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非稳态温度场的柔性无线壁温传感器

时间:2019-03-29   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
描述
非稳态温度场的壁温测量是燃烧研究中的主要问题之一[1]。 使用热电偶的接触测温已被广泛使用,但它需要容易引入外部干扰的布线和物理接触[1,2]。 作为非接触测温法,红外高温计和热成像磷光体也是可用,但是现有vr赛车需要光学通路,这在燃烧研究中可能是有问题的[1-4]。
为了克服这些限制,vr赛车提出了一种利用金薄膜电阻温度系数变化的无线壁温传感器[5,6]。 用标准MEMS工艺成功地制作了原型传感器,测得的谐振频率随温度的升高呈二次曲线增长。 然而,温度测量的空间分辨率与传感器线圈的直径即10mm及其时间分辨率一样大 尚未审查。
在本研究中,vr赛车提出了一种新的具有改进的时空分辨率的柔性无线墙体温度传感器。
 
2。无线温度传感器的设计
该传感器由平面螺旋线圈、电容、电阻等元件组成,并具有温度特性。 传感器线圈与读出线圈电感耦合,并且电路阻抗响应于传感器上的电阻器的电阻变化而变化。 这种方法的一个优点是传感器仅由无源器件组成,不含任何半导体,因此适用于高温应用。 图1显示了等效的
 
图1。 无线墙的等效电路模型温度传感器(右)和读出线圈

在外部驱动电压ve下传感器及其耦合读出电路的电路模型。基于电路分析,可以导出读出电路阻抗∠Ze()ω的相位角如式(1)[5,6],其中L,C,R和ω代表电感,电容,电阻,和角频率。下标e和s表示外部读出电路和传感器。
Rp是由传感器线圈引起的寄生电阻,并且确定耦合系数k通过两个线圈的自感和它们的互感M,它们高度依赖于他们的几何关系。共振频率是从极值条件得到的等式(1),其偏移由传感器电阻和温度决定。
对于耦合串联LCR电路,Q因子取决于电阻和相互电感M.为了获得更高的Q因数,以获得更高的谐振频率精度,传感器应该最小化电阻,并且应该在约束条件下最大化互感装置。然而,在vr赛车之前的研究[5,6]中,由于传感器线圈的大的薄层电阻
溅射Au膜,线圈本身的寄生电阻很大,使得传感器整合阻止电阻。因此,传感器线圈被用作传感器电阻器,这显着降低温度测量的空间分辨率。
为了抑制寄生电阻的不希望的影响,传感器线圈的厚度应该在10微米的量级。在本研究中,vr赛车采用铜层压聚酰亚胺薄膜作为传感器基板。注意聚酰亚胺,它已广泛用于柔性印刷电路
(FPC),是一种具有适用于燃烧领域的材料:高耐热性至400ºC,化学稳定性和灵活性。

图2。 传感器制造工艺:首先,将聚酰亚胺薄膜上的铜层图案化为电极和平面螺旋线圈。

通过光刻和深RIE工艺制作硅硬掩模(图3A)。 然后,通过硬掩模溅射金薄膜以沉积感测电阻器,如图3B所示。

图3.(a)Si的照片硬掩模,(b)传感电阻,(c),(d)制造的聚酰亚胺基无线壁温传感器。 该尺寸传感电阻为1 mm×1 mm
3.传感器的制造
图2a-d示出了使用12.5μm厚的聚酰亚胺的本传感器的制造过程基质。首先,将层叠在聚酰亚胺膜两侧的18μm厚的Cu层图案化进入电容器和平面线圈的电极。
钻一个接触孔和无电镀Au对顶部和底部Cu层之间的电连接进行电镀。然后,一个Si用于传感电阻器的硬掩模通过标准光刻和蚀刻来微制造使用DRIE(MUC-21 ASE-Pegasus,STS)的过程,如图3a所示。
最后,约通过硬掩模溅射具有Cr粘附层的100nm厚的Au膜以沉积感测电阻器(图3b),并将传感器组成闭合电路。图3d显示了成功制造的具有1 mm传感的原型传感器的照片电阻。
感应电阻的测量电阻和寄生电阻的设计值电阻分别为130Ω和1Ω。注意,电阻器的尺寸可以进一步减小至50μm,以获得更好的空间分辨率。

4.改善时间分辨率
在确定谐振频率时,传感器与读出线圈电感耦合使用网络分析仪测量其阻抗。在vr赛车以前的研究中,频率扫地需要很长时间,因此测量的平均时间保持在100毫秒的量级。从而vr赛车尝试通过减少频率扫描点的数量来缩短测量时间。
如图4所示,测量具有不同扫描点的测量相角数据
                                                                                                                      图4.阻抗的相角与不同数量的频率扫地点。 图表被放大了在共振频率附近                  图5.测量时间间隔和谐振频率的拟合误差清扫点数。 总数测量时间不仅包括扫地时间,但也需要时间数据传输。                                                                                         

等式(1)。 随着数据点数量的减少,谐振频率的拟合误差为增加。 将拟合误差和测量时间间隔绘制为数字的函数图5中的扫描点。注意,601点的测量数据用作参考。当vr赛车将扫描次数减少到7个点时,需要扫描时间大约0.6毫秒。
当包括数据传输所需的时间时,它对应于2.3毫秒。由于拟合误差的增加,温度测量的不确定性也增加了。然而,大约100ºC的不确定度估计为±5.2ºC,这对大多数人来说应该是可以接受的燃烧研究。

5.非稳定领域的绩效评估
图6显示了在非稳态热场中进行性能评估的实验装置。该传感器固定在板上,读出线圈安装在另一侧,距离为1.6 mm。读出线圈通过同轴连接到网络分析仪电缆,并用K型热电偶同时监测壁面温度在每100次阻抗测量中。
网络分析仪和数据采集单元都是通过以太网连接到主机PC进行远程控制和数据传输。 签证(虚拟仪器软件架构)用作SCPI的应用程序编程接口(可编程仪器的标准命令)命令。
为了给墙壁表面提供不稳定的热场,传感器突然接近2
图6.实验示意图用于测量不稳定的设置温度变化。
图7.时间的变化测得的温度由转换而来共振频率与参考值一起测量温度热电偶
图8.测量结果放大到225ºC附近。


距离热板的距离,预先在350ºC加热。测量是进行到表面温度达到230ºC。测得的共振频率数据是转换为温度并绘制为经过时间的函数,如图7所示225ºC附近的测量数据被放大,如图8所示。
每个的平均时间测量值为2.48 ms,温度测量的不确定度为±6.4ºC覆盖率达到95%。通过改进测量方法,预期时间也可以实现小于1毫秒的分辨率。

6。结论
vr赛车开发了一种具有高时空分辨率的无线壁温传感器供使用在燃烧研究中。传感系统包括由LCR电路和传感器组成的传感器电感耦合读出线圈。传感器是在Cu层压的聚酰亚胺薄膜上制造的通过标准MEMS工艺形成额外的1mm大小的传感电阻器。
寄生电阻通过使用厚Cu层显着抑制线圈,从而使附加的感测电阻器主导整个传感器电阻。制造的传感器具有很高的灵活性,因此可以适合在曲面上。传感器性能已经在不稳定的热量下进行了评估领域。温度测量的不确定度为±6.4ºC,平均测量时间已达到2.48毫秒的间隔。