基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的微電化學(xué)地震傳感器

Deyong Chen　Guangbei Li　Junbo Wang　Jian Chen

Wentao He　Yunjie Fan　Tao Deng　Peng Wang

基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的微電化學(xué)地震傳感器

Deyong ChenGuangbei LiJunbo WangJian Chen

Wentao HeYunjie FanTao DengPeng Wang

摘要介紹了一種新型電化學(xué)地震傳感器，利用密閉液體(例如，電解質(zhì)溶液)作為敏感要素，將外界震動(dòng)引起的活性離子在電極間的不平衡轉(zhuǎn)換成電流輸出。通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真，驗(yàn)證此理論方法來(lái)研發(fā)采用傳統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)研制的微地震傳感器的可行性。基于震動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試得到的實(shí)際速度與輸出電壓幅度的線性關(guān)系，研制設(shè)備的靈敏度特性為274V/m·s-1(20～80Hz)。研制設(shè)備與類似商用產(chǎn)品(MET2003)進(jìn)行了性能對(duì)比測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與MET2003相比，研制的設(shè)備在對(duì)隨機(jī)震動(dòng)的響應(yīng)方面具有更低的功率譜?？傊疚奶岢龅碾娀瘜W(xué)地震傳感器可以利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)，與傳統(tǒng)電化學(xué)地震儀相比具有更出色的性能和更低的功率譜。此新型微傳感器可應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)，提升地震定位、火山噴發(fā)和其他地表活動(dòng)的監(jiān)測(cè)能力。

關(guān)鍵詞微機(jī)電系統(tǒng)地震傳感器電化學(xué)方法液體質(zhì)量檢測(cè)平面電極

0引言

地震傳感器在地震學(xué)領(lǐng)域中是不可缺少的組成部分，是檢測(cè)地震動(dòng)并產(chǎn)生電信號(hào)的關(guān)鍵元素[1-4]?；跈z測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)機(jī)理，電磁式[5]、電容式[6]、光纖[7，8]和電化學(xué)[9]的地震傳感器已經(jīng)開展研制工作。

與利用固體檢測(cè)質(zhì)量來(lái)監(jiān)測(cè)外界震動(dòng)的地震計(jì)相比，研發(fā)的采用電化學(xué)方法地震計(jì)因其利用液體檢測(cè)質(zhì)量，所以具有較強(qiáng)的低頻震動(dòng)信號(hào)特性[9]。然而，采用傳統(tǒng)技術(shù)制造的電化學(xué)地震傳感器存在電極不對(duì)稱、一致性差、設(shè)備易損等問(wèn)題。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)近年來(lái)的快速發(fā)展，已經(jīng)研制出多種微震傳感器，但所有傳感器均依賴于固體檢測(cè)質(zhì)量作為敏感要素[10，11]。本文首先提出一種測(cè)量電極與絕緣層相互匹配的電化學(xué)微震傳感器，我們將集中討論研發(fā)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并給出計(jì)算仿真數(shù)據(jù)。

1結(jié)構(gòu)

圖1　(a)微傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)微傳感器工作原理示意圖

本文中提到的電化學(xué)地震傳感器是由密封在導(dǎo)管中并浸在濃縮電解液中的4個(gè)電極敏感元件構(gòu)成。與傳統(tǒng)的用鉑金網(wǎng)板做電極、穿孔陶瓷板做絕緣墊片的電化學(xué)地震傳感器不同，新設(shè)計(jì)的傳感器采用壓花鉑金絲作為電極放置在絕緣板上。電極采用陽(yáng)極-陰極-陰極-陽(yáng)極對(duì)稱排列，并通過(guò)絕緣墊片將各電極分隔。如圖1(a)所示，設(shè)備由多層電解質(zhì)板層疊組成，每層中一面為微電極，而另一面為流道的凹槽。在此研發(fā)裝置中，陽(yáng)極和陰極共面的制作工藝，很好地解術(shù)語(yǔ)

A電極表面面積

C密度

D擴(kuò)散系數(shù)

F法拉第常數(shù)9.648534×104C/mol

H通道高度

k反應(yīng)常數(shù)

L1電極長(zhǎng)度

L2相鄰正負(fù)電極間距

m離子移動(dòng)率

n反應(yīng)中的電子交換數(shù)

R氣體常數(shù)8.314J/(kg mol)

rD動(dòng)態(tài)范圍

T溫度

t時(shí)間

V電極間輸入的電位勢(shì)

U溶液中電位勢(shì)

U′層間電位勢(shì)

zk電荷數(shù)

希臘字母

α陰極反應(yīng)電荷傳導(dǎo)系數(shù)

ρ密度

μ動(dòng)力黏度

決了常見的相對(duì)位置不準(zhǔn)的問(wèn)題。另外，研發(fā)的電化學(xué)地震傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如陽(yáng)極、陰極的寬度和間距)可以通過(guò)圖案結(jié)構(gòu)制作工藝很容易進(jìn)行調(diào)整。為了增加電極面積，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)便的插入式指狀電極。同時(shí)使用多層結(jié)構(gòu)增加電極面積，從而提高設(shè)備的靈敏度。

圖1(b)進(jìn)一步說(shuō)明設(shè)備的工作原理。敏感電極浸在對(duì)電極具有微小電位差且含有豐富離子的電解液中。采用的電解液為碘化鉀溶液(基底電解液)加碘元素，在溶液中形成三碘化物離子。可逆的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在陰極和陽(yáng)極附近，即分別為3I--2e→I-3和3I--2e→I-，同時(shí)離子傳輸過(guò)程產(chǎn)生電流。當(dāng)設(shè)備處于地震動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，相對(duì)于電極有流體流動(dòng)，導(dǎo)致在圖1(b)中所示的兩陰極間離子發(fā)生不平衡。因?yàn)殡x子不平衡進(jìn)而導(dǎo)致輸出電流不平衡(如圖1b中所示的左側(cè)陰極電流增加而右側(cè)陰極電流降低)。通過(guò)檢測(cè)電路可檢測(cè)不平衡電流并給出震動(dòng)狀態(tài)(振幅和頻率)。

2仿真結(jié)果

圖2為四電極敏感元件的示意圖，其中假定了電解液為中性，并且其體積與離子濃度無(wú)關(guān)。4條陰影線表示4個(gè)置于絕緣板頂部的鉑電極。在提出的數(shù)學(xué)模型中，根據(jù)納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程和邊界條件求解電解液中的速度場(chǎng)分布[7]。

(1)

(2)

為了解決離子傳輸，采用了能斯特-普朗克(Nernst-Planck)方程和電中性假設(shè)，并考慮了擴(kuò)散、對(duì)流和電遷移[7]。

(3)

(4)

(5)

電極的電流與離子流成正比。

(6)

通過(guò)應(yīng)用Butler-Volmer方程還考慮了電極動(dòng)力學(xué)。

(7)

圖2　用于數(shù)值模擬的四電極敏感元件模型

圖3　壓力為0Pa(a)和0.4Pa(b)下在兩個(gè)陰極上面的離子濃度分布仿真結(jié)果

圖4　設(shè)備輸出電路基于電極幾何形狀和壓強(qiáng)函數(shù)的仿真結(jié)果

圖5　制造工藝：(a)和(b)應(yīng)用深反應(yīng)離子蝕刻(DIRE)而成的平行流通道類型；(c)熱氧化作用；(d)鉑電極濺射圖形構(gòu)造；(e)設(shè)備裝配；(f)指狀結(jié)構(gòu)電極電子顯微鏡圖片；(g)流體水槽電子顯微鏡圖片；(h)和(i)樣機(jī)圖片(原圖為彩色圖——譯注)

利用有限元多物理場(chǎng)軟件COMSOL進(jìn)行數(shù)值仿真。公式(1)～(7)實(shí)現(xiàn)了用數(shù)值表示電解液物理特性值和樣機(jī)幾何尺寸。在電極區(qū)域，定義鉀的零通量邊界條件，在所有的固體表面，定義無(wú)滑移的邊界條件。在絕緣體表面，為電場(chǎng)定義電絕緣邊界條件同時(shí)為離子傳輸定義零流量。在左側(cè)和右側(cè)出口，采用壓力梯度同時(shí)認(rèn)為電場(chǎng)為非重要因素。

圖3顯示了活性離子濃度的仿真結(jié)果和在有壓力差與沒(méi)有壓力差條件下的電極電流密度分布圖，其中箭頭代表作用在模型上壓力的方向，輪廓線代表相同濃度的活性離子。零壓強(qiáng)時(shí)，在兩陰極間沒(méi)有離子濃度差，0.4Pa壓強(qiáng)時(shí)，記錄到活性離子濃度有顯著差異。此仿真結(jié)果驗(yàn)證了電解質(zhì)溶液運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力會(huì)引起電極周圍活性離子濃度的變化，并且基于數(shù)值仿真得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)和電流輸出的關(guān)系，如圖3所示。

圖4表示仿真輸出的特性曲線，圖中輸出電流密度繪制成電極幾何形狀和作用壓強(qiáng)的函數(shù)。當(dāng)作用壓強(qiáng)增加時(shí)，最初(0～1Pa)電流密度顯示為增加趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在1Pa，當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)增加(1～1.5Pa)時(shí)電流密度隨之穩(wěn)步減小。此仿真結(jié)果反應(yīng)了兩陰極間離子不平衡的對(duì)流和擴(kuò)散現(xiàn)象。在低對(duì)流、離子擴(kuò)散占主導(dǎo)地位的情況下，當(dāng)對(duì)流變強(qiáng)時(shí)，下游電解液成份可能接近上游電解液成份，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電流。

圖6　震動(dòng)速度和頻率可調(diào)節(jié)的震動(dòng)臺(tái)上樣機(jī)輸出電壓試驗(yàn)結(jié)果

頻率/Hz20304050607080靈敏度V/m·s-1307.59294.93268.93241.59254.58259.55290.94

3制造工藝

圖5(a-e)為研制樣機(jī)基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的分步制作過(guò)程。(100)定向的單晶硅片被用來(lái)制作敏感元件。制作過(guò)程包含4個(gè)關(guān)鍵步驟，在硅片一面進(jìn)行深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)，熱氧化SiO2對(duì)硅片進(jìn)行絕緣，在硅片另一面進(jìn)行鉑電極濺射且通過(guò)粘合劑進(jìn)行一層層粘合裝配。圖5(f-i)為研制樣機(jī)組裝過(guò)程的圖片。本文提出的電化學(xué)傳感器與傳統(tǒng)電化學(xué)地震計(jì)的關(guān)鍵區(qū)別在于可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和高產(chǎn)出速率。

4性能測(cè)試

電化學(xué)地震傳感器的輸出產(chǎn)出精度參數(shù)包括靈敏度、頻率響應(yīng)、噪聲和動(dòng)態(tài)范圍。為了得到這些性能參數(shù)，研發(fā)樣機(jī)被放置在震動(dòng)速度和頻率可調(diào)節(jié)的震動(dòng)臺(tái)上。輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波和溫度補(bǔ)償?shù)忍幚怼?/p>

圖6記錄樣機(jī)的輸出電壓作為震動(dòng)速度函數(shù)的曲線，驗(yàn)證了振動(dòng)臺(tái)速度和樣機(jī)輸出電壓間的線性關(guān)系。表1中計(jì)算了不同頻率下樣機(jī)的靈敏度，其平均值為274V/m·s-1。圖7總結(jié)了在某一特定震動(dòng)速度下樣機(jī)輸出的電壓與震動(dòng)頻率的關(guān)系曲線，表明了輸出電壓與20～80Hz(工作頻帶寬度)輸入震動(dòng)頻率無(wú)關(guān)。

圖7　基于震動(dòng)臺(tái)的頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8　隨機(jī)振動(dòng)作為輸入信號(hào)時(shí)樣機(jī)比商業(yè)設(shè)備(MET2003)具有更低的噪聲值

對(duì)于該設(shè)備性能的另一個(gè)重要量化參數(shù)是動(dòng)態(tài)范圍rD，其定義如下：

(8)

式中Vmax是波動(dòng)所產(chǎn)生輸出電壓的最大值，Vmin是傳感器固有噪聲決定的最小輸出電壓。依據(jù)公式(8)計(jì)算，樣機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍近似為120dB。

為了更形象地展示樣機(jī)的特性，用樣機(jī)和MET2003來(lái)測(cè)試相同的隨機(jī)輸入震動(dòng)，電壓測(cè)試結(jié)果如圖9所示。測(cè)試結(jié)果表明研發(fā)的樣機(jī)輸出與MET2003輸出具有可比性。

圖9　對(duì)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)樣機(jī)和MET2003(商業(yè)電化地震傳感器)實(shí)驗(yàn)輸出的電壓值

5總結(jié)

本文中對(duì)研發(fā)的電化學(xué)地震傳感器進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。仿真結(jié)果證實(shí)了所提設(shè)計(jì)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了樣機(jī)的靈敏度、頻響范圍和噪聲值。與一款商用地震計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析，表明研發(fā)樣機(jī)的性能與商用地震計(jì)的性能相近，并對(duì)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境具有更低的功率譜。與以前研制的電化學(xué)地震計(jì)相比，研發(fā)樣機(jī)具有顯著特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉，可促進(jìn)基于電化學(xué)方法地震計(jì)的微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展。

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譯自：SensorsandActuatorsA202.2013.85-89

原題：A micro electrochemical seismic sensor based on MEMS technologies

(遼寧省地震局孫宏志、安容蒂、盧山、趙龍梅譯；王曉美校)

孫宏志(1973-)，男，漢族，遼寧省沈陽(yáng)市人。2006年畢業(yè)于東北大學(xué)通信與信息專業(yè)，碩士，高工。從事地震儀器研制與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作。

譯 者 簡(jiǎn) 介

doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201504006