阅读说明：本技术 一种电化学角加速度传感器的封装方法 (Packaging method of electrochemical angular acceleration sensor ) 是由 陈德勇 陈明惟 王军波 钟安详 段语默 刘博文 梁天 齐文杰 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种电化学角加速度传感器的封装方法,包括以下步骤：将密封垫圈分别放在两个外壳的两端的流道截面上,然后将一个敏感核心放置所述两个外壳的一端之间,将另一个敏感核心放置在所述两个外壳的另一端之间,所述敏感核心位于两个外壳的流道截面上,形成完整的圆环流道；将上述两个外壳、另外两个外壳和密封垫圈通过机械方式密封,完成流道和敏感核心的密封；将电解液注入流道中,将流道中的气泡完全排出后,密封注液口,完成整个电化学角加速度计的封装。本发明的封装方法使角运动的灵敏度增加,减小外界平动运动信号使器件产生的误差,抗干扰性增强；使用橡胶圈进行外壳的封装,减小漏液的可能,器件性能保持稳定时间长。(The invention discloses a packaging method of an electrochemical angular acceleration sensor, which comprises the following steps: respectively placing sealing gaskets on the flow passage sections at two ends of two shells, then placing a sensitive core between one ends of the two shells, and placing the other sensitive core between the other ends of the two shells, wherein the sensitive cores are positioned on the flow passage sections of the two shells to form a complete circular flow passage; sealing the two shells, the other two shells and the sealing washer in a mechanical mode to complete the sealing of the flow channel and the sensitive core; and injecting electrolyte into the flow channel, completely discharging bubbles in the flow channel, and sealing the liquid injection port to finish the packaging of the whole electrochemical angular accelerometer. The packaging method of the invention increases the sensitivity of angular motion, reduces the error of the device caused by external translation motion signals, and enhances the anti-interference performance; and the rubber ring is used for packaging the shell, so that the possibility of liquid leakage is reduced, and the performance of the device is kept stable for a long time.)

一种电化学角加速度传感器的封装方法

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域，尤其涉及低频电化学角加速度传感器组装方法。

背景技术

地震动分为平动和转动两种，振动情况的测量对于研究地震学，进行工程结构的抗震设计等具有重要意义。直接测量地震转动分量的角加速度计，按照惯性质量的不同，可以分为：基于固体惯性质量(机械摆)的角加速度计；MEMS角加速度计；基于液体惯性质量的角加速度计。基于固体惯性质量(机械摆)的角加速度计抗冲击性能差，体积较大且质量较重，并且低频测量下限高；基于MEMS的角运动传感器精度低、温度稳定性差；基于液体惯性质量的分子液环式角加速度计低频测量下限较高，在0.1hz，并且灵敏度低，它们都不适用于低频地震转动分量的测量。

基于电化学原理的角加速度计在低频地震振动信号测量中有明显优势，使用液体惯性质量，抗冲击能力高，并且低频性能好，低频噪声小。电化学角加速度计主要由敏感元件，有机玻璃外壳和电解液等组成，敏感元件由四个按照阳极-阴极-阴极-阳极排列的电极和电极之间的绝缘层组成，敏感元件固定于充满电解质溶液的流道内，电解质溶液由含有KI和I₂的水溶液组成。当阴阳极存在电压差时，电解质溶液中的离子分别在阳极和阴极发生反应，完成阴阳极之间的电荷转移。当电解质溶液存在机械运动时，引起电极周围离子分布不平衡，导致两阴极电流输出不平衡，计算阴极输出的差分电流就可以得到和外界输入运动信号成比例的电信号。

传统的电化学角加速度计的敏感核心是使用陶瓷烧结的方法在陶瓷圆片上制作得到，然后使用环氧树脂胶粘剂将陶瓷敏感核心粘在聚合物外壳板上固定后，再粘在传感器外壳中。使用的环氧树脂固化时会吸收大量电解液影响器件性能，而且液态胶固化后的抗冲击性能差，易断裂。所以本发明使用橡胶圈和螺钉紧固部件，避免胶粘剂引起的问题。传统的陶瓷敏感核心成本昂贵，制作复杂，所以后期主要使用MEMS工艺制作敏感元件，产生了平面电极和体电极两种结构，体电极结构角加速度计灵敏度远高于平面电极结构。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种电化学角加速度传感器的封装方法。本发明提出的即是一种用于敏感核心部件为体电极的电化学角加速度计的封装方法，不再使用环氧树脂粘接部件，保持传感器性能的长期有效。

本发明采用以下技术方案：

一种电化学角加速度传感器的封装方法，包括以下步骤：

步骤1、将四个密封垫圈分别放在第一外壳和第二外壳两端的流道截面上，得到两端带密封垫圈的第一外壳和两端带密封垫圈的第二外壳。

步骤2、将一个敏感核心放置在所述第一外壳的一端和第二外壳的一端之间，所述敏感核心位于两个外壳的流道截面上；将另一个敏感核心放置在所述第一外壳的另一端和第二外壳的另一端之间，所述敏感核心位于两个外壳的流道截面上；由此形成完整的圆环流道。其中，所述敏感核心夹在第一外壳上的密封垫圈和第二外壳上的密封垫圈之间。

步骤3、将第四外壳、第二外壳和密封垫圈通过机械方式密封，将第三外壳、第一外壳和密封垫圈通过机械方式密封，完成流道和敏感核心的密封。

步骤4、通过注液口将电解液注入流道中，将流道中的气泡完全排出后，将注液口密封，完成整个电化学角加速度计的封装。

进一步地，第一外壳和第二外壳分别具有环形流道。

进一步地，所述传感器包括第一外壳、第二外壳、第三外壳和第四外壳，密封垫圈和电极敏感核心。

进一步地，所述密封垫圈为橡胶圈；优选地，所述橡胶圈由硅橡胶或者丁腈橡胶制成。

进一步地，将一个敏感核心通过机械方式固定在所述第一外壳的一端和第二外壳的一端之间；将另一个敏感核心通过机械方式固定在所述第一外壳的另一端和第二外壳的另一端之间。所述机械方式固定是螺钉压紧。例如，通过橡胶圈将一个敏感核心用螺钉压紧在所述第一外壳的一端和第二外壳的一端之间；通过橡胶圈将另一个敏感核心用螺钉压紧在所述第一外壳的另一端和第二外壳的另一端之间。

进一步地，圆环流道的内半径，流道宽度可以根据需要设定。

进一步地，两个敏感核心对称固定在流道中。

进一步地，所述外壳为惰性材料制作；优选地，所述外壳由有机玻璃或者聚四氟制作。

进一步地，所述的电解液为可发生可逆氧化还原反应的溶液。

进一步地，所述电解液为KI和I₂溶液、或溴-溴化物溶液。

本发明的有益效果：

(1)提出一种用于体电极电化学角加速度计的封装方法，相比平面电极，可以提供高一个数量级的角加速度灵敏度。

(2)采用对称放置两个敏感核心在流道中的方法，有输入角加速度信号时，两个敏感核心产生的输出信号相加，不仅可以使角运动的灵敏度增加，而且可以减小外界平动运动信号使器件产生的误差，抗干扰性增强。

(3)使用橡胶圈进行外壳的封装，减小漏液的可能，器件的性能可以在较长时间保持稳定。

(4)外壳可以拆卸重复利用。

附图说明

图1为电化学角加速度传感器敏感核心部分封装示意图；

图2为电化学角加速度传感器右半部分流道封装示意图；

图3为电化学角加速度传感器整体结构。

图中，001：下左有机玻璃外壳；002：下右有机玻璃外壳；003：敏感单元1；004：橡胶圈1；005：橡胶圈2；006：流道；007：注液口；008：上右有机玻璃外壳；009：橡胶圈3；010：上左有机玻璃外壳；011：敏感单元2。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

图1是敏感核心部分封装示意图，主要由下左(001)、下右(002)两个有机玻璃外壳，敏感单元1(003)，敏感单元2(011)，橡胶圈1(004)和橡胶圈2(005)组成。下左有机玻璃外壳(001)上具有环形流道(006)和多个螺孔。橡胶圈1(004)和橡胶圈2(005)分别放置于下左有机玻璃外壳(001)的环形流道截面中两个方形挖空部分。下右有机玻璃外壳(002)上具有环形流道(006)、多个螺孔和注液口(007)。橡胶圈1(004)和橡胶圈2(005)分别放置于下右有机玻璃外壳(002)的环形流道截面中两个方形挖空部分。

橡胶圈是由硅橡胶或者丁腈橡胶等不易吸收电解液的橡胶制成，具有弹性。通过橡胶圈1(004)将敏感单元1(003)用螺钉压紧在下左有机玻璃外壳(001)和下右有机玻璃外壳(002)之间，同时另外一边也通过橡胶圈2(005)将敏感单元2(011)用螺钉压紧在下左有机玻璃外壳(001)和下右有机玻璃外壳(002)之间，形成完整的圆环流道(006)。敏感单元1(003)和敏感单元2(011)左右对称固定在流道中，两个敏感单元的阴极差分输出电流相加作为总的输出电流信号。

当外界对传感器输入角加速度(顺时针方向)时，如图3方向1，电解液相对两个敏感单元分别有同一方向的角加速度(逆时针方向)，分别输出与外界输入角运动信号成比例的电信号，两个电信号的正负号相同，将两个电信号相加可以得到两倍的灵敏度。当外界对传感器输入线加速度(平动)时，如图3方向2，电解液相对两个敏感单元分别有相反方向的加速度，分别输出与外界输入平动运动信号成比例的电信号，两个电信号的正负号相反，将两个电信号相加，可以消除外界平动运动信号使传感器产生的误差信号。这种左右对称放置敏感单元的方式可以减小角加速度传感器受水平振动的影响，同时提高角加速度传感器相对角加速度的灵敏度。

图2是右半部分流道封装示意图，完成敏感核心部分封装之后，将上右有机玻璃外壳(008)，下右有机玻璃外壳(002)和橡胶圈3(009)通过螺钉压紧密封。如图3，上左有机玻璃外壳(010)，下左有机玻璃外壳(001)采用同样操作，完成流道(006)和敏感核心的密封。之后，使用注射器吸取电解液，通过注液口(007)注入流道中，将流道中的气泡完全排出后，使用塑料螺钉拧紧注液口密封，完成整个电化学角加速度计的封装，封装后的整体的结构如图3所示。

本发明的可替代技术方案：

(1)圆环流道的内半径，流道宽度可以根据需要设定；

(2)电解液的KI和I₂溶液可以用其他可发生可逆氧化还原反应的溶液代替，如溴-溴化物溶液等。

(3)敏感核心可以紧固于流道的任意一端，也可以在两端都放置敏感核心。

(4)外壳可以由有机玻璃制作，也可以由聚四氟等惰性材料制作。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。