MEMS無(wú)線溫度傳感器燃燒研究

時(shí)間:2019-03-29 ??來(lái)源:敏創(chuàng)電子??編輯:熱敏電阻廠家??瀏覽:次

1.簡(jiǎn)介

精確的壁溫測(cè)量在各種燃燒研究中至關(guān)重要，例如壁火焰相互作用[1]，催化燃燒[2]，以及熱/化學(xué)壁淬火現(xiàn)象[3]。使用熱電偶或RTD（電阻溫度檢測(cè)器）的接觸式測(cè)溫儀已被廣泛使用

用于測(cè)量燃燒場(chǎng)中的壁溫。但是，身體接觸了目標(biāo)容易引入溫度場(chǎng)干擾，從而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量難。另一方面，基于紅外輻射或溫度依賴的非接觸式測(cè)溫?zé)晒獠牧现荒茉谠试S光學(xué)訪問(wèn)時(shí)應(yīng)用[4]。
我們以前提出了一種使用LCR電路的無(wú)線溫度傳感器，其中諧振頻率由電容變化[5]改變。我們采用Al2O3作為介電材料LCR電路中的電容器，介電常數(shù)（TCP）的溫度系數(shù)約為0.3％/ K。
然而，阻抗階段沒(méi)有表現(xiàn)出急劇的下降，因?yàn)樽杩瓜辔粋鞲衅骶€圈比設(shè)計(jì)值高約10倍。而且，考慮到電極的溫度系數(shù)（TCR），電阻變化將抵消掉諧振頻率上的電容變化。
適用于燃燒中使用的寬溫度范圍研究表明，電阻變化的影響遠(yuǎn)大于電容變化的影響。在里面目前的研究，提出了一種基于電極TCR的MEMS無(wú)線壁溫傳感器評(píng)估原型傳感器的性能以進(jìn)行非接觸式壁溫測(cè)量。

2.傳感器的設(shè)計(jì)

圖1顯示了使用MEMS無(wú)線進(jìn)行非接觸式壁溫測(cè)量的概念溫度感應(yīng)器。傳感器由薄膜線圈和電容器組成，并連接在目標(biāo)上墻面。讀出線圈放置在墻壁的另一側(cè)。壁溫變化導(dǎo)致LCR電路的諧振頻率變化，這是通過(guò)電感耦合測(cè)量的

在傳感器和讀出線圈之間[5-7]。本傳感器基本上是LCR諧振電路。傳感器線圈與電感耦合具有耦合系數(shù)k的讀出線圈，如下所述。讀出線圈連接到a網(wǎng)絡(luò)分析儀（NA），以及出現(xiàn)在諧振頻率的阻抗相位下降測(cè)量LCR電路。
基于共振頻率，傳感器的電阻因而而來(lái)壁溫估計(jì)。讀出線圈和傳感器的等效電路模型是如圖2所示.R，L，C，M和v是電阻，自感，電容，互感和電壓分別為。下標(biāo)e和s表示讀出的值線圈和傳感器分別。電路方程式可寫如下：

圖1. MEMS無(wú)線壁溫傳感器的原理?？梢栽诓唤佑|的情況下測(cè)量壁表面溫度墻的背面

圖2.讀出的等效電路模型線圈（左）和傳感器（右）。

通過(guò)求解這些聯(lián)立方程，外部電壓與外部電路電流的比率，即，計(jì)算外部電路Ze（ω）的阻抗。 Re遠(yuǎn)小于Rs，可以忽視。阻抗相位角可以如下找到：

我們可以通過(guò)得到等式（2）的極值來(lái)定義諧振頻率：

注意，k是表示兩個(gè)線圈之間耦合強(qiáng)度的耦合系數(shù)[6]，這很大程度上取決于線圈之間的距離：

從等式（3）可以看出，當(dāng)傳感器時(shí)諧振頻率ω0增加電阻Rs增加。在本分析中，耦合系數(shù)假設(shè)為k = 0.3，其中對(duì)于近距離感應(yīng)耦合是合理的。圖3a顯示了基于的分析結(jié)果當(dāng)電阻在10~20Ω范圍內(nèi)時(shí)的等效電路模型。
諧振頻率增加隨著阻力，傾角下降。使用 HFSS進(jìn)行三維電磁仿真（高頻結(jié)構(gòu)模擬器）也用于比較。傳感器被建模為關(guān)閉設(shè)計(jì)的LCR電路和讀出線圈的兩端連接到集總端口作為NA的功能。
傳感器上的金屬層被假定為2-D板以減少計(jì)算量負(fù)載。為了改變傳感器電阻值，將集總電阻器元件連接到傳感器串聯(lián)電路。頻率從1 MHz掃描到100 MHz，步長(zhǎng)為1 MHz。該結(jié)果如圖3b所示。
雖然三維模擬結(jié)果有些不同解析解，兩個(gè)結(jié)果都顯示出由于電阻變化引起的類似的共振頻率偏移。

3.傳感器的MEMS制造

微制造工藝開(kāi)始于在玻璃基板上濺射500nm厚的Au層用50nm厚的Cr或Ti膜作為粘合層。然后將Au層圖案化成底部電極使用標(biāo)準(zhǔn)光刻。然后，沉積100nm厚的SiO2層作為a

圖3.分析（a）和HFSS模擬（b）Ls =0.1μH和當(dāng)Rs在10的范圍內(nèi)變化時(shí)，Cs = 0.2nF~20 c。

圖4. MEMS制造工藝; （一個(gè)）濺射和抗蝕涂層，（b）底部金屬層圖案化，（c）SiO2層沉積，（d）SiO2圖案化，（e）濺射和抗蝕涂層，（f）上金屬層圖案。

圖5.原型無(wú)線溫度傳感器。尺寸為10 mm×10毫米。

通過(guò)等離子體CVD以TEOS（原硅酸四乙酯）作為前體的介電層。一個(gè)接觸孔使用緩沖的HF蝕刻連接兩個(gè)金屬層。最后，另一個(gè)1.5μm厚的Au層濺射并圖案化以形成反電極和5匝螺旋線圈。圖5顯示了一個(gè)已完成傳感器的照片，尺寸為10平方毫米。

4.結(jié)果和討論

通過(guò)將Cu線（直徑：1.12mm）卷繞成螺旋形狀來(lái)制造讀出線圈。原型傳感器和讀出線圈連接在樹脂薄膜的兩側(cè)。兩個(gè)線圈之間的距離是0.68毫米。讀出線圈連接到NA和諧振測(cè)量結(jié)果。圖7顯示了在頻率中測(cè)量的阻抗相角變化
范圍高達(dá)100 MHz。在諧振附近可以清楚地看到超過(guò)35度的尖銳阻抗相位下降頻率。測(cè)量結(jié)果很好地?cái)M合了等效電路模型（方程式（2）），證明了本電路模型分析的有效性。耦合的擬合值當(dāng)線圈之間的距離為0.68mm時(shí)，
系數(shù)k約為0.6，而它減小當(dāng)距離超過(guò)5.6毫米時(shí)，低于0.1。隨著耦合系數(shù)的降低，靈敏度為因?yàn)樽杩瓜辔幌陆底冣g，也會(huì)減少。提高靈敏度通過(guò)改變線圈形狀或改進(jìn)測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的距離

圖6.評(píng)估傳感器性能的實(shí)驗(yàn)裝置。讀出線圈與傳感器耦合，其阻抗相位角由NA測(cè)量。

圖7.阻抗相角與頻率。實(shí)線是曲線擬合電路Rs =22.4Ω，Ls =0.25μH和Cs的模型= 0.23 nF。

圖8.諧振頻率與溫度。測(cè)得的靈敏度溫度變化約為6 kHz / K.

算法。

圖6顯示了將性能評(píng)估為無(wú)線溫度的實(shí)驗(yàn)裝置傳感器。傳感器和讀出線圈固定在0.15mm厚的載玻片上，對(duì)應(yīng)線圈之間的距離為0.71毫米。將該裝置放入電烤箱中在26.5至150℃的不同溫度下測(cè)量。每個(gè)諧振頻率

溫度如圖8所示。頻率靈敏度約為6 kHz / K.當(dāng)。。。的時(shí)候確定諧振頻率的測(cè)量誤差假定為~50kHz，即溫度精度為±10 K，這對(duì)于大多數(shù)燃燒研究來(lái)說(shuō)足夠高。

5.結(jié)論

提出了一種用于燃燒研究的新型MEMS無(wú)線溫度傳感器。共振頻率采用由于電阻變化引起的變化。原型傳感器成功地進(jìn)行了微加工使用MEMS技術(shù)。一個(gè)尖銳的阻抗相位相當(dāng)于一個(gè)良好的傾角已經(jīng)觀察到電路模型。實(shí)現(xiàn)了大約6 kHz / K的頻率靈敏度對(duì)應(yīng)于±10 K的溫度精度。