[發明專利]MEMS電化學地震檢波器敏感電極芯片及其制造方法

在審

• 申請號: 201610079519.2
• 申請日: 2016-02-04
• 公開（公告）號: CN105785433A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 陳德勇;孫振源;王軍波;陳健;鄧濤;李光磊
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01V1/18
• 分類號: G01V1/18;B81B5/00;B81C1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及地震檢波器技術領域，尤其涉及一種MEMS電化學地震 檢波器敏感電極芯片及其制造方法。

背景技術

加速度計是一種將外界的加速度轉變為電信號的敏感器件，在慣性導 航、地震監測、振動分析以及消費電子中有廣泛的應用。常見的類型有傳 統機械式加速度計、石英加速度計、MEMS加速度計以及光纖加速度計等， 在這些器件的內部有一個慣性質量塊，工作時質量塊在慣性力的作用下相 對于器件的固定部件產生位移(或梁結構應力發生改變)，通過相關的技 術可將該位移(或應力變化、頻移)轉變為電信號。

與上述基于固體慣性質量塊不同的是，近年來出現的電化學加速度計 以電解質溶液為慣性質量塊，其敏感元件由兩對對稱的電極構成。其中， 每對電極均包含一個陽極和一個陰極，兩對電極呈陽極-陰極-陰極-陽極 分布，敏感核心和電解液封裝在有機玻璃和橡膠薄膜構成的外殼里。工作 時，在陽極與陰極上施加一個恒定的工作電壓，參加反應的離子將建立一 個穩定的濃度分布，在外界加速度的作用下，電解液和敏感電極產生相對 運動，從而改變了兩對電極附近反應離子的濃度分布，導致其中一對電極 的電化學反應速率變快，而另一對電極的電化學反應速率變慢，進而使其 中一對電極的輸出電流變大，另一對電極的輸出電流變小，兩對電極輸出 電流的差分可以反應外界加速度的大小。已有的電化學加速度計具有高靈 敏度、低噪聲、低功耗、大傾角工作能力、不易損壞、設計簡單等優點， 已經應用在高性能的地震儀中。

電化學地震檢波器是一種地震監測、地質勘探領域中重要的儀器，其 實質是一種電化學加速度計，現有的電化學地震檢波器的電極敏感核心由 鉑絲網狀電極、多孔陶瓷薄片和陶瓷管組裝而成，工藝復雜、成本高、電 極一致性差、批量化生產能力差，制約著其使用范圍。為了克服傳統工藝 方法的缺點，近年來出現了基于MEMS技術的電化學加速度計。MEMS技術 是在微電子技術和硅微加工基礎上發展起來的多學科交叉的新技術，具有 微型化、集成化、可批量生產等特點。在新出現的MEMS電化學地震檢波 器中，有的方案分別將電極層與間隔層制作出來，然后進行組裝，其優點 是單片硅片工藝簡單，但是存在層間對齊較差、組裝復雜的缺點。有的方 案在一個硅片上完成所有的電極層與間隔層，其優點層間對齊好，缺點是 絕緣層厚度調整的空間很小，在幾微米范圍內，限制了器件的性能優化， 并且電極層與電解液的接觸面積小，靈敏度較低；另外，該技術用FIB技 術刻蝕出多層電極結構的通孔，由于其刻蝕效率慢，因而批量化生產能力 差。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為了解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種MEMS電化學地 震檢波器敏感電極芯片及其制造方法。

(二)技術方案

本發明提供了一種MEMS電化學地震檢波器敏感電極芯片，其包括 一個支撐基板、在該支撐基板的至少一個表面依次排列的N層電極層和位 于相鄰兩個電極層之間的N-1層絕緣間隔層，電極層具有M個電極層通 孔31，絕緣間隔層具有M個絕緣間隔層通孔32，支撐基板具有M個支撐 基板通孔33，M個電極層通孔31、M個絕緣間隔層通孔32以及M個支 撐基板通孔33的位置正對，形成電解質溶液的流經通道。

優選地，絕緣間隔層通孔32的尺寸大于電極層通孔31，電極層靠近 電極層通孔31的邊緣部分形成懸空結構，該邊緣部分的上和/或下表面暴 露于電解質溶液的流經通道。

優選地，電極層和絕緣間隔層的一側邊緣部分開有引線窗，沿靠近支 撐基板的方向，內層的電極層和絕緣間隔層逐層突出于外層的電極層和絕 緣間隔層，形成臺階式的引線窗結構，電極層的邊緣具有焊點34，導線 35通過焊點34連接電極層。

優選地，電極層通孔31、絕緣間隔層通孔32和基板通孔33的形狀為 方形、圓形或其他形狀。

優選地，該電化學地震檢波器敏感電極芯片的電極層為金屬鉑材料或 者石墨類材料，絕緣間隔層為氮化硅或二氧化硅或有機聚合物，支撐基板 為硅基材料或者石英材料。