基于微机电系统技术的微电化学地震传感器

Deyong Chen　Guangbei Li　Junbo Wang　Jian Chen

Wentao He　Yunjie Fan　Tao Deng　Peng Wang

基于微机电系统技术的微电化学地震传感器

Deyong ChenGuangbei LiJunbo WangJian Chen

Wentao HeYunjie FanTao DengPeng Wang

摘要介绍了一种新型电化学地震传感器，利用密闭液体(例如，电解质溶液)作为敏感要素，将外界震动引起的活性离子在电极间的不平衡转换成电流输出。通过理论分析和数值仿真，验证此理论方法来研发采用传统微机电系统(MEMS)技术研制的微地震传感器的可行性。基于震动试验台测试得到的实际速度与输出电压幅度的线性关系，研制设备的灵敏度特性为274V/m·s-1(20～80Hz)。研制设备与类似商用产品(MET2003)进行了性能对比测试，实验结果表明，与MET2003相比，研制的设备在对随机震动的响应方面具有更低的功率谱。总之，本文提出的电化学地震传感器可以利用微机电系统技术进行批量生产，与传统电化学地震仪相比具有更出色的性能和更低的功率谱。此新型微传感器可应用于地震监测，提升地震定位、火山喷发和其他地表活动的监测能力。

关键词微机电系统地震传感器电化学方法液体质量检测平面电极

0引言

地震传感器在地震学领域中是不可缺少的组成部分，是检测地震动并产生电信号的关键元素[1-4]。基于检测质量的运动检测机理，电磁式[5]、电容式[6]、光纤[7，8]和电化学[9]的地震传感器已经开展研制工作。

与利用固体检测质量来监测外界震动的地震计相比，研发的采用电化学方法地震计因其利用液体检测质量，所以具有较强的低频震动信号特性[9]。然而，采用传统技术制造的电化学地震传感器存在电极不对称、一致性差、设备易损等问题。

随着微机电系统技术近年来的快速发展，已经研制出多种微震传感器，但所有传感器均依赖于固体检测质量作为敏感要素[10，11]。本文首先提出一种测量电极与绝缘层相互匹配的电化学微震传感器，我们将集中讨论研发设备的实验结果，并给出计算仿真数据。

1结构

图1　(a)微传感器结构示意图；(b)微传感器工作原理示意图

本文中提到的电化学地震传感器是由密封在导管中并浸在浓缩电解液中的4个电极敏感元件构成。与传统的用铂金网板做电极、穿孔陶瓷板做绝缘垫片的电化学地震传感器不同，新设计的传感器采用压花铂金丝作为电极放置在绝缘板上。电极采用阳极-阴极-阴极-阳极对称排列，并通过绝缘垫片将各电极分隔。如图1(a)所示，设备由多层电解质板层叠组成，每层中一面为微电极，而另一面为流道的凹槽。在此研发装置中，阳极和阴极共面的制作工艺，很好地解术语

A电极表面面积

C密度

D扩散系数

F法拉第常数9.648534×104C/mol

H通道高度

k反应常数

L1电极长度

L2相邻正负电极间距

m离子移动率

n反应中的电子交换数

R气体常数8.314J/(kg mol)

rD动态范围

T温度

t时间

V电极间输入的电位势

U溶液中电位势

U′层间电位势

zk电荷数

希腊字母

α阴极反应电荷传导系数

ρ密度

μ动力黏度

决了常见的相对位置不准的问题。另外，研发的电化学地震传感器的结构参数(如阳极、阴极的宽度和间距)可以通过图案结构制作工艺很容易进行调整。为了增加电极面积，设计了简便的插入式指状电极。同时使用多层结构增加电极面积，从而提高设备的灵敏度。

图1(b)进一步说明设备的工作原理。敏感电极浸在对电极具有微小电位差且含有丰富离子的电解液中。采用的电解液为碘化钾溶液(基底电解液)加碘元素，在溶液中形成三碘化物离子。可逆的电化学反应发生在阴极和阳极附近，即分别为3I--2e→I-3和3I--2e→I-，同时离子传输过程产生电流。当设备处于地震动状态下时，相对于电极有流体流动，导致在图1(b)中所示的两阴极间离子发生不平衡。因为离子不平衡进而导致输出电流不平衡(如图1b中所示的左侧阴极电流增加而右侧阴极电流降低)。通过检测电路可检测不平衡电流并给出震动状态(振幅和频率)。

2仿真结果

图2为四电极敏感元件的示意图，其中假定了电解液为中性，并且其体积与离子浓度无关。4条阴影线表示4个置于绝缘板顶部的铂电极。在提出的数学模型中，根据纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程和边界条件求解电解液中的速度场分布[7]。

(1)

(2)

为了解决离子传输，采用了能斯特-普朗克(Nernst-Planck)方程和电中性假设，并考虑了扩散、对流和电迁移[7]。

(3)

(4)

(5)

电极的电流与离子流成正比。

(6)

通过应用Butler-Volmer方程还考虑了电极动力学。

(7)

图2　用于数值模拟的四电极敏感元件模型

图3　压力为0Pa(a)和0.4Pa(b)下在两个阴极上面的离子浓度分布仿真结果

图4　设备输出电路基于电极几何形状和压强函数的仿真结果

图5　制造工艺：(a)和(b)应用深反应离子蚀刻(DIRE)而成的平行流通道类型；(c)热氧化作用；(d)铂电极溅射图形构造；(e)设备装配；(f)指状结构电极电子显微镜图片；(g)流体水槽电子显微镜图片；(h)和(i)样机图片(原图为彩色图——译注)

利用有限元多物理场软件COMSOL进行数值仿真。公式(1)～(7)实现了用数值表示电解液物理特性值和样机几何尺寸。在电极区域，定义钾的零通量边界条件，在所有的固体表面，定义无滑移的边界条件。在绝缘体表面，为电场定义电绝缘边界条件同时为离子传输定义零流量。在左侧和右侧出口，采用压力梯度同时认为电场为非重要因素。

图3显示了活性离子浓度的仿真结果和在有压力差与没有压力差条件下的电极电流密度分布图，其中箭头代表作用在模型上压力的方向，轮廓线代表相同浓度的活性离子。零压强时，在两阴极间没有离子浓度差，0.4Pa压强时，记录到活性离子浓度有显著差异。此仿真结果验证了电解质溶液运动产生的压力会引起电极周围活性离子浓度的变化，并且基于数值仿真得到实际运动和电流输出的关系，如图3所示。

图4表示仿真输出的特性曲线，图中输出电流密度绘制成电极几何形状和作用压强的函数。当作用压强增加时，最初(0～1Pa)电流密度显示为增加趋势，峰值出现在1Pa，当压强继续增加(1～1.5Pa)时电流密度随之稳步减小。此仿真结果反应了两阴极间离子不平衡的对流和扩散现象。在低对流、离子扩散占主导地位的情况下，当对流变强时，下游电解液成份可能接近上游电解液成份，此时就会产生电流。

图6　震动速度和频率可调节的震动台上样机输出电压试验结果

频率/Hz20304050607080灵敏度V/m·s-1307.59294.93268.93241.59254.58259.55290.94

3制造工艺

图5(a-e)为研制样机基于微机电系统技术的分步制作过程。(100)定向的单晶硅片被用来制作敏感元件。制作过程包含4个关键步骤，在硅片一面进行深反应离子蚀刻(DRIE)，热氧化SiO2对硅片进行绝缘，在硅片另一面进行铂电极溅射且通过粘合剂进行一层层粘合装配。图5(f-i)为研制样机组装过程的图片。本文提出的电化学传感器与传统电化学地震计的关键区别在于可以实现批量生产和高产出速率。

4性能测试

电化学地震传感器的输出产出精度参数包括灵敏度、频率响应、噪声和动态范围。为了得到这些性能参数，研发样机被放置在震动速度和频率可调节的震动台上。输出电流转换成电压信号，然后经过放大、滤波和温度补偿等处理。

图6记录样机的输出电压作为震动速度函数的曲线，验证了振动台速度和样机输出电压间的线性关系。表1中计算了不同频率下样机的灵敏度，其平均值为274V/m·s-1。图7总结了在某一特定震动速度下样机输出的电压与震动频率的关系曲线，表明了输出电压与20～80Hz(工作频带宽度)输入震动频率无关。

图7　基于震动台的频率响应实验结果

图8　随机振动作为输入信号时样机比商业设备(MET2003)具有更低的噪声值

对于该设备性能的另一个重要量化参数是动态范围rD，其定义如下：

(8)

式中Vmax是波动所产生输出电压的最大值，Vmin是传感器固有噪声决定的最小输出电压。依据公式(8)计算，样机的动态范围近似为120dB。

为了更形象地展示样机的特性，用样机和MET2003来测试相同的随机输入震动，电压测试结果如图9所示。测试结果表明研发的样机输出与MET2003输出具有可比性。

图9　对随机振动信号样机和MET2003(商业电化地震传感器)实验输出的电压值

5总结

本文中对研发的电化学地震传感器进行理论分析和实验测试。仿真结果证实了所提设计的可行性。实验结果显示了样机的灵敏度、频响范围和噪声值。与一款商用地震计进行了对比分析，表明研发样机的性能与商用地震计的性能相近，并对随机振动环境具有更低的功率谱。与以前研制的电化学地震计相比，研发样机具有显著特点，其结构简单且成本低廉，可促进基于电化学方法地震计的微机电系统的发展。

参考文献

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译自：SensorsandActuatorsA202.2013.85-89

原题：A micro electrochemical seismic sensor based on MEMS technologies

(辽宁省地震局孙宏志、安容蒂、卢山、赵龙梅译；王晓美校)

孙宏志(1973-)，男，汉族，辽宁省沈阳市人。2006年毕业于东北大学通信与信息专业，硕士，高工。从事地震仪器研制与网络维护工作。

译 者 简 介

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