CN102721738B - 硅基底多层线圈结构的微型涡流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅基底多层线圈结构的微型涡流传感器，属于微传感器领域，用于金属构件表面微裂纹检测。该传感器基于200μm厚的三寸硅基片由单层激励线圈、多层检测线圈以及导通层和绝缘层构成。每两层检测线圈成反向螺旋环绕通过中心导线柱串联导通，保证其中感应电流流向一致增强检测信号；检测线圈和激励线圈之间填充二氧化硅绝缘层。检测线圈截面尺寸为10μm×10μm、20μm×15μm、30μm×15μm三种且每个线圈均为10匝，对应激励线圈截面尺寸为140μm×20μm、290μm×20μm、430μm×20μm且均为单匝。电感线圈呈方形和圆形两种平面螺旋并根据形状及尺寸呈矩阵式分布以增加检测面积提高检测效率。本发明是基于微机电系统MEMS通过UV-LIGA为精密加工工艺，具有结构纤薄、微小化、灵敏度高、效率高的优点，适合金属工件表面微缺陷的无损检测。

Description

硅基底多层线圈结构的微型涡流传感器

技术领域

本发明属于微传感器技术领域，具体涉及金属构件表面微小裂纹检测。

背景技术

目前，用于微裂纹无损检测的设备主要由磁粉探伤仪、超声探伤仪、射线探伤仪。

磁粉探伤仪具有一定的缺点：例如，对表面微小裂纹的检测灵敏度比较低，难以发现缺陷；需要检测之前对工件表面进行预处理，去除表面的油脂、涂料以及铁锈，大大增加了准备时间；被测工件容易被磁化，检测之后需要进行退磁、除去磁粉处理，检测效率低，延长路检测周期。

超声波探伤仪除了上述某些缺点外还具有自身一些缺点：例如，对形状不规则、小、薄工件难以检测；适合于深处大缺陷的检测，对工件表面缺陷检测灵敏度低稳定性很差；检测时需要耦合剂，且效率低；需要由有经验人员谨慎操作。

射线探伤仪对工件内部缺陷检测很有效；对人体辐射大需要安全防护，且不易实施。

目前无损探伤传感器在向着微小精密检测方向发展，针对以上缺点本发明涉及一种硅基底多层线圈结构的微型涡流传感器，具有结构纤薄、微小化、灵敏度高、效率高等优点，在表面涂层、潮湿等恶略环境下也能很好地开展监测工作，尤其适合金属工件表面微裂纹的非接触式检测。

发明内容

本发明提供了一种硅基底上多层线圈结构的微型涡流传感器，以消除目前无损检测传感器的上述缺点，不但实现了裂纹检测的目的而且具有结构纤薄、尺寸微小、灵敏度高、效率高、非接触检测、对工作环境不敏感的优点。

本发明的技术方案如下：

采用硅片作为涡流传感器的基底，包括单层激励线圈、至少两层的检测线圈、导通层和

绝缘层，每两层检测线圈通过中间的一层导线柱导通，保证两层检测线圈螺旋方向相反；激励线圈层与检测线圈层之间具有单独的SiO₂绝缘层；通过激励线圈两端的接线柱加载交变电源；检测线圈的两个接线柱穿过其上面每一层线圈空白区域与检测电路引线相连。

该传感器可以采用200μm厚的三寸硅基片为基底，其中检测线圈截面尺寸为10μm×10μm、20μm×15μm、30μm×15μm三种，激励线圈截面尺寸对应为140μm×20μm、290μm×20μm、430μm×20μm。检测线圈均为10匝，激励线圈均为单匝，材质选择电导率较大的Cu。电感线圈有方形平面螺旋和圆形平面螺旋两种形式，为了对比二者在实际应用中的灵敏度。为了增加每次检测的面积提高检测效率，相同的螺旋形状及尺寸呈矩阵式分布，并且激励线圈与检测线圈螺旋形状保持一致。可以根据检测需要适当增加检测线圈和激励线圈层数。其中每两层检测线圈通过中间的一层导线柱导通，并保证两层检测线圈螺旋方向相反，从而保证感应电磁场叠加为了增强检测信号提高检测灵敏度；激励线圈两端的接线柱是用于加载激励电源；激励线圈层与检测线圈层之间通过其间的SiO₂层，达到绝缘效果；检测线圈的两个接线柱穿过其上面每一层线圈空白区域为了在最后层与后续信号检测电路连接。电感线圈根据相同形状及尺寸呈矩阵式分布。在加工完成之后，可以根据实际检测需要，进行基于基底的切割，既可以切割单套电感线圈用于单套电感线圈调试，或者根据相同形状及尺寸进行矩阵式切割，同时使用多套电感线圈进行大面积检测达到提高检测效率的效果。

本发明的有益效果是底层绝缘效果好，传感器更加轻薄、操作灵便。通过微精密加工工艺UV-LIGA：光刻、溅射、电铸以及等离子体化学气相沉积PECVD技术将涡流传感器的微型检测和激励线圈一体化、微小化，该结构设计打破了传统上激励和检测线圈相互独立放置，在进行检测时候需要对激励和检测分别定位的缺点。传感器内部具有很多套电感线圈，与传统传感器单线圈相比，大大增加了一次探伤的面积提高了检测效率。硅基底多层线圈结构的微型涡流传感器不但具有微型集成化特点，而且性价比高、检测面积大、效率高、操作灵便，重要的是打破了传统无损检测传感器的宏观局限性，尤其对金属表面微裂纹无损检测具有重要实际应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1分别是本发明的纵切面结构示意图。其中■表示金属Cu，□表示光刻胶。

图2a是第一层检测线圈俯视图。

图2b是对应图2a的导线柱俯视图。

图2c是对应图2a、2b的第二层检测线圈俯视图。

图2d是对应图2a、2b、2c的检测线圈与激励线圈之间绝缘层俯视图。

图2e是对应图2a、2b、2c、2d的激励线圈俯视图。

图3是本发明中第一层检测线圈层的整体俯视图。

图4是本发明中激励线圈层的整体俯视图。

图5a是本发明的具体实施示例，是截面尺寸为30μm×15μm的第一层圆形平面螺旋检测线圈在显微镜下50倍放大图。

图5b是本发明的另外一个具体实施示例，是截面尺寸为10μm×10μm的第一层方形平面螺旋检测线圈在显微镜下200倍放大图。

图中：1-激励线圈，2-检测线圈与激励线圈之间SiO₂绝缘隔离层，3、5-两层检测线圈，4-两检测线圈中间层， 6-硅基底，7-两检测线圈之间导线柱，8、 9-检测线圈的两个接线柱，12-公共电极，13-截面尺寸为10μm×10μm的检测线圈区域，14-截面尺寸为20μm×15μm的检测线圈区域，15-截面尺寸为30μm×15μm的检测线圈区域，16-方形平面螺旋线圈，17-圆形平面螺旋线圈，18-截面尺寸为140μm×20μm的激励线圈区域，19-截面尺寸为290μm×20μm的激励线圈区域，20-截面尺寸为430μm×20μm的激励线圈区域，21、22-检测线圈的两个接线柱用于外接信号检测电路，23、24-激励线圈的两个接线柱，用于加载激励电源,10-检测线圈的接线柱，11-两层检测线圈之间的导线柱。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的具体实施方案

本发明微传感器电感线圈结构是在对比自感式、互感式基础之上，考虑到自感式结构中电感线圈即充当激励同时又作为检测线圈，在实际应用中信噪比小，所以本发明选择互感式结构，即传感器是由独立的检测线圈和激励线圈构成。将信号源产生的交变电流加载至激励线圈，产生的交变电场使得被测工件表面处在交变磁场中，从而感应产生电涡流；相邻检测线圈成反向螺旋，并通过线圈之间的导线柱串联导通，该结构是为了使得检测线圈感应磁场叠加从而达到增强检测信号，提高检测灵敏度的目的。

图5a和图5 b是本发明具体实施示例，是基于微机电系统MEMS，通过UV-LIGA加工工艺：光刻、溅射、电铸以及等离子体增强化学气相沉积PECVD技术制作。图5a是截面尺寸为30μm×15μm的第一层圆形平面螺旋检测线圈在显微镜下50倍放大图，图5b是截面尺寸为10μm×10μm的第一层方形平面螺旋检测线圈在显微镜下200倍放大图，10为检测线圈的一个接线柱用于与外部信号检测电路连接，11为两检测线圈之间的导线柱，实现两检测线圈导通。该实施示例的纵向切面结构如图1所示，是由两层串联结构检测线圈和一层激励线圈构成，检测线圈平面螺旋匝数为10匝，激励线圈为单匝。第一层检测线圈整体俯视图如图3所示，三寸200μm厚的硅片为基底，传感器线圈以铜为材质，硅基底上检测线圈和激励线圈对应成方形平面螺旋和圆形平面螺旋，用于在实验中对比灵敏度，并成矩阵式布局。检测线圈截面共有三种不同尺寸：区域13表示线圈截面尺寸为10μm×10μm， 14表示线圈截面尺寸为20μm×15μm，15表示线圈截面尺寸为30μm×15μm。激励线圈整体俯视图如图4所示，与检测线圈尺寸、形状相对应，激励线圈三种尺寸分别为：18表示激励线圈截面尺寸为140μm×20μm， 19表示激励线圈截面尺寸为290μm×20μm，20表示激励线圈截面尺寸为430μm×20μm。

Claims (2)

1.一种硅基底多层线圈结构的微型涡流传感器，其特征在于，采用硅片作为涡流传感器的基底，包括单层激励线圈、至少两层的检测线圈，导通层和绝缘层，导通层，即每两层检测线圈通过中间的一层导线柱导通，保证两层检测线圈螺旋方向相反；绝缘层，即激励线圈层与检测线圈层之间具有单独的SiO₂绝缘层；通过激励线圈两端的接线柱加载交变电源；检测线圈的两个接线柱穿过其上面每一层线圈空白区域与检测电路引线相连；

检测线圈截面尺寸为10μm×10μm、20μm×15μm、30μm×15μm三种且每个线圈均为10匝，对应激励线圈截面尺寸为140μm×20μm、290μm×20μm、430μm×20μm且均为单匝，相同的螺旋形状及尺寸呈矩阵式分布；

硅片采用厚度为200μm的三寸硅片。

2.如权利要求1所述的微型涡流传感器，其特征在于，电感线圈有方形平面螺旋和圆形平面螺旋两种形式。