首頁>技術中心>技術資訊>基于UV-LIGA技術的電渦流傳感器研制
基于UV-LIGA技術的電渦流傳感器研制
發布時間：2017-09-01
引言
電渦流傳感器是基于電渦流效應的無損、非接觸式傳感器,在機械量的測量以及金屬材料的無損檢測等很多領域都得到了廣泛的應用[1]。電渦流傳感器具有結構簡單、靈敏度高、測量的線性范圍大、不受介質影響、抗干擾能力強等優點,可用來測量位移、厚度、尺寸、振動、轉速、壓力、電導率、溫度、硬度等參數以及探測金屬表面的裂紋和缺陷。目前對電渦流傳感器實現方法的研究較多,但基本上都是針對信號檢測及標定方法進行研究的[2,3],對傳感器結構及關鍵元件的研究卻很少。本文采用SU-8膠光刻電鑄的加工方法制造了傳感器的關鍵零件―――微型平面線圈與鐵芯,并根據線圈互感原理實現對微位移的檢測。這種微型傳感器易于集成到電路實現在線檢測。
1基本原理
傳統的電渦流傳感器采用在單層線圈中通以正弦交變電流,產生正弦交變磁場使線圈阻抗發生變化,當阻抗為線圈到金屬導體之間距離的單值函數時,便可將位移量轉化成電量進行測量。采用單層線圈時由于磁阻高,為了達到某一自感量,所需要的線圈匝數多,線圈分布電容大,且靈敏度低。
如圖1所示,驅動線圈由高頻信號激勵,產生一個高頻交變磁場,當被測導體靠近線圈時,在磁場作用范圍的導體表層,產生與此磁場相交鏈的電渦流,而此電渦流又將產生一交變磁場阻礙外磁場的變化。從能量角度來看,在被測導體內存在著渦流損耗與磁損耗。能量損耗使敏感線圈的感應電動勢降低,因此當被測體與傳感器間的距離改變時,感應電動勢發生變化,通過測量敏感線圈的電壓即可確定位移。
在理想情況下(忽略線圈寄生電容及鐵損),傳感器的等效電路如圖2所示。其中,e1為驅動線圈激勵電壓,e2為敏感線圈激勵電壓,R1、R2為線圈電阻,M為驅動與敏感線圈間的互感,L1、L2為線圈的電感。驅動線圈的復數電流值為
顯然,當激勵信號的頻率、幅值固定時,敏感線圈中產生的感應電壓與驅動線圈、敏感線圈的匝數、鐵芯磁導率及間隙磁通截面面積成正比,與間隙成反比。由于能量損耗,實際的感應電壓應低于理論值。當激勵電壓、驅動線圈與敏感線圈、間隙磁通截面面積及鐵芯磁導率確定時,感應電壓是鐵芯間隙的單值函數。激勵電壓頻率、幅值越大,敏感線圈中的感應電壓增大。
為降低器件高度,實現將傳感器集成到電路中,采用平面線圈作為傳感器的驅動與敏感元件。鐵芯采用高磁導率、低矯頑力、低剩磁的電鑄Ni-20%Fe(質量分數)合金制作。
2傳感器制作
2.1微型平面線圈的制作
平面線圈的SU-8膠紫外厚膠光刻工藝過程如下[4]:①涂膠;②前烘,先在65℃下預熱一段時間,再升至最終溫度95℃;③冷卻;④曝光;⑤后烘約30min,后烘溫度為85~95℃,烘后應避免快速冷卻;⑥顯影,顯影時采用超聲攪拌,時間為1~18min;⑦漂洗,用IPA(異丙基酒精)清洗,再用熱空氣流或氮氣烘干;⑧硬烘堅膜;⑨電鑄。涂膠前應先對基底進行酸洗、烘烤,實驗采用不銹鋼基底。SU-8膠光刻工藝過程如圖3所示。圖4所示為制作得到的螺旋形平面線圈。
2.2鐵芯制作
作為重要的功能磁性材料,鎳鐵合金具有優良的電磁學性能,特別是電(鑄)鎳鐵合金良好的軟磁特性、高矯頑力,可用于制造磁芯。在微機電研究領域里也開始研究采用電鑄鎳鐵合金來制造微型磁執行器與傳感器元件[5]。本文所用的電鑄液成分如下:主鹽為硫酸鎳(NiSO4?6H2O)、硫酸亞鐵(FeSO4?7H2O);緩沖劑與穩定劑分別為硼酸(H3BO3)、檸檬酸;陽極活化劑與導電劑分別為氯化鈉(NaCl)、硫酸鈉(NaSO4?10H2O);適量的添加劑。
鐵芯電鑄采用DT4電工純鐵和1號電解鎳板分掛陽極,面積比A(Ni)∶A(Fe)=10∶1,放入用滌綸布做成的陽極套中。以電火花加工出鐵芯形狀的芯模作為陰極。電鑄時,調節溶液成分與電流密度可以得到不同成分的鎳鐵合金。圖5所示為不同成分合金的磁性能。可以看出:電鑄合金表現出超順磁性,矯頑力在φ(Fe)=20%時達到最小。
2.3相關討論與傳感器裝配
微細電鑄是UV-LIGA技術制造微結構的關鍵。微電鑄起始于光刻膠微結構的底部,沉積表面被不導電的光刻膠分成相互連通或隔絕的微小區域,沉積過程從底部起逐漸填充,直到空隙被填滿。由于所要填充的孔洞是微米尺度的盲孔,很難為普通電解液所填充,攪拌所引起的對流難以到達電極反應發生的界面,使得微細電鑄的傳質過程異常復雜。本文采用超聲與強迫對流復合攪拌并結合電流密度的調整實現了平面線圈的成形。為精確控制鐵芯電鑄層的成分與表面質量,控制鍍液pH值為2?0~3?5、電流密度為2?5~4A/dm2、硫酸亞鐵濃度為3~7g/L。
裝配時必須注意激勵線圈、敏感線圈及鐵芯之間保持電氣絕緣。本文采用噴涂聚亞酰胺的方法實現了線圈和鐵芯間的絕緣。圖6為傳感器的SEM照片,其中合金成分為Ni-20%Fe(質量分數),驅動線圈與敏感線圈均為13匝,線寬為80μm,間距為60μm,線圈起始半徑為700μm。采用??50μm的金線與線圈進行引線鍵合將交流信號輸入線圈。
3測試
采用本實驗室開發的微運動控制系統作為測試平臺。首先將傳感器固定在運動平臺上,待測的Ni-Fe合金片裝夾在可精密調節的主軸上。以PC機為界面,通過PCI7344運動控制卡控制步進電機實現主軸進給,其調節精度為0?1μm。在驅動線圈中輸入不同的正弦交流信號,通過驅動主軸調節Ni-Fe片與鐵芯的間隙,研究敏感線圈的輸出電壓V2、頻率f與間隙距離d的變化關系。
圖7所示為輸入電壓V1=100~140mV,頻率f=50kHz的交流信號時,敏感線圈輸出電壓的變化趨勢。由圖7可見:當間隙為10μm時,敏感線圈的輸出電壓約30mV,并且間隙值在50μm范圍內與輸出電壓成明顯的線性變化關系;當間隙值超過50μm后,由于磁阻變大導致能量損耗加大,輸出電壓下降,且曲線趨于平坦;當電壓從100mV增大到140mV時,敏感線圈的輸出電壓幅值在整個間隙距離變化范圍內相應增大。圖8所示為間隙值為50μm時,輸出電壓幅值與頻率的關系曲線。由圖8可見:輸出電壓幅值隨輸入頻率的增大而增大,同樣,輸出電壓幅值隨輸入電壓幅值的增大而提高。這也與圖7的結論一致。
在實際使用中可以進一步提高輸入信號的頻率、幅值,可以獲得最佳的測量精度與范圍。
4結論
本文所研制的傳感器采用SU-8膠紫外光刻加工來實現,成本低廉,整體尺寸只有??5mm×1?6mm,具有較高的測量精度、易于集成等優點。對平面線圈與鐵芯尺寸、材料、輸入信號進行優化處理,還可以進一步減小器件尺寸,提高測量精度。
摘自：中國計量測控網
