基于MEMS的磁流体压力传感器

基于MEMS的磁流场压力传感器2012.11.7本文内容提要•一课题背景、现状及发展趋势•二磁流体传感器具体的工作原理•三实验结果•四学习体会一磁流体传感器的背景及发展现状、趋势•近年来，随着微机械电子系统的研究和发展，各种新的微致动器和微传感器得到了研究和发展，其中磁性致动器和传感器是典型的一例。磁流体是具有磁性和流动性的一种新型功能材料,以其独特的性能在传感器领域具有巨大的应用潜力。磁流体传感器•根据检测量不同可分为以下几类：角度传感器、体积传感器、流量传感器、磁场传感器、加速度传感器等•工作原理：利用“磁流体在外磁场的作用下，对硅膜片产生压力”而实现压力致动，并用霍尔压力传感器测量所产生的压力大小，为微系统的压力致动和压力测量提供参考。磁流体加速度传感器•发展现状•磁流体传感器研究在国内目前还处于起步阶段,在国外报道的研究成果也不多,有很多工作有待深入研究；•磁流体传感器研究在国内目前还处于起步阶段,在国外报道的研究成果也不多,有很多工作有待深入研究；•磁流体传感器的实验设计方案、验证手段等方面也不够系统和完善,与工程实际应用有较大差距；•发展趋势•新型磁流体传感器的传感机理、建模和仿真优化技术将是未来磁流体传感器研究的一个重要方向;充分发挥磁流体具有流动性、磁性,在外磁场作用下可以改变其粘度等特点,基于磁场作用下的磁流体传感器智能性也将是一个重要研究内容。二磁流体压力微传感器工作原理磁流体的制作工艺工作原理理论分析磁流体磁性流体主要由1~20nm的超顺磁性颗粒、载液及表面活性剂3部分组成，这种胶状液体既有固体磁性材料的磁性，又有夜里的流动性。由于具有交叉特性，这种液体磁性材料最好满足：饱和磁化强度、在使用温度下稳定性长、在重力和电磁力的作用下不沉淀、流动性好。磁流体制作工艺过程分别配置0.4mol/L的FeCL350mL和FeCL230mL水溶液。将两种溶液混合搅拌。然后在封闭环境下边充分搅拌边加25%的NH4OH溶液7.5~8mL，继续充分搅拌30min，静置，溶液中的例子在过量的NH4OH作用下沉淀，倾出上层清液，并用去离子水洗涤沉淀3~5次，最后用乙醇清洗一次，加入0.5mL的油酸后充分搅拌15min，分散到40mL的煤油后，得到不同颗粒浓度的磁流体。磁性颗粒的平均粒径为8nm。工作原理2121LLll2121LLll21ll为了测量出当磁流体向高磁场处聚集时产生的压力，所设计的实验，如下图（a）所示。先在硅膜片上面的腔中加入磁性流体（饱和磁化强度为350GS），膜片下是基于压阻效应的压力传感器，电阻测量基于惠斯通电桥。硅膜片面积约1500X1500um，膜片厚度为15um，硅膜片腔的高度为250um。压阻效应压力传感器的位置在硅膜片的边缘，其理论测量灵敏度S=789mV/bar。为了产生磁场梯度，将一磁铁放到微定位器上，如图（b）所示。这样，所加的磁场强度可以通过控制压阻传感器和磁铁之间的距离来精确控制。而另一个霍尔效应传感器USM503则用来测量与距离（d）由函数关系的磁通密度B，以作校准之用。理论分析充磁流体的压力传感器的压力分布图（a）所示。图1将磁流体作为不可压流体考虑，则在没有外加磁场的情况下，硅模腔内的压力可表示为：式中：1,2—图（a）上的1、2两点；ρ—磁流体的密度；g—重力加速度。当加上磁场时，磁流体会向磁场强度大的地方聚集，产生了所谓的此压力（1）（2）磁化强度与磁场强度的关系为：如果磁流体是线性磁化材料，即B=μH，带入式（2）得：由于磁铁的面积比硅片腔处的压力传感器的面积大的多，则可以考虑令磁场垂直于膜片，则有：（3）对于图2（b）的情况，压力边界关系为：将式（6）代入式（1），并进行相应的整理后，可以得到：机械压力是直接测量的量，正比于输出压力，测：图2三实验结果•首先，将hall传感器放在磁铁上，标定磁场强度与间隙距离的关系，如图3所示。然后用压力传感器代替hall传感器，观察有无变化，结果是没有明显的差别接着，在压力传感器的硅膜腔内充满流体，并引起硅膜片的弯曲，间隙和机械压力的关系，如图4.•将理论计算值和相应的实验值进行比较，如图5，从图可知理论值与实验值符合的很好，说明机械压力的原因与理论分析结果是一致的。四体会•对磁流体这一特性有了新的了解，对其应用和发展领域有了认识；•对基于MEMS的传感器有了更深的体会；•熟练了查找资料、分析问题、运用资料解决问题的过程；Thanks