基于mems技术的接触式四电极盐度传感器及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，包含石英基片衬底、Si3N4粘附层和铂金属电极，所述Si3N4粘附层位于石英基片底衬的上表面，所述铂金属电极位于Si3N4粘附层之上；所述铂金属电极包含接触区、电导率感应电极和温度感应电极；所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含一层Si3N4保护层，正面Si3N4保护层刻蚀出窗口，露出电导率感应电极和温度感应电极。本发明还公开了一种基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的测量方法，根据交流电流、电压差等计算出电导率，进而计算出盐度值。本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器器件尺寸小，具有较高的测量范围和稳定性，可直接与海水长久接触而不产生漂移。
【专利说明】基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及盐度传感器领域，尤其涉及一种基于MEMS (Micro ElectroMechanical Systems，微机电系统)技术的接触式四电极盐度传感器及其检测方法。
【背景技术】
[0002]海水盐度是自然海洋生态系统的基本参数，影响着生物的种类、结构和功能，是海洋调查、海洋渔业研究和海洋环境污染检测中最重要的观测项目之一。各处海水虽然含盐量不同，但其主要成分的比例却是基本恒定的，因此可利用电导率推算出盐度。电极式电导率盐度传感器具有信号强、灵敏度高、抗干扰能力高、测量电路简单的特点。电极式电导率盐度传感器目前有二电极、四电极等。二电极型电导率盐度传感器由于存在电极极化，其测量范围、测量精度受到极大的限制，同时也很容易受到外界的干扰。四电极型电导率盐度传感器将电压测量和电流输入电极分开，避免了杂散电流和极化阻抗的影响。
[0003]丹麦Lyngby大学的A.Hyldgird采用娃基MEMS技术制作了尺寸达4mmX6mm的 CTD (conductivity temperature depth)系统，其中就包含了一个约 2_X3mm 的方形四电极电导率传感器和温度传感器，由于其采用LPCVD (低压化学气相淀积)、蚀刻、退火等工艺制作TiSi2温度传感器,增加了制备工艺的复杂度(Autonomous mult1-sensormicro-system for measurement of ocean water salinity[J], Sensors and ActuatorsA:Physical, 2008, 147:474-484)。X.Huang等人在玻璃基底上制备了集成式的CT传感器，采用平面7电极电导传感器和块状钼电阻温度传感器，并采用环氧树脂保护电极，在海水中工作五周后由于海水透过环氧树脂而产生信号漂移，电导率测量采用交流电流输入，测量其输出电压(A Miniature, High Precision Conductivity and Temperature SensorSystem for Ocean Monitoring [J], Sensors Journal, IEEE, 2011，11:3246-3252)。赵湛等人采用MEMS工艺在硅片上制作了钼电阻式温度传感器与圆环形四电极式电导率传感器(基于MEMS工艺的硅基四电极电导率与温度集成传感器芯片的研制[J]，传感技术学报，2011,24 (7):966-969)。
[0004]总的来说，目前的MEMS CTD以硅片作为基体材料，制备和封装过程中需要多次镀膜、光刻、刻蚀等步骤，工艺过程较为复杂，性能有待提高，有需要通过结构设计优化器件。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，有必要针对上述问题，提出一种基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器及其检测方法。
[0006]基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，包含石英基片衬底、Si3N4粘附层和钼金属电极，所述Si3N4粘附层位于石英基片底衬的上表面，所述钼金属电极位于Si3N4粘附层之上；所述钼金属电极包含接触区、电导率感应电极和温度感应电极；所述电导率感应电极有4个，每个电导率感应电极具有I个接触区；所述温度感应电极有I个，温度感应电极的两端各有I个接触区；所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含ー层Si3N4保护层，正面的保护层中刻蚀出窗ロ，露出电导率感应电极和温度感应电扱。
[0007]优选地，所述温度感应电极呈蜿蜒式结构。
[0008]基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的測量方法，包括以下步骤:
[0009]I)向电导率感应电极的两个输入电极施加交流电流；
[0010]2)电导率感应电极的两个输出电极与数据采集电路连接，检测两个输出电极间的电压差；
[0011]3)数据采集电路还与温度感应电极连接，还包括电阻测量模块，可实时检测温度感应电极的阻值，计算温度；
[0012]4)根据步骤I)施加的电流值和步骤2)測量得到的电压差值计算对应的电导率的值；数据采集电路根据电导率和温度计算盐度值。
[0013]与现有技术相比，本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器及其检测方法具有以下有益效果:
[0014]1、本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器是采用微纳加工技术制备，电极宽度为200?eOOym，电极厚度为纳米级别，器件尺寸小，可以用在需要微型传感器的场合；
[0015]2、本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器同时包含温度感应电极(温度传感器)，用以进行温度补偿；温度感应电极采用惰性Pt为材料，具有较高的測量范围和稳定性，并采用蜿蜒式结构，有效降低噪声干扰；
[0016]3、本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器用化学惰性绝缘材料Si3N4封装，可直接与海水长久接触而不产生漂移。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的电极俯视图。I为接触区，用于连接測量电路；2为四个电导率感应电极；3为温度感应电扱。
[0018]图2为本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的截面图。4为钼金属电极；5为Si3N4粘附层；6为石英基片；7为Si3N4保护层，露出电导率电极和温度感应电极部分。
[0019]图3为本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的俯视图。
[0020]图4为本发明基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的測量方法示意图。8为交流驱动电流，9为电导率感应电极输入电极，10为电导率感应电极输出电极，11为数据采集电路。
【具体实施方式】
[0021]为了更好的说明本发明，下面结合附图做进ー步说明。本发明中使用的上下左右等方位名词，都与具体附图相对应。本发明中使用的术语，如无特殊说明都按本领域常规定
义理解。
[0022]实施例1
[0023]如图1-3所示，基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，包含石英基片衬底6、位于石英基片衬底6的上表面Si3N4粘附层5和位于Si3N4粘附层5之上钼金属电极4 ;所述钼金属电极4包含接触区1、电导率感应电极2和温度感应电极3。所述电导率感应电极2有4个，每个电导率感应电极2的上部都有I个接触区1，用于与测量电路连接；外侧的2个电导率感应电极2为输入电极9，与交流驱动电流8连接；内侧的2个电导率感应电极2为输出电极10，与数据采集电路11连接。所述温度感应电极3仅有I个，呈蜿蜒式结构；温度感应电极3的两端各有I个接触区I，用于和数据采集电路11连接。所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含一层Si3N4保护层7 ;保护层7刻蚀出窗口，恰好露出电导率感应电极2和温度感应电极3，使其直接与待测液体接触。
[0024]实施例2
[0025]如图4所示，基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的测量方法，包括以下步骤:
[0026]I)将基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的电导率感应电极2和温度感应电极3浸入待测液体中，向电导率感应电极2的两个输入电极9施加交流电流8 ；
[0027]2)电导率感应电极2的两个输出电极10与数据采集电路11连接，检测两个输出电极10间的电压差；
[0028]3)数据采集电路11还与温度感应电极3连接，还包括电阻测量模块，可实时检测温度感应电极3的阻值，计算温度；
[0029]4)根据步骤I)施加的电流值和步骤2)测量得到的电压差值计算对应的电导率的值；数据采集电路根据电导率和温度计算盐度值。
[0030]电导率Y与电压V、电流I的计算如式(I)所示:
[0031]T = Ky....................................(I)
[0032]其中，V为电压差，I为电流；K是与器件几何尺寸有关的参数，称为电导池常数:若使用两个平行电极测量电导率，则K=L/A，L为两电极间距，A为电极面积；若使用不规则电极测量电导率，则可使用标准溶液进行测量，推算K值。
[0033]温度补偿的公式如式(2)所示:
[0034]Yt= Yref[l+a (t-tref)]..............................(2)
[0035]其中，Y0 Yref分别是温度t、tref下的电导率，α是液体在温度tMf下的温度系数；当 tref=25°C 时，α =0.022/。。。
[0036]Pt金属热电阻的温度计算公式如式(3)或(4)所示:
[0037]Rt = R0[l+At+Bt2+Ct3(t-100)] (t < 0°C).........(3)
[0038]Rt = R0(l+At+Bt2) (t > 0°C )........................(4)
[0039]其中，Rt为温度t时的电阻值，R0为(TC时的电阻值，A=3.9083E-3, B=_5.775E-7，C=-4.183E-12。
[0040]电导率与盐度之间的计算公式如式(5)所示:
[0041]
【权利要求】
1.一种基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，其特征在于:包含石英基片衬底、Si3N4粘附层和钼金属电极，所述Si3N4粘附层位于石英基片底衬的上表面，所述钼金属电极位于Si3N4粘附层之上；所述钼金属电极包含接触区、电导率感应电极和温度感应电极；所述电导率感应电极有4个，每个电导率感应电极具有I个接触区；所述温度感应电极有I个，温度感应电极的两端各有I个接触区；所述基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的正面和背面还各包含ー层Si3N4保护层，正面Si3N4保护层刻蚀出窗ロ，露出电导率感应电极和温度感应电极。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器，其特征在于:所述温度感应电极呈蜿蜒式结构。
3.权利要求1-2任一项所述的基于MEMS技术的接触式四电极盐度传感器的測量方法，包括以下步骤: 1)向电导率感应电极的两个输入电极施加交流电流； 2)电导率感应电极的两个输出电极与数据采集电路连接，检测两个输出电极间的电压差; 3)数据采集电路还与温度感应电极连接，还包括电阻测量模块，可实时检测温度感应电极的阻值，计算温度； 4)根据步骤I)施加的电流值和步骤2)測量得到的电压差值计算对应的电导率的值；数据采集电路根据电导率和温度计算盐度值。
【文档编号】G01N27/06GK103592341SQ201310561953
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】陈秋兰, 唐观荣, 邸思, 金建, 陈贤帅 申请人:广州中国科学院先进技术研究所