电导率是用来表示物质导电性能的物理量,是电阻率的倒数。对于溶液而言,其电导率的高低反映的是溶液导通电流的能力。因而电导率的准确测量具有重要意义。电极式电导率传感器是通过电导池来进行测量的,电导池的参数与电极的位置和形状都密切相关。传统的机械加工制造方法由于精度的限制,制成的电导池会形成较大的随机加工误差,这就给后续标定工作带来了一系列困难。而 MEMS 技术可以批量地制成一致性较好的器件,因而极大地提高了传感器的性能,降低了生产成本,成为目前主流的传感器制造技术。

 

正是由于 MEMS 的上述优势,这种技术被越来越多地应用于制作电导率测量器件。美国佛罗里达大学的 D. Fries 等人用 PCB 多层板做基底,采用无掩膜光刻法和其他 MEMS 工艺制备了盐度测试系统。Heather A Broadbent 等人也开发出了基于液晶聚合物(LCP)材料的电导率印制电路板 MEMS 制造技术,然而 PCB MEMS 工艺在与 IC 工艺兼容时会出现困难,且 PCB 工艺与 MEMS 工艺无法同时进行,很难批量生产。随后丹麦 Lyngby 大学的 Hyldgard 基于硅材料的 MEMS 技术制作了尺寸达到 4mm x 6mm 的 CTD 系统(盐度、温度、深度集成测量系统),其中就包含了一个约 2mm x 3mm 的方形四电极电导率传感器和温度传感器。伊利诺伊大学的 Dongming He 等研制了硅基的温度电导率集成传感器。此外,还有相关的美国专利也显示了由 MEMS 工艺制成的圆环形四电极电导率构成的 CTD 系统。但上述文章中的 MEMS 芯片的工艺过程都较为复杂,制备过程中需要多次光刻、显影、刻蚀等步骤,成本较高,不利于推广使用。

 

国内的科研单位也开展了许多相关研究,但大多是采用机械加工的制造工艺。最有成效的是国家海洋技术中心研制成功的高精度四电极和七电极电导率测量系统,为我国的海洋科考和水质探测事业提供了有力的支持。此外,清华大学水利水电工程系的王洪伟也提出了一种四电极电导率测量探头,并分析了其电场分布特性与测量原理。还有许多关于电导率测量的文献是从电路硬件或单片机软件功能等方面入手的,这些研究工作对于测量的关键部位——电导池和电极的制作工艺改进不大。本文提出的硅基 MEMS 技术制造的温度电导率芯片具有工艺流程简单,制备容易等特点,可以降低成本,且电导池结构和电极形状的设计还使测量探头具备一定的抗污染性能。测试实验证实了芯片具有良好的性能。

 

1 测量原理与集成芯片结构

温度对于溶液电导率有很大的影响,且其影响程度依溶液的不同而不同。在测量电导率时通常使用公式 Ct = Ccal · [1 + α(T - Tcal)] 来补偿温度的影响。上式中 Ct 为某一温度下的电导率;Ccal 为标准温度(通常取 25℃)下的电导率;Tcal 为标准温度值;α为标准温度下溶液的温度系数。采用薄膜铂电阻进行测量,由于铂电阻阻值与温度有很好的线性关系,故只需要将温度传感器进行标定即可获得比较准确的温度数据。

 

电导率测量则较为复杂,测量溶液的电导率时,金属电极与溶液会在二者交界面处产生一系列复杂的电化学反应,即电极极化效应,从而影响测量精度。采用交流激励和多电极测量体系,可以有效地减弱极化效应对电导率测量的影响。交流正弦波或交流方波作为激励源可以使电极上通过的电流密度近似为零,从而可以大大消除电极对溶液的电解作用;四电极测量法将电流电极和电压电极分开(见图 1),并通过电极形状和外围电路的精巧设计使得电压电极上流过的电流近似为零,并用差分检测的方法除去了电压电极与溶液间形成的双电层对电压测量的影响,这样就可以得到被测溶液等效电阻两端的准确电压值。

 

图 1 四电极电导率测量原理

 

本文采用双运放测量法进行电导率的测量。此测量结构如图 2 所示,是将电压电极接至运放的负输入端,电流电极接至运放的输出端,由于运放工作在深度负反馈状态,因而负输入端的回路上没有电流通过,这样就可以通过控制运放正输入端的电压值来控制待测溶液 Rs 两端的电压值。再通过测量电流回路中采样电阻上的电压信号,就可以知道回路中流过的电流值,因此可以计算出溶液电导率。所用公式如下:

 

 

式中 C 为溶液的电导率,单位μS/cm;K 为电导池常数,与四个电极的形状、位置、大小等因素有关;v 为电压电极上的电压;i 为通过电流电极的电流值。

 

图 2 双运放测量结构

 

集成芯片中的电导池采用开放式的结构设计,将电流电极与电压电极垂直地安装在支架的侧面,使电极所在的平面与水平面垂直,以减少可沉积在电极表面的污染物与生物对电导率测量的影响。芯片宽 10mm,长 15mm,中心是半径为 2mm 的圆盘形电流电极,面积较大的电流电极可以减小由电极阻抗引起的误差,增大系统的电流灵敏度。周围的一圈圆环形电极是电压电极,将电压电极设计成环形,是为了增强系统的抗污染能力,当有部分电压电极被污物覆盖时,其他未被覆盖的部分均能感应到正常的电压信号。最外部的一圈圆形金属是用于测量温度的铂电阻,阻值约为 500Ω,这使得系统可以实时地对电导率测量进行温度补偿,以提高电导率测量的精度。电导池两侧的芯片上各有一个温度传感器,通过取均值的方法,能更准确地感知整个电导池的温度。图 3 所示为芯片的批量制作图与封装图。

 

图 3 批量制作的集成测量芯片与封装图

 

2 集成芯片制备工艺流程

采用 RCA 标准清洗法对硅片进行清洗以得到干净的硅片表面。硅片两面生长 SiO2 作为绝缘层。在 SiO2 表面生长低应力 Si3N4 薄膜,旋涂 AZ1500 光刻胶,光刻显影得到相应的图形。采用等离子磁控溅射设备在上表面溅射一层 3000Å厚的铂金属作为电极。Lift off 将多余的铂金除去得到规则的图形。最后在硅片上表面旋涂 SU8 胶并显影将温度传感器与电导率传感器分开,得到最后的芯片。图 4 所示即为工艺流程图。

 

图 4 芯片工艺流程图

 

3 实验部分

温度部分采用 A 级 PT100 温度传感器作为标准,在温度检定箱中对温度传感器进行标定,测试数据如表 1 所示。从标定数据和曲线(图 5)可以看出,温度传感器具有很好的线性度,且传感器迟滞误差小,根据铂电阻的阻值即可方便地确定芯片所处环境的温度。

 

 

图 5 温度传感器标定曲线图

 

电导率部分采用 METTLER TOLEDO FG3 电导率测试仪作为标准,这种电导率测试仪具有很高的精度,测试范围 0 ~ 199.9mS/cm,精度为 0.5% F.S。通过比对实验测试了芯片的性能,图 6 说明芯片能够获得较好的线性测量结果。实验数据如表 2 所示。

 

图 6 电导率测试结果图

 

 

4 结论

实验证明使用 MEMS 技术制造的温度和电导率传感器集成芯片具有良好的性能,通过批量制造可以获得大量质优价廉的传感器芯片,这将有利于芯片的大范围推广和使用。此类芯片可以用于便携式仪表或水环境在线自动监测设备,也可用于大型的测试系统。今后可以发展更多功能的集成芯片,将其他溶液参数的测量功能集成在一起,实现多参量的片上测量;同时,还可以将传感器的尺寸进一步缩小,这将使微量甚至痕量液体的温度和电导率参数的测量变得更加容易。