一体化三轴电化学地震检波器及其检测方法技术领域
本发明涉及地震检波器技术领域，尤其涉及一种一体化三轴电化学地震检波器及
其检测方法。
背景技术
地震检波器是可以用来检测微小振动的传感器，因此在地质勘探、海底观测等很
多领域都有很广泛的应用。由于采用的原理不同，地震检波器分为不同的种类。与其他地震
检波器相比，电化学地震检波器采用电解质溶液作为惯性质量，具有工作倾角容限大、低频
性能良好且成本低的优点。由于MEMS加工方法批量化加工能力强的特点，MEMS电化学地震
检波器解决了采用丝网编织工艺制作而成的电化学地震检波器的一系列问题，包括一致性
差、难以对齐、生产效率低下等。但是，目前单轴MEMS电化学地震检波器只能用来检测一个
方向的振动，检测三轴振动的电化学地震检波器则需要三个单轴电化学地震检波器两两正
交组成。这种放置方式需要通过一个稳定的、严格正交的支架来完成。这种设备可以实现三
轴振动的检测，但无疑增大了检波器的体积和重量。而且，三个电化学地震检波器拥有六对
铂电极，每两对电极都需要相应的差分电路实现差分输出，因此其成本是普通单轴设备的
三倍以上。除此之外，每个单轴设备的封装测试等，都需要保持很高的一致性，这就加大了
生产难度，降低了生产效率，在实际中应用中有非常大的局限性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种一体化三轴电化学地震检波器的及其检测
方法，减小了所采用的铂电极数量，无需额外设置正交支架结构，占用空间小，成本低，有利
于三轴电化学地震检波器的广泛应用。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种一体化三轴电化学地震检波器，包括：外壳，
其具有至少三个上下贯穿的流道；弹性膜，分别覆盖所述外壳的上、下端，与所述外壳一起
形成一密闭的空间；敏感单元，分别设置在所述至少三个上下贯穿的流道中；电解质溶液，
密封在由所述外壳、弹性膜及敏感单元形成的腔室中，在所述敏感单元的电极表面流动；以
及流阻块，设置在所述外壳与覆盖其上端的弹性膜之间，用于将各流道间隔开。
优选的，所述地震检波器中，所述流阻块通过胶体与所述外壳及其上端的弹性膜
粘结，将所述外壳分隔成对称的四个区域，阻挡所述电解质溶液的流动。
优选的，所述地震检波器中，所述流道为四个，分别位于分隔成的四个区域内，四
个流道的中心在所述外壳中排列成正方形，所述正方形中心与所述外壳的中心重合。
优选的，所述地震检波器中，所述流道为三个，分别位于所述四个区域的其中三个
区域内，三个流道的中心在所述外壳中排列成等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的斜
边中心与所述外壳的中心重合。
优选的，所述地震检波器中，所述流阻块的数量为两个，相互垂直排列设置，每个
流道中心到达流阻块的垂直距离相等。
优选的，所述地震检波器中，所述敏感单元包括：绝缘层，其包括基底和该基底表
面的氧化层；以及，电极层，形成于所述绝缘层的上、下表面；其中，所述敏感单元具有多个
流道孔，所述电解质溶液可从所述流道孔中流过。
优选的，所述地震检波器中，所述敏感单元采用MEMS工艺制作，所述电极层通过溅
射工艺制备，所述流道小孔采用深反应离子刻蚀形成。
优选的，所述地震检波器中，所述外壳为有机玻璃外壳；所述弹性膜的材质为丁基
橡胶；所述电解质溶液为碘化钾和碘单质的混合溶液、溴化物和溴单质的混合溶液，或包含
二价铁离子和三价铁离子的混合溶液其中之一；所述流阻块的材质为隔水塑料。
优选的，所述地震检波器中，所述外壳分为上、下壳，二者形状相同，通过橡胶O型
环连接，所述外壳通过钢圈与所述弹性膜连接，形成密闭空间。
根据本发明的一个方面，提供了一种采用所述地震检波器进行检测的方法，包括：
在阳极和阴极之间施加工作电压，电解质溶液中的离子在电极表面发生电化学反应，产生
电荷交换，从而形成电流；当地震检波器受到地震波的振动时，相当于受到一个加速度的作
用，电解质溶液内部产生对流，改变电解质溶液的离子浓度分布和速度场，影响电极处的反
应速率，从而使阴极的输出电流发生改变；所述三轴电化学地震检波器中，由于电极的对称
排列，对于x轴、y轴两个轴向的振动，沿该轴纵向排列的两个流道中液体流动方向相反，流
道中敏感单元的输出电流呈相反变化，对于z轴振动，所述流道的纵向全部沿z轴展开，因此
对于z轴的振动响应相同；将阴极输出的电流信号通过电路中的电阻转化为电压信号，将沿
检测轴向纵向分布的敏感单元输出结果差分解耦输出，通过检测这个差分解耦输出，以完
成对地震波的检测。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明一体化三轴电化学地震检波器及其解耦方法至
少具有以下有益效果其中之一：
(1)现有的三轴电化学地震检波器需要采用严格正交放置的支架，保证与外壳的
一致性和稳定性，而本发明一体化三轴电化学地震检波器由于采用耦合检测的方式，无需
采用正交支架，节省了许多不必要的空间，大大减小了体积，有利于三轴电化学地震检波器
的进一步应用。
(2)现有普遍采用三个单轴地震检波器相互正交放置来检测震动的方式，需要采
用六对电极。本发明为一体化三轴地震检波器，采用相应的解耦方法，实现了三轴振动的检
测，减少了采用的铂电极的数量，保证检波器性能的同时降低了成本。
(3)采用MEMS制作工艺，使加工简单、成本低，实现微型化，而且成品率高，适于批
量化生产。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中
相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示
出本发明的主旨。
图1为本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的纵向剖面图。
图2为本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的俯视图。
图3为本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的敏感单元的纵向剖面
示意图。
图4a本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的电解质溶液在施加x轴
向振动时流动示意图。
图4b本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的电解质溶液在施加y轴
向振动时流动示意图。
图4c本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的电解质溶液在施加z轴
向振动时流动示意图。
图5为本发明第二实施例的一体化三轴电化学地震检波器的纵向剖面图。
图6为本发明第二实施例的一体化三轴电化学地震检波器的俯视图。
【主要元件】
1-弹性膜；2-外壳；3-敏感单元；4-电解质溶液；5-流阻块；6-第一流道；7-第二流
道；8-第三流道；9-第四流道；10-绝缘层；11-电极层；12-流道孔。
具体实施方式
以下将参考附图描述本发明实施例的一体化三轴电化学地震检波器及其检测方
法。在本发明中，需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的
图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另
外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而
是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如
“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来
说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供的一体化三轴电化学地震检波器，包括：
外壳，其具有至少三个上下贯穿的流道；
弹性膜，分别覆盖所述外壳的上、下端，与所述外壳一起形成一密闭的空间；
敏感单元，分别设置在所述至少三个上下贯穿的流道中；
电解质溶液，密封在由所述外壳、弹性膜及敏感单元形成的腔室中，在所述敏感单
元的电极表面流动；以及
流阻块，设置在所述外壳与覆盖其上端的弹性膜之间，用于将各流道间隔开。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发
明进一步详细说明。
<第一实施例＞
图1为本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的纵向剖面图。请参照
图1，本实施例一体化三轴电化学地震检波器，包括：
外壳2，其具有四个上下贯穿的流道6、7、8、9；
弹性膜1，分别覆盖所述外壳的上、下端，与所述外壳一起形成一密闭的空间；
敏感单元3，分别设置在所述四个上下贯穿的流道中；
电解质溶液4，密封在由所述外壳、弹性膜及敏感单元形成的腔室中，在所述敏感
单元的电极表面流动；以及
流阻块5，设置在所述外壳与覆盖其上端的弹性膜之间，用于将各流道间隔开。
图2为本发明实施例的一体化三轴电化学地震检波器的俯视图。请参照图2所示，
所述流阻块的数量优选为两个，相互垂直排列设置，每个流道中心到达流阻块的垂直距离
相等。所述流阻块通过胶体与所述外壳及其上端的弹性膜粘结，将所述外壳分隔成对称的
四个区域，阻挡可阻挡电解质溶液在所述外壳上端与其上端的弹性膜之间的空间内由其中
一个流道流向另一个流道，以便差分解耦时最大的消除其他方向的振动。
所述四个流道分别位于分隔成的四个区域内，四个流道的中心在所述外壳中排列
成正方形，所述正方形中心与所述外壳的中心重合。
所述流阻块的材料为隔水材料，优选为塑料泡沫。为了对电解质溶液的流动区域
进行较好的限制，在外壳上，厚度均匀的流阻块用防水胶粘将外壳与弹性膜牢固的粘在一
起，流阻块的长度根据弹性膜的尺寸决定，宽度(厚度)约为5mm，高度以弹性膜和外壳之间
距离为准。每个流道中心到达流阻块的垂直距离约为14mm。
图3为本发明第一实施例的一体化三轴电化学地震检波器的敏感单元纵向剖面示
意图。如图3所示，所述敏感单元3包括：
绝缘层10，包括基底和该基底表面的氧化层；
电极层11，形成于所述绝缘层的上、下表面；其中，
所述敏感单元上具有多个流道孔，所述电解质溶液可从所述流道孔中流过。
进一步的，所述基底可为硅片、石英及玻璃其中之一，所述电极材料为金属铂。
所述敏感单元采用MEMS工艺加工制作，其制作方法包括：
a.将基底进行热氧化，在其表面形成氧化层，作为敏感单元的绝缘层10；
b.通过溅射工艺在所述绝缘层的上、下表面分别制备电极层11；
c.最后要采用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀通过所述步骤b得到的具有电极层的所
述绝缘层，形成流道孔12。
其中，步骤a中所述基底的厚度优选为130μm。
本实施例四个敏感单元3分别位于所述四个流道6、7、8、9的中心，其到流阻块5的
垂直距离相同，由此保证了四个流道的对称性，以利于差分解耦时可以最大的消除其他方
向的振动。所述四个流道分别为：第一流道6、第二流道7、第三流道8以及第四流道9。其中，
所述流道的横截面的形状为方形、圆形或其他形状。
进一步的，所述外壳可分为上、下两个，形状完全相同，通过橡胶O型环压紧，将敏
感单元3密封在其内，弹性膜1通过外部的钢圈与所述外壳压紧，形成不含空气的密闭空间，
电解质溶液4在其中流动。所述流道的形状可为圆形或其他形状，直径为5mm，所述外壳上、
下底面的形状可为具有对称性的图形，例如圆形，正方形等，所述弹性膜的形状可与所述外
壳上、下底面的形状相同。
另外，所述弹性膜为丁基橡胶或其他弹性有机材料；所述外壳采用有机玻璃材料
形成；所述电解质溶液为碘化钾和碘单质的混合溶液、溴化物和溴单质的混合溶液，或包含
二价铁离子和三价铁离子的混合溶液其中之一。
本发明第一实施例提供的一体化三轴电化学地震检波器，主要是通过所述敏感单
元对三轴振动的不同输出进行差分计算，来实现三个轴向振动的独立检测。其检测方法如
下：
A在阳极和阴极之间施加工作电压，电解质溶液中的离子在电极表面发生电化学
反应，产生电荷交换，从而形成电流。
具体的，电解质溶液一般采用碘-碘离子(一般为KI)按一定比例混合(一般为1：
50)的溶液，碘与碘离子会发生化学反应生成I3-。在阳极和阴极之间施加0.3v工作电压各个
电极板上的化学反应如下所示，电解质溶液4中的离子会在电极表面发生电化学反应，产生
电荷交换，各个电极板上的化学反应如下所示。
阴极：I3-+2e-→3I-；阳极：I--2e-→I3-
在无外加振动时，液体流动是动态平衡的，因此溶液的例子浓度梯度保持稳定不
变，且由于溶液中I-浓度远远高于碘单质的浓度，因此在阴极附近I3-离子浓度近似于0。
B当地震检波器受到地震波的振动时，相当于受到一个加速度的作用，电解质溶液
内部产生对流，改变电解质溶液的离子浓度分布和速度场，有更多的I3-到达阴极参与电极
反应。再加上电极处的反应速率的影响，从而使阴极的输出电流发生改变。
C所述三轴电化学地震检波器中，四个电极分别在一个正方形的四个顶点，正方形
的边长沿x轴与y轴排列。因为两对电极的对称排列，所以对于x轴、y轴两个轴向的振动，沿
该轴纵向排列的两个流道中液体流动方向相反，流道中敏感单元的输出电流呈相反变化。
对于z轴振动而言，四个流道的纵向全部沿z轴展开，因此对于z轴的振动响应相同。
D将阴极输出的电流信号通过电路中的电阻转化为电压信号，将沿检测轴纵向分
布的敏感单元输出结果差分解耦输出，通过检测这个差分解耦输出，以完成对地震波的检
测。
更具体而言，本发明实施例中四个敏感单元的上面的电极是阳极，下面的电极是
阴极，则对于x轴向的振动，位于流道6(8)和流道7(9)的敏感单元的输出是不同的，将位于
流道6(8)和流道7(9)的敏感单元输出进行差分计算，抵消y轴振动和z轴振动引起的敏感单
元的输出，放大x轴振动输出。对于y轴向的振动，流道6(7)和流道8(9)的敏感单元输出是不
同的，将位于流道6(7)和流道8(9)输出进行差分计算，抵消x轴振动和z轴振动引起的敏感
单元的输出，放大x轴振动输出。对于z轴向的振动，流道6、7、8和9的敏感单元的输出完全相
同，将流道6、7、8和9的输出相加，抵消x轴振动和y轴振动引起的敏感单元的输出，放大z轴
振动输出。
以下结合图4a、4b、4c详细介绍本发明第一实施例一体化三轴电化学地震检波器
采用四个流道时的解耦方法：
(1)输出x轴振动信息时，x轴向振动引起地震检波器内电解质溶液沿如图4a中箭
头所示的方向流动，再加上弹性膜与电解质溶液本身的重力的作用，由于流道6(8)和7(9)
沿x轴纵向排列，流道6(8)和7(9)内的电解液流动方向始终相反。因此，对流道6(8)和7(9)
内的敏感单元输出进行差分计算(u6-u7)、(u8-u9)，抵消y轴振动和z轴振动引起的敏感单元
的输出，再将差分结果叠加，放大x轴振动输出[(u6-u7)+(u8-u9)]，即可得到显著的x轴振动
输出检测结果。因此，在此结构中，有如下计算过程。
uX＝(u6-u7)+(u8-u9)
其中u6、u7、u8和u9分别为四个流道内的敏感单元对于振动信号的输出，uX为x轴向
的检测输出。
(2)输出y轴振动信息时，y轴向振动引起地震检波器内电解质溶液沿如图4b中箭
头所示的方向流动，再加上弹性膜与电解质溶液本身的重力的作用，由于流道6(7)和8(9)
沿y轴纵向排列，流道6(8)和7(9)内的电解质溶液流动方向始终相反。因此，对流道6(7)和8
(9)内的敏感单元输出进行差分计算(u6-u8)、(u7-u9)，抵消x轴振动和z轴振动引起的敏感
单元的输出，再将差分结果叠加，放大y轴振动输出[(u6-u8)+(u7-u9)]。因此，在此结构中，
有如下计算过程。
uY＝(u6-u8)+(u7-u9)
其中u6、u7、u8和u9分别为四个流道内的敏感单元对于振动信号的输出，uY为y轴向
的振动输出。
(3)输出z轴振动信息时，z轴向振动引起底座检波器内电解液沿如图4c中箭头所
示的方向流动，由于(6)、(7)、(8)和(9)四个流道纵向都沿y轴方向，因此流道(6)、(7)、(8)
和(9)中的敏感单元的对于z轴振动结果的检测完全相同。因为对于x轴与y轴的振动，敏感
单元之间的变化两两相反，因此将(6)、(7)、(8)和(9)的输出进行相加，可以抵消x轴振动和
y轴振动引起的敏感单元的输出，放大z轴振动输出。在此结构中，有如下计算过程。
uZ＝u6+u7+u8+u9
其中u6、u7、u8和u9分别为四个流道内的敏感单元对于振动信号的输出，是由检波
器直接测得；uZ为z轴向的振动输出，三轴振动信息uX、uY、uZ的提取需要通过具备上述差分
叠加功能的电路的计算。
<第二实施例＞
图5为本发明第二实施例的一体化三轴电化学地震检波器的纵向剖面图。请参照
图5，本实施例一体化三轴电化学地震检波器，包括：
外壳2，其具有三个上下贯穿的流道6、7、8；
弹性膜1，分别覆盖所述外壳的上、下端，与所述外壳一起形成一密闭的空间；
敏感单元3，分别设置在所述三个上下贯穿的流道中；
电解质溶液4，密封在由所述外壳、弹性膜及敏感单元形成的腔室中，在所述敏感
单元的电极表面流动；以及
流阻块5，设置在所述外壳与覆盖其上端的弹性膜之间，用于将各流道间隔开。
图6为本发明第二实施例的一体化三轴电化学地震检波器的俯视图。请参照图6所
示，与第一实施例不同之处在于，本实施例中外壳具有三个上下贯穿的流道，所述三个流道
分别位于所述四个区域的其中三个区域内，三个流道的中心在所述外壳中排列成等腰直角
三角形，所述等腰直角三角形的斜边中心与所述外壳的中心重合。
除此之外，其余结构均与第一实施例相同，例如敏感单元、外壳、流阻块、电解质溶
液等的设置，此处不再赘述。
相应的，当采用三个流道时，例如保留上述第一至第三流道6、7、8，省去上述第四
流道9时，其解耦结果如下：
(1)输出x轴振动信息时，有如下计算过程。
uX＝u6-u7
其中u6、u7分别为第一、二流道内的敏感单元对于振动信号的输出，uX为x轴向的检
测输出。
(2)输出y轴振动信息时，有如下计算过程。
uY＝u6-u8
其中u6、u8分别为第一、三流道内的敏感单元对于振动信号的输出，uY为y轴向的振
动输出。
(3)输出z轴振动信息时，有如下计算过程。
uZ＝u6+u7+u6+u8
其中u6、u7、u8分别为第一至第三个流道内的敏感单元对于振动信号的输出，uZ为z
轴向的振动输出，三轴振动信息的提取可通过具备上述差分叠加功能的电路的计算。
由于三个流道的检测原理、解耦过程与四个流道相似，故此处不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术
领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并
不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简
单地更改或替换，例如：
(1)流道形状不限于圆形、方形，还可以采用其他形状，外壳的形状同样也可以为
圆形、方形及其他形状，均不影响本发明的实现；
(2)流阻小块的数量、结构及排列方式可适当的改变，只需将四个流道间隔开即
可，同样可以实现本发明；
(3)敏感单元结构不限于阴、阳电极单片集成的结构，也可以是独立绝缘层和电极
层或者是绝缘层集成于电极层等结构，均不影响本发明的实现。
综上所述，本发明实施例提供的一体化三轴电化学地震检波器及其检测方法，相
较于现有的地震检波器及其检测方法，其采用的铂电极数量明显减少，且不需要采用正交
支架，占用空间小，成本低，有利于三轴电化学地震检波器的集成和应用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详
细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡
在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保
护范围之内。