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                  嵌入式完全噴涂壓力傳感器采用電容式傳感機構


                  發布日期:[2018-08-23]    作者:昊明壓力傳感器


                  嵌入功能傳感器層直接轉化成機械系統在重型環境方便了系統狀態的實時監測。本文提出了一種完全噴涂壓力傳感器,適用于高壓力范圍的應用。它是嵌入功能的有機涂層,另外作為電介質的電容傳感機理。傳感器的靈敏度,以及其長期穩定性,已確定。此外,測試已經在升高的溫度下進行測定的溫度依賴性的敏感性產生的楊氏模量的溫度依賴性。

                  1。簡介

                  對機械系統的特性的實時監測是非常有利的,一個組件的磨損或失效的影響。因此,包括傳感器,如力、溫度或壓力,為機械零件是一種防止整個系統損壞。一個非常復雜的方式,包括傳感器是它們直接嵌入到組件的表面,因為它是從而免受機械磨損,而且措施數量完全在興趣點。
                  其中一個量的利益是在一個系統的機械壓力。測量壓力,有大量的物理效應可以被利用:壓阻式壓力傳感器得到了重視與硅的壓阻效應的發現。硅應變計是直接制作在硅膜片或為了測量壓力或壓差。壓電材料是利用諧振式壓力傳感器,對懸臂梁,甚至柔性壓力傳感器利用壓電聚合物。壓力的測量也可以用光學方法進行,通過測量布拉格波長時,壓力的變化[移八]或隔膜與Fabry Perot [結合設置九]。也可以通過測量感應電流壓力測量或[利用磁致伸縮。兩大電容傳感原理是電容膜片位置傳感和在電容器的介電材料的彈性性質的利用
                  本文提出了一種電容式壓力傳感器,利用這些彈性性質在一個平行板電容器。這是不到15μm薄和耐很高的壓力,而組成的,可以承受高達250°C.此外溫度的材料,進一步的處理是使作為傳感器的設計能承受機械磨損,保持不變,即通過保護面漆,從而完全嵌入功能元素。這一點,結合的制造工藝,包括噴涂,使傳感器便于工業應用,如在機械系統狀態監測。

                  2。傳感器的概念和設計

                  設計的傳感器由兩個介電層,軟外套增加靈敏度和很難使傳感器的機械穩定性,在鋼基體上銀電極,這又是封裝在介電涂層?;搴碗姌O之間的電容測量的量與壓力施加到電極的變化。
                  進入圖1一、傳感器的設計原理是:鋼基體(占被監測機器的一部分的機械部件)和銀電極形成一個堆疊的聚合物層作為電容器介質之間。圖1B顯示通過制造設備與掃描電子顯微鏡的傳感層的截面拋光。
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                  圖1(一)傳感器的設計:一個三維(3D)視圖(圖和示意圖)和橫截面(示意圖)顯示傳感器的層狀結構,由兩個導電層(鋼基與銀電極)和兩個介電層(聚酰胺-酰亞胺(聚氨酯);B)掃描的傳感器電子顯微鏡截面拋光。
                  可以看出,整個過程包括兩介電層和電極是大約10μm厚。薄層噴涂效果為制作工藝。

                  三.材料與方法

                  制造過程是由幾個噴涂步驟而使用商業噴槍(噴槍槍afc-101a由康拉德、希爾紹、德國)。首先,聚氨酯基涂層薄50重量%N-甲基吡咯烷酮和處理在鋼基體上噴涂,已預先加熱到200°C. 90 S在250°C后,聚氨酯基涂層充分固化和聚酰胺酰亞胺涂層可以應用。聚氨酯作為一種更柔和,更容易變形,從而更加壓力敏感層,而聚酰胺酰亞胺層具有較高的彈性模量,從而防止銀電極被通過介電層在鋼基體上施加高壓力。這種聚酰胺酰亞胺涂層由40%N-甲基吡咯烷酮,27重量%的對二甲苯、33重量%的聚酰胺-酰亞胺(rhodeftal 210 ES的亨斯邁先進材料,鹽湖城,UT,美國)。在這些組件完全混合,0.1重量%的表面添加劑(BYK 310 BYK助劑和儀器,韋瑟爾,德國)以降低表面張力,從而導致針孔減少和短路的風險較低。這個解決方案是處理到聚氨酯涂層鋼基體上噴涂,并預先加熱到170°C.隨后,聚酰胺-酰亞胺固化在250°C 30分鐘。
                  圖案的電極、高溫穩定的膠切割形狀與切割機作為模板,這是轉移到聚合物涂覆的基材涂布步驟之前。噴霧過程的電極材料、納米銀膏(ka801由杜邦、威爾明頓、德、美國)變薄和50重量%的醋酸乙酯。聚合物涂覆的基材是預先加熱到200°C 15 S在方案上噴涂加工。隨后,膠模板拆除和銀電極是固化在200°C為20min,在最后一步中,傳感器與聚酰胺酰亞胺溶液在相同的方式,如前所述封裝。為了能與電極接觸,小面積的電極上覆蓋膠在封裝。
                  接觸傳感器,一個直徑8μm銅絲粘在銀電極和銀基高溫穩定的環氧樹脂基體(EPO-TEK h20e-8環氧技術,將馬、美國)。

                  4.。結果

                  表征制造傳感器,先在室溫下,壓力變化的響應進行研究。機械壓力進行控制的液壓試驗臺,而電容的測量是一個電容傳感器模塊進行評價(fdc2214evm Ti,達拉斯,TX,美國)。測試設置顯示圖2
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                  圖2測試設置顯示氣候室(賴特)與壓力傳感器夾在壓力試驗臺和評價模塊(左)
                  它包括一個壓力試驗臺,采用壓力傳感器的定義。該系統是放置在一個氣候室在測量過程中的溫度控制。電容評價模塊置于氣候室外面,連接到PC機記錄測量數據。
                  結果第一次測量了所示圖3A.電容變化量為室溫作用一百次施加的壓力(25°C)。每個循環包括30在79.5 kPa,其次是30 S在397.5 kPa。
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                  圖三(一)施加的壓力(黑色)和電容變化(紅色)作為時間的函數;(B)的時間后,壓力傳感器已被應用于作為一個最終的壓力水平的功能達到恒定的電容傳感器。初始壓力為50kPa各測量。
                  在研究的時間尺度,傳感器幾乎立即在壓力變化的反應,雖然它需要達到一個恒定的電容傳感器的一些時間,這是由于兩個現象:第一,壓力不存在作為一個階躍函數,而是接近的壓力試驗臺控制器。第二,聚合物需要一些時間放松進入最后的狀態在每個壓力水平。這是顯示在圖3B作為一個最終的壓力水平的功能時,開始在50 kPa??梢钥吹?,隨著越來越多的最終壓力的時間減少。當傳感器已接近最終狀態,電容也幾乎保持不變時,測量時間較長。
                  電容變化量是相對于電容在環境壓力。在較高的壓力水平,電容變化的順序是10%,而在較低的壓力水平,它只是略微超過1%。假設施加的壓力和電容測量信號之間的線性關系,這個結果在一個平均0.03%的靈敏度相對電容改變每千帕。
                  然而,在現實中,這種變化是不依賴于所施加的壓力水平,可以看出在圖四。在測量中,如圖四一、壓力(黑色)上升在79.5 kPa的步驟從159到795 kPa,然后增加了相同的步長,再在室溫條件下(25°C)。每個壓力水平保持一分鐘不變??梢钥闯?,當壓力步長不變,隨著壓力水平每降低壓力變化的電容變化。進入圖四B,這說明為電容變化從低到高的壓力相對于卸傳感器作為壓力較低級別的功能。對于壓力范圍在1 MPa以上,傳感器將不再檢測電容幾乎沒有變化。
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                  圖4(一)壓力(黑色)和電容變化(紅色)作為時間的函數。每個壓力水平保持一分鐘;和(B)在每個壓力水平在電容變化。
                  第二觀察可以在圖四一是,在相同的壓力水平,而電容水平逐漸下降的不一樣而加大壓力。一旦加載一定的壓力最大,但是,下面這個最大的壓力是多周期再次恒定的壓力響應(如圖3一)。這可能是由于聚合物將承受壓力,這之后重排過程完成后,傳感器的輸出變得穩定了最大壓力,它是裝在。
                  但低于1MPa壓力,所制造的傳感器產生一個非常穩定的輸出。這已被證實在長期的測量周期在室溫條件下幾個小時(25°C),其中壓力已應用于傳感器在高壓階段,其次是低壓力的時期。進入圖5對這一測量周期,第一個小時的結果,之后,在測量信號中沒有更多的變化已被觀察到??梢钥闯?,在所制作的傳感器的使用,有一系列的階段,每個周期增加電容壓力變化。后的第一個30min,然而,傳感器信號保持穩定的測量的休息。
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                  圖5電容變化為一種長期的測量周期的第一小時時間函數。
                  同樣的測量,如圖所示圖5,也已經進行了一個氣候室高溫下溫度依賴性試驗??梢钥闯鲈趫D6,有相當強的影響溫度對傳感器信號,需要在測量中的應用補償。
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                  圖6在電容的變化作為一個功能在三個不同溫度與壓力的步驟,應用時間:25°C(黑色),90°C(紅色)和130°C(藍色)。
                  這些結果表明,圖6在三個不同溫度壓力傳感器的響應:步驟25°C(黑色),90°C(紅色),和130°C(藍色),一直在每個測量周期常數,分別為。由于在測試設置的局限,130°C在測試是可能的最高溫度,雖然材料是穩定的高達250°C.施加的壓力有10 Pa和1.3千帕之間??梢钥吹?,溫度的影響在兩方面:第一,傳感器在較低壓力水平隨溫度的增加而增加的電容的介電涂層軟化。其次,該電容變化從低到高水平的增加而增加的溫度。在室溫下,這種變化約為4%,而在90°C,這已經是4.7%和130°C 5.8%的變化。再次,這是由于在較高的溫度下,介質的軟化和電極距離減小強大壓力下。

                  5。討論

                  在這項工作中,壓力傳感器已經制造完全由噴涂到金屬基板(例如,一個機械部件進行監測)。該工藝結合機械穩定的設計和高溫穩定的材料,使它適合于工業應用,也涉及進一步的部件加工。
                  生產的傳感器已經過測試的輸出信號和相應的長期穩定性。該傳感器的響應速度快,長時間穩定。然而,傳感器的輸出不依賴于初始壓力水平,并因此壓力不是線性的。校準需要確定電容的變化作為一個功能的壓力。此外,該傳感器具有對其輸出的溫度依賴性。結果表明,溫度對傳感器響應的影響。在室溫下對電容變化的比較,在90°C反應17.5百分點,并在130°C增加的響應是45分。這使得傳感器在高溫下更敏感。如果傳感器是用在不同的溫度環境,溫度的影響需要補償,例如,結合嵌入式溫度傳感器[十五]。適用于相對穩定的高溫和高機械壓力的條件下,如在許多機械過程,如,在重工業或汽車生產,該傳感器使機械內部的系統壓力測量的穩定準確的興趣點,而不需要昂貴的制造過程。

                   



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