本發(fā)明涉及一種MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器及其測(cè)量方法，涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)制造及水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水質(zhì)檢測(cè)與日常的生活和生產(chǎn)息息相關(guān)，電導(dǎo)率是水質(zhì)檢測(cè)中十分重要的測(cè)量參數(shù)，淺海、河口、水庫(kù)等電導(dǎo)率較低的各種水體中，往往需要進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有技術(shù)中，采用傳統(tǒng)機(jī)械加工制造的電導(dǎo)率傳感器，加工精度低、加工難度大、加工成本高、不適合大批量制造，而采用MEMS工藝制造的電導(dǎo)率傳感器體積小、功耗低、成本低、可大批量生產(chǎn)，是電導(dǎo)率傳感器的發(fā)展方向。
電導(dǎo)率傳感器主要分為電極式和感應(yīng)式兩種，其中電極式電導(dǎo)率傳感器由于后續(xù)處理電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、使用方便，廣泛應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)中。與其他電極式MEMS電導(dǎo)率傳感器相比，由一對(duì)平面叉指電極所構(gòu)成的MEMS電導(dǎo)率傳感器，其電導(dǎo)池常數(shù)較低，特別適合用于低電導(dǎo)率水體的水質(zhì)檢測(cè)，但是這種電導(dǎo)率傳感器的叉指電極既是電流電極又是電壓電極，在測(cè)量過(guò)程中，待測(cè)水體與電極的接觸面上會(huì)產(chǎn)生極化電壓，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，限制了其在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器及其測(cè)量方法，本發(fā)明克服傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的不足，采用MEMS加工技術(shù)制造電導(dǎo)率傳感器；同時(shí)克服已有MEMS平面叉指電極式電導(dǎo)率傳感器在檢測(cè)低電導(dǎo)率水體時(shí)，存在極化效應(yīng)，產(chǎn)生測(cè)量誤差，測(cè)量精度不高的不足；本發(fā)明的電導(dǎo)率傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，操作方便，成本較低，測(cè)量速度快，測(cè)量精度高。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
一方面，本發(fā)明提供一種MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器，包括絕緣襯底以及固定在絕緣襯底上端面的三個(gè)平面矩形電極和兩對(duì)平面叉指電極對(duì)，其中：
所述三個(gè)平面矩形電極包括大小相等的第一平面矩形電極、第二平面矩形電極和第三平面矩形電極；所述兩對(duì)平面叉指電極對(duì)包括大小相等的第一平面叉指電極對(duì)和第二平面叉指電極對(duì)；
所有電極在絕緣襯底的上端面水平依次排開(kāi)，從左至右依次為第一平面矩形電極、第一平面叉指電極對(duì)、第二平面矩形電極、第二平面叉指電極對(duì)、第三平面矩形電極，且呈左右對(duì)稱分布；電極與電極之間有間隔且相互平行；
所述三個(gè)平面矩形電極為電流電極，每個(gè)平面矩形電極的一端都各帶有一個(gè)金屬錨區(qū)，用于施加激勵(lì)信號(hào)；
所述兩對(duì)平面叉指電極對(duì)為電壓電極，每個(gè)平面叉指電極的一側(cè)都各帶有一個(gè)金屬錨區(qū)，用于檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述絕緣襯底為硅基材料制成，絕緣襯底的上端面為二氧化硅絕緣層。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所有電極及其金屬錨區(qū)均由表面鍍金的鎳材料經(jīng)金屬微加工工藝制成。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述平面叉指電極對(duì)包括兩個(gè)叉指相互交錯(cuò)的平面叉指電極。
另一方面，本發(fā)明還提供一種采用上述MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器測(cè)量水體電導(dǎo)率的方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)在電流電極之間施加激勵(lì)信號(hào)，具體為：將第一平面矩形電極和第三平面矩形電極接地，在第二平面矩形電極上接入交流激勵(lì)信號(hào)I；
(2)在電壓電極之間檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)，具體為：分別測(cè)量?jī)蓪?duì)平面叉指電極對(duì)中兩個(gè)叉指電極之間的電壓V1和V2；
(3)計(jì)算電導(dǎo)率，具體為：水體的電導(dǎo)率式中，K為電導(dǎo)池常數(shù)。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，通過(guò)運(yùn)放反饋電路保持V1和V2的幅值。
本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明提供的一種MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量精度高、工藝簡(jiǎn)單、體積小巧、成本低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說(shuō)明
圖1是MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器的俯視結(jié)構(gòu)圖。
圖中，1-絕緣襯底，2-平面矩形電極，3-平面叉指電極對(duì)，4-平面矩形電極，5-平面叉指電極對(duì)，6-平面矩形電極，7-金屬錨區(qū)，8-金屬錨區(qū)，9-金屬錨區(qū)，10-金屬錨區(qū)，11-金屬錨區(qū)，12-金屬錨區(qū)，13-金屬錨區(qū)，301-平面叉指電極，302-平面叉指電極，501-平面叉指電極，502-平面叉指電極。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
本發(fā)明的一種MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器的俯視結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示的，包括絕緣襯底1、三個(gè)平面矩形電極和兩對(duì)平面叉指電極對(duì)。其中，三個(gè)平面矩形電極的大小相等，分別為第一平面矩形電極2、第二平面矩形電極4和第三平面矩形電極6；兩對(duì)平面叉指電極對(duì)的大小相等，分別為第一平面叉指電極對(duì)3和第二平面叉指電極對(duì)5，第一平面叉指電極對(duì)3由平面叉指電極301、平面叉指電極302組成，第一平面叉指電極對(duì)5由平面叉指電極501、平面叉指電極502組成。
所有電極均固定在絕緣襯底1的上端面，水平依次排開(kāi)，電極與電極之間間隔一段距離，相互平行并呈左右對(duì)稱分布，電極的排布從左至右依次為：第一平面矩形電極2、第一平面叉指電極對(duì)3、第二平面矩形電極4、第二平面叉指電極對(duì)5、第三平面矩形電極6。
三個(gè)平面矩形電極為電流電極，每個(gè)平面矩形電極的一端都各帶有一個(gè)金屬錨區(qū)，分別為第一平面矩形電極2的金屬錨區(qū)7、第二平面矩形電極4的金屬錨區(qū)10和第三平面矩形電極6的金屬錨區(qū)13，用于施加激勵(lì)信號(hào)。
兩對(duì)平面叉指電極對(duì)為電壓電極，每個(gè)平面叉指電極的一側(cè)都各帶有一個(gè)金屬錨區(qū)，分別為平面叉指電極301的金屬錨區(qū)8、平面叉指電極302的金屬錨區(qū)9、平面叉指電極501的金屬錨區(qū)11、平面叉指電極502的金屬錨區(qū)12，用于檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)。
絕緣襯底1為硅基材料制成，絕緣襯底1的上端面為二氧化硅絕緣層。所有電極2、3、4、5、6及其金屬錨區(qū)7、8、9、10、11、12、13均由表面鍍金的鎳材料經(jīng)金屬微加工工藝制成。
本發(fā)明采用上述MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器測(cè)量水體電導(dǎo)率的方法，包括以下步驟：
(1)在電流電極2、4、6之間施加激勵(lì)信號(hào)，具體做法是：將第一平面矩形電極2的金屬錨區(qū)7和第三平面矩形電極6的金屬錨區(qū)13接地，在第二平面矩形電極4的金屬錨區(qū)13上接入交流激勵(lì)信號(hào)I，在第二平面矩形電極4和第一平面矩形電極2之間、第二平面矩形電極4和第三平面矩形電極6之間同時(shí)生成交流電場(chǎng)。由于第一平面矩形電極2和第三平面矩形電極6都接地，傳感器內(nèi)部的水體被屏蔽起來(lái)，外部環(huán)境的電磁干擾無(wú)法影響到傳感器內(nèi)部的被測(cè)水體；
(2)在電壓電極301、302、501、502之間檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)，具體做法是：分別測(cè)量?jī)蓪?duì)平面叉指電極對(duì)3、5之間的電壓V1和V2，即測(cè)量平面叉指電極301、302上接收到的交變電場(chǎng)的電壓降V1，同時(shí)測(cè)量平面叉指電極501、502上接收到的交變電場(chǎng)的電壓降V2，并通過(guò)運(yùn)放反饋電路保持這兩個(gè)電壓的幅值；
(3)計(jì)算電導(dǎo)率結(jié)果，具體的做法是：傳感器以第二平面矩形電極4為對(duì)稱軸呈左右對(duì)稱，因此，平面叉指電極301、302上接收到的交變電場(chǎng)的電壓降V1和平面叉指電極501、502上接收到的交變電場(chǎng)的電壓降V2大小相等，為了避免加工精度造成的不對(duì)稱誤差，可取兩個(gè)電壓降的平均值作為被測(cè)水體的電壓參數(shù)，即V＝(V1+V2)/2，利用電導(dǎo)率與施加電流、測(cè)量電壓之間的關(guān)系式，得到水體的電導(dǎo)率，公式如下：
式中，K為電導(dǎo)池常數(shù)。
通過(guò)本發(fā)明提供的一種MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器，克服了傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的不足，采用MEMS加工技術(shù)制造電導(dǎo)率傳感器，體積小、功耗低、成本低、可大批量生產(chǎn)，同時(shí)克服已有MEMS平面叉指電極式電導(dǎo)率傳感器在檢測(cè)低電導(dǎo)率水體時(shí)，存在極化效應(yīng)，測(cè)量精度不高的不足，將電壓電極與電流電極分開(kāi)，消除極化電壓的影響，并將外側(cè)電極接地，避免外部環(huán)境的電磁干擾。該MEMS電極式低電導(dǎo)率傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量精度高、工藝簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。