单片集成敏感电极、制备方法及其应用与流程

本发明涉及mems传感器领域，尤其涉及一种基于mems工艺的单片集成敏感电极、制备方法及其应用。

背景技术：

进入21世纪以来，海洋科学的发展越来越得到各国的重视，海洋经济成为国家经济增长的重要领域，对海洋的主动控制权是各国的重要发展战略。

海底有着丰富的矿产资源，海洋油气资源约占全球油气资源的三分之一，在过去十几年新增的石油储量中，海洋储量占比超过60％，且多集中于深海。海底资源勘探的主要方法是地震波勘探法，通过对海底地震的长期观测，利用水下人工震源或者地球自震，采集海底地震动信号，通过数据反演得到海底深部地质构造，推断是否存在油气资源。

海洋也是国家的重要战略资源，对水下军事目标的探测是目前反潜领域的重要手段。反潜领域的一个研究方向是检测水下目标物如潜艇等发出的低频辐射噪声耦合在海底的部分进行目标物确认和定位。

地震检波器是一种将外界低频微弱的地震动信号转换为可处理电信号输出的传感器。随着海洋科学的进一步发展，应用需求对地震检波器的性能提出了更高的要求。

(1)海底资源勘探由浅层勘探向深层勘探逐步迈进。为探测到海底更丰富、更深层的地质信息，需要检波器采集到更低频的微弱地震动信号，以提高地质分析的分辨率。因此需要更高的灵敏度用来检测微弱的海底地震动信号，获取精确的地震动信息。

(2)随着“安静型”潜艇技术的发展，需要检波器检测到更低频的微弱震动信号，即需要更宽的检测带宽和更高的工作灵敏度。

(3)海底环境复杂，海床不平整，需要检波器有较大的工作倾角。工作倾角的定义是在保证灵敏度在正常水平3db内的条件下，检波器轴向与外界震动方向能达到的最大角度。

电化学式地震检波器以液体为惯性质量块，无机械环节，具有灵敏度高，噪声低，低频性能好等特点。与其他类型检波器相比，电化学式地震检波器最大的优势是工作倾角较大，一般能达到10°～15°以上，在深海探测领域有着先天的优势。

电化学式地震检波器内敏感电极的制作直接影响到检波器的各项性能，上世纪80年代，俄罗斯人采用pt编织网工艺制作电极，并采用压电陶瓷作为绝缘层，这种方法制作出来的器件一致性差，成品率低，灵敏度低，而且电极参数难以进一步优化。之后于2012年由中科院电子所传感技术国家重点实验室首次提出基于mems工艺的叠层电极，这种方法采用独立电极层与绝缘层，但是组装时需要多片对准，组装难度较大，降低了器件的一致性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单片集成敏感电极、制备方法及其应用以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种单片集成敏感电极，包括基底、第一绝缘层、第二绝缘层、多个流孔、第一电极和第二电极，其中：

第一绝缘层，形成于所述基底的一表面上；

第二绝缘层，形成于所述基底的另一表面上；

多个流孔，贯穿所述第一绝缘层、基底和第二绝缘层；

第一电极，形成于所述第一绝缘层的第一区域上，使得第一绝缘层的其余的第二区域裸露于流孔外周而形成绝缘环；

第二电极，形成于所述第二绝缘层和流孔的内侧壁上，通过所述绝缘环与第一电极相间隔。

作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种单片集成敏感电极在电化学加速度计中的应用，尤其是在电化学地震检波器中的应用。

作为本发明的再一个方面，本发明提供了一种电化学加速度计，包括：

有机玻璃压缩管，内设有中空管道；

两弹性膜，分别封闭所述有机玻璃压缩管的两端，形成两个由中空管道贯通的储液腔，在所述两个储液腔和中空管道内储存有电解液；

两对如权利要求1至6任一项所述的单片集成敏感电极，固定于所述中空管道内，并组成阳极-阴极-阴极-阳极的电极排布，单片集成敏感电极的电极面与中空管道的轴向垂直；

其中所述单片集成敏感电极的多个流孔形成了供所述电解液流动的流道。

作为本发明的再一个方面，本发明提供了一种单片集成敏感电极的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在基底的两个表面上分别形成第一绝缘层和第二绝缘层；

步骤2：在所述第一绝缘层上旋涂光刻胶，通过光刻工艺形成图案化的第一掩膜，使得第一绝缘层的第一区域裸露；

步骤3：在第一绝缘层的第一区域上形成第一电极，然后去除第一掩膜，使得第一绝缘层其余的第二区域裸露；

步骤4：在第一电极和第一绝缘层的第二区域上旋涂光刻胶，通过光刻工艺形成图案化的第二掩膜；

步骤5：刻蚀第一绝缘层至基底表面，使得所述第一绝缘层的第二区域上形成绝缘环；

步骤6：分别刻蚀基底、第二绝缘层，形成贯通第一绝缘层、基底和第二绝缘层的流孔，去除第二掩膜，使绝缘环裸露；

步骤7：在第二绝缘层上和流孔的内侧壁上形成第二电极。

从上述技术方案可以看出，本发明的一种单片集成敏感电极、制备方法及其应用至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明采用单片集成，第二电极形成于第二绝缘层上和流孔的内侧壁上，增大了电极利用率，有助于提升电极工作灵敏度；且绝缘环作为第一电极和第二电极的间隔层，宽度控制在几微米，提升灵敏度；

(2)基于单片集成敏感电极的电极器件和电化学加速度计，优化了加工工艺，简化了组装对准难度，提升器件一致性；

(3)单片集成敏感电极的制备方法简单，优化了操作步骤；且由光刻控制，控制精度高。

附图说明

图1为本发明实施例单片集成敏感电极的纵向截面示意图；

图2为本发明实施例单片集成敏感电极的俯视立体示意图；

图3为本发明实施例单片集成敏感电极的仰视立体示意图；

图4a～4c为本发明实施例流孔分布示意图；

图5为本发明实施例单片集成敏感电极的加工流程示意图；

图6为本发明实施例电化学加速度计剖面示意图；

图7为图6中两对单片集成敏感电极放大示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

001：基底；002：阳极；003：绝缘环；004：流孔；005：第二绝缘层阴极；006：流孔侧壁阴极；007：第一绝缘层；008：第二绝缘层；009：弹性膜；010：储液腔；011：有机玻璃压缩管；012：中空管道；013：单片集成敏感电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种单片集成敏感电极，包括基底001、第一绝缘层007、第二绝缘层008、多个流孔004、第一电极和第二电极，其中：

第一绝缘层007，形成于基底001的一表面上；

第二绝缘层008，形成于基底001的另一表面上；

多个流孔004，贯穿第一绝缘层007、基底001和第二绝缘层008；

第一电极，形成于第一绝缘层007的第一区域上，使得第一绝缘层007的其余的第二区域裸露于流孔外周而形成绝缘环003；

第二电极，形成于第二绝缘层008和流孔004的内侧壁上，通过绝缘环003与第一电极相间隔。

本发明通过第二电极形成于第二绝缘层007上和流孔004的内侧壁上，增大了电极利用率，有助于提升电极工作灵敏度；且绝缘环003作为第一电极和第二电极的间隔层，宽度控制在几微米，提升灵敏度。

优选的，第一电极为阳极002，第二电极为阴极。

具体地，为了提高电化学地震检波器的灵敏度及检测带宽，如图1所示，本发明提出了一种基于mems(micro-electro-mechnical-system，微机电系统)工艺的单片集成敏感电极，单片集成敏感电极由基底001、第一绝缘层007、第二绝缘层008、第二绝缘层阴极005、阳极002、绝缘环003、流孔004以及流孔侧壁阴极006构成。

基底001两个外表面分别生长有第一绝缘层007和第二绝缘层008，且基底001上有流孔004形成电解液流动的通孔，流孔侧壁有流孔侧壁阴极006，如图3所示，流孔侧壁阴极006与第二绝缘层阴极005相连组合为阴极，第二绝缘层阴极005生长在第二绝缘层008上。按照图1所示方向，基底001上部的第一绝缘层007上有阳极002，阳极002与流孔侧壁阴极006通过绝缘环003分隔开来，绝缘环003为第一绝缘层007的一部分。

本实施例，本发明通过第一电极为阳极002，第二电极为阴极，阴极形成于第二绝缘层008上和流孔004的内侧壁上的设计，来提升电极工作灵敏度。这是因为，目前这种类型的检波器电解液基本为i2和ki。电解液中发生络合反应：在阴阳极表面，发生电极反应如下：

阴极：

阳极：

电解液典型的浓度配比为：i^-：4mol/li2：0.02mol/l。

溶液中i^-的浓度很高，阳极会产生足够的因此整个电化学传质过程由决定，也即由的消耗程度决定，阴极面积越大，反应地越快，对应的灵敏度越高。本发明将阴极形成于第二绝缘层008和流孔004内侧壁上，增大了电极利用率，有助于提升电极工作灵敏度。

当然本发明中的阴、阳极也可交换，以便适应其他种类的电解液，只是对于i2和ki电解液来说，电极利用率和灵敏度低于本实施例。

在本发明的一些实施例中，绝缘环003的径向宽度为1-20μm。绝缘环003作为第一电极和第二电极的间隔层，宽度控制在几微米，提升灵敏度。这是因为，对于液相传质过程，单位面积的通量n可以由nernst-plank方程决定

其中，等式右边三项分别代表扩散、电迁移与对流引起的反应离子通量，c为离子的浓度，d为离子的扩散系数，f为法拉第常数，r为气体常数，t为开尔文温度，φ为电势，z是离子的电荷数，v代表电解液流速。

由于高浓度的i^-，的电迁移可以忽略，所以总通量由扩散和对流控制，即灵敏度由扩散和对流控制。

灵敏度由扩散与对流引起的反应离子通量等决定，其扩散与的浓度梯度有关，对于更小的阴极和阳极间距，浓度梯度往往会比较高，扩散作用很明显，灵敏度也会越大。因此，本发明采用绝缘环003隔绝第一电极和第二电极，将绝缘环003的径向宽度控制在1-20μm，优选的，为5μm，以提高整体的灵敏度。

在本发明的一些实施例中，如图2所示的绝缘环003包覆于流孔004四周。

流孔004可为但不局限于圆柱形孔、矩形孔，菱柱形孔或者三角形孔，优选为圆柱形孔，使得相同空间内流孔的内侧壁接触面积最大。

在本发明的一些实施例中，流孔004的分布方式可以是但不局限于如图4a所示的矩形阵列、如图4b所示的均匀的圆周对称，也可以是如图4c所示的非均匀的中心辐射分布等。

对流一方面与外界待测加速度(或速度)大小有关，另一方面与流阻有关。在本发明的一些实施例中，综合加工难度和流阻的测试结果，流孔004孔径为60-200μm，相邻两流孔004之间的间隔为10-50μm；优选的，流孔004孔径为100μm，相邻两流孔004之间的间隔为20μm。

流孔004数目由基底001大小决定，取决于需要的灵敏度大小，目前典型基底001大小为5mm*5mm，流孔004数目设计为200-2000个，优选的为1000个。

在本发明的一些实施例中，基底001为且不限于硅基底或者玻璃基底，厚度为100-300μm；

在本发明的一些实施例中，第一绝缘层007和第二绝缘层008的制作材料分别包括且不限于氧化硅、氮化硅等，厚度分别为0.1-0.8μm；

在本发明的一些实施例中，单片集成敏感电极的阴极和阳极的制作材料分别包括且不限于pt、au、al、cr、cu、ag、w或者ni等，厚度分别为0.1-0.5μm；

基于本发明的集成敏感电极，如图4所示，本发明还提供了一种单片集成敏感电极mems工艺制备方法，包括一下步骤：

步骤(a)：硅片清洗。优选地，选取220μm高阻硅片作为基底001；

步骤(b)：在基底001的两个表面上生长第一绝缘层007和第二绝缘层008。优选地，采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)方法在基底001上生长0.6μm的二氧化硅的第一绝缘层007和第二绝缘层008。

步骤(c)：在第一绝缘层007上旋涂光刻胶并曝光显影，形成图案化的第一掩膜，使得第一绝缘层007的第一区域裸露。

步骤(d)：在第一绝缘层007的第一区域上生长pt层。优选地，为减小台阶覆盖影响，使用电子束蒸发的方法生长pt层，厚度0.3μm，为增强粘附性，在生长pt层前先生长一ti薄层，厚度优选为0.06μm。

步骤(e)：剥离第一掩膜形成第一电极。优选地，使用丙酮溶液去除光刻胶。

步骤(f)：在第一电极和第一绝缘层007的第二区域上旋涂光刻胶并曝光显影，后烘成硬膜作为后续步骤的第二掩膜。

步骤(g)：刻蚀第一绝缘层007至基底001表面，形成绝缘环003。

步骤(h)：深刻蚀基底001，刻蚀底面的第二绝缘层008，最终刻穿基底001，形成流孔004；去除第二掩膜，使绝缘环003裸露。

步骤(i)：在第二绝缘层008上生长第二绝缘层阴极005以及在流孔004的内侧壁上生长流孔侧壁阴极006。优选地，为保证台阶覆盖性，采用溅射的方法生长pt层，厚度0.3μm。为增强粘附性，在生长pt层前先生长一ti薄层，厚度优选为0.06μm。

单片集成敏感电极的第一电极或者第二电极可以采用但不局限于溅射、蒸发、电镀等多种工艺方法。

本发明针对基于mems工艺的单片集成敏感电极，提出了一种电化学加速度计，优选的为电化学式地震检波器。如图6和图7所示，电化学加速度计包括：

有机玻璃压缩管011，内设有中空管道012；

两弹性膜009，分别封闭有机玻璃压缩管011的两端，形成两个由中空管道012贯通的储液腔010，在两个储液腔010和中空管道012内储存有电解液；

两对单片集成敏感电极013，位于中空管道012内，单片集成敏感电极013与有机玻璃压缩管011卡固，组成阳极-阴极-阴极-阳极的电极排布；单片集成敏感电极013的电极面与中空管道012的轴向垂直；其中单片集成敏感电极013的多个流孔004形成了供电解液流动的流道。

电解液由碘化钾和碘三根离子组成，当有外界震动时，液体质量块会随之震动，有机玻璃压缩管011的中空管道012内液体流速会发生相应的变化，即而使得电极附近离子浓度梯度发生变化，在外界电压的作用下，两对电极发生不同程度的电化学反应，输出的差分电流即可反应振动的强度。

本发明提供的单片集成敏感电极，阴极形成于第二绝缘层上和流孔的内侧壁上，增大了电极利用率，有助于提升电极工作灵敏度；且绝缘环作为阴极和阳极的间隔层，宽度控制在几微米，有效地提升了地震检波器的灵敏度，在一定程度上拓展了工作带宽，且敏感电极制作工艺简单，器件一致性高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。