铁基非晶合金薄膜压磁特性及其力敏传感器

发布时间：2020-08-27 14:51

【摘要】：压磁式力敏薄膜传感器是近些年来国内外新兴的一种传感器。铁基非晶薄膜因其具有良好物理化学性能和优异的软磁特性,正成为该类型传感器研究的热点与方向,研究其压磁特性对开发高性能的压磁型传感器具有重大意义及实用价值。本文以铁基非晶合金薄膜为研究对象,首先较系统地总结了非晶合金薄膜压磁测试方法及其力敏传感器的结构设计,并以此为基础应用自主开发的一套完整压磁测试系统对铁基非晶合金薄膜的压磁性能及其环境稳定性进行了较系统的研究;在非晶合金表面制备了一层化学转化膜,解决了非晶合金薄膜作为力敏传感器的敏感元件所面临的封装问题,并研究了压磁型力敏薄膜传感器的芯片结构及其封装工艺;最后,初步验证了该测试方法在疲劳检测方面应用的可行性。(1)在压磁特性开放式测量装置的基础上,开发了闭合式测试系统,解决了测试系统易受外界环境干扰的问题,并提升了测试系统的灵敏度。测试系统受外界电磁场影响的距离由原有的15 mm缩减到2 mm;另外,在电感式压磁测试方法基础上,开发了可以更直观准确地反映薄膜的压磁性能变化情况的直接测量方法。(2)退火处理工艺对铁基非晶合金薄膜的压磁性能具有显著影响。Fe_(78)Si_(13)B_9,Fe_(73.5)Cu_lNb_3Si_(13.5)B_9及Fe_(71.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9V_2三种非晶合金薄膜的最佳退火温度分别为400℃,550℃,300℃,其对应薄膜的SI_(Max)分别为0.5907、1.2998、0.1833。在相同退火处理工艺及测试条件下,Fe_(73.5)Cu_lNb_3Si_(13.5)B_9薄膜具有更优异的压磁性能。铁基薄膜对微小应力敏感,薄膜的应力敏感区间约在0~1.5 kPa之间。(3)Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶合金薄膜在0~0.6 kPa压力带,薄膜电感值随薄膜受到的压应力增大而显著上升,即具有“正压磁效应”,其当压应力σ=0.6kPa时,SI值5.5%;环境温度对压磁效应灵敏度有显著影响,在20~30℃范围内,压磁效应和灵敏度稳定性最好。(4)薄膜的压磁效应与拉应力和压应力的合力方向θ相关。当合力方向为沿着薄膜方向的拉应力时,薄膜表现为正的压磁效应,否则呈现出负的压磁效应。Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶合金薄膜经过退火处理后,薄膜内应力状态会发生变化,压磁效应的特征也会发生显著变化。当退火温度≥350℃时,薄膜的压磁效应类型由“正压磁效应”转变为“负压磁效应”。(5)通过转化反应成功地在Fe_(71.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9V_2非晶合金薄膜表面制得了一种表面平整、均匀、主要成份为Cu_(0.86)Fe_(2.14)O_4和(Cu_(0.18)Fe_(0.82))Cu_(0.82)Fe_(1.18)O_4的内生转化膜,相应地其薄膜厚度约被等效地减薄了6~8μm。表面处理的最佳反应时间为15 min。表面处理后的薄膜与高分子树脂具有良好的浸润性,容易被环氧树脂封装。(6)研究了传感器的芯片结构及封装工艺对其测试性能的影响。在应力加载为0~3 kPa范围内,各结构芯片的传感器均具有良好的应力敏感性,对外呈现为正压磁效应现象。测试频率为1 kHz时,单层结构芯片的传感器压磁性能最优,其SI_(Max)表征值为1.696,灵敏度K_(Max)为3.106;测试频率为10 kHz时,三层结构芯片的传感器压磁效应值最大。(7)应用非晶合金薄片与碳纤维制备而成的复合材料具有良好的力敏特征。复合材料材料压磁特征与外加拉应力具有明显单调相关关系,压磁特性数据结果稳定性较高。材料的K---t曲线可以直观地反映材料内部应力的突变情况。应用此复合材料制作的敏感贴片可以在一定程度上反映材料的失效问题。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TP212
【图文】：

压力传感器,力敏传感器,压电式

图 1.1 压力传感器发展[19]Fig. 1.1 Development of pressure sensor力敏传感器的基本原理是通过敏感元件感知应力、压力等力学信号的过信号处理单元转化成相应电信号的变化。按照其工作原理进行分类敏传感器分为压电式、压阻式、电感式、电容式、光纤式及压磁式力。压电式力敏传感器是指应用材料的压电效应(正压电效应，见图 1.2压力信号转化为敏感元件两端电信号变化的传感器。

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图 1.1 压力传感器发展[19]Fig. 1.1 Development of pressure sensor力敏传感器的基本原理是通过敏感元件感知应力、压力等力学信号的变通过信号处理单元转化成相应电信号的变化。按照其工作原理进行分类，力敏传感器分为压电式、压阻式、电感式、电容式、光纤式及压磁式力敏器。压电式力敏传感器是指应用材料的压电效应(正压电效应，见图 1.2)，界压力信号转化为敏感元件两端电信号变化的传感器。

力敏传感器,压阻式,结构示意图

第 1章绪论输出的特点。因此，压电式力敏传感器不具备静态量。另外，压电式力敏传感器在应用时往往需要配了其使用成本。敏传感器是应用材料的压阻效应制备而成的一种传的一种力敏传感器。压阻传感器在使用过程中其敏的，因此往往与集成电路技术相配合。1954 年，S硅中存在压阻效应[22]：外加应力会使材料产生应变距发生改变，从而使得带隙宽度发生改变最终影响敏感芯片是采用贴片形式，性能相对较差且难以集出现克服了传统压阻传感器的弊端，并实现了内部精度高，抗干扰能力强等特点，适合于动态测量[23外界温度的干扰，需要进行温度补偿。

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