【《无线无源LC谐振应变传感器制备与测试分析案例》6900字】

无线无源LC谐振应变传感器制备与测试分析案例本章介绍了传感器的制备工艺，并完成传感器的制备。设计了一种简单易用的应变悬臂梁测试系统，然后对传感器进行了各种性能测试实验，最后进行实验结果分析。1.1制备工艺本文采用MEMS工艺中的光刻、刻蚀方法对传感器进行制备。整个制备过程主要分为以下步骤：（1）选定传感器中的螺旋电感与叉指电容的几何尺寸参数，运用CAD进行工程制图，设计出光刻工艺所需要的掩模板。（2）在柔性聚酰亚胺单面覆铜膜上采用光刻的方法制备所需要的图形单元。（3）采用刻蚀铜的工艺进行刻蚀，得到所需要的图形单元。根据之前的优化设计，得到了相应的平面螺旋电感与又指电容以及LC谐振传感器的具体几何尺寸，运用CAD工程制图软件画出了所需要的光刻掩模图形，如图4-1所示。图4-1部分平面叉指电容、平面螺旋电感、LC谐振回路的光刻掩模板图形单元工程制图完毕后，送到专业的制作掩模板公司进行掩模板制作。基底材料选用的是聚酰亚胺单层覆铜膜，其介电常数为3.5，介质材料厚度为25μm，覆铜厚度为0.018mm。准备完前面的光刻掩模和基底材料后，开始光刻与刻蚀制备。本论文中因为后面采用的是刻蚀铜工艺，所以选用了正性光刻胶AZ6112，整个光刻过程如下：步骤操作清洗基片分别在烧杯中装入适量的内酮、无水乙醇、去离子水，首先用棉签蘸适量丙酮在基片表面进行清洗，然后把清洗完的基片放入无水乙醇中冲洗去除残留丙酮，再用去离子水对基片进行冲洗，冲洗去除残留无水乙醇，最后用氮气枪进行吹干。烘烤基片此步骤主要是为了让基片表面干燥，防止后续步骤涂光刻胶附着失败。把加热板升温到100摄氏度，然后把基片放到加热板上3-5分钟。此时间由基片材料所决定。涂光刻胶为了使光刻胶在基片上均匀的分布，首先要进行匀胶步骤，设置涂胶机旋转步骤，前转5秒1000转匀胶，后转30秒3000转。光刻胶烘烤把涂完光刻胶的基片放到温度为100摄氏度的加热板上，烘烤60秒。曝光采用半手动光刻机，把掩模板放到光刻机的掩模夹上，打开掩模夹真空开关，然后把涂好胶的基片放到承片台上，打开吸片真空开关，然后手动调节基片与掩模板的位置，使掩模板上的图形正好与基片位置一致，然后选择曝光时间参数设置，根据重复实验过程，得到当时的实验条件下，正胶Az6112的曝光时间参数为9秒，设定好曝光时间后，开始曝光。图形单元显影在烧杯中倒入适量显影液，把基片放入到显影液中显影14秒，然后迅速放到去离子水中进行清洗。观察基片图形在高倍显微镜下观察光刻完的图形，检查其是否符合与所设计的图形一致，图形是否套刻准确，图形线条边缘是否整齐，是否有黑点污渍，以及是否有划伤和浮胶，如有不一致，重复上述过程。坚膜在120摄氏度的加热板上烘烤5．10分钟。由于显影时，光刻胶膜会发生软化、膨胀，显影后就要进行坚膜步骤，坚膜后可以使胶膜与金属层之间的粘贴更加牢光刻工艺中的清洗、曝光、显影步骤最为重要。清洗基片决定了基片的洁净程度，为后续图形的准确转移提供了安全的基底。曝光时间的设定也很重要，如果曝光过长、过短都会使图形单元的线宽发生偏差，过曝光会使线宽变窄（以正性光刻胶为例）。显影时间的控制也很重要，如果在把基片从显影液转移到去离子水中的过程，时间过长的话有可能会导致过显影，这样也会影响图形的线条准确性，因此在基片从显影液往去离子水转移的过程要迅速，特别是在制备线宽较窄的图形单元时。完成光刻工艺后，下面就可以进行刻蚀工艺，把需要的图形刻蚀出来，选用的是湿法刻蚀，实验步骤如下：把配好的FeC13腐蚀液放在水浴缸里，加热到45摄氏度，并保持45摄氏度的水浴温度，然后把己经完成光刻的基片放入腐蚀液中，腐蚀时间参数为200秒，然后再进行上述清洗步骤，用丙酮去胶，然后用无水乙醇冲洗去除残余丙酮，再用去离子水进行去除残留乙醇冲洗，烘干，再在高倍显微镜下观察图形单元，观察侧蚀情况，以及边缘线条是否符合要求。到此整个光刻、刻蚀工艺完毕。整个光刻、刻蚀工艺流程如图4·2所示，经过以上工艺制备后，可以得到平面螺旋电感、平面叉指电容和LC谐振应变传感器，传感器和平面叉指电容后续经过外面企业的协作加工完成了保护层加工和背部穿孔工艺，实物如图4-3、图4-4、图4-5所示。图4-2光刻、刻蚀工艺流程图图4-3平面叉指电容实物图图4-4平面螺旋电感实物图图4-5LC谐振应变传感器实物图图4-3、图4-4、图4-5中的平面叉指电容叉指电极对数NC、叉指电极长度lc、叉指电极宽度wc、相邻叉指电极间距gc,平面螺旋电感线圈匝数NL、线圈间距gl、线圈导线宽度wl的实际几何尺寸参数如表3-1所示。1.2应变悬臂梁测试系统测试应变的方法有许多种，有电测法、机械形式测量法等，而电测方法又分为运用电感、电容、电阻测试的方法，其中以电阻测试的方法最为常用。电阻测试方法主要是用电阻应变片测试结构件表面所受的应变，其输出信号为电信号，因此易于实现测量的数字化与自动化，并且具有较高的灵敏度和精度[62]。本文采用的是金属丝电阻应变片，其灵敏度系数是己知的，可以采用相应的应变检测仪对应变数值进行采集。悬臂梁材料选择的是具有表面光滑平整、抗压性能好、弯曲度好、机械强度强、电绝缘等特征的聚丙烯PP板。悬臂梁固定夹具是在外面加工企业协作加工的，夹具的作用主要是在测试的时候可以很好的固定悬臂梁一端，只需在悬臂梁另一端施加作用力，方便记录所受外加应变的大小。把制备好的传感器与电阻应变片通过特殊的粘合剂分别粘贴在悬臂梁上，在粘贴的时候，要把电阻应变片感应应变灵敏的方向与测试传感器所受应变的方向一致，这样表现出来的才是测试所需的应变值。图4-6为应变悬臂梁测试系统示意图与实物图。(a)传感器应变性能测试示意图（b）传感器应变性能测试实物图图4-6悬臂梁应变测试系统1.3实验结果与分析1.3.1不同应变下传感器的特性1、X方向应变的传感器频率特性分别对所设计的三种传感器施加如图2.10中所示的x方向应变，得到它们对不同x方向应变的频率响应特性曲线，测试结果为检测线圈端的阻抗特性，如图4-7、图4-8、图4-9所示。图4-71号传感器施加x方向应变时天线端的阻抗特性图4-82号传感器施加x方向应变时天线端的阻抗特性图4-93号传感器施加x方向应变时天线端的阻抗特性从图4-7、图4-8和图4-9中可以看出，当传感器没有接近阅读器环形天线时，测试的阻抗仅仅是检测线圈的阻抗，其阻抗相位约为89度，表示阻抗虚部远大于阻抗的实部，线圈的阻抗实部即其线圈电阻值，大约在1-2Ω，而其虚部很大，是由于其和频率有关。从测试结果中可以看出，此线圈是呈感性的，符合其作为电感线圈的特性，其阻抗大小随频率变化近似线性变化。当检测线圈天线与传感器接近发生耦合时，可以分别得到在17.6MHz、17.57MHz、17.3MHz附近，阻抗值发生了突变，阻抗相位出现下降峰，根据第三章的推导公式可知，这个阻抗变化处的频率点就是此谐振传感器的谐振频率。得到的测试谐振频率点与设计频率18MHz有所差距，主要是由于两个方面的影响，首先是电感与电容的近似计算公式有一定的可容许误差，再者传感器是制备在具有柔韧性的基底材料上，在把传感器粘贴到测试悬梁臂的过程中会由于自身存在不同形变而导致谐振频率的变化不同。同样的在把电阻应变片粘贴到测试悬臂梁的过程中也会存在起始应变，上述三种测试过程的应变片起始应变分别为50με、60με、35με。当通过悬臂梁给传感器施加应变时，由图4-7、图4-8和图4-9可见，传感器的谐振频率都是向低频方向移动。当对上述三种不同传感器施加的应变分别达到689με、984με、753με时，传感器的谐振频率分别降低到了17.18MHz、16.94MHz、16．88MHz这是由于平面叉指电容的电极间距gc和叉指电极极板宽度wc在张应变作用下都变大，叉指电容的电容值Cs变小。同时，平面螺旋电感的内外边长dout和din增大导致电感值LS增大，从第二章平面螺旋电感和平面叉指电容随张应变的变化可以知道，平面叉指电容电容值随x方向张应变增大的减小程度要比平面螺旋电感电感值的增大程度小许多，所以LC谐振回路的谐振频率是向低频方向移动的。2、Y方向应变的传感器频率特性上小节研究了三种传感器对x方向应变的谐振频率响应，可以看出它们随同一个方向应变的变化趋势是相似的。从第二章可以知道传感器中平面叉指电容对Y方向应变的响应主要是由于叉指电极电极长度lc的变化，所以三种传感器对Y方向应变的变化规律也是一致的，本文只选用了2号传感器作为研究对象，得到检测线圈两端的阻抗特性图，测试结果如图4-10所示图4-10施加Y方向应变时天线端的阻抗特性从图4-10中可以看出，传感器的谐振频率也是随外加应变的增大而降低，其起始应变为28με，传感器的谐振频率为17.95MHz，这与测试x方向应变时传感器谐振频率17.57MHz不同，正是由于两次粘贴过程中不可避免的自身应变所引起从图4-10中可以得到，传感器的谐振频率随外加张应变增大而降低，这是由于当传感器受到Y方向张应变时，传感器中的平面叉指电容的叉指电极长度lc变长，平面叉指电容Cs变大，同时平面螺旋电感LS随着内外边长dout、din。的增大而增大，所以传感器的谐振频率向下偏移。3、传感器谐振频率随应变的变化上小节得到了检测线圈天线端阻抗随传感器所受应变的响应曲线，得到传感器的谐振频率随外加张应变的增大而减小的规律。本节主要研究内容为传感器的灵敏度参数，灵敏度是传感器的一个重要指标，其决定了传感器的性能。所以为了得到传感器的灵敏度，下面对传感器谐振频率随外加应变变化的实验结果进行了线性拟合，得到了三种传感器的拟合曲线。图4-111号传感器频率偏移与x方向应变的线性拟合图4-122号传感器频率偏移与x方向应变的线性拟合图4-133号传感器频率偏移与x方向应变的线性拟合图4-11、图4-12和图4-13反映了三种不同传感器的谐振频率随外加不同应变时的变化曲线，可以看出三种不同传感器的谐振频率偏移都随外加应变近似呈线性关系，从图4-11、图4-12和图4-13中可以得到，经过线性拟合后，三种不同传感器对x方向应变的灵敏度约为0，641kHz/με、0．677kHz/με、0.596kHz/με。对2号传感器Y方向应变的传感器谐振频率测试结果也进行了线性拟合，得到如图4-14所示的拟合曲线。图4-142号传感器频率偏移与Y方向应变的线性拟合从图4-14可以看出，经过线性拟合后，得到2号传感器对Y方向应变的灵敏度为1.11kHz/με可以看出传感器对Y方向应变比x方向应变的灵敏度要高，这主要是由于施加x方向应变时，平面叉指电容的电容值会随叉指电极间距离的变大而减小，从第二章中可以得到，此时平面螺旋电感的值是增大的，其值增大对传感器谐振频率的作用要大于叉指电容值减小的作用，所以传感器谐振频率还是向减小的方向移动，只是减小的幅度要小于施加Y方向应变时，即传感器对Y方向的应变要比x方向的应变感应更加灵敏。1.3.2传感器的Q值由于传感器的Q值无法直接由实验仪器测出，所以为了得到传感器的Q值，对传感器的等效电路模型进行了分析，并根据其等效电路模型对其测试结果进行相关的拟合，得到了传感器的实际参数值，最后求得传感器的实际Q值。首先对传感器与检测线圈天线之间的等效电路模型进行分析，在第三章中己经对其进行了相关的分析，如图3-4所示，从图3-4中看出，传感器由平面叉指电容Cs、平面螺旋电感LS、电阻Rs组成。实际上，当传感器与检测线圈天线耦合后，检测线圈两端的阻抗不仅仅和上述三项组成的阻抗相关，还要考虑到平面螺旋电感与平面叉指电容中的寄生效应[63]，当考虑平面螺旋电感的寄生电容以及平面叉指电容的寄生串联电阻后，此时的等效电路模型如图4-15所示。图4-15传感器的寄生等效电路模型从图4-15中可以看出，和图3-4所不同的是螺旋电感多并联了一个电容Cj，这是螺旋电感在高频下的寄生电容，叉指电容也多了一个寄生串联电阻Rc根据公式（3-13）-（3-16）可以得到检测线圈两端的阻抗为:(4-1)(4-2)令Z=1(4-3)(4-4)求出z的实部与虚部，然后求其实部与虚部的比值，这样就可以把ZS(4-5)然后运用公式（4-5）对测试结果进行非线性曲线拟合，得到如图4-16、图4-17、图4-18所示的拟合曲线。图4-161号传感器的拟合曲线图4-172号传感器的拟合曲线图4-183号传感器的拟合曲线根据图4-16、图4-17、图4-18的拟合曲线，可以得到传感器中各项参数的拟合结果，如表4-1所示。表4-1传感器参数拟合结果1号传感器2号传感器3号传感器R29.81Ω30.72Ω38.13ΩR1.38Ω1.45Ω3.36ΩL6.31μH6.12μH6.24μHC13.21pF13.8pF13.3pFC0.04pF0.03pF0.48pFQ22.520.916.3从表4-1可以得到传感器的简化电路模型中的各项值，并且可以求得三种不同传感器的品质因数Q分别为22.5、20.9、16.3。这与第三章的优化设计后的仿真值21、20.7、15.4都很接近，验证了仿真与测试值的一致性，这里的偏差主要是由于在对传感器的电路模型简化以及传感器与检测线圈天线之间电感耦合电路模型简化的误差造成的。1.3.3传感器无线探测距离测试传感器的另一个重要特性就是其使用距离，使用距离的大小决定了传感器的应用范围。在选定了检测线圈天线和测试仪器（即检测线圈天线端的输出功率一定）后，对传感器的无线探测距离范围进行实验测试，首先把传感器粘贴在测试悬臂梁上，检测线圈天线的轴心面与传感器平面平行，然后检测线圈天线沿着它们之间的轴心方向垂直移动，通过检测在不同距离d时，检测线圈端的阻抗特性可以得到检测线圈天线检测传感器的最大距离，检测线圈检测传感器的实验示意图如图4-19所示。图4-19天线与传感器间距离测试示意图选用的测试样品为2号传感器，得到天线端的阻抗与相位图如图4-20所示。图4-20不同距离时检测线圈的阻抗特性从图4-20中看以明显的看到，随着天线与传感器间距离的变化，传感器的谐振频率不会发生变化，但检测曲线的峰值发生了明显的变化，当检测线圈距离传感器1.5cm时天线己经很难检测到传感器了，这是由于距离过远传感器己经接收不到检测线圈天线所辐射的能量即其产生的交变磁场，因此它们之间也就发生不了耦合，产生不了互感。为了增大传感器的可使用范围及可被探测的距离，可以通过增加检测线圈天线端的输出功率。1.3.4传感器在金属环境下的测试在许多金属的旋转部件上都需要测试其应变状态，此时，难以采用有线应变传感器，无线应变传感器是更好的选择。然而本文所设计的这种LC谐振无线应变传感器却很难在金属表面工作，这是因为本文的这种LC谐振应变传感器是基于电磁耦合方式进行工作的，当传感器粘贴于金属表面，检测线圈天线产生的磁通在穿过金属表面时，会在金属表面产生涡流，由于金属的电阻很小，因此在金属表面产生的涡流强度非常大，而涡流会对检测线圈天线的磁场起反作用（楞次定律），使检测线圈天线的磁场强度在金属表面上强烈的衰减，导致检测线圈天线产生的磁通不能穿过金属，也不能穿过紧贴在金属表面的传感器平面螺旋电感，从而LC谐振传感器没有得到感应电压，因此就不会和检测线圈天线耦合，检测线圈也就不能检测到传感器。为了解决LC谐振无线应变传感器无法应用于测量金属表面应变的问题，本文采用在传感器与金属之间插入铁氧体磁性材料的方法。铁氧体磁性材料对于金属涡流损耗具有很大的抑制作用，铁氧体主要是由混合晶体或者氧化铁(Fe203)与二价金属的一种或者数种氧化物的混合物组成，铁氧体的主要特点是电阻率远大于金属的电阻率，前者电阻大约为1-106MΩ，后者一般为10-5-10-4MΩ，正是因为这种特性，其抑制了涡流的产生。下面运用HFSS电磁仿真软件对不同环境下传感器所在平面的磁场分布进行仿真，仿真模型为：(a)传感器周围没有金属和铁氧体材料，(b)传感器粘贴在金属表面，(c)金属和传感器之间加入一层铁氧体材料。检测线圈天线测试传感器的结构示意图，如图4-21示。仿真结果如图4-22所示。图4-21不同环境下检测线圈天线检测传感器的结构刨面示意图非金属环境下传感器所在平面的磁场矢量分布(b)金属环境下传感器所在平