海洋盐度高精度传感器批量制备及测试

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我国是世界上人口最多的沿海国家,国家政策指出:发展海洋经济、海洋科技是推动我们强国战略的很重要的一个方面,一定要向海洋进军,加快建设海洋强国。建设“智慧海洋”战略逐渐走进我们的视野中,海洋基本参数的精细化采集与测量对海洋生物的生长繁殖、海洋环境的保护以及国家军事防御都有不可忽视的意义。海洋盐度是海洋水文测量的要素之一,精确测量海洋盐度也一直是研究的热点,在78实用盐标发布之后,利用电导率可以标定得出海水的实用盐度值。而目前国内外制备的电导率仪器成本高、体积大、一致性差,不能满足目前海洋监测的多结点、快响应、立体化、高分辨等需求,因此本文提出利用微机电系统(MEMS)技术批量化制备海洋盐度传感器,并且将指电极结构引入海洋盐度传感器。经过实验测试,传感器一致性好、响应快、分辨率高、成本低。本文主要完成了以下工作:(1)分析平面电极传感器的工作原理,构建传感器在溶液测试中的双电层结构模型和交流激励下电极-水体界面的等效电路模型,对不同电极型电导率传感器的工作原理进行对比。在COMSOL Multiphysics仿真软件中对叉指电极和二电极的磁场分布、点电势进行仿真计算研究,并对传感器的参数进行了仿真优化,明确叉指结构在电化学测试中的优越性。(2)基于金属溅射、干法刻蚀等MEMS工艺,设计制备了一批参数不同的叉指电极传感器,单个芯片的大小为68)8)×88)8),并完成了芯片的封装,建立了基于电化学工作站的电导率测试方法,在高电导率和低电导率溶液中进行扫频测试,测试结果表明在高低电导率溶液中最佳激励频率分别为:10KHz和100KHz,传感器的电导和电导率之间的线性度良好,R~2可达0.99以上,且当叉指电极的间距和宽度比值为1时,电导池常数达到最大。(3)对传感器进行高分辨率的测试,在低电导率溶液下,传感器非常灵敏,当溶液电导率变化约为0.005 m S/cm时,阻抗值变化了300Ω,在高电导率溶液中,当电导率变化0.5 m S/cm时,阻抗值变化了0.28Ω,且传感器在两种溶液中均响应迅速。对传感器进行准确性和一致性的测试,结果表明,盐度传感器在高、低电导率溶液中的检测误差率分别为0.73%、0.43%,误差率在0.8%以下,盐度测量误差在0.2psu内,随机选取参数一致的传感器,在不同的溶液中测试,结果均表明芯片具有很好的批量一致性。以上实验结果表明,基于MEMS工艺制备的叉指电极式电导率传感器具有分辨率高、测量精度高、制作成本低、尺寸小、一致性好等优点,可以大批量的制备来满足目前海洋环境测试下大规模布放的精细化和网格化测量的需求。
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