一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器及使用方法

摘要

本发明公开了一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器及使用方法，包括绝缘衬底、中心圆形电极、带叉指的环形电极以及环形屏蔽电极，所述中心圆形电极、带叉指的环形电极以及环形屏蔽电极从内到外依次同心设置于绝缘衬底的同一表面；所有电极在相同位置通过片上引线连接相应的金属焊盘，带叉指的环形电极分为内侧测量环和外侧测量环。使用时，环形屏蔽电极接地用于屏蔽外界电磁干扰，在中心圆形电极上施加激励电流信号，测量内侧测量环与外侧测量环之间的电压，通过计算即可得出液体的电导率。带叉指的环形电极与被测液体的接触面积较大，能够提高测量精度，增强抗污染能力，同时，由于电极为环形或圆形结构，能够避免水流方向对测量结果的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械系统制造及水质检测领域，具体涉及一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器及使用方法。

背景技术

电导率是水质检测的基本参数之一，在一些电导率较低的水体中，如浅海、河口、水库等，对水质的监测往往要求能够长期实时地进行有效监控，这就要求监测使用的电导率传感器功耗低，成本低，能够长时间运行，并且便于维护和普及。目前大多数电导率传感器采用传统机械加工工艺进行制造，体积较大，功耗较高，加工精度低，加工成本高，难以满足长期实时监控的需求。而采用MEMS加工工艺制造的电导率传感器具有体积小、功耗低、加工精度高，加工成本低的特点，是电导率传感器的发展方向。

在常用的MEMS电导率传感器结构中，由一对平面叉指电极所构成的电导率传感器，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容易受外部环境的电磁干扰，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。申请号为201611026949.4的“一种MEMS电极式低电导率传感器及其测量方法”利用矩形叉指结构作为检测电极检测水体电导率，将激励电极和检测电极分开，消除了极化影响，同时两侧的接地电极一定程度上降低了周围信号对测量结果的影响，但是该方案中的矩形叉指结构无法避免水流方向对检测结果的影响，另一方面，两侧的接地电极并未对矩形叉指结构形成一个完整的密闭区域，对外界信号的屏蔽不彻底，限制了其在水质检测中的应用。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器及使用方法，解决了现有技术中低电导率传感器检测结果受水流方向影响及屏蔽外界信号能力相对较弱的技术问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器，其特征是：包括绝缘衬底、中心圆形电极、带叉指的环形电极以及环形屏蔽电极：

所述中心圆形电极、带叉指的环形电极以及环形屏蔽电极从内到外依次同心设置于绝缘衬底的同一表面；

所述中心圆形电极、带叉指的环形电极及环形屏蔽电极在相同位置均设通过片上引线连接相应的金属焊盘；

所述带叉指的环形电极分为内侧测量环和外侧测量环。

前述的一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器，其特征是：所述内侧测量环和外侧测量环均设有环形主干部分与叉指枝干部分；

所述内侧测量环和外侧测量环的叉指枝干部分在环形主干部分之间相互交错嵌套。

前述的一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器，其特征是：所述绝缘衬底为硅基材料制成，所述绝缘衬底的电极连接面设有二氧化硅绝缘层。

前述的一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器，其特征是：所述电极、片上引线、金属焊盘均由表面镀金的镍材料经金属微加工工艺制成。

前述的一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器，其特征是：所述环形屏蔽电极通过环形屏蔽电极金属焊盘接地；所述中心圆形电极通过中心圆形电极金属焊盘连接信号源；所述内侧测量环和外侧测量环均通过金属焊盘与电压表连接。

一种根据上述的带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器的使用方法，其特征是：先将上述带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器放入待测液体中，再将环形屏蔽电极接地，然后启动信号源发出交流激励电流信号I，电流信号I传导至中心圆形电极，然后测量内侧测量环和外侧测量环的电压V，在测量时，需通过运放反馈电路保持测量电压的幅值，通过如下公式得出所测水体的电导率：

式中，K为电导池常数。

本发明所达到的有益效果：

1.本发明采用将电压电极(内侧测量环与外侧测量环)与电流电极(中心圆形电极与环形屏蔽电极)分开的方式进行电导率的测量，消除了极化阻抗的影响，提高测量精度。

2.本发明将环形屏蔽电极接地处理，起到了较好的屏蔽作用，最大程度上降低了外部环境对传感器的电磁干扰。

3.本发明中的所有电极均为为环形或圆形，能够避免水流方向对测量结果的影响；环形电极和圆形电极构成的传感器与其他形状的电极构成的传感器相比，在相同的驱动条件下，有更多比例的电场能被检测电极检测到，提高了测量的灵敏度；当本发明中的部分检测电极(内侧测量环与外侧测量环)被污物覆盖时，其他未被覆盖的部分仍然能够感应到正常的电压信号，提高了抗污染能力，增强了传感器的鲁棒性。

4.本发明中的内侧测量环与外侧测量环的叉指枝干部分使电压电极(检测电极)与被测液体之间的接触面积增加，提高了测量精度。

5.该种传感器具有结构简单、体积小巧、操作方便、测量精度高、成本低廉、鲁棒性强等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意总图；

图2是本发明的叉指电极示意图；

图3是本发明的A-A面剖视图；

附图中标记的含义：

1-绝缘衬底；201-中心圆形电极；202-内侧测量环；203-外侧测量环；204-环形屏蔽电极；301-中心圆形电极金属焊盘；302-内侧测量环金属焊盘；303-外侧测量环金属焊盘；304-环形屏蔽电极金属焊盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示：一种带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器，包括绝缘衬底1、中心圆形电极201、带叉指的环形电极以及环形屏蔽电极204：

中心圆形电极201、带叉指的环形电极以及环形屏蔽电极204从内到外依次同心设置于绝缘衬底1的同一表面；

中心圆形电极201、带叉指的环形电极及环形屏蔽电极204在相同位置均设通过片上引线连接相应的金属焊盘；

结合图1与图2，带叉指的环形电极分为内侧测量环,202和外侧测量环203。

内侧测量环202和外侧测量环203均设有环形主干部分与叉指枝干部分；内侧测量环202和外侧测量环203的叉指枝干部分在环形主干部分之间相互交错嵌套。

绝缘衬底1为硅基材料制成，所述绝缘衬底1的电极连接面设有二氧化硅绝缘层。

所有电极、片上引线、金属焊盘均由表面镀金的镍材料经金属微加工工艺制成。

环形屏蔽电极204通过环形屏蔽电极金属焊盘304接地；中心圆形电极201通过中心圆形电极金属焊盘301连接信号源；所述内侧测量环202和外侧测量环203均通过金属焊盘与电压表连接。

使用时，先将上述带叉指的同心圆状MEMS低电导率传感器放入待测液体中，再将环形屏蔽电极金属焊盘304接地，即将环形屏蔽电极204接地，环形屏蔽电极204接地能够在其内部形成一个屏蔽区域，中心圆形电极201和带叉指的环形电极均处于该区域内部，能够最大限度地消除外界电磁干扰因素对内部电极造成影响。启动信号源发出交流激励电流信号I，电流信号I传导至中心圆形电极201，在中心圆形电极201与环形屏蔽电极204之间生成交流电场，采用内外两个测量环来检测该交变电场的电压V。由于各电极均为环形或圆形，与其他形状的电极相比，在相同的驱动条件下，有更多比例的电场能被检测到，因此测量的灵敏度较高。

在测量时，需通过运放反馈电路保持测量电压的幅值，通过如下公式得出所测水体的电导率：

式中，K为电导池常数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。