本實用新型涉及慣性傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種平面叉指電極結(jié)構(gòu)的電化學(xué)慣性傳感器。

背景技術(shù)：

慣性傳感器是檢測加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度運動的傳感器，包括直線和角加速度傳感器，在導(dǎo)航定位、運動控制、及振動測量等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。慣性傳感器一直是各國慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究重點,尤其是各種新材料、新技術(shù)在慣性傳感器中的使用。

質(zhì)量-彈簧-阻尼諧振系統(tǒng)是最簡單和常用的慣性測量系統(tǒng)，通過合適的機電換能裝置將慣性質(zhì)量體相對固定框架的位移、速度及加速度轉(zhuǎn)化為可測量的電壓或電流，即可獲得被測物的慣性量。電化學(xué)慣性傳感器采用液體作為質(zhì)量體，通過測量敏感液體內(nèi)離子的電荷遷移變化來表征敏感液體與固定電極間的相對運動。電化學(xué)慣性傳感器通常采用四電極結(jié)構(gòu)，四支惰性金屬電極被放置在充滿可逆氧化還原反應(yīng)的敏感液體流道中，電極之間由絕緣網(wǎng)隔開，如圖1所示，敏感液體可以在管道中自由運動，在小幅度直流電流作用下，陰陽電極之間會形成離子濃度梯度。當敏感液體在外界慣性力的作用下在管道內(nèi)移動時，溶液中的離子在陰極和陽極之間發(fā)生遷移，與敏感液體運動成比例的附加電流就會流向電極，圖2為電化學(xué)慣性傳感器電路原理示意圖，通過測量該附加電流，可以得到外界速度或加速度的大小。電化學(xué)慣性傳感器因其具有靈敏度及信噪比高、動態(tài)范圍大、低頻特性好、不受電磁干擾、抗沖擊性強、無機械噪聲等優(yōu)點，在最近10年得到了廣泛關(guān)注及迅速發(fā)展。

電化學(xué)慣性傳感器主要包括電化學(xué)換能單元、敏感液體、流道、彈性橡膠膜及檢測電路等部分。換能單元是電化學(xué)慣性傳感器制作的核心部件，結(jié)構(gòu)如圖3所示，按加工方式的不同可分為兩大方向，其一是以美國EENTEC公司和俄羅斯MET公司為代表的機械加工，電化學(xué)換能單元以編織的鉑網(wǎng)作為電極、工程塑料篩網(wǎng)作為間隔層，并采用粘接或者焊接的方式組合到一起，該方法雖已商業(yè)化生產(chǎn)，但存在技術(shù)參數(shù)離散性大、產(chǎn)品尺寸壓縮空間小等問題。其二是以美國亞利桑那州立大學(xué)的Hongyu Yu小組和中國科學(xué)院北京電子所的王軍波小組為代表的微機械MEMS加工，如專利CN103048680A、CN103274351A及CN103472480A，采用體硅加工及光刻掩膜的方法制作間隔層及電極，并通過多層粘接或鍵合的方式組合到一起，該方法制作的傳感器具有較高的靈敏度，但存在前期投入大、技術(shù)要求高等問題。

通常，兩類加工方法制作的電化學(xué)換能單元均采用垂直方式安裝在敏感液體流道中間位置，由于敏感液體的強腐蝕性及滲透性，為防止敏感液體的滲漏需要良好的密封機構(gòu)，如專利CN103235337A，傳感器的尺寸被限制不能太小，圖4為現(xiàn)有的電化學(xué)慣性傳感器組裝結(jié)構(gòu)示意圖。

目前，電化學(xué)慣性傳感器僅作為地震檢波器/地震計，應(yīng)用于對運動測量精度要求高、傳感器尺寸要求低的地震波測量中，而在如汽車、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、手機、導(dǎo)航、游戲機等廣泛的中、低精度慣性傳感器需求領(lǐng)域未能應(yīng)用，傳感器尺寸、結(jié)構(gòu)及成本是其中的主要因素。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種平面叉指電極結(jié)構(gòu)的電化學(xué)慣性傳感器，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本實用新型采用兩對對稱排列的叉指電極代替電極/絕緣層間隔排列的換能單元，大幅減小傳感器的整體尺寸，簡化電化學(xué)慣性傳感器的加工工藝及過程。

本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

平面叉指電極結(jié)構(gòu)的電化學(xué)慣性傳感器，包括叉指電極板、敏感液體、U型殼體2、彈性橡膠膜3及檢測電路，所述叉指電極板由基板6和印刷在其上的叉指電極1組成，所述的叉指電極板安裝在U型殼體2的下表面，所述U型殼體2與叉指電極板共同組成敏感液體的流道，流道兩端通過彈性橡膠膜3密封，敏感液體在外部慣性力作用下相對叉指電極1表面流動，導(dǎo)致與慣性力相對應(yīng)的陰/陽極電流發(fā)生變化，電流信號經(jīng)檢測電路差分放大后轉(zhuǎn)為電壓信號輸出。

所述的敏感液體為能在陰/陽電極間發(fā)生自身可逆氧化/還原反應(yīng)的電解液。

所述的能在陰/陽電極間發(fā)生自身可逆氧化/還原反應(yīng)的電解液為碘/碘離子溶液、溴/溴離子溶液、 硫酸根/亞硫酸根離子溶液或二價鐵離子/三價鐵離子溶液。

所述的叉指電極1采用兩對對稱平行排列結(jié)構(gòu)，分別做為電化學(xué)傳感的陽/陰/陰/陽或陰/陽/陽/陰極，叉指電極1采用絲網(wǎng)印刷、光刻掩膜或激光蝕刻法制作。

所述的叉指電極1的材質(zhì)為與密封的敏感液體不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的惰性金屬。

所述的與密封的敏感液體不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的惰性金屬為鉑、金或銀。

所述的U型殼體2上表面設(shè)有一灌注孔4，敏感液體采用真空導(dǎo)流法通過灌注孔4注入電化學(xué)慣性傳感器內(nèi)部，以排除流道內(nèi)壁附著的微小氣泡，灌注孔4通過環(huán)氧樹脂密封。

所述的U型殼體2粘接在叉指電極板兩側(cè)的粘接區(qū)域5的表面。

本實用新型的有益效果在于：

1、兩對叉指電極代替電極/絕緣層間隔排列的換能單元，電極平面平行于流道，大幅減小傳感器的整體尺寸；

2、平面叉指電極結(jié)構(gòu)代替電極/絕緣層間隔排列結(jié)構(gòu)，簡化了電化學(xué)換能單元的制作過程，并大幅降低了器件成本；

3、叉指電極板與U型殼體直接裝配成為密封敏感液體的流道，省去了電化學(xué)換能單元的封裝過程。

4、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低廉、可批量生產(chǎn)，應(yīng)用范圍廣，實用性強。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當限定。

圖1為現(xiàn)有電化學(xué)慣性傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有的電化學(xué)換能單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3、圖4為現(xiàn)有的電化學(xué)慣性傳感器組裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實用新型的電化學(xué)慣性傳感器叉指電極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實用新型的電化學(xué)慣性傳感器組裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、叉指電極；2、U型殼體；3、彈性橡膠膜；4、灌注孔；5、粘接區(qū)域；6、基板；7、焊盤。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的詳細內(nèi)容及其具體實施方式。

參見圖5及圖6所示，本實用新型的平面叉指電極結(jié)構(gòu)的電化學(xué)慣性傳感器，包括叉指電極板、敏感液體、U型殼體2、彈性橡膠膜3及檢測電路，所述叉指電極板由基板6和印刷在其上的叉指電極1組成，所述的叉指電極板安裝在U型殼體2的下表面，所述U型殼體2與叉指電極板共同組成敏感液體的流道，流道兩端通過彈性橡膠膜3密封，敏感液體在外部慣性力作用下相對叉指電極1表面流動，導(dǎo)致與慣性力相對應(yīng)的陰/陽極電流發(fā)生變化，電流信號經(jīng)檢測電路差分放大后轉(zhuǎn)為電壓信號輸出。

所述的敏感液體為能在陰/陽電極間發(fā)生自身可逆氧化/還原反應(yīng)的電解液。

所述的能在陰/陽電極間發(fā)生自身可逆氧化/還原反應(yīng)的電解液為碘/碘離子溶液、溴/溴離子溶液、 硫酸根/亞硫酸根離子溶液或二價鐵離子/三價鐵離子溶液。

所述的叉指電極1采用兩對對稱平行排列結(jié)構(gòu)，分別做為電化學(xué)傳感的陽/陰/陰/陽或陰/陽/陽/陰極，叉指電極1采用絲網(wǎng)印刷、光刻掩膜或激光蝕刻法制作。

所述的叉指電極1的材質(zhì)為與密封的敏感液體不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的惰性金屬。

所述的與密封的敏感液體不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的惰性金屬為鉑、金或銀。

所述的U型殼體2上表面設(shè)有一灌注孔4，敏感液體采用真空導(dǎo)流法通過灌注孔4注入電化學(xué)慣性傳感器內(nèi)部，以排除流道內(nèi)壁附著的微小氣泡，灌注孔4通過環(huán)氧樹脂密封。

所述的U型殼體2粘接在叉指電極板兩側(cè)的粘接區(qū)域5的表面。

實施例：

參見圖5及圖6所示，本實施例所述的平面叉指電極結(jié)構(gòu)的電化學(xué)慣性傳感器，包括U型殼體2、彈性橡膠膜3、由叉指電極1和基板6組成的叉指電極板、及流道內(nèi)承裝的敏感液體；所述叉指電極板為表面對稱排列有兩對叉指電極的絕緣平板，叉指電極作為電化學(xué)反應(yīng)的兩對陰/陽電極；所述敏感液體為溶液離子在陰/陽電極間發(fā)生可逆氧化/還原反應(yīng)的電解液。所述U型殼體2與叉指電極板共同組成敏感液體的流道，流道兩端被彈性橡膠膜密封，敏感液體在外部慣性力作用下相對叉指電極表面流動。所述U型殼體2、基板6采用亞克力材料加工，彈性密封膜3采用硅橡膠注塑成型，U型殼體2、叉指電極板及彈性密封膜3間采用粘接的辦法組裝。

所述的U型殼體2內(nèi)部加工成U型凹槽，與叉指電極板共同作為敏感液體流動的通道，通道兩端采用彈性橡膠膜3密封，敏感液體在外部慣性力作用下相對叉指電極1表面流動；

所述的U型殼體2上表面有一灌注孔4，敏感液體采用真空導(dǎo)流的方法經(jīng)此灌注孔4注入電化學(xué)慣性傳感器內(nèi)部，以排除流道內(nèi)壁附著的微小氣泡，灌注孔4最后采用環(huán)氧樹脂密封。

所述的敏感液體為由0. 01mol/L碘和1mol/L的碘化鉀組成的混合溶液，溶液內(nèi)碘離子在陰/陽電極間發(fā)生可逆氧化/還原反應(yīng)；

所述的叉指電極1采用絲網(wǎng)印刷的方法加工，材質(zhì)選用惰性金屬鉑，U型殼體2粘接在叉指電極板兩側(cè)的粘接區(qū)域5的表面

所述的叉指電極1采用兩對對稱平行排列結(jié)構(gòu)，分別做為電化學(xué)傳感的陽/陰/陰/陽或陰/陽/陽/陰極，電極寬度100μm，電極間隔200μm。

所述的焊盤7與檢測電路相連接，電流信號經(jīng)跨阻放大器轉(zhuǎn)為電壓信號，經(jīng)差分放大后輸出。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。