CN105526854A - 基于双线圈的微型电涡流传感器 - Google Patents

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翟瑶
张啟欢
汪红
赵小林
丁桂甫
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Abstract

本发明提供了一种基于双线圈的微型电涡流传感器，包括：电极、激励线圈、感应线圈、聚酰亚胺、通孔、玻璃基片和连接线，其中：感应线圈位于激励线圈正上方；通孔位于激励线圈和感应线圈的中央，用于分别连接电极与激励线圈、电极与感应线圈；聚酰亚胺用于感应线圈与激励线圈的绝缘和支撑，玻璃基片位于最下方，连接线用于连接通孔与电极。本发明所述传感器利用电涡流检测原理，并结合法拉第电磁感应定律有效地检测与金属物体之间的距离。本发明克服了传统电涡流传感器需要结合信号转换电路才能使用的缺点，简化了检测系统，同时利用微加工工艺进行传感器的加工制造，体积小，功耗低，易于实现批量化集成制造。

Description

基于双线圈的微型电涡流传感器
技术领域
本发明涉及的是一种电涡流传感器，具体地，涉及一种基于双线圈结构的新型微型电涡流传感器。
背景技术
电涡流传感器是一种建立在电涡流效应原理上的传感器，这是一种性能优越的非接触测量传感器，同时也是一种无损检测传感器。电涡流传感器可以用于测量距离、厚度、应变、硬度等物理量，以及振动、转速、温度、速度、加速度等，因而在工业生产领域中有着广泛的应用。
现有的电涡流传感器的结构为单一线圈，在进行检测时对线圈通入交变电流，产生初级磁场，当检测物体靠近线圈时，根据法拉第电磁感应定律在检测物体表面会产生电涡流，同时产生次级磁场对初级磁场产生削弱，进而改变线圈的等效阻抗。接下来利用电桥以及谐振电路等信号转换电路，将阻抗的变化转化为电压的变化，然后再进行信号处理。但是信号转换电路结构复杂，器件较多，增加了整个传感器系统的体积和复杂度，限制了传感器的应用。
经检索，申请号为CN201320803198.8的中国实用新型专利，该专利公开了一种多模态电涡流传感器硬币信号采集装置，包括由绕在上模块上的感应线圈和绕在下模块上的激励线圈组成，通过下模块引出线通以激励电流，从而在上下模块周围产生交变磁场；感应线圈和激励线圈均为空心矩形线圈，聚氨酯漆包线，缠绕时由内向外缠，右旋缠绕，并紧，每层间垫塑料胶带隔离，引出线三根，除线圈两头外加屏蔽线，其中屏蔽线与线圈两头引出线缠在一起后接到电路板的GND上。但是该专利所设计的传感器采用传统制造方式制造，线径达到0.29毫米，整个传感器体积较大，并且在检测时激励线圈与感应线圈位于检测物体的两侧，因此检测范围受到传感器自身的结构的限制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于双线圈结构的微型电涡流传感器，通过改进传感器的结构，并利用微加工技术进行制造，降低了整个传感器系统的复杂度，同时实现了传感器的小型化和低功耗。
为实现以上目的，本发明提供一种基于双线圈结构的微型电涡流传感器，包括：激励线圈、感应线圈、通孔、电极、聚酰亚胺、玻璃基片和连接线，其中：感应线圈位于激励线圈正上方；通孔位于激励线圈和感应线圈的中央；电极位于激励线圈和感应线圈的末端，激励线圈和感应线圈通过电极和通孔，与外电路连接；在电极、激励线圈、感应线圈和通孔之间充满聚酰亚胺，聚酰亚胺用于感应线圈与激励线圈之间的绝缘以及整个传感器的封装；玻璃基片位于最下方，连接线用于连接通孔与电极。
本发明中，通过所述电极向所述激励线圈通入交流电，所述激励线圈附近的空间产生一个同频率的交变磁场；根据法拉第电磁感应定律，在所述感应线圈上也产生一个同频率的感应电动势；当金属检测物体接近所述传感器时，金属检测物体上会产生电涡流，电涡流产生一个与交变磁场方向相反的次级磁场，从而对交变磁场产生削弱，进而所述感应线圈上的感应电动势也会减小；金属检测物体与所述传感器之间的距离越近，则金属检测物体上的电涡流越强，感应电动势下降的也就越多；通过对所述感应线圈上感应电动势峰值的检测，从而有效测量所述传感器与金属检测物体之间的距离。
优选地，所述的激励线圈和所述的感应线圈的匝数均为20-40，匝与匝之间的距离均为20微米-30微米；激励线圈和感应线圈的截面均为矩形，激励线圈和感应线圈的宽度均为20微米-40微米、高度均为10微米-20微米；激励线圈和感应线圈之间间隔为10微米-20微米。
更优选地，所述的激励线圈和所述的感应线圈利用微加工工艺中的电镀、溅射、光刻工艺实现。
优选地，所述的电极、所述的激励线圈、所述的感应线圈、所述的通孔以及所述的连接线均采用铜材料制作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明在传统电涡流传感器的基础上加入感应线圈，从而使得传感器的输出信号为交变电压信号，可以直接接入信号处理电路，从而省略了信号转化这一过程，简化了电涡流检测系统，并且传感器利用微加工技术进行制作，减小了传感器体积降低了功耗。本发明整个传感器体积小，并且在检测时激励线圈与感应线圈没有特定位置要求，因此检测范围受到结构的限制较小。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例结构的俯视图；
图2为本发明一实施例结构的截面图；
图中：电极1，激励线圈2，感应线圈3，聚酰亚胺4，通孔5，玻璃基片6，连接线7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、图2所示，一种基于双线圈的微型电涡流传感器，包括：电极1、激励线圈2、感应线圈3、聚酰亚胺4、通孔5、玻璃基片6和连接线7，其中：感应线圈3在激励线圈2的正上方，通孔5位于分别与激励线圈2和感应线圈3中央；电极1与激励线圈2和感应线圈3末端相连，并且一直延伸到整个器件的表面；在电极1、激励线圈2、感应线圈3和通孔5之间充满有聚酰亚胺4，聚酰亚胺4用于感应线圈3与激励线圈2之间的绝缘以及整个传感器的封装；最下面是玻璃基片6，玻璃基片6用于在利用微加工工艺制作传感器的过程中支撑整个器件同时也是传感器结构的一部分；连接线7用于连接电极1与通孔5。
在一实施例中，所述的电极1为方形，方形电极1的边长为500微米、厚度为10微米；所述的电极1采用铜材料制作。
在一实施例中，所述的激励线圈2匝数为30，激励线圈2的宽度为40微米、高度为20微米，匝与匝之间的距离为30微米；所述的激励线圈2采用铜材料制作。
在一实施例中，所述的感应线圈3匝数为30，感应线圈3的宽度为40微米、高度为20微米，匝与匝之间的距离为30微米；所述的感应线圈3采用铜材料制作。
在一实施例中，所述的感应线圈3与所述的激励线圈2之间间隔为10微米。
在一实施例中，所述的通孔5为方形，方形通孔5的边长100微米。
在一实施例中，所述的通孔5用于将位于中央的激励线圈2和感应线圈3的另一个电极引出到传感器表面，以方便与电极1进行连接。
所述的连接线7用于连接电极1与通孔5，使得激励线圈2和感应线圈3能够通过电极1与外电路相连接。
根据理论计算，按照上述尺寸参数结构设计的本发明所述传感器，通过电极1向激励线圈2通入交流电，则激励线圈2附近的空间会产生一个同频率的交变磁场，根据法拉第电磁感应定律，在感应线圈3上也会产生一个同频率的感应电动势，这时如果有金属检测物体接近所述传感器，则金属检测物体上会产生电涡流，电涡流会产生一个与交变磁场方向相反的次级磁场，从而对交变磁场产生削弱，进而感应线圈3上的感应电动势也会减小。金属检测物体与所述传感器之间的距离越近，则金属检测物体上的电涡流越强，感应电动势下降的也就越多。通过对感应线圈3上感应电动势峰值的检测，可以有效地测量传感器与金属检测物体之间的距离。
本发明在传统电涡流传感器的基础上加入感应线圈，从而使得传感器的输出信号为交变电压信号，可以直接接入信号处理电路，从而省略了信号转化这一过程，简化了电涡流检测系统，并且传感器利用微加工技术进行制作，减小了传感器体积降低了功耗。
本发明整个传感器利用微加工工艺进行制作，线圈的宽和高都只有数十微米，整个传感器厚度不到100微米，同时激励线圈和感应线圈位于检测物体的同一侧，因此测量范围不会受到传感器结构的限制，测量范围大大提高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于双线圈的微型电涡流传感器，其特征在于，包括：激励线圈、感应线圈、通孔、电极、聚酰亚胺、玻璃基片和连接线，其中：感应线圈位于激励线圈正上方；通孔位于激励线圈和感应线圈的中央；电极位于激励线圈和感应线圈的末端，激励线圈和感应线圈通过电极和通孔，与外电路连接；在电极、激励线圈、感应线圈和通孔之间充满聚酰亚胺，聚酰亚胺用于感应线圈与激励线圈之间的绝缘以及整个传感器的封装；玻璃基片位于最下方，连接线用于连接通孔与电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于双线圈的微型电涡流传感器，其特征在于，通过所述电极向所述激励线圈通入交流电，所述激励线圈附近的空间产生一个同频率的交变磁场；根据法拉第电磁感应定律，在所述感应线圈上也产生一个同频率的感应电动势；当金属检测物体接近所述传感器时，金属检测物体上会产生电涡流，电涡流产生一个与交变磁场方向相反的次级磁场，从而对交变磁场产生削弱，进而所述感应线圈上的感应电动势也会减小；金属检测物体与所述传感器之间的距离越近，则金属检测物体上的电涡流越强，感应电动势下降的也就越多；通过对所述感应线圈上感应电动势峰值的检测，从而有效测量所述传感器与金属检测物体之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于双线圈的微型电涡流传感器，其特征在于，所述的激励线圈和所述的感应线圈的匝数均为20-40，匝与匝之间的距离均为20微米-30微米。
4.根据权利要求1所述的一种基于双线圈的微型电涡流传感器，其特征在于，所述的激励线圈和所述的感应线圈的截面均为矩形，所述的激励线圈和感应线圈的宽度均为20微米-40微米、高度均为10微米-20微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于双线圈的微型电涡流传感器，其特征在于，所述的激励线圈和所述的感应线圈之间间隔为10微米-20微米。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于双线圈的微型电涡流传感器，其特征在于，所述的激励线圈和所述的感应线圈利用微加工工艺中的电镀、溅射、光刻工艺实现。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于双线圈的微型电涡流传感器，其特征在于，所述的电极、所述的激励线圈、所述的感应线圈、所述的通孔以及所述的连接线均采用铜材料制作。
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