基于石墨烯的低噪声电场传感器研究

Electrical prospecting is looking at different types of ore deposits,find out the useful geological structure and problems of geophysical exploration method. Electric field sensor is the key component in the electrical measurement. Non-polarizing electrode based on metal and its salt solution has been widely applied to the measurement of electric field. The characteristic of electrode changed with the time increasing due to ion conducting electrolyte concentration, such as unstable polarization potential difference, large internal resistance, large noise of electrode itself. The measurement results of the type electrode are not reliable in the weak signal environment and long period monitoring applications. The electrode is pollution to the environmen because of the materials using copper, lead, silver. This project is based on the special electrochemical properties of nano material graphene.By study on generating mechanism and influence factors of the polarization potential, electrochemical properties of graphene, electrode material proportion and electrode structure based on graphene,the project develope the small polarization potential difference, stable, low internal resistance, long service life, green environmental protection, and low noise electric field sensor.The new electrode provide critical sensor components support for the large-scale theree-dimesional electromagnetic deep resource exploration.

电法勘探是寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法，电场传感器是接地电法测量中必不可少的关键部件。金属-金属盐溶液不极化电极已广泛应用到电场测量中，不极化电极由于通过离子导电，电极中电解质浓度随着使用时间增加而改变，电极间极差不稳定，内阻大，电极自身噪声大，在电场信号微弱环境与长周期监测应用中，测量结果不可靠，且电极材料多采用铜、铅、银等金属，对环境造成污染。本项目根据纳米材料石墨烯优良的电化学特性，通过对极化电位产生机理与影响因素，石墨烯电化学性能，基于石墨烯的电极材料配比与结构的攻关研究，研制出一种低极差、高稳定、内阻小的电场传感器，并通过在传感器间加入电路，对信号进行放大与调理，实现小极距、强干扰环境下微弱电场信号的有效传输与拾取,为大规模三维电磁深部资源勘探，提供关键传感部件支撑。

电法勘探是寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法，电场传感器是接地电法测量中必不可少的关键部件。目前使用最广泛的是化学不极化电极，影响不极化电极的因素很多，制约了更高精度的测量，影响了不极化电极的寿命，增加保养难度以及对环境的潜在污染。石墨烯的优异的电学性质，稳定的结构，能够很好的克服不极化电极的缺陷，并取得更高的电场测量精度。. 本项目使用中国科学院上海微系统与信息技术研究所制备的石墨烯材料，厚度在5个原子层以内，横向尺寸为1～5微米。石墨烯材料为黑色粉末状颗粒，将其分散到特定基体材料中，涂覆于金属片上制成电极，通过金属导线连接到仪器中，通过添加其它高分子材料来增加机械强度。为了保持少层石墨烯的高导电性、高比表面积、大横向尺寸等优点，采用创新的柔和氧化技术，使现有的缺陷位置转变为更多氧原子并且更亲水的羧基，从而有利于石墨烯和环氧的均匀复合，同时优化少层石墨烯的表面基团，增强与还原体系的亲和力。在工艺方面采用高能剪切方案辅助石墨烯在环氧树脂中直接分散。. 当电场传感器间距较小时，易受环境电磁干扰，无法识别极微弱的信号，在电极间加入极间低频噪声抑制与调理模块，对电极所获取的信号进行噪声压制与放大，进而传送给采集站进行信号采集，获取更高信噪比的信号，提高测量精度。. 通过性能测试表明，研制的新型电场传感器内阻为2-15欧姆，噪声约为30nV/rt(Hz)@1000Hz，配对后的极差小于±1mV，均优于传统不极化电极。在河北固安、张北、康保等地进行了大量的野外实际勘查工作，包含了MT、AMT、CSAMT等地球物理方法，均取得了良好的工程应用成果。有望在今后替代现有的化学不极化电极。