基于柔性微電極的高靈敏度MEMS電化學(xué)地震檢波器*

孫振源， 李光磊， 陳連宏， 陳 健， 陳德勇， 王軍波

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

0 引 言

地震檢波器廣泛應(yīng)用于地震波法油氣勘探、地震觀測、微震動監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。目前常用的地震檢波器有磁電動圈式地震檢波器[2]、傳統(tǒng)電容力平衡反饋式地震檢波器、微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)電容式地震檢波器[3]、電化學(xué)地震檢波器[4～7]等。

相對于其他類型的地震檢波器，電化學(xué)地震檢波器由于采用液體質(zhì)量塊和電化學(xué)敏感機(jī)理，具有低頻性能好、靈敏度高、噪聲低、安裝傾角大等優(yōu)點[1]，在微震動信號檢測、具有復(fù)雜地形的海底地震觀測等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。地震動信號采集往往需要布置大量的采集節(jié)點，要求地震檢波器不僅靈敏度高、噪聲低，還要成本低。但傳統(tǒng)電化學(xué)地震檢波器采用機(jī)械編織鉑網(wǎng)的工藝[4]加工敏感電極，加工工藝復(fù)雜，成品率低，敏感電極一致性差，不能滿足大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展需求。MEMS技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)、降低產(chǎn)品成本方面具有優(yōu)勢，為了解決上述問題，引入了MEMS的工藝加工技術(shù)進(jìn)行敏感電極的制作[5～7]，提高了鉑電極的制作效率和成品率。但所提出的敏感電極加工工藝均是基于硅襯底的微機(jī)械加工工藝，需要反應(yīng)離子束刻蝕[5，6]、聚焦離子束刻蝕[7]等工藝在硅片上刻蝕流道孔，存在著工藝復(fù)雜、加工成本偏高等問題。并且基于硅襯底的微電極，其電極間距受限于硅片的厚度，限制了電化學(xué)地震檢波器靈敏度的進(jìn)一步提升。

本文基于派瑞林(Parylene)薄膜襯底，研究了電化學(xué)地震檢波器敏感電極的制作工藝，并對其性能進(jìn)行了測試，達(dá)到高靈敏度、低成本的應(yīng)用要求。

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

MEMS電化學(xué)地震檢波器的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要包括橡膠模、有機(jī)玻璃管殼、電解液和敏感電極等部分。其中，電解液填充在橡膠模和有機(jī)玻璃外殼和敏感電極構(gòu)成的密閉腔室中，作為系統(tǒng)的液體質(zhì)量塊，與橡膠彈性膜一起構(gòu)成一個彈簧—質(zhì)量塊系統(tǒng)，用來感知外界震動。敏感電極包括2對陰陽極，分別集成于Parylene薄膜襯底的兩側(cè)，并通過橡膠O形圈組裝在一起，封裝在有機(jī)玻璃管殼中。2個陰極的輸出電流通過后續(xù)電路處理輸出差分電壓。

當(dāng)減小陰陽極間距時，陰陽極間的離子濃度梯度增大，可以增大陰極輸出電流，提高靈敏度。另外，減小陰陽極間距可以減小流道的流阻，在相同的外界輸入速度下，溶液中的運動速度增大，也會增大地震檢波器的輸出響應(yīng)。

圖1 基于Parylene薄膜微電極的電化學(xué)地震檢波器

2 加工工藝流程

基于Parylene薄膜的微電極加工工藝流程如圖2所示。1)在涂有脫膜劑的硅片或玻璃片基底上沉積一層Parylene薄膜;Parylene薄膜的厚度由鍍膜時所使用的原材料的質(zhì)量決定；2)在Parylene 膜上經(jīng)剝離工藝制作一層具有若干電極孔的鉑電極層；3)將Parylene膜揭下，在其背面再濺射一層鉑；4)在正面以圖形化的鉑為掩膜通過氧等離子體刻蝕Parylene 膜直至露出背面的鉑；5)采用超聲法將流道孔中裸露的鉑層清洗掉，形成貫穿的流道孔和另一層圖形化的鉑電極。圖3為制作的薄膜微電極芯片和電化學(xué)地震檢波器的整體樣機(jī)。

圖2 Parylene薄膜微電極的加工工藝流程

圖3 Parylene薄膜微電極和整體樣機(jī)

3 測試結(jié)果與討論

采用北京白家疃地震臺站的低頻震動平臺對所制作器件的幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行了測試，并與基于硅襯底電極(相同電極結(jié)構(gòu))的電化學(xué)地震檢波器[9]進(jìn)行對比，測試結(jié)果如圖4所示。

普通硅片的厚度在300 μm左右，作為對比參考器件的硅襯底的厚度為130 μm，是經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光制作的超薄硅片。經(jīng)測量經(jīng)過本文工藝制作的Parylene薄膜的厚度達(dá)到了6 μm，顯著地減小了陰陽極的間距?？梢钥闯觯夯谌嵝员∧の㈦姌O器件的最大靈敏度為4 960.3 V/(m/s)，較基于硅襯底的器件靈敏度高一個數(shù)量級。同時注意到，其帶寬有所減小(0.6～18 Hz)，說明靈敏度的提升，犧牲掉了部分的帶寬，后續(xù)可以通過加入適當(dāng)?shù)牧ζ胶夥答仚C(jī)制拓展帶寬[10]。

圖4 MEMS電化學(xué)地震檢波器幅頻特性

4 結(jié) 論

提出了一種基于柔性微電極的MEMS電化學(xué)地震檢波器。其敏感電極是基于柔性Parylene薄膜襯底的二層電極一體化電極結(jié)構(gòu)，將陰陽極的間距由基于硅襯底的幾百微米減小至幾微米，有效地降低了電極間距?；诖朔N電極的MEMS電化學(xué)地震檢波器較基于硅襯底電極的地震檢波器，靈敏度提高一個數(shù)量級。同時，其加工工藝無需硅深刻蝕等復(fù)雜工藝，可大幅度降低地震檢波器的成本。提出的基于薄膜微電極的MEMS電化學(xué)地震檢波器具有靈敏度高、成本低的優(yōu)勢，工藝研究為檢波器在微震動信號檢測方面的應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1] Agafonov V M,Neeshpapa A V,Shabalina A S.Electrochemical seismometers of linear and angular motion[M].Berlin Heidelberg:Springer,2015.

[2] Zhang G H,Hu S Y.Dynamic characteristics of moving-coil geophone with large damping[J].International Journal of Applied Electromagnetics & Mechanics,2010,33(1):565-571.

[3] 諶貴輝,趙萬明,任 誠,等.新型MEMS地震檢波器的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(8):29-30,33.

[4] Krishtop V G,Agafonov V M,Bugaev A S.Technological principles of motion parameter transducers based on mass and charge transport in electrochemical microsystems[J].Russian Journal of Electrochemistry,2012,48(7):746-755.

[5] He W T,Chen D Y,Wang J B,et al.MEMS-based broadband electrochemical seismometer[J].Guangxue Jingmi Gongcheng/Optics & Precision Engineering,2015,23(2):444-451.

[6] Deng T,Chen D Y,Chen J,et al.Micro-electro-mechanical systems-based electrochemical seismic sensors with insulating spa-cers integrated electrodes for planetary exploration[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(3):650-653.

[7] Huang H,Carande B,Tang R,et al.Development of a micro seismometer based on molecular electronic transducer technology for planetary exploration[J].Applied Physics Letters,2013,102(19):629-632.

[8] Newson J D,Riddiford A C.The kinetics of the iodine redox process at platinum electrodes[J].Journal of the Electrochemical Society,1961,108(7):17-32.

[9] Sun Z Y,Chen D Y,Chen J,et al.A MEMS-based electrochemical seismometer with low cost and wide working bandwidth[J].Procedia Engineering,2016,168:806-809.

[10] Wang J B,Zhang Z Y,Li G L,et al.Electrochemical vibration sensor with force balance feedback system[C]∥Sensors,IEEE,2015:1-4.