一种MEMS电极式低电导率传感器及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS电极式低电导率传感器及其测量方法，属于微电子机械系统制造及水质检测领域。该传感器由绝缘衬底、三个平面矩形电极和两对平面叉指电极组成，所有电极依次水平排开，并呈左右对称分布，三个平面矩形电极大小相等，相互平行排布于两端和正中间，并作为电流电极，用于施加激励信号，两对平面叉指电极对大小相等，相互平行排布于两个平面矩形电极之间，并作为电压电极，用于检测响应信号。本发明专利技术提供的传感器结构简单，操作方便，基于MEMS加工技术，工艺简单，成本低廉，体积小巧，通用性强，可靠性高，适用于低浓度水体的电导率测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种MEMS电极式低电导率传感器及其测量方法，涉及微电子机械系统制造及水质检测领域。
技术介绍
水质检测与日常的生活和生产息息相关，电导率是水质检测中十分重要的测量参数，浅海、河口、水库等电导率较低的各种水体中，往往需要进行长期实时的水质监测。现有技术中，采用传统机械加工制造的电导率传感器，加工精度低、加工难度大、加工成本高、不适合大批量制造，而采用MEMS工艺制造的电导率传感器体积小、功耗低、成本低、可大批量生产，是电导率传感器的发展方向。电导率传感器主要分为电极式和感应式两种，其中电极式电导率传感器由于后续处理电路简单、测量精度高、使用方便，广泛应用于水质检测中。与其他电极式MEMS电导率传感器相比，由一对平面叉指电极所构成的MEMS电导率传感器，其电导池常数较低，特别适合用于低电导率水体的水质检测，但是这种电导率传感器的叉指电极既是电流电极又是电压电极，在测量过程中，待测水体与电极的接触面上会产生极化电压，使测量结果产生一定的误差，限制了其在水质检测中的应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种MEMS电极式低电导率传感器及其测量方法，本专利技术克服传统机械加工技术的不足，采用MEMS加工技术制造电导率传感器；同时克服已有MEMS平面叉指电极式电导率传感器在检测低电导率水体时，存在极化效应，产生测量误差，测量精度不高的不足；本专利技术的电导率传感器结构简单，体积小巧，操作方便，成本较低，测量速度快，测量精度高。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种MEMS电极式低电导率传感器，包括绝缘衬底以及固定在绝缘衬底上端面的三个平面矩形电极和两对平面叉指电极对，其中：所述三个平面矩形电极包括大小相等的第一平面矩形电极、第二平面矩形电极和第三平面矩形电极；所述两对平面叉指电极对包括大小相等的第一平面叉指电极对和第二平面叉指电极对；所有电极在绝缘衬底的上端面水平依次排开，从左至右依次为第一平面矩形电极、第一平面叉指电极对、第二平面矩形电极、第二平面叉指电极对、第三平面矩形电极，且呈左右对称分布；电极与电极之间有间隔且相互平行；所述三个平面矩形电极为电流电极，每个平面矩形电极的一端都各带有一个金属锚区，用于施加激励信号；所述两对平面叉指电极对为电压电极，每个平面叉指电极的一侧都各带有一个金属锚区，用于检测响应信号。作为本专利技术的进一步优化方案，所述绝缘衬底为硅基材料制成，绝缘衬底的上端面为二氧化硅绝缘层。作为本专利技术的进一步优化方案，所有电极及其金属锚区均由表面镀金的镍材料经金属微加工工艺制成。作为本专利技术的进一步优化方案，所述平面叉指电极对包括两个叉指相互交错的平面叉指电极。另一方面，本专利技术还提供一种采用上述MEMS电极式低电导率传感器测量水体电导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在电流电极之间施加激励信号，具体为：将第一平面矩形电极和第三平面矩形电极接地，在第二平面矩形电极上接入交流激励信号I；(2)在电压电极之间检测响应信号，具体为：分别测量两对平面叉指电极对中两个叉指电极之间的电压V1和V2；(3)计算电导率，具体为：水体的电导率式中，K为电导池常数。作为本专利技术的进一步优化方案，通过运放反馈电路保持V1和V2的幅值。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术提供的一种MEMS电极式低电导率传感器，具有结构简单、操作方便、测量精度高、工艺简单、体积小巧、成本低廉、可靠性高等优点。附图说明图1是MEMS电极式低电导率传感器的俯视结构图。图中，1-绝缘衬底，2-平面矩形电极，3-平面叉指电极对，4-平面矩形电极，5-平面叉指电极对，6-平面矩形电极，7-金属锚区，8-金属锚区，9-金属锚区，10-金属锚区，11-金属锚区，12-金属锚区，13-金属锚区，301-平面叉指电极，302-平面叉指电极，501-平面叉指电极，502-平面叉指电极。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术的一种MEMS电极式低电导率传感器的俯视结构图，如图1所示的，包括绝缘衬底1、三个平面矩形电极和两对平面叉指电极对。其中，三个平面矩形电极的大小相等，分别为第一平面矩形电极2、第二平面矩形电极4和第三平面矩形电极6；两对平面叉指电极对的大小相等，分别为第一平面叉指电极对3和第二平面叉指电极对5，第一平面叉指电极对3由平面叉指电极301、平面叉指电极302组成，第一平面叉指电极对5由平面叉指电极501、平面叉指电极502组成。所有电极均固定在绝缘衬底1的上端面，水平依次排开，电极与电极之间间隔一段距离，相互平行并呈左右对称分布，电极的排布从左至右依次为：第一平面矩形电极2、第一平面叉指电极对3、第二平面矩形电极4、第二平面叉指电极对5、第三平面矩形电极6。三个平面矩形电极为电流电极，每个平面矩形电极的一端都各带有一个金属锚区，分别为第一平面矩形电极2的金属锚区7、第二平面矩形电极4的金属锚区10和第三平面矩形电极6的金属锚区13，用于施加激励信号。两对平面叉指电极对为电压电极，每个平面叉指电极的一侧都各带有一个金属锚区，分别为平面叉指电极301的金属锚区8、平面叉指电极302的金属锚区9、平面叉指电极501的金属锚区11、平面叉指电极502的金属锚区12，用于检测响应信号。绝缘衬底1为硅基材料制成，绝缘衬底1的上端面为二氧化硅绝缘层。所有电极2、3、4、5、6及其金属锚区7、8、9、10、11、12、13均由表面镀金的镍材料经金属微加工工艺制成。本专利技术采用上述MEMS电极式低电导率传感器测量水体电导率的方法，包括以下步骤：(1)在电流电极2、4、6之间施加激励信号，具体做法是：将第一平面矩形电极2的金属锚区7和第三平面矩形电极6的金属锚区13接地，在第二平面矩形电极4的金属锚区13上接入交流激励信号I，在第二平面矩形电极4和第一平面矩形电极2之间、第二平面矩形电极4和第三平面矩形电极6之间同时生成交流电场。由于第一平面矩形电极2和第三平面矩形电极6都接地，传感器内部的水体被屏蔽起来，外部环境的电磁干扰无法影响到传感器内部的被测水体；(2)在电压电极301、302、501、502之间检测响应信号，具体做法是：分别测量两对平面叉指电极对3、5之间的电压V1和V2，即测量平面叉指电极301、302上接收到的交变电场的电压降V1，同时测量平面叉指电极501、502上接收到的交变电场的电压降V2，并通过运放反馈电路保持这两个电压的幅值；(3)计算电导率结果，具体的做法是：传感器以第二平面矩形电极4为对称轴呈左右对称，因此，平面叉指电极301、302上接收到的交变电场的电压降V1和平面叉指电极501、502上接收到的交变电场的电压降V2大小相等，为了避免加工精度造成的不对称误差，可取两个电压降的平均值作为被测水体的电压参数，即V＝(V1+V2)/2，利用电导率与施加电流、测量电压之间的关系式，得到水体的电导率，公式如下：式中，K为电导池常数。通过本专利技术提供的一种MEMS电极式低电导率传感器，克服了传统机械加工技术的不足，采用MEMS加工技术制造电导率传感器，体积小、功耗低、成本低、可大批量生产，同时克服已有MEMS平面叉指电极式电导率传感器在检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS电极式低电导率传感器，其特征在于，包括绝缘衬底以及固定在绝缘衬底上端面的三个平面矩形电极和两对平面叉指电极对，其中：所述三个平面矩形电极包括大小相等的第一平面矩形电极、第二平面矩形电极和第三平面矩形电极；所述两对平面叉指电极对包括大小相等的第一平面叉指电极对和第二平面叉指电极对；所有电极在绝缘衬底的上端面水平依次排开，从左至右依次为第一平面矩形电极、第一平面叉指电极对、第二平面矩形电极、第二平面叉指电极对、第三平面矩形电极，且呈左右对称分布；电极与电极之间有间隔且相互平行；所述三个平面矩形电极为电流电极，每个平面矩形电极的一端都各带有一个金属锚区，用于施加激励信号；所述两对平面叉指电极对为电压电极，每个平面叉指电极的一侧都各带有一个金属锚区，用于检测响应信号。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS电极式低电导率传感器，其特征在于，包括绝缘衬底以及固定在绝缘衬底上端面的三个平面矩形电极和两对平面叉指电极对，其中：所述三个平面矩形电极包括大小相等的第一平面矩形电极、第二平面矩形电极和第三平面矩形电极；所述两对平面叉指电极对包括大小相等的第一平面叉指电极对和第二平面叉指电极对；所有电极在绝缘衬底的上端面水平依次排开，从左至右依次为第一平面矩形电极、第一平面叉指电极对、第二平面矩形电极、第二平面叉指电极对、第三平面矩形电极，且呈左右对称分布；电极与电极之间有间隔且相互平行；所述三个平面矩形电极为电流电极，每个平面矩形电极的一端都各带有一个金属锚区，用于施加激励信号；所述两对平面叉指电极对为电压电极，每个平面叉指电极的一侧都各带有一个金属锚区，用于检测响应信号。2.根据权利要求1所述的一种MEMS电极式低电导率传感器，其特征在于，所述绝缘衬底为硅基材料制成，绝缘衬底的上端面为二氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海韵，胡居荣，平学伟，魏爽，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32