相等的第一平面叉指電極對和第二平面叉指電極對；

所有電極在絕緣襯底的上端面水平依次排開，從左至右依次為第一平面矩形電極、第一平面叉指電極對、第二平面矩形電極、第二平面叉指電極對、第三平面矩形電極，且呈左右對稱分布；電極與電極之間有間隔且相互平行；

所述三個平面矩形電極為電流電極，每個平面矩形電極的一端都各帶有一個金屬錨區，用於施加激勵信號；

所述兩對平面叉指電極對為電壓電極，每個平面叉指電極的一側都各帶有一個金屬錨區，用於檢測響應信號。

作為本發明的進一步優化方案，所述絕緣襯底為矽基材料製成，絕緣襯底的上端面為二氧化矽絕緣層。

作為本發明的進一步優化方案，所有電極及其金屬錨區均由表面鍍金的鎳材料經金屬微加工工藝製成。

作為本發明的進一步優化方案，所述平面叉指電極對包括兩個叉指相互交錯的平面叉指電極。

另一方面，本發明還提供一種採用上述MEMS電極式低電導率傳感器測量水體電導率的方法，其特徵在於，包括以下步驟：

(1)在電流電極之間施加激勵信號，具體為：將第一平面矩形電極和第三平面矩形電極接地，在第二平面矩形電極上接入交流激勵信號I；

(2)在電壓電極之間檢測響應信號，具體為：分別測量兩對平面叉指電極對中兩個叉指電極之間的電壓V1和V2；

(3)計算電導率，具體為：水體的電導率式中，K為電導池常數。

作為本發明的進一步優化方案，通過運放反饋電路保持V1和V2的幅值。

本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明提供的一種MEMS電極式低電導率傳感器，具有結構簡單、操作方便、測量精度高、工藝簡單、體積小巧、成本低廉、可靠性高等優點。

附圖說明

圖1是MEMS電極式低電導率傳感器的俯視結構圖。

圖中，1-絕緣襯底，2-平面矩形電極，3-平面叉指電極對，4-平面矩形電極，5-平面叉指電極對，6-平面矩形電極，7-金屬錨區，8-金屬錨區，9-金屬錨區，10-金屬錨區，11-金屬錨區，12-金屬錨區，13-金屬錨區，301-平面叉指電極，302-平面叉指電極，501-平面叉指電極，502-平面叉指電極。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

本發明的一種MEMS電極式低電導率傳感器的俯視結構圖，如圖1所示的，包括絕緣襯底1、三個平面矩形電極和兩對平面叉指電極對。其中，三個平面矩形電極的大小相等，分別為第一平面矩形電極2、第二平面矩形電極4和第三平面矩形電極6；兩對平面叉指電極對的大小相等，分別為第一平面叉指電極對3和第二平面叉指電極對5，第一平面叉指電極對3由平面叉指電極301、平面叉指電極302組成，第一平面叉指電極對5由平面叉指電極501、平面叉指電極502組成。

所有電極均固定在絕緣襯底1的上端面，水平依次排開，電極與電極之間間隔一段距離，相互平行並呈左右對稱分布，電極的排布從左至右依次為：第一平面矩形電極2、第一平面叉指電極對3、第二平面矩形電極4、第二平面叉指電極對5、第三平面矩形電極6。

三個平面矩形電極為電流電極，每個平面矩形電極的一端都各帶有一個金屬錨區，分別為第一平面矩形電極2的金屬錨區7、第二平面矩形電極4的金屬錨區10和第三平面矩形電極6的金屬錨區13，用於施加激勵信號。

兩對平面叉指電極對為電壓電極，每個平面叉指電極的一側都各帶有一個金屬錨區，分別為平面叉指電極301的金屬錨區8、平面叉指電極302的金屬錨區9、平面叉指電極501的金屬錨區11、平面叉指電極502的金屬錨區12，用於檢測響應信號。

絕緣襯底1為矽基材料製成，絕緣襯底1的上端面為二氧化矽絕緣層。所有電極2、3、4、5、6及其金屬錨區7、8、9、10、11、12、13均由表面鍍金的鎳材料經金屬微加工工藝製成。

本發明採用上述MEMS電極式低電導率傳感器測量水體電導率的方法，包括以下步驟：

(1)在電流電極2、4、6之間施加激勵信號，具體做法是：將第一平面矩形電極2的金屬錨區7和第三平面矩形電極6的金屬錨區13接地，在第二平面矩形電極4的金屬錨區13上接入交流激勵信號I，在第二平面矩形電極4和第一平面矩形電極2之間、第二平面矩形電極4和第三平面矩形電極6之間同時生成交流電場。由於第一平面矩形電極2和第三平面矩形電極6都接地，傳感器內部的水體被屏蔽起來，外部環境的電磁幹擾無法影響到傳感器內部的被測水體；

(2)在電壓電極301、302、501、502之間檢測響應信號，具體做法是：分別測量兩對平面叉指電極對3、5之間的電壓V1和V2，即測量平面叉指電極301、302上接收到的交變電場的電壓降V1，同時測量平面叉指電極501、502上接收到的交變電場的電壓降V2，並通過運放反饋電路保持這兩個電壓的幅值；

(3)計算電導率結果，具體的做法是：傳感器以第二平面矩形電極4為對稱軸呈左右對稱，因此，平面叉指電極301、302上接收到的交變電場的電壓降V1和平面叉指電極501、502上接收到的交變電場的電壓降V2大小相等，為了避免加工精度造成的不對稱誤差，可取兩個電壓降的平均值作為被測水體的電壓參數，即V＝(V1+V2)/2，利用電導率與施加電流、測量電壓之間的關係式，得到水體的電導率，公式如下：

式中，K為電導池常數。

通過本發明提供的一種MEMS電極式低電導率傳感器，克服了傳統機械加工技術的不足，採用MEMS加工技術製造電導率傳感器，體積小、功耗低、成本低、可大批量生產，同時克服已有MEMS平面叉指電極式電導率傳感器在檢測低電導率水體時，存在極化效應，測量精度不高的不足，將電壓電極與電流電極分開，消除極化電壓的影響，並將外側電極接地，避免外部環境的電磁幹擾。該MEMS電極式低電導率傳感器具有結構簡單、操作方便、測量精度高、工藝簡單、可靠性高等優點。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內，因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。