用于测试曲面间隙的柔顺式双层电涡流传感器的制备方法

摘要

本发明涉及一种用于测试曲面间隙的柔顺式双层电涡流传感器的制备方法，属于传感器技术领域。首先在聚酰亚胺薄膜基底上开孔，在聚酰亚胺薄膜基底正反两个表面以及开孔上分别覆合铜箔，在正面铜箔进行光刻，以开孔为中心形成电涡流线圈，在每个电涡流线圈的一侧形成外引线，在反面铜箔进行光刻，在开孔之间形成内引线，得到上层电涡流传感器；重复上述过程，得到下层电涡流传感器；用密封胶使上述上、下层电涡流传感器相互粘结。本发明方法制备的电涡流传感器，由于电磁场的叠加效应，具有高的测试精度和分辨率。电涡流线圈及其基底材料具有良好的柔顺性，可以测试任意曲面形状之间的间隙，适合安装在狭小的空间中进行测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测试曲面间隙的柔顺式双层电涡流传感器的制备方法，属于传感器技术领域。

背景技术

“柔顺传感器”概念的提出可以追溯到上世纪80年代末期，航空航天器中的许多特殊结构给传统刚性传感器的安装带来了很大困难。人们希望传感器具有良好的柔顺性能，不受被测物体形状限制，能够贴附于各种规则或不规则曲面实现正常的传感功能。进入上世纪90年代以后，美国、法国、日本、瑞士和葡萄牙等国家的科学家开始进行柔顺传感器的研究工作，许多新型的传感器材料和结构被应用到这一研究领域之中。

电涡流检测技术是一种无损、无接触测量的检测技术。电涡流传感器具有结构简单，灵敏度高，测量线性范围大，不受油污等介质的影响，抗干扰能力强等优点。

传统的电涡流传感器敏感元件是用漆包线绕制成的线圈。线圈尺寸受温度影响很大且温度性能较差。同时，绕制的线圈参数差异较大，不宜阵列应用或批量生产。由于制作工艺的局限，该种线圈结构尺寸较大、容易变形、温度性能差、一致性差，而且不适用于曲面测量场合，也不适用于大面积范围内的快速测量场合。也有一些研究，利用印刷电路板工艺将敏感线圈加工在电路板上面，或者用光刻等微细加工工艺，在硅基底上加工微线圈。

目前的电涡流线圈结构设计包括：在硬基底材料上设计单层或双层线圈。2001年，美国辛辛那提大学的Sadler D.J.等人研制成功了一种应用于接近式测量和金属表面微缺陷检测的集成电涡流传感器。该传感器采用双线圈检测的工作方式，在玻璃基底上利用UV-LIGA工艺制作了两组平面线圈，同时在一面封装了Ni/Fe永久磁芯。永久磁芯的引入使得激励线圈在激励电流较小的情况下也能够产生较强的磁场。该传感器总体尺寸是7×7mm²，线圈尺寸5×5mm²，激励线圈和检测线圈均是13圈的铜质线圈。线厚接近20μm，线宽50μm，线间距30μm。该传感器需要提供的功率不超过30mW，能够清晰的检测到铝质靶材上200μm深的微小缺陷。由于此种电涡流线圈集成在硬基底上，所以不能附着在曲面上，且加工工艺非常复杂、对加工条件要求高。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于测试曲面间隙的柔顺式双层电涡流传感器的制备方法，以克服已有技术的不足之处，使电涡流线圈具有结构纤薄、柔顺性好、精度高、分辨率高的特点，适用于工业生产中曲面间缝隙的在线监测和曲面体内部的缺陷检测。

本发明提出的用于测试曲面间隙的柔顺式双层电涡流传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在聚酰亚胺薄膜基底上开孔，孔径为250-350μm；

(2)在聚酰亚胺薄膜基底正反两个表面以及开孔上分别覆合铜箔，聚酰亚胺薄膜的厚度为100μm-200μm，铜箔的厚度为15μm-20μm；

(3)在上述正面铜箔进行光刻，以上述开孔为中心形成电涡流线圈，在每个电涡流线圈的一侧形成外引线，在上述反面铜箔进行光刻，在上述开孔之间形成内引线，得到上层电涡流传感器；

(4)重复步骤(1)、(2)和(3)，得到下层电涡流传感器；

(5)用密封胶使上述上、下层电涡流传感器相互粘结，得到双层电涡流传感器，粘结时，上、下电涡流传感器的内引线和开孔分别相对。

上述制备方法中，所述的电涡流线圈的形状可以为圆形或方形，圆形电涡流线圈的直径为9mm-15mm，方形电涡流线圈的边长为9mm-15mm，线粗和线间隙为150μm。

本发明提出的用于测试曲面间隙的柔顺式双层电涡流传感器的制备方法，其特点和优点是：

1、本发明方法制备的电涡流传感器中，采用双层电涡流线圈的结构，一层线圈为激励线圈，一层线圈为检测线圈，由于电磁场的叠加效应，因此具有高的测试精度和分辨率。

2、本发明方法制备的电涡流传感器中，电涡流线圈及其基底材料具有良好的柔顺性。因此，电涡流传感器可以贴附在任意形状的表面间进行测量，因此可以测试任意曲面形状之间的间隙。

3、本发明方法制备的电涡流传感器，由于采用了柔性线路板工艺，电涡流线圈组成的传感器阵列可以排列成任意形状，并分布在很大的被测范围内(400mm×700mm甚至更大)，从而实现大面积范围的测量。

4、本发明方法制备的电涡流传感器中电涡流线圈及其引线的厚度最小可做到0.13mm，适合安装在狭小的空间中进行测量。

综上所述，本发明方法制备的电涡流传感器，与传统电涡流传感器相比，能适用于更多测量场合，如曲面测量、大面积范围内快速测量、狭小空间中的测量等。其基底材料若采用聚合材料聚酰亚胺，还可使电涡流传感器应用在高温(300-400℃)、辐射等测量场合。

附图说明

图1是本发明制备的电涡流传感器的结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是制备过程中得到的上层电涡流传感器的下表面示意图。

图4是本发明电涡流传感器的使用状态图。

图1-图3中，1是基底，2是外引线，3是内引线，4是开孔，5是密封胶，6是电涡流线圈，M是上层电涡流传感器，N是下层电涡流传感器。

图4中，7和9分别是待测的两个物体，其中7必须是金属物体，9是任意材料的待测物体，8是由电涡流线圈形成的电涡流，

具体实施方式

本发明提出的用于测试曲面间隙的柔顺式双层电涡流传感器的制备方法，制备的电涡流传感器的结构如图1所示，制备方法包括以下步骤：

(1)在聚酰亚胺薄膜基底1上开孔4，孔径为250-350μm；

(2)在聚酰亚胺薄膜基底正反两个表面以及开孔上分别覆合铜箔，聚酰亚胺薄膜的厚度为100μm-200μm，铜箔的厚度为15μm-20μm；

(3)在上述正面铜箔进行光刻，以上述开孔为中心形成电涡流线圈6，在每个电涡流线圈的一侧形成外引线2，如图2所示。在上述反面铜箔进行光刻，在上述开孔4之间形成内引线3，得到上层电涡流传感器M。图3所示为上层电涡流传感器M下表面B的示意图；

(4)重复步骤(1)、(2)和(3)，得到下层电涡流传感器N，如图1中所示；

(5)用密封胶5使上述上、下层电涡流传感器相互粘结，得到双层电涡流传感器，粘结时，上、下电涡流传感器的内引线和开孔分别相对。

上述制备方法中，电涡流线圈的形状可以为圆形或方形，圆形电涡流线圈的直径为9mm-15mm，方形电涡流线圈的边长为9mm-15mm，线粗和线间隙为150μm。

本发明的制备方法，采用柔性印刷电路板工艺在薄膜基底材料上制作电涡流线圈，采用了覆铜、光刻、涂胶和热压封装的工艺流程制备双层电涡流线圈。根据测量条件及要求进行选材与设计，所说的薄膜基底可采用适合柔性电路板工艺的柔性材料，如聚酰亚胺薄膜，聚酯薄膜等。

所说的电涡流线圈的形状可以是圆形、方形或其它形状。

以下结合附图4介绍本发明的柔顺式双层电涡流传感器的工作原理：

电涡流检测的工作原理是：检测激励线圈磁场和被测导体感应涡流磁场之间的交互作用。将传感器黏附于物体9表面上(可以是金属材料，也可以是非金属材料)，传感器的一个线圈作为激励线圈，另一个线圈作为检测线圈。当激励线圈通入交流电流时，线圈周围就会产生交变磁场，此时将待测金属7移入此交变磁场中，靶材表面就会感应出电涡流8，而此电涡流又会产生一个新的磁场，与原磁场在检测线圈中形成叠加。根据法拉第电磁感应定律，检测线圈中将会产生一个感应电动势：

$V_e=-n\frac{\mathrm{d\phi }}{\mathrm{dt}}$

其中，φ是通过线圈的交变磁场的磁通量，n是线圈的绕线匝数，通过测量检测线圈中产生的电压即可得到磁场的变化情况。而磁场变化可以完整而且唯一地反映了被测金属导体的电涡流效应。检测线圈的感应电动势由下式得到：

V_e＝F(σ，μ，f，x，r)

其中，σ、μ分别是被测物体中金属物体的电导率和磁导率，f是测量时所用激励信号的频率，x是线圈与金属物体之间的距离，即需检测的两个物体之间的距离，r是线圈的尺寸因子，与电涡流线圈的结构、形状以及尺寸相关。

从公式中可以看出，与单层电涡流线圈相比，双层电涡流线圈由于电磁场的叠加效应，检测时具有更高的精度和分辨率。