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MEMS无线温度传感器 燃烧研究

时间:2019-03-29 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
1.简介
精确的壁温测量在各种燃烧研究中至关重要,例如壁火焰相互作用[1],催化燃烧[2],以及热/化学壁淬火现象[3]。使用热电偶或RTD(电阻温度检测器)的接触式测温仪已被广泛使用
用于测量燃烧场中的壁温。但是,身体接触了目标容易引入温度场干扰,从而实现精确测量难。另一方面,基于红外辐射或温度依赖的非接触式测温荧光材料只能在允许光学访问时应用[4]。
我们以前提出了一种使用LCR电路的无线温度传感器,其中谐振频率由电容变化[5]改变。我们采用Al2O3作为介电材料LCR电路中的电容器,介电常数(TCP)的温度系数约为0.3%/ K。
然而,阻抗阶段没有表现出急剧的下降,因为阻抗相位传感器线圈比设计值高约10倍。而且,考虑到电极的温度系数(TCR),电阻变化将抵消掉谐振频率上的电容变化。
适用于燃烧中使用的宽温度范围研究表明,电阻变化的影响远大于电容变化的影响。在里面目前的研究,提出了一种基于电极TCR的MEMS无线壁温传感器评估原型传感器的性能以进行非接触式壁温测量。

2.传感器的设计
图1显示了使用MEMS无线进行非接触式壁温测量的概念温度感应器。传感器由薄膜线圈和电容器组成,并连接在目标上墙面。读出线圈放置在墙壁的另一侧。壁温变化导致LCR电路的谐振频率变化,这是通过电感耦合测量的
在传感器和读出线圈之间[5-7]。本传感器基本上是LCR谐振电路。传感器线圈与电感耦合具有耦合系数k的读出线圈,如下所述。读出线圈连接到a网络分析仪(NA),以及出现在谐振频率的阻抗相位下降测量LCR电路。
基于共振频率,传感器的电阻因而而来壁温估计。读出线圈和传感器的等效电路模型是如图2所示.R,L,C,M和v是电阻,自感,电容,互感和电压分别为。下标e和s表示读出的值线圈和传感器分别。电路方程式可写如下:

图1. MEMS无线壁温传感器的原理。可以在不接触的情况下测量壁表面温度墙的背面
图2.读出的等效电路模型线圈(左)和传感器(右)。


通过求解这些联立方程,外部电压与外部电路电流的比率,即,计算外部电路Ze(ω)的阻抗。 Re远小于Rs,可以忽视。 阻抗相位角可以如下找到:


我们可以通过得到等式(2)的极值来定义谐振频率:



注意,k是表示两个线圈之间耦合强度的耦合系数[6],这很大程度上取决于线圈之间的距离:



从等式(3)可以看出,当传感器时谐振频率ω0增加电阻Rs增加。在本分析中,耦合系数假设为k = 0.3,其中对于近距离感应耦合是合理的。图3a显示了基于的分析结果当电阻在10~20Ω范围内时的等效电路模型。
谐振频率增加随着阻力,倾角下降。使用 HFSS进行三维电磁仿真(高频结构模拟器)也用于比较。传感器被建模为关闭设计的LCR电路和读出线圈的两端连接到集总端口作为NA的功能。
传感器上的金属层被假定为2-D板以减少计算量负载。为了改变传感器电阻值,将集总电阻器元件连接到传感器串联电路。频率从1 MHz扫描到100 MHz,步长为1 MHz。该结果如图3b所示。
虽然三维模拟结果有些不同解析解,两个结果都显示出由于电阻变化引起的类似的共振频率偏移。

3.传感器的MEMS制造
微制造工艺开始于在玻璃基板上溅射500nm厚的Au层用50nm厚的Cr或Ti膜作为粘合层。 然后将Au层图案化成底部电极使用标准光刻。 然后,沉积100nm厚的SiO2层作为a
 
图3.分析(a)和HFSS模拟(b)Ls =0.1μH和当Rs在10的范围内变化时,Cs = 0.2nF~20 c。
图4. MEMS制造工艺; (一个)溅射和抗蚀涂层,(b)底部金属层图案化,(c)SiO2层沉积,(d)SiO2图案化,(e)溅射和抗蚀涂层,(f)上金属层图案。
图5.原型无线温度传感器。尺寸为10 mm×10毫米。

通过等离子体CVD以TEOS(原硅酸四乙酯)作为前体的介电层。一个接触孔使用缓冲的HF蚀刻连接两个金属层。最后,另一个1.5μm厚的Au层溅射并图案化以形成反电极和5匝螺旋线圈。图5显示了一个已完成传感器的照片,尺寸为10平方毫米。

4.结果和讨论
通过将Cu线(直径:1.12mm)卷绕成螺旋形状来制造读出线圈。原型传感器和读出线圈连接在树脂薄膜的两侧。两个线圈之间的距离是0.68毫米。读出线圈连接到NA和谐振测量结果。图7显示了在频率中测量的阻抗相角变化
范围高达100 MHz。在谐振附近可以清楚地看到超过35度的尖锐阻抗相位下降频率。测量结果很好地拟合了等效电路模型(方程式(2)),证明了本电路模型分析的有效性。耦合的拟合值当线圈之间的距离为0.68mm时,
系数k约为0.6,而它减小当距离超过5.6毫米时,低于0.1。随着耦合系数的降低,灵敏度为因为阻抗相位下降变钝,也会减少。提高灵敏度通过改变线圈形状或改进测量可以实现更长的距离
 
图6.评估传感器性能的实验装置。 读出线圈与传感器耦合,其阻抗相位角由NA测量。


图7.阻抗相角与频率。 实线是曲线拟合电路Rs =22.4Ω,Ls =0.25μH和Cs的模型= 0.23 nF。
图8.谐振频率与温度。 测得的灵敏度温度变化约为6 kHz / K.

算法。
图6显示了将性能评估为无线温度的实验装置传感器。传感器和读出线圈固定在0.15mm厚的载玻片上,对应线圈之间的距离为0.71毫米。将该装置放入电烤箱中在26.5至150℃的不同温度下测量。每个谐振频率
温度如图8所示。频率灵敏度约为6 kHz / K.当。。。的时候确定谐振频率的测量误差假定为~50kHz,即温度精度为±10 K,这对于大多数燃烧研究来说足够高。
 
5.结论
提出了一种用于燃烧研究的新型MEMS无线温度传感器。共振频率采用由于电阻变化引起的变化。原型传感器成功地进行了微加工使用MEMS技术。一个尖锐的阻抗相位相当于一个良好的倾角已经观察到电路模型。实现了大约6 kHz / K的频率灵敏度对应于±10 K的温度精度。