一种海洋MEMS电导率传感器结构优化设计

作者:李志伟;李红志;贾文娟;李醒飞; 刊名:传感技术学报 上传者:刘国庆

【摘要】为提高一种海洋MEMS电导率传感器的测量性能,基于电场基本理论分析了影响传感器测量性能的主要因素,并对传感器结构进行优化设计。采用COMSOL软件分别构建和仿真了优化前后传感器测量模型,得出海水电导率在5 mS/cm~70 mS/cm,激励频率在10 kHz~100 kHz范围内,传感器结构优化后比优化前对应的海水测量阻值范围提高了4.39倍,。优化后的传感器结构准确度提升至±1.18%,灵敏度提升至15.6 cm~(-1)。且优化前传感器结构准确度与灵敏度的仿真值与相关文献同类型结构传感器实际数据相近,因此本文优化设计贴近实际,参考价值较高。

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电导率传感器是用来测量海洋电导率参数的重要仪器,四电极式电导率传感器[1-2]本身体积较小且多为开放式结构,易于清洗和防止海水中微生物附着。此外,此类传感器在测量时还具有低流体阻力[3],低热量,低功耗等优点。伴随着对于海洋观测需求的提升,MEMS技术开始逐渐应用到海洋观测仪器领域[4]。基于该项技术的传感器体积大大减小,能够测量小空间范围海水的电导率,降低了海洋观测仪器的生产制造成本,为电导率传感器在海洋中的大规模布放和应用提供了基础。 目前,国外主要有美国伊利诺伊大学的Dongming He[5]等人加工出了电极宽度低至0.1 mm的条形MEMS四电极电导率传感器。丹麦科技大学的Hyldgard等人[6-7]基于硅材料的MEMS技术开发了一种安装于鱼体内的条形MEMS四电极电导率传感器,具有较高灵敏度和快速响应的特性。南佛罗里达大学的Heather等人[8-11]研究出基于MEMS技术并使用了液晶聚合物(LCP)材料制作的环形MEMS四电极电导率传感器。印度的Jijesh J J[12]等人开发出一套CTD测量系统并在其中使用了条形MEMS四电极电导率传感器。国内主要有浙江大学张高燕等人[13]采用等离子磁控溅射设备研制了MEMS分离式环形四电极结构。河海大学刘海韵等人[14-15]和广州中科院先进技术研究所陈秋兰[16-17]等人则分别发表了关于MEMS四电极电导率传感器的加工工艺与结构设计的相关专利。 由于电场分布范围更小,MEMS四电极电导率传感器的环形结构较条形更优[18],具有良好的应用前景。其中文献[9]中环形结构传感器电导率测量准确度为±1.47%,文献[10]中相同结构的传感器灵敏度最高为1.2 cm-1。本文从传感器基本结构与测量原理出发,采用电场基本理论分析影响传感器测量准确度和灵敏度的因素,进而通过优化结构设计来提高传感器整体性能。 1 环形四电极电导率传感器测量原理 海水电导率范围通常在5 mS/cm~70 mS/cm,使用式(1)来计算: σ=KI/V (1) 式中:σ为被测海水电导率,K为电导率传感器的电导池常数,I为激励电流,V为两测量电极间的电压值。文献[9-10]环型四电极电导池结构如图1所示,在厚为1 mm的10 mm×10 mm玻璃基底上一个圆形平面电极和三个环形平面电极组成且同心等距排列,电极厚度约为几百纳米。由中心向外分别为第一电极和第二、三、四电极,第一电极半径为2 mm,第二,三,四电极宽度为0.25 mm,间距为0.75 mm。第一电极和第四电极称为激励电极(电流电极),第二电极和第三电极称为测量电极(电压电极)。 当电导池浸泡在海水溶液时,通过对第一电极和第四电极通入一定频率范围的交流电流信号,在电极间会产生一个稳定的电场,电势由第一电极到第四电极递减,测量两个测量电极间的电势差,然后根据电流值计算出电导率值。如果第二电极和第三电极能分别更靠近于第一电极和第四电极,即加大第二电极和第三电极之间的间距,则会在两个测量电极之间得到比原有更高的电势差,获取的海水阻值和阻值变化范围就越大,所测海水电导率的偏差就会越小,灵敏度越高。在整体电导池尺寸确定的情况下,这同时取决于其他两个电极的尺寸大小。同时处于最高电势处第一电极的极化效应[19]的影响也不能忽略,需要具体进行分析。 2 电导池电场分析与结构优化设计 电导池电场由许多因素决定,如电极尺寸,激励信号频率大小,测量的海水电导率值等。由式知,电导池附近区域的电场强度E与电极表面上的电荷量Q相关。电导池在海水中的电场分布

参考文献

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