本發(fā)明涉及電導(dǎo)率傳感器，具體涉及電導(dǎo)率傳感器的電極裝置。

背景技術(shù)：

電導(dǎo)率(Conductivity)、溫度(Temperature)、以及深度(Depth)傳感器(簡稱CTD傳感器或溫鹽深傳感器)是用于監(jiān)測海洋環(huán)境的最基本、最重要的傳感器。其能夠直接提供海水的溫度和鹽度等參數(shù)。這些參數(shù)不僅可用于監(jiān)測海水的流動(dòng)、循環(huán)、以及氣候變化過程，還可以為生物地球化學(xué)以及海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究提供背景物理參數(shù)，在研究全球氣候問題以及監(jiān)測海洋生態(tài)環(huán)境等方面有著重大的意義。同時(shí)，溫度和鹽度參數(shù)還為其它各種海洋傳感器提供必不可少的背景補(bǔ)償參數(shù)。

在CTD傳感器的研究中，溫度和深度傳感器已經(jīng)比較成熟，有大量小型便宜的商業(yè)化產(chǎn)品可以直接使用。而目前的電導(dǎo)率傳感器都是采用封閉式或者半封閉式的三維構(gòu)型，即通過水通道或電導(dǎo)池來約束測量電場，這就需要高精度的三維立體加工制作電導(dǎo)率傳感器，因此電導(dǎo)率傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。同時(shí)，這些水通道或電導(dǎo)池在使用過程中也容易由于材料老化、吸水、以及污染等因素造成形變，導(dǎo)致測量誤差和漂移，難以滿足高精度的監(jiān)測需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種電導(dǎo)率傳感器的電極裝置，包括：

絕緣基板，其包括第一表面和第二表面；

位于所述絕緣基板的第一表面的第一金屬電極，呈環(huán)狀的第二金屬電極、第三金屬電極和第四金屬電極，其中，所述第三金屬電極位于所述第四金屬電極內(nèi)，所述第二金屬電極位于所述第三金屬電極內(nèi)，所述第一金屬電極位于所述第二金屬電極內(nèi)；以及

位于所述絕緣基板的第二表面的四個(gè)焊盤，所述四個(gè)焊盤分別與所述第一、第二、第三和第四金屬電極電連接。

優(yōu)選的，所述第一金屬電極呈圓形，所述第二、第三和第四金屬電極呈圓環(huán)狀。

優(yōu)選的，所述第一、第二、第三和第四金屬電極具有同一圓心。

優(yōu)選的，所述第三金屬電極靠近所述第四金屬電極，所述第二金屬電極靠近所述第一金屬電極，且所述第二金屬電極到第三金屬電極的間距大于所述第三金屬電極到第四金屬電極的間距、大于所述第一金屬電極到第二金屬電極的間距。

優(yōu)選的，所述第四金屬電極的內(nèi)徑是所述第一金屬電極的半徑的5～20倍。

優(yōu)選的，所述第一、第二、第三和第四金屬電極的厚度相等，且厚度為18～70微米。

優(yōu)選的，所述第一、第二、第三和第四金屬電極為銀電極，且其表面覆蓋0.5～2微米的金屬鉑。

優(yōu)選的，所述絕緣基板還包括貫穿所述第一表面和第二表面的四個(gè)通孔，所述電極裝置還包括位于所述四個(gè)通孔中的導(dǎo)電部件，所述導(dǎo)電部件用于將所述第一、第二、第三和第四金屬電極分別與所述四個(gè)焊盤電連接。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)電部件附著在所述四個(gè)通孔的側(cè)壁上，且所述四個(gè)通孔內(nèi)部填充有環(huán)氧樹脂。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)電部件為填充在所述四個(gè)通孔中的導(dǎo)電柱。

本發(fā)明的電極裝置呈平板狀，且直接由環(huán)形電極約束測量電場。無需增加三維構(gòu)件形成封閉或半封閉的空間。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，便于實(shí)現(xiàn)小型化。

測量精度高、響應(yīng)速度快，且不存在測量漂移。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例的電導(dǎo)率傳感器的電極裝置的立體示意圖。

圖2是圖1所示的電極裝置沿箭頭A1所指的方向看的俯視圖。

圖3是圖1所示的電極裝置沿箭頭A2所指的方向看的仰視圖。

圖4是圖1所示的電極裝置沿B-B線的剖視圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例的電導(dǎo)率傳感器的電極裝置的立體示意圖。如圖1所示，電極裝置1包括厚度約為0.4毫米的陶瓷基板11，陶瓷基板11具有相對設(shè)置的表面111、112，以及孔徑為0.2毫米的通孔131、132、133、134。電極裝置1還包括位于陶瓷基板11的表面111上的金屬電極121、122、123、124，以及位于陶瓷基板11的表面112上的四個(gè)焊盤(下面將結(jié)合圖3和4詳細(xì)說明)。金屬電極121～124的厚度都為35微米，且分別覆蓋在通孔131～134上。

圖2是圖1所示的電極裝置沿箭頭A1所指的方向看到的俯視圖。如圖2所示，金屬電極124呈圓環(huán)狀，其內(nèi)徑為11毫米、圓環(huán)寬度為1.6毫米。位于金屬電極124內(nèi)的金屬電極123呈圓環(huán)狀，其內(nèi)徑為9毫米、圓環(huán)寬度為1毫米。位于金屬電極123內(nèi)的金屬電極122呈圓環(huán)狀，其內(nèi)徑為2.4毫米、圓環(huán)寬度為1毫米。位于金屬電極122內(nèi)的圓形金屬電極121的半徑為1.2毫米。其中金屬電極121～124具有同一圓心，金屬電極123靠近金屬電極124，金屬電極122靠近金屬電極121。

圖3是圖1所示的電極裝置沿箭頭A2所指的方向看到的仰視圖。如圖3所示，陶瓷基板11的表面112上具有彼此電隔離的焊盤141、142、143和144，焊盤141～144分別覆蓋通孔131～134。

圖4是圖1所示的電極裝置沿B-B線的剖視圖，其中剖平面通過通孔131～134。如圖4所示，通孔131～134的側(cè)壁上分別附著有導(dǎo)電部件151、152、153、154，且通孔131、132、133、134內(nèi)部填充有環(huán)氧樹脂(圖4未示出)。焊盤141～144分別通過導(dǎo)電部件151～154與金屬電極121～124電連接。金屬電極122、123的間距d2為5.6毫米，遠(yuǎn)大于金屬電極121、122的間距d1(1.2毫米)，同時(shí)遠(yuǎn)大于金屬電極123、124的間距d3(1毫米)。

利用上述電極裝置1進(jìn)行測量的過程如下。

將金屬電極121～124直接與待測海水接觸；

在焊盤141和焊盤144之間施加10kHz的交流電流I，測量焊盤142、143之間的電壓響應(yīng)信號(hào)V(或在焊盤142、143之間的電壓為設(shè)定值V的情況下，測量焊盤141和焊盤144之間的激勵(lì)信號(hào)的電流I)；

通過公式C＝K·I/V計(jì)算海水的電導(dǎo)率C，其中K為電導(dǎo)率傳感器的形狀常數(shù)，與電導(dǎo)率傳感器的外形和尺寸有關(guān)，可通過對電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)獲得。如果考慮金屬電極和導(dǎo)線的阻抗，以及測量電路中的非線性因素，更精確的電導(dǎo)率可由公式C＝K₀+K₁·I/V+K₂(I/V)²計(jì)算得出。其中K₀、K₁、K₂為二次多項(xiàng)式擬合系數(shù)，通過對電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)獲得。

在金屬電極121和金屬電極124上施加激勵(lì)信號(hào)時(shí)，金屬電極121可以等效為一個(gè)金屬圓球電極，其產(chǎn)生的電場強(qiáng)度E＝k·q/r²，其中k為常數(shù)，q為金屬電極121的電荷，r為空間上的一點(diǎn)到金屬電極121中心的距離。金屬電極124可以等效為與其內(nèi)徑相同的金屬球殼，由于金屬電極121和金屬電極124是一對電極對，電荷之和為零，因此金屬電極124之外沒有電場，金屬電極121產(chǎn)生的電場約束在金屬電極124內(nèi)部，提高了測量的精度。

實(shí)際上，將圓環(huán)狀的金屬電極124等效為金屬球殼會(huì)帶來測量誤差，因?yàn)榉浅Ｉ倭康碾妶鲞€是會(huì)擴(kuò)散到金屬電極124之外。根據(jù)電場強(qiáng)度公式E＝k·q/r²可知，電場強(qiáng)度與距離的二次方成反比，絕大部分電場強(qiáng)度和電勢都在金屬電極121附近。因此增加電極裝置的尺寸，使得金屬電極124的內(nèi)徑遠(yuǎn)大于金屬電極121的半徑可以減小測量的誤差。例如，當(dāng)金屬電極124的內(nèi)徑是金屬電極121半徑的10倍時(shí)，在不考慮金屬電極124對電場的約束效應(yīng)下，金屬電極124之外的電場強(qiáng)度比金屬電極121附近的電場強(qiáng)度小2個(gè)數(shù)量級(jí)。如果考慮環(huán)狀的金屬電極124對金屬電極121產(chǎn)生的電場的約束效應(yīng)，金屬電極124之外的電場強(qiáng)度比金屬電極121附近的電場強(qiáng)度小3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，如此微小的電場泄漏使得電壓測量值的精度高。

本發(fā)明的電極裝置1呈平板狀，且直接由環(huán)形電極約束測量電場。電極裝置1無需增加三維構(gòu)件形成封閉或半封閉的空間。電極裝置1的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，便于實(shí)現(xiàn)小型化。

本發(fā)明的電極裝置1的金屬電極121～124直接與海水接觸，提高了響應(yīng)速度。由于金屬電極121～124表面沒有涂覆絕緣材料，不存在絕緣鍍膜材料吸水變形的情況，因此不存在測量漂移。

金屬電極122、123位于金屬電極121、124之間，且分別靠近金屬電極121、124，因此金屬電極122、123之間具有較大的等效電阻抗，絕大部分電壓降在金屬電極122、123之間，減小電極附近的氣泡、雜質(zhì)等對電壓測量的影響，從而提高了電導(dǎo)率的測量精度。

本發(fā)明的電極裝置1的制造過程如下：

選取厚度為0.4毫米陶瓷基板11，該陶瓷基板11上制作內(nèi)徑為0.2毫米的四個(gè)通孔131～134；

在陶瓷基板11的四個(gè)通孔131～134上方分別鋪上半徑為1.2毫米的圓形銀粉，圓環(huán)寬度為1毫米、內(nèi)徑為2.4毫米的圓環(huán)形銀粉，圓環(huán)寬度為1毫米、內(nèi)徑為9毫米的圓環(huán)形銀粉，以及圓環(huán)寬度為1.6毫米、內(nèi)徑為11毫米的圓環(huán)形銀粉，四個(gè)圓環(huán)同心，其中部分銀粉會(huì)附著在通孔131～134的側(cè)壁上。燒結(jié)陶瓷基板11上的銀粉，從而在陶瓷基板11的表面111上形成一個(gè)圓形電極121和三個(gè)圓環(huán)狀電極122、123、124，以及位于通孔131～134側(cè)壁上的導(dǎo)電部件151～154；

在陶瓷基板11的另一表面112上分別鋪上相互隔離的四堆銀粉，再次燒結(jié)，從而在陶瓷基板11的表面112上形成與導(dǎo)電部件151～154分別電連接的焊盤141～144；

用環(huán)氧樹脂膠水填滿陶瓷基板11的四個(gè)通孔；

除去電極121～124表面可能存在的環(huán)氧樹脂和氧化層，在電極121～124上電鍍一層厚度約為1微米的金屬鉑。

上述制造過程并沒有采用復(fù)雜的三維立體加工工藝，因此制造成本低。

在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，金屬電極124的內(nèi)徑為金屬電極121的半徑的5～20倍。一方面將測量電場幾乎全部束縛在金屬電極121附近，另一方面確保電極裝置的尺寸和面積盡可能小。

在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，金屬電極122、123、124為矩形環(huán)、橢圓環(huán)等其它環(huán)形。

在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，四個(gè)金屬電極的厚度為18～70微米，且其表面覆蓋0.5～2微米的金屬鉑。由于四個(gè)金屬電極的厚度比通過傳統(tǒng)的MEMS工藝形成的納米級(jí)金屬電極的厚度要厚，因此本發(fā)明的電極裝置的金屬電極的阻抗更低，減小電極阻抗造成的非線性和熱阻抗影響，能夠獲得更高的測量精度。

在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，在四個(gè)通孔中填充有實(shí)心的導(dǎo)電柱。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。