基于MEMS技术的电涡流传感器探头研究

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涡流检测技术是重要的无损检测技术之一,探头是涡流传感器的关键元件,平面螺旋线圈具有一致性好、检测精度高、环境适用性好等优点,已经在涡流传感器探头中得到广泛应用。随着检测需求增加,探测线圈的小型化、精密化、阵列化和柔性化已经成为电涡流传感器探头的发展方向,本文基于MEMS技术,为电涡流探头的设计与制作,提供新的方法。本文的主要研究内容如下:(1)分析涡流检测中探测线圈阻抗变化与耦合系数的关系,研究电参数对传感器性能的直接影响。首先阐述涡流检测的测量原理,对线圈阻抗分析方法进行研究,根据等效涡流环理论,利用等效电感变化反应耦合系数的变化,分析影响探测线圈检测性能的因素。通过有限元分析方法,研究探头的结构参数、电参数和传感器性能之间的关系,发现单位面积内感应线圈的电感越大,传感器的灵敏度、测量范围等性能越好。(2)建立探头物理模型,实现电参数快速提取,研究探头结构参数对电参数的影响。利用电涡流传感器探头的等效电路,研究探头探测线圈的电参数计算方法,采用Matlab软件对探测线圈进行建模设计,实现探头电参数的快速提取,对探头的初步设计起到指导作用。利用Matlab模型得到的电参数计算值与仿真结果相符,利用该模型分析探头结构参数对电感、电阻、品质因数Q值和自谐振频率的影响。在电涡流传感器的设计中,可以按照探头实际性能的需求,根据此模型,实现探头设计中对结构参数的初步确定,提高设计效率,为探头的设计提供新的思路。(3)利用MEMS技术完成刚性探头和柔性探头的制作并进行阻抗测试。对厚胶工艺、电铸工艺和种子层工艺进行分析,提出一种基于MEMS技术的电涡流传感器探头制作方法。对AZ50XT光刻胶的尺寸精度问题进行研究,通过优化匀胶工艺和抛光工艺,提高胶膜均匀性,并采用多次曝光显影工艺,制作出厚度大于50μm的正性胶膜,结构沟道内无残胶,侧壁陡直性好。对微电铸工艺进行研究,优化工艺参数,配置所需电铸液,减少断路现象。基底种子层选择Cr/Cu作为溅射层,厚度分别为20 nm和50 nm,结合力好且方便去除。在制备工艺研究的基础上,设计合理的工艺流程,制作出具有多层结构的刚性探头和柔性探头。使用阻抗分析仪对探头进行测试,电感值达到14μH,电阻值仅为14Ω和17Ω。
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