基于MEMS技术的电化学地震检波器研究

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。