H.Huang B.Carande R.Tang J.Oiler D.Zaitsev V.Agafonov H.Y.Yu

行星地震学是研究地震波如何在行星内进行传播的科学，其在测定行星内部结构和构成中具有特殊的作用。由于地震仪器的发展，我们已经了解了许多地球内部结构情况。相对而言，由于设备研制和部署的难度，我们对其他类地行星内部知之甚少。行星地震仪首先必须有令人满意的典型行星设备要求，如尺寸小、功耗低和运行稳定。另外，其他类地行星如月亮和火星相对于地球具有更多的小震活动，意味着有意义的地震信号比较弱（Anderson et al，1977）。因此，对于行星地震计而言低自噪声是重要参数。另外，由于行星地震计在着陆时会经历急减速过程，所以它们必须要能经受住高强度的撞击（Hopf et al，2010）。传统的基于弹簧质量的宽带地震计体积大、重量沉、易损坏、高耗电，并且更重要的是为了减少热自噪声要使用大型固体悬挂检测质量块而需要复杂的安装过程（Lognonne et al，2000）。同时，还要求严格精确安装，以确保良好的地面耦合和重力方向对齐。基于电容式固态弹簧质量系统的微型地震仪已经开发研制成功，利用微机电系统（MEMS）处理减小了传统设计的尺寸（Pike et al，2009）。由于固有的易碎性和固态弹簧质量系统的工作机制而仍需要严格的安装角度，故这种微型地震仪的研制只有有限的成功（Lognonne，2005）。

不同于固态地震仪，基于分子电子传感器（MET）技术的地震仪通过将电极之间的液体电解质转换为电流检测其运动。市场上的分子电子传感器地震计用标准加工的铂（Pt）电极网和塑料网格作为传感元件中的电介质和电极间距器（Kozlov et al，2006），导致低再现性和限制性能优化。He等（2012）和Li等（2012）已将微机电系统技术应用于制作分子电子传感器传感元件。然而，他们的设备面临叠片内通道对齐的困难并仍有较大的内部尺寸，这限制了仪器的性能。最近，报道了一种用初步研究结果开发微机电系统分子电子传感器（MEMS MET）地震计的方法（Huang et al，2013），其中装置电极间的距离按比例缩小到1μm，使灵敏度和噪声得到明显改进。本文提供了设备物理学的理论分析，其通过对包括线性、灵敏度和噪声的设备完整特征系统地进行实验来验证。结合了微机电系统和分子电子传感器技术的微型地震计的优点包括尺寸小、耐冲击性高（通过消除脆弱悬浮组件实现）、灵敏度高（特别是在低频段）和自噪声低。

图1 分子电子传感器地震计传感元件的示意图

微型分子电子传感地震计的核心组件是分子电子单元，如图1所示。4个电极（Pt）配置为阳极－阴极－阴极－阳极（ACCA），由氮化硅（SiN）绝缘介质隔离，通道内充满了含有碘离子的电解质。通过电极和绝缘介质间隔物的过孔可以流过液体。通道的两端被高弹性的橡胶膜覆盖，使液体遵守惯性定律。图2为精密加工过程的细节。硅晶片顶层通过低压化学蒸汽沉积（LPCVD）氮化硅（SiN）形成设备的基底。4个电极是通过光刻和电子束蒸发发射形成的20nm厚的钛和200nm厚的铂图层。选择铂作为电极，因为对于电解液来讲它具有导电性且不易发生化学反应。每个电极由1μm厚的等离子体隔开以增强在350℃化学蒸气沉积（PECVD）氮化硅层的加工并且分别连接到用于与外部电路连接的触点上。在导线和触点区域上增加一层黄金（Au）层以增加导电性。最后，用深反应离子刻蚀工艺（DRIE）蚀刻背面的硅。深反应离子刻蚀（DRIE）在反应主体达到底部低压化学蒸汽沉积氮化硅层时停止，将会留下一层5.8μm厚的隔膜。然后，用聚焦离子 束 （FIB）系 统 （Nova 200NanoLab，FEI）从隔膜前面制作通孔形成通道，暴露侧壁电极给内部的电解液。通过扫描电子显微镜（SEM）的图像显示出在5.8μm薄膜上聚焦离子束（FIB）制作的通孔侧壁工整光滑，在图2（h）和2（i）中分别显示了交替的铂（Pt）层和氮化硅（SiN）层。

在这类单元中每对阳极阴极实质上就是一个电化电池。当电极有偏压时，可逆化学反应通过阳极和阴极之间电解液中的离子进行转换。这样，建立起了电路。没有流体运动，扩散是溶液中离子传输的唯一途径。离子浓度的对称模式及其梯度趋势，每类离子都是在产生它的电极附近的浓度最高，并在相反电极附近浓度最低（Krishtop et al，2012）。在有外部地面向左加速度的情况下（图1），惯性推动力会作用在电解液上。推动力超过液体阻力时，电解液将沿着通道向右移动。用u（t）表示沿着通道的地面运动，x（t）表示液体惯性质量相对于地面的位移，两者都是向右为正。有两个真正的作用力作用在物质上：

1.弹性膜产生的恢复力，－kV（t），由于它与流动方向相反而为负值，其中V（t）是流过通道的流体体积，k是体积刚度系数，且仅取决于薄膜的特性（Landau and Lifshitz，1986）。

图2 分子电子传感器地震计核心传感元件制作过程（a）～（f）和组装图（g）～（j）

2.阻尼力，－RhSchdV（t）／dt，其与液体的体积流量成线性正比，并与流体动阻力Rh相关，由于Rh阻碍流体运动所以是负值。相对于惯性参考系的物质的加速度等于以地面为参照物的加速度d2x（t）／dt2和地面加速度a（t）＝d2u（t）／dt2的和。由于物体受外力之和一定等于其质量乘以加速度，因此液体的运动方程可以表示为

和如下关系式

式中m是电解液的质量，ρ是电解液的密度，Sch是通道的横截面面积，L代表通道长度。通过改变变量Q（t）＝dV（t）／dt，其中Q（t）是体积流速，公式（1）可以转化为频域。所以在图1中分子电子传感器单元的机械系统的震级传递函数在频域可表示如下：

式中ω0＝是设备的机械谐振频率。由于在电解质相对于框架的运动中，除了扩散，还会在电极间产生离子对流，这将会产生非对称模式的离子浓度，并导致电极表面附近浓度梯度显著改变，从而改变通过电极的输出电流。输出信号的振幅是阴极电流的微 分 （Krishtop et al，2012；Sun and Agafonov，2010）。频域下近似解析电化学传递函数为（Larcam，1965；Kozlov and Safonov，2004）：

式中，ωD＝D／d2是扩散频率，D 是扩散率，d是内部电极间距离。分子电子传感器地震计中所有频率相关传递函数是机械和电化学系统传递函数叠加，可以写成：

从公式（5）可以看出，传递函数中有两个极值点：ω0和ωD。实际上对于分子电子传感器地震计，ω0＜ωD。所以，低截止频率由ω0确定，高截止频率由ωD确定。这项工作最重要的优点之一是通过微机电系统技术能够创建内部电极间距离（d）减小到1μm的分子电子传感器单元，它比已知基于网格的装置（200～300μm）小两个以上数量级。因此，ωD增加显著。在我们的设备中，d＝1μm，D＝2×10－9m2／s，ωD＝2kHz。换句话说，按比例缩小的d到系统传递函数的频率轴右侧的第二点，从而导致带宽展宽。

传感单元的芯片放置在有通道通过的两个塑料壳体之间。通道的两端用弹性且具有化学惰性的橡胶膜覆盖。所有装置都被压嵌在两个金属法兰盘之间。芯片和塑料部件之间的连接都用软圆形环密封。采用真空法填充电解液。组装好的设备被安装在一个空气保护壳中。整体装置如图2（j）所示。单元输出的信号通过由两个互阻抗放大器组成的放大电路进行测量，互阻抗放大器可以用100kΩ转换系数将两个阴极的电流信号转换为电压，然后通过一个差分放大器将两个信号的差异转换为电压输出。测试组装然后放在运动激发器上并用谐波扫描方法判定频率响应。

被测试的设备按顺序接受一系列的振幅恒定、频率覆盖范围在0.08～80Hz的激发。在地球表面重力的单位内（g≡9.81m／s2），长周期频率范围（0.08～8Hz）的激发幅值是400μg，短周期范围（12～80Hz）的激发幅值是1 000μg。图3显示了单一50μm直径通道设备在不同偏置电压下的频率响应曲线灵敏度。在偏置电压600mV时，0.32Hz的灵敏度达到809V／（m／s2），其远大于在0.08～16Hz频率范围的100V／（m／s2）的平均灵敏度。

通过改变输入信号来进行线性测试。为了估计样品的最大线性范围，设置的输入信号比灵敏度测试输入信号大些。观察到的比例因子特性显示在表1中。这里的比例因子计算，将最小应用信号定义为100%。随着输入信号的增加，在相对较小信号输入比例因子减少非常缓慢。最后，在8Hz输入信号高于～2mg时观察到明显的非线性行为，在那里可以观察到戏剧性的下降比例因子。根据表1，传感器的线性范围限制在2mg的水平。实际上，不改变任何传感单元设计的条件下，如果实现负面的反馈机制，其线性范围可以扩展1～2个数量级。

图3 制作的微米分子电子传感器地震计在不同偏压条件频率响应灵敏度的测量结果

表1 8Hz时的比例因子与输入加速度（mm／s2）的对应值

有几个因素造成微型分子电子传感器地震计的自噪声。一个主要因素是由于通道两端不同压力的波动产生的流体热力学自噪声。输入加速度单元的这种噪声与频率无关（Kozlov and Safonov，2003）：

式中T是绝对温度，kB是玻耳兹曼常数。在层流条件下，Rh的表达式为：

式中r是通道圆形截面的半径，μ是流体的黏度，N是通道的数量，l是传感芯的长度。通过改变电极间距d到1μm，l从在传统设备的几毫米下降到5.8μm，这显著地降低了Rh的值，从而也降低了流体热力学的自噪声。其他自噪声还包括对流噪声（Agafonov and Zaitsev，2010）、液体的循环流动产生的流体力学热噪声（Kozlov and Safonov，2003）、几何噪声、散粒噪声和电子信号调制噪声。微型分子电子传感器地震计的自噪声测试是在地下室进行的。测试出的单一50μm直径通道设备和5～50μm直径通道设备的自噪声频谱如图4所示，两者可与商业化的CMG－40T地震计（Guralp系统有限公司）进行比较。从给出的数据可得到如下结论：（1）单通道设备1Hz的自噪声达到 －100dB（1.0μg／■Hz（Huang et al，2013）。5通道设备的流体阻力比单通道的低5倍，在自噪声上表现为近似低5倍（15dB）， 在 1Hz 时 为 －115dB（0.18μg／）。（2）噪声谱在频率范围内不平坦，并证实在频谱低频端接近1／f类型的特性；（3）在所有频段实际噪声水平都比公式（6）预测的值高。这种特性与测试样品自噪声的主要贡献是电子器件1／f噪声的假设一致。

图4 仪器固有自噪声谱密度：（a）单一50μm直径通道设备，（b）5～50μm直径通道设备

总之，开发出了适合行星探索的微机电分子电子传感器地震计的原型。研究了机械和电化学子系统设备的传递函数。分子电子传感器地震计具有与固态地震仪类似的机械动态特性，但没有可能受到损坏的移动结构，这使得性能更加可靠，具有承受高冲击力的固有能力。影响分子电子传感器地震计动态行为的典型参量包括流体的共振频率和电化单元的扩散频率。由于微机电系统的微细加工技术，当内部电极间距离减小到1μm时，上述的扩散频率灵敏度的幅频响应衰减程度开始显著增加。因此这种地震仪可在宽频范围提供足够大的响应。这通过短周期和长周期不同的外部激发，测量制造的和组装的微型分子电子传感器地震计的频率响应灵敏度得到实验证实。缩短电极间距的第二个优点是其对降噪的贡献。通过调整传感单元的几何形状和流体动力阻力，这种性能可以进一步优化以满足特定的应用。