基于小型化平面电极的电化学角加速度传感器

本发明主要涉及地震检波器技术领域，同时涉及一种基于小型化平面电极的电化学角加速度传感器。

背景技术：

角振动是自然界最基本的运动形式之一，广泛存在于客观世界。角加速度是描述角振动的关键参数，低频角加速度的准确测量在地震监测、工程探测和导航定位系统应用等领域具有重要意义。

目前，已有的角加速度传感器主要包括基于固体惯性质量和液体惯性质量两种类型。其中基于固体惯性质量的角加速度传感器主要采用电容换能和动圈磁感应换能的原理检测环境角振动。但是，这种类型的传感器存在制作工艺复杂、抗冲击性能差、体积大等一系列问题。更重要的是，这类角加速度传感器的低频带宽不能满足上述地震监测等领域的应用要求。

近年来，基于液体惯性质量的角加速度传感器因其具有无精密机械部件、低频性能好等特点逐渐成为研究的热点，目前基于液体惯性质量的角加速度传感器的研究主要包括分子液环式角加速度传感器和电化学角加速度传感器。其中，分子液环式角加速度传感器基于界面双电层效应来实现对输入角加速度信号的检测，但是由于其极低的灵敏度无法满足上述领域的应用需求。而电化学角加速度传感器不同于上述传感器，其换能原理主要是依靠电极表面发生的氧化还原反应，在其反应过程中由于法拉第增益放大原理，具有更高的灵敏度和更好的低频特性，非常适合低频角加速度信号的检测。其中，敏感电极是电化学角加速度传感器的主要组成元件，可以分为体电极结构和平面电极两种结构。

目前，基于体电极结构的电化学角加速度传感器主要基于传统加工工艺的铂网电极结构，但是由于该电极结构复杂的制造工艺(比如，集成度低和敏感电极参数可调范围有限等)，严重制约了传感器性能的进一步优化。相对于体电极结构存在的问题，基于平面电极结构的电化学角加速度传感器具有制作工艺简单、电极集成度高、参数调整方便等优点。

基于平面电极结构的电化学角加速度传感器虽然相对于体电极结构器件，具有制作工艺简单、电极集成度高、参数调整方便等优点。但是，由于平面电极结构只能通过纵向地插入到流道管中，在以往的器件中无法解决其电解液密封和电极引线的问题，没有得到广泛的应用。而将基于mems平面电极的敏感单元结构作为了封装外壳的一部分的封装方法，虽然解决了密封性的问题，但是由于电极面积过大，无法实现电极的大规模制备。因此，研制一种既可以解决平面电极结构传感器的密封性和引线问题，且可以实现批量化生产的电化学角加速度传感器，对于传感器的进一步优化和广泛应用具有重要的意义，但是目前仍没有研究和报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于小型化平面电极的电化学角加速度传感器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于小型化平面电极的电化学角加速度传感器，包括：

环形流道，其内部设有电解质溶液；

平面电极，设置在环形流道上；以及

电源，与平面电极连接。

基于上述技术方案可知，本发明的基于小型化平面电极的电化学角加速度传感器相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：

1、基于外置式封装结构通过将平面电极外置在流道外，实现了通过橡胶垫物理压紧密封和电极引线在流道外面可直接引线；基于嵌入式封装结构通过电极固定件先安装好平面电极，既形成了电极附近流道以及与流道外壳密封的接触面，又实现了电极引线在流道外面可直接引线，然后将该结构的密封接触面与流道外壳接触面通过橡胶垫物理压紧密封；取代了之前直接将电极插入流道中，但是为了电极引线出来，只能采用环氧胶密封的方法，而环氧胶密封的方法造成器件性能非常不稳定，只能实现器件短时间的使用；因此，上述两种封装结构的设计，不仅解决了平面电极结构器件的电解液密封和电极引线的问题，还可保证器件的长期稳定性；

2、基于小型化的平面电极，使得大规模制造基于平面电极的电化学角加速度传感器成为可能；

3、基于平面电极结构，实现了电极一体化，无需现有体电极技术中四电极结构与绝缘层之间的对准操作，提高了器件的一致性；

4、基于平面电极结构，工艺流程极其简单，大大降低了生产成本，提高生产效率；

5、基于mems工艺的平面电极结构，其电极参数(包括电极尺寸、电极间隔等)方便调节，不受电极传统加工方法的尺寸限制，有利于传感器性能的优化设计；

6、基于小型化的平面电极，可在一次工艺流程中大批量的制作多种电极参数，有利于探究电极参数与器件性能的关系，降低了时间和生产成本；

7、本发明公开两种基于平面电极的传感器封装方法和利用其的电化学角加速度传感器，不仅解决了电解液密封和电极引线的问题，保证了器件的长期稳定性，且由于采用了小型化的平面电极，使得大规模制造电化学角加速度传感器成为可能。

附图说明

图1是本发明实施例中电化学角加速度传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中平面电极为普通四电极结构的原理示意图；

图3是本发明实施例中平面电极为叉指电极结构的原理示意图；

图4是本发明实施例中平面电极外置式封装结构示意图；

图5是本发明实施例中外置式第一外壳的内部结构示意图；

图6是本发明实施例中外置式第一外壳的外部结构示意图；

图7是本发明实施例中外置式第二外壳的结构示意图；

图8是本发明实施例中压紧块的结构示意图；

图9是本发明实施例中平面电极嵌入式封装结构示意图；

图10是本发明实施例中嵌入式第一外壳的内部结构示意图；

图11是本发明实施例中嵌入式第一外壳的外部结构示意图；

图12是本发明实施例中嵌入式第二外壳的结构示意图；

图13是本发明实施例中电极固定件的结构示意图；

图14是本发明实施例中普通四电极的结构示意图；

图15是图14的细节放大图；

图16是本发明实施例中叉指电极的结构示意图；

图17是图16的细节放大图。

附图标记说明：

101-普通四电极阳极；102-普通四电极第一阴极；103-普通四电极第二阴极；

104-叉指电极阳极；105-叉指电极第一阴极；106-叉指电极第二阴极；

400-外置式第一外壳；401-电极放置区域；402-环形流道；403-压缩流道结构；404注液孔；

500-外置式第二外壳；501-电极放置区域；

600-矩形压紧块；601-第一压紧块；602-第二压紧块；

700-嵌入式第一外壳；701-电极放置区域；702-环形流道；703-注液孔；

800-嵌入式第二外壳；801-电极放置区域；802-环形流道；

900-电极固定件；901-电极和电极固定件间的接触面；902-电解液流道。

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。

本发明公开了一种电化学角加速度传感器，包括：

环形流道，其内部设有电解质溶液；

平面电极，设置在环形流道上；以及

电源，与平面电极连接。

在本发明的一些实施例中，所述平面电极为小型化平面电极；

在本发明的一些实施例中，所述平面电极的尺寸为(1至20)mm×(1至25)mm，例如为1mm×(1至25)mm、2mm×(1至25)mm、3mm×(1至25)mm、4mm×(1至25)mm、5mm×(1至25)mm、6mm×(1至25)mm、7mm×(1至25)mm、8mm×(1至25)mm、9mm×(1至25)mm、10mm×(1至25)mm、12mm×(1至25)mm、15mm×(1至25)mm、18mm×(1至25)mm、20mm×(1至25)mm、(1至20)mm×1mm、(1至20)mm×2mm、(1至20)mm×3mm、(1至20)mm×4mm、(1至20)mm×5mm、(1至20)mm×8mm、(1至20)mm×10mm、(1至20)mm×12mm、(1至20)mm×15mm、(1至20)mm×18mm、(1至20)mm×20mm、(1至20)mm×22mm、(1至20)mm×25mm。

在本发明的一些实施例中，所述平面电极包括四电极结构或叉指电极结构中的任一种；

在本发明的一些实施例中，四电极结构的电极排布包括acca-acca，其中a为阳极，c为阴极；

在本发明的一些实施例中，叉指电极结构的电极排布包括acac-caca；其中a为阳极，c为阴极。

在本发明的一些实施例中，所述平面电极的封装结构包括外置式封装结构或嵌入式封装结构。

在本发明的一些实施例中，所述外置式封装结构包括：

外置式第一外壳，其上设有环形流道和注液孔；

外置式第二外壳；以及

两个压紧块，分别设置在外置式第一外壳和外置式第二外壳上，用于将外置式第一外壳和外置式第二外壳固定；

其中，所述外置式第一外壳和外置式第二外壳上至少设置一个电极放置区域；例如，可以在外置式第一外壳上设置一个或多个电极放置区域，也可以在外置式第二外壳上设置一个或多个电极放置区域，也可以同时在在外置式第一外壳和外置式第二外壳上设置一个或多个电极。

其中，电极放置区域放置平面电极，平面电极的敏感单元朝向流道。

在本发明的一些实施例中，所述外置式第一外壳上还设有用于提高平面电极附近电解液流速的压缩流道结构。

在本发明的一些实施例中，所述压缩流道结构包括梯形凸台，所述电极放置区域设置在凸台顶部。

在本发明的一些实施例中，所述外置式第二外壳上设有环形流道。

在本发明的一些实施例中，所述嵌入式封装结构包括：

嵌入式第一外壳，其上设有环形流道和注液孔；

嵌入式第二外壳，设置在嵌入式第一外壳下方，其上设有环形流道和电极放置区域；

两个电极固定件，每个电极固定件上均设有凸台，凸台上设有电解液流道凹槽，平面电极设置在凸台顶部；

其中，所述嵌入式第一外壳和嵌入式第二外壳上至少设置一个电极放置区域。例如，可以在嵌入式第一外壳上设置一个或多个电极放置区域，也可以在嵌入式第二外壳上设置一个或多个电极放置区域，也可以同时在在嵌入式第一外壳和嵌入式第二外壳上设置一个或多个电极。

在本发明的一些实施例中，所述电解质溶液为可逆氧化还原的电解质溶液；

在本发明的一些实施例中，所述电解质溶液包括碘-碘化钾溶液、溴-溴化物溶液、铁氰化物-亚铁氰化物溶液中的任一种。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

图1为本实施例的电化学角加速度传感器的结构示意图，如图1所示，该结构主要由小型化平面电极100、环形流道200、电解质溶液300以及电源三部分组成。其中，平面电极尺寸范围为(1至20)mm×(1至25)mm。

小型化平面电极100分别放置在环形流道的上下表面，从而有效利用环形流道的上下表面，增大电极面积以提高器件灵敏度(针对外置式封装结构)；或内置于流道中心，电极上下表面均制作电极结构，以提高器件灵敏度(针对嵌入式封装结构)。环形流道中充满了由i2和ki组成的电解质溶液，该溶液作为惯性质量，通过化学反应感测外部角加速度。由于电解液中ki的浓度远高于i2，因此i2以的形式存在：

上下表面的平面电极中的阳极均与电源中正电势相连，负极接0电势。连通电源时，在环形流道200上下的小型化平面电极100均形成阳极和阴极，当在阳极和阴极之间施加一定的电压u0时，阴阳极间均发生氧化还原反应，即：

阳极：

阴极：

本实施例公开了两种平面电极100结构，分别是普通四电极结构和叉指电极结构，普通四电极结构和叉指电极结构的原理示意图分别如图2和图3所示，其电极分别按照a(阳极)c(阴极)ca-acca和acac-caca电极排布的电极结构(以两组四电极对为例)。对于普通四电极结构，如图2所示，两组(多组)四电极结构依次排布，在每组四电极结构中，两个阴极位于两个阳极之间，这种电极设置可以使产生差动输出的两个阴极相邻；对于叉指电极结构，如图3所示，位于阳极右边和阳极左边的阴极分布在两侧，有利于阴极电极引线。在器件工作时，当外界没有角加速度(即a＝0)时，对于普通四电极结构，相邻的两个阴极周围的活性离子形成稳定的浓度梯度分布，具有相同的活性离子浓度，两个阴极输出相同的电流大小(即i1＝i2)，因此，经电流电压转换电路后的差分输出电压u0为零(即u0＝0v)；对于叉指电极结构，位于阳极左右两侧的阴极周围的活性离子形成稳定的浓度梯度分布，具有相同的活性离子浓度，两个阴极输出相同的电流大小(即i1＝12)，因此，经电流电压转换电路后的差分输出电压u0为零(即u0＝0v)。当外界产生角加速度时(即a＞0)，由于液体的惯性作用，电解液相对于敏感电极发生移动，导致普通四电极结构中的相邻的两个阴极、以及叉指电极结构中的位于阳极左右两侧的阴极，周围的活性离子浓度发生相反的变化，从而一个电流增大，一个电流减小(i1＞i2)，因此，产生差分电压输出(即u0＞0v)，该输出差分电压信号与输入角加速度信号成比例，最终实现对角加速度的检测。

图4为本实施例所提出的平面电极外置式封装结构示意图，其整体器件外壳结构主要由上部分第一外壳400、下部分第二外壳500以及矩形压紧块600组成。平面电极外置式封装结构对于普通四电极结构和叉指电极结构均适用。

图5为上部分外置式第一外壳400的内部结构示意图，图6为上部分外置式第一外壳400的外部结构示意图，如图5和图6所示，平面电极外置式封装结构主要包括电极放置区域401、环形流道402、压缩流道结构403和注液孔404。其中压缩流道结构403设置在流道中电极附近加工的突起部分，用来减小电极附近流道的高度，起到压缩流道的作用，用来提高电极附近电解液的流速。

如图7所示，下部分外置式第二外壳500包括电极放置区域501。

如图8中(a)图和(b)图所示，矩形压紧块600主要包括上部的第一压紧块601和下部的第二压紧块602上下两个压紧块。

在本实施例中，使用有机玻璃做外壳，组装时在上下两部分外置式第一外壳400和外置式第二外壳500中间垫上橡胶圈，然后通过螺丝钉拧紧密封；电极外置区域是分别在上下外壳的流道部分挖空出矩形方框，然后在上下两面垫上橡胶垫，并将平面电极100上分别放置在上下外壳的两面，将有敏感单元结构的一面面向流道安装，最后在上下两面分别放置一个矩形压紧块压紧，并通过螺钉固定这两个矩形压紧块实现电极与器件的密封。

图9为本发明所提出的平面电极嵌入式封装结构示意图，嵌入式封装对于普通四电极结构和叉指电极结构均适用。如图9所示，其整体器件外壳结构主要由上部分嵌入式第一外壳700、下部分嵌入式第二外壳800以及电极固定件900组成。

图10是上部分嵌入式第一外壳内部结构示意图；图11是上部分第一嵌入式外壳的外部结构示意图；上部分嵌入式第一外壳主要包括电极放置区域701、环形流道702和注液孔703；

如图12所示，下部分嵌入式第二外壳800主要包括电极放置区域801和环形流道802；

如图13中(a)图和(b)图所示，电极固定件900分为上下两部分，主要包括电极和电极固定件间的接触面901和电解液流道902。

在本实施例中，使用有机玻璃做外壳，组装时，将平面电极100放置于上下两个电极固定件900中间，其中平面电极100和电极固定件900间的接触面901放置橡胶垫，最后通过螺钉将该结构压紧实现电极部分的密封；然后，通过将1/4的上下部分外壳之间放上橡胶垫压紧密封，形成半圆型结构；最后，将刚才组装好的电极部分结构放在两个半圆中间，接触面放置橡胶垫，并通过螺钉压紧密封，即环形流道截面中两个方形挖空部分(即电极放置区域701和801)对应电极部分的两个凹槽形成的流道(即电解液流道902)。

本实施例提出的两种小型平面电极结构示意图，其电极尺寸为13.0mm×14.5mm，一个四寸玻璃片一次至少可以制作32个器件的敏感电极，一块掩模版上可以同时设计多种不同的电极参数(比如电极间隔、电极宽度和电极组间距离)的电极结构，相对于以往的平面电极作为封装外壳一部分的器件，电极尺寸为50.6mm×50.6mm，一个四寸玻璃片只能制作1个器件的敏感电极，大大的缩小了电极面积，电极面积缩小为原来的7％，实现了器件的批量化生产。

如图14所示为普通四电极结构，主要包括阳极101、第一阴极102和第二阴极103，其中多组四电极组中的第一阴极102需要通过跳线连接，本实施例跳线是通过压焊金线来实现。

图15为两组四电极组的细节放大图，可以看出电极按照为acca-acca(阳阴阴阳-阳阴阴阳)顺序分布。

如图16为叉指电极结构，主要包括阳极104、第一阴极105和第二阴极106，图17为两组叉指电极组的细节放大图，可以看出电极按照为acac-caca(阳阴阳阴-阴阳阴阳)顺序分布，位于阳极上面和下面的阴极分别分布在上下两部分，解决了第一阴极间需要跳线连接的问题，工艺和组装上更加简单快捷，而且该结构将每个长电极分成两部分，增大了电极及电极间隔的宽长比，在工艺过程中线条不容易偏离，成品率更高，但是这种电极结构由于差分的阴极间距离较远。

本发明的其他实施例中，碘化钾和碘的电解质系统可以用其他可发生可逆氧化还原的电解质系统替代，包括溴-溴化物、铁氰化物-亚铁氰化物等；

本发明的其他实施例中，用于制作电极结构的玻璃衬底可以用其他具有绝缘特性的材料代替，比如带氧化层的硅片、陶瓷片等；

本发明的其他实施例中，环形流道外壳的材料不仅限于有机玻璃，可以用其他不与电解质溶液发生反应的材料代替，比如玻璃等。

本发明的其他实施例中，环形流道外壳的电极放置位置不仅限于上下两面各一个，可以设置多个电极放置位置。

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。