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基于UV-LIGA技术的电涡流传感器研制
发布时间：2017-09-01
引言
电涡流传感器是基于电涡流效应的无损、非接触式传感器,在机械量的测量以及金属材料的无损检测等很多领域都得到了广泛的应用[1]。电涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量的线性范围大、不受介质影响、抗干扰能力强等优点,可用来测量位移、厚度、尺寸、振动、转速、压力、电导率、温度、硬度等参数以及探测金属表面的裂纹和缺陷。目前对电涡流传感器实现方法的研究较多,但基本上都是针对信号检测及标定方法进行研究的[2,3],对传感器结构及关键元件的研究却很少。本文采用SU-8胶光刻电铸的加工方法制造了传感器的关键零件―――微型平面线圈与铁芯,并根据线圈互感原理实现对微位移的检测。这种微型传感器易于集成到电路实现在线检测。
1基本原理
传统的电涡流传感器采用在单层线圈中通以正弦交变电流,产生正弦交变磁场使线圈阻抗发生变化,当阻抗为线圈到金属导体之间距离的单值函数时,便可将位移量转化成电量进行测量。采用单层线圈时由于磁阻高,为了达到某一自感量,所需要的线圈匝数多,线圈分布电容大,且灵敏度低。
如图1所示,驱动线圈由高频信号激励,产生一个高频交变磁场,当被测导体靠近线圈时,在磁场作用范围的导体表层,产生与此磁场相交链的电涡流,而此电涡流又将产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。从能量角度来看,在被测导体内存在着涡流损耗与磁损耗。能量损耗使敏感线圈的感应电动势降低,因此当被测体与传感器间的距离改变时,感应电动势发生变化,通过测量敏感线圈的电压即可确定位移。
在理想情况下(忽略线圈寄生电容及铁损),传感器的等效电路如图2所示。其中,e1为驱动线圈激励电压,e2为敏感线圈激励电压,R1、R2为线圈电阻,M为驱动与敏感线圈间的互感,L1、L2为线圈的电感。驱动线圈的复数电流值为
显然,当激励信号的频率、幅值固定时,敏感线圈中产生的感应电压与驱动线圈、敏感线圈的匝数、铁芯磁导率及间隙磁通截面面积成正比,与间隙成反比。由于能量损耗,实际的感应电压应低于理论值。当激励电压、驱动线圈与敏感线圈、间隙磁通截面面积及铁芯磁导率确定时,感应电压是铁芯间隙的单值函数。激励电压频率、幅值越大,敏感线圈中的感应电压增大。
为降低器件高度,实现将传感器集成到电路中,采用平面线圈作为传感器的驱动与敏感元件。铁芯采用高磁导率、低矫顽力、低剩磁的电铸Ni-20%Fe(质量分数)合金制作。
2传感器制作
2.1微型平面线圈的制作
平面线圈的SU-8胶紫外厚胶光刻工艺过程如下[4]:①涂胶;②前烘,先在65℃下预热一段时间,再升至最终温度95℃;③冷却;④曝光;⑤后烘约30min,后烘温度为85~95℃,烘后应避免快速冷却;⑥显影,显影时采用超声搅拌,时间为1~18min;⑦漂洗,用IPA(异丙基酒精)清洗,再用热空气流或氮气烘干;⑧硬烘坚膜;⑨电铸。涂胶前应先对基底进行酸洗、烘烤,实验采用不锈钢基底。SU-8胶光刻工艺过程如图3所示。图4所示为制作得到的螺旋形平面线圈。
2.2铁芯制作
作为重要的功能磁性材料,镍铁合金具有优良的电磁学性能,特别是电(铸)镍铁合金良好的软磁特性、高矫顽力,可用于制造磁芯。在微机电研究领域里也开始研究采用电铸镍铁合金来制造微型磁执行器与传感器元件[5]。本文所用的电铸液成分如下:主盐为硫酸镍(NiSO4・6H2O)、硫酸亚铁(FeSO4・7H2O);缓冲剂与稳定剂分别为硼酸(H3BO3)、柠檬酸;阳极活化剂与导电剂分别为氯化钠(NaCl)、硫酸钠(NaSO4・10H2O);适量的添加剂。
铁芯电铸采用DT4电工纯铁和1号电解镍板分挂阳极,面积比A(Ni)∶A(Fe)=10∶1,放入用涤纶布做成的阳极套中。以电火花加工出铁芯形状的芯模作为阴极。电铸时,调节溶液成分与电流密度可以得到不同成分的镍铁合金。图5所示为不同成分合金的磁性能。可以看出:电铸合金表现出超顺磁性,矫顽力在φ(Fe)=20%时达到最小。
2.3相关讨论与传感器装配
微细电铸是UV-LIGA技术制造微结构的关键。微电铸起始于光刻胶微结构的底部,沉积表面被不导电的光刻胶分成相互连通或隔绝的微小区域,沉积过程从底部起逐渐填充,直到空隙被填满。由于所要填充的孔洞是微米尺度的盲孔,很难为普通电解液所填充,搅拌所引起的对流难以到达电极反应发生的界面,使得微细电铸的传质过程异常复杂。本文采用超声与强迫对流复合搅拌并结合电流密度的调整实现了平面线圈的成形。为精确控制铁芯电铸层的成分与表面质量,控制镀液pH值为2・0~3・5、电流密度为2・5~4A/dm2、硫酸亚铁浓度为3~7g/L。
装配时必须注意激励线圈、敏感线圈及铁芯之间保持电气绝缘。本文采用喷涂聚亚酰胺的方法实现了线圈和铁芯间的绝缘。图6为传感器的SEM照片,其中合金成分为Ni-20%Fe(质量分数),驱动线圈与敏感线圈均为13匝,线宽为80μm,间距为60μm,线圈起始半径为700μm。采用��50μm的金线与线圈进行引线键合将交流信号输入线圈。
3测试
采用本实验室开发的微运动控制系统作为测试平台。首先将传感器固定在运动平台上,待测的Ni-Fe合金片装夹在可精密调节的主轴上。以PC机为界面,通过PCI7344运动控制卡控制步进电机实现主轴进给,其调节精度为0・1μm。在驱动线圈中输入不同的正弦交流信号,通过驱动主轴调节Ni-Fe片与铁芯的间隙,研究敏感线圈的输出电压V2、频率f与间隙距离d的变化关系。
图7所示为输入电压V1=100~140mV,频率f=50kHz的交流信号时,敏感线圈输出电压的变化趋势。由图7可见:当间隙为10μm时,敏感线圈的输出电压约30mV,并且间隙值在50μm范围内与输出电压成明显的线性变化关系;当间隙值超过50μm后,由于磁阻变大导致能量损耗加大,输出电压下降,且曲线趋于平坦;当电压从100mV增大到140mV时,敏感线圈的输出电压幅值在整个间隙距离变化范围内相应增大。图8所示为间隙值为50μm时,输出电压幅值与频率的关系曲线。由图8可见:输出电压幅值随输入频率的增大而增大,同样,输出电压幅值随输入电压幅值的增大而提高。这也与图7的结论一致。
在实际使用中可以进一步提高输入信号的频率、幅值,可以获得最佳的测量精度与范围。
4结论
本文所研制的传感器采用SU-8胶紫外光刻加工来实现,成本低廉,整体尺寸只有��5mm×1・6mm,具有较高的测量精度、易于集成等优点。对平面线圈与铁芯尺寸、材料、输入信号进行优化处理,还可以进一步减小器件尺寸,提高测量精度。
摘自：中国计量测控网
