基于叠层微电极的低频带电化学振动传感器研究

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低频带振动传感器是地球物理勘探领域、地震海啸的监测与预报、油气勘探等领域的核心传感器之一。基于电化学原理的振动传感器具有灵敏度高、功耗低、噪声低、动态范围宽等优点,并且在低频带范围保持良好性能,近年来备受关注。针对现有低频电化学振动传感器加工工艺复杂、成本高、一致性差等突出问题,本论文提出一种基于MEMS工艺的叠层微电极低频带电化学振动传感器,研究了传感器的设计与优化、加工工艺、封装方法,并对所研究的器件进行了初步测试。  研究了叠层微电极低频带电化学振动传感器的拾振动力学模型和机电转换模型,分别阐述其工作原理并初步建立了传递函数。同时结合超微电极电化学和流体力学的基本原理,建立了电化学振动传感器敏感元件的有限元仿真模型,并通过COMSOL Multiphysics软件计算仿真了传感器敏感元件的工作过程,得到电极电流与绝缘层厚度、电极厚度、流体速度等因素之间的关系。  介绍了电化学振动传感器的MEMS加工工艺,并通过深刻蚀、溅射等关键MEMS工艺完成了器件的加工;针对器件的使用环境和性能要求,提出了一种基于机械压紧密封的器件封装方法,设计了新型封装结构,通过增大器件外壳的溶液腔体积来增加系统质量,使用柔性密封材料来减小系统弹性系数,达到降低器件频带的目的。  分别通过电磁激励和振动台测试的方式测试器件的频率特性和速度灵敏度,并通过噪声测试初步估算了传感器的噪声水平和动态范围,最后对测试结果进行了分析。
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