基于MEMS技术的电化学地震检波器研究

基于电化学原理的地震检波器没有传统的质量体和弹簧等机械装置，具有功耗低、频带宽、动态范围大、可靠性好等优点，尤其适用于高分辨率地震勘探领域。传统电化学检波器采用金属铂丝网状电极与多孔陶瓷薄片和陶瓷管组装而成，加工成本高，批量化生产能力差，为此，本项目创新性地提出基于MEMS技术的电化学地震检波器，采用平面超微电极阵列设计，减小电极尺寸和电极间距，扩大频响范围，增加检测灵敏度，降低噪声，采用两对阴阳电极对称放置的结构设置实现差分输出，改进线性度，增加动态范围，采用硅深刻蚀技术和硅玻璃粘合技术实现电化学地震检波器一体化封装，提高器件一致性和整体性能。针对平面超微电极设计引入的电极特性出现的质的变化，建立相关理论模型，结合实验结果对传感器的静动态特性与结构参数的关系进行深入系统的分析研究，为高分辨率电化学地震检波器的研究和实用化奠定基础。本项研究国内外尚未见报道，具有重要的科学意义和应用前景。

地震检波器被广泛应用在地球物理勘探、自然灾害（地震、海啸等）预测分析研究、边防监控、铁路、桥梁、隧道、大型建筑物等的安全监测等领域。其中基于电化学原理的地震传感器具有灵敏度高、低功耗、低噪声、动态范围宽、低频性能好和工作温度范围宽等优点，是近年来备受关注的地震检波器之一。但现有的电化学地震传感器采用传统加工工艺而成，难以批量化生产，使其成本高、一致性差。.本项目提出一种新型的基于MEMS技术的电化学地震检波器，对其设计、加工及测试方面进行了系统研究，取得的主要研究成果包括：（1）结合超微电极电化学和流体动力学的基本原理，建立了表征电化学地震检波器的敏感单元——电化学增益器的敏感模型，并确定了其工作时的边界条件，推导出电化学地震检波器敏感单元的电极电流与电极面积、流体速度、溶液浓度等影响因素之间的关系；（2）提出一种具有平面叉指电极的电化学增益器，通过COMSOL Multiphysics有限元模拟分析软件计算仿真了电化学增益器的工作过程以及电化学增益器性能与器件结构参数之间的关系，优化设计了电化学增益器的微结构；（3）采用MEMS工艺制作了电化学地震检波器敏感单元芯片，对所涉及的深刻蚀、氧化和溅射等MEMS关键工艺参数进行了优化；（4）利用电化学工作站，测试分析了电化学地震检波器敏感单元的电化学特性；设计了电化学地震检波器实验室测试平台，对传感器一致性进行了测试；在振动试验台上完成了器件的灵敏度、频率响应和测量范围等特性的测试，测试结果表明，所研制的MEMS电化学地震检波器频带范围为0.1~20Hz，测量范围为±10cm/s。（5）分别在多地开展了电化学地震检波器的对比测试外场试验，试验结果表明，所研制的MEMS电化学地震检波器噪声性能与国外器件性能相当，可用于地球勘探领域低频段地震信号的检测。（6）完成期刊及会议论文14篇（其中SCI收录5篇，EI收录8篇），申请国家发明专利4项；培养4名硕士研究生（其中2名已毕业）和3名博士研究生。