CN102692609B - 基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器，包括纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)、沉积在纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)上的四个压敏电阻、玻璃外罩(3)、硅衬底(4)和玻璃衬底(5)。本发明的基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器，克服了温度对传感器精度的影响。且本发明所用的敏感元件是一种新型的纳米粒子磁流变弹性体薄膜，在测试时不用消耗额外能量即可在磁场作用下形变，进一步降低了整体功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微型机电系统(MEMS)中的基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器，属于微机电和传感器科学领域。
背景技术
磁场传感器是指可以将磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。磁场传感器在工业、军事、生物、医学等领域的应用非常广泛。例如，磁场传感器应用于计算机硬盘磁头上，使读取数据更精确，速度更快；磁场传感器制成的磁罗盘，帮助飞机船只更精确的定位；一些精密的磁场传感器，如超导量子干涉器件磁强计，可以测量人体的心磁、肺磁和生物组织磁化率，有助于病情诊断和生物研究。
但上述的磁场传感器均为宏观器件，体积大、功耗高、仪器结构复杂。在一些特定的场合，如机器人需要内置磁场传感器，此时宏观器件无法适用。另外，随着集成电路技术的发展，人们对单一芯片上的功能要求越来越多样化，因此微型磁场传感器应运而生。微型磁场传感器具有体积小、功耗低、成本低、制作工艺可以于集成电路的制作工艺兼容等优点，此外多数微型磁场传感器都直接和后续处理电路集成，降低了噪声信号干扰，简化了电路结构，因而可靠性好，精度高。
目前，微型磁场传感器根据原理分为两大类，一类是利用半导体中载流子在磁场作用下运动路径发生变化制成，另一类是利用磁场条件下微型机械结构的形变或谐振频率的改变制成。第一类磁场传感器的敏感元件是由半导体器件构成，因而精度容易受温度的影响。第二类传感器的检测元件为机械装置，对温度不敏感，但在测量时必须消耗额外能量用来产生形变或维持谐振。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器。
本发明的技术方案如下：
一种基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器，包括纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)、沉积在纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)上的四个压敏电阻、玻璃外罩(3)、硅衬底(4)和玻璃衬底(5)；纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)两边的气压差会引起纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)向气压较小的一边弯曲形变，硅衬底(4)与玻璃衬底(5)之间密封，使得硅衬底(4)与玻璃衬底(5)之间内部气压不变；玻璃衬底(5)与玻璃外罩(3)间密封，使得玻璃衬底(5)与玻璃外罩(3)内部气压不变；纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)上沉积有四个压敏电阻R1至R4，压敏电阻R1至R4采用惠更斯电桥检测电阻改变。
本发明的基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器，克服了温度对传感器精度的影响。且本发明所用的敏感元件是一种新型的纳米粒子磁流变弹性体薄膜，在测试时不用消耗额外能量即可在磁场作用下形变，进一步降低了整体功耗。
附图说明
图1为本发明的微型磁场传感器初始状态示意图；
图2为本发明的微型磁场传感器工作状态示意图；
图3为本发明的微型磁场传感器压敏电阻分布图；
图4为本发明的微型磁场传感器压敏电阻等效电路图；
图5为本发明微型磁场传感器立体结构示意图。
1、纳米粒子磁流变弹性体薄膜；2、压敏电阻；3、玻璃外罩；4、硅衬底；5、玻璃衬底；6、触电；7、导线；A、B、C、D为四个触点；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
新型纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制作工艺：
(1)PDMS-铁粉混合物的制备
聚二甲基硅氧烷(Polydimethylesiloxane，PDMS)是一种广泛用于微机电领域的新型聚合材料，该材料在常温下为透明弹性体，具有生物相容性，抗化学腐蚀，耐磨性好。制作纳米粒子磁流变弹性体薄膜所用的PDMS分为两部分：硅胶和固化剂(DowCorning SYLGARD 184)，制作步骤如下：
1)将硅胶和固化剂按10∶1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入超声波振荡仪中振荡2分钟去泡，同时可促进其进一步混合。
2)将步骤1)所得混合物与氯仿按1∶1的重量比混合，搅拌均匀后再次振荡10分钟，以确保混合物中完全无气泡。
3)将四氧化三铁纳米颗粒(20nm，球型，Aladdin Chemistry CO.LTD)与混合物按1∶10的重量比混合，用玻棒搅拌1分钟确保其混合均匀。最后放入振荡仪中振荡30分钟，确保其气泡完全清除，即得PDMS-铁粉混合物。
(2)纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制备
1)将规格为8×8mm的硅片放入30ml丙酮中，用超声波清洗仪清洗，1分钟后用烘干仪烘干。
2)用涂胶机将混合均匀无气泡的PDMS-铁粉混合物均匀涂在硅片上。
3)将制作好的样品放入100mT强磁场中2分钟，在磁场作用下纳米铁粉颗粒会按磁场方向重新排列，形成链状结构。
4)将样品从磁场中取出，放在烘干机上烘烤30分钟，烘烤温度为150摄氏度，保证PDMS凝固，即得纳米粒子磁流变弹性体薄膜。
实施例2
由于新型的纳米粒子磁流变弹性体薄膜在有场条件下，薄膜的弹性模量E会发生改变，本发明就是利用此特性制成。
如图1所示为本发明微型磁场传感器初始状态的横截面，微型磁场传感器的整体结构如图5所示，包括纳米粒子磁流变弹性体薄膜1、沉积在纳米粒子磁流变弹性体薄膜1上的四个压敏电阻、玻璃外罩3、硅衬底4和玻璃衬底5。图1中，P1为大气压，P2为真空，纳米粒子磁流变弹性体薄膜1两边的气压差(P1与P2之差)会导致纳米粒子磁流变弹性体薄膜1向气压较小的一边弯曲形变，硅衬底4与玻璃衬底5之间密封，使得P2不变；玻璃衬底5与玻璃外罩3间密封，使得P1不变。纳米粒子磁流变弹性体薄膜1上沉积有四个压敏电阻R1至R4。
纳米粒子磁流变弹性体薄膜1的压敏电阻分布如图3所示，压敏电阻的等效电路图如图4所示，R0为精密变阻器，A点和D点之间的U0为输出电压，E点和B点之间的U1为输入电压。本发明同时将四个压敏电阻沉积在纳米粒子磁流变弹性体薄膜1上，四个电阻R1至R4按顺时针分布，其中，R1与R3相对，R2与R4相对。当薄膜形变时四个电阻R1至R4同时变形，可增加传感器的灵敏度。四个压敏电阻R1至R4采用惠更斯电桥检测电阻改变，其中触点B、触点C外接一个精密变阻器R0，用于电阻调零。
传感器的工作状态如图2所示。当有强度为H的磁场穿过纳米粒子磁流变弹性体薄膜1时，纳米粒子磁流变弹性体薄膜1的剪切模量E将增加。由于P1和P2均未改变，则施加在纳米粒子磁流变弹性体薄膜1上的力不变，即应力σ不变。根据公式：σ＝E·ε可知，纳米粒子磁流变弹性体薄膜1的应变ε会变小，表现在传感器中就是纳米粒子磁流变弹性体薄膜1向上移动。纳米粒子磁流变弹性体薄膜1形变会导致压敏电阻形变，阻值改变。通过测量压敏电阻的改变值，即可间接计算出磁场强度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于纳米粒子磁流变弹性体薄膜的微型磁场传感器，其特征在于，包括纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)、沉积在纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)上的四个压敏电阻R1至R4、玻璃外罩(3)、硅衬底(4)和玻璃衬底(5)；纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)两边的气压差会引起纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)向气压较小的一边弯曲形变，硅衬底(4)与玻璃衬底(5)之间密封，使得硅衬底(4)与玻璃衬底(5)之间内部气压不变；玻璃衬底(5)与玻璃外罩(3)间密封，使得玻璃衬底(5)与玻璃外罩(3)内部气压不变；纳米粒子磁流变弹性体薄膜(1)上沉积有四个压敏电阻R1至R4，压敏电阻R1至R4采用惠更斯电桥检测电阻改变。
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