Fe3O4/PDMS復(fù)合材料磁電容微弱信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)研究

陳浩楠

（湖北科技學(xué)院，湖北 咸寧 437000）

微型磁傳感器是目前弱磁場(chǎng)傳 感器技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)的發(fā)展對(duì)象之一，原因是由于其優(yōu)異的可靠性和較低的功耗。目前常見(jiàn)的微型磁傳感器包括TMR 、GMR和AMR等，這些精度較高的傳感器都是通過(guò)其電阻值的微弱變化來(lái)檢測(cè)微弱磁場(chǎng)的變化。但是這種微弱的電阻變化和磁場(chǎng)變化很容易被溫度所影響，限制了微型磁傳感器的推廣和應(yīng)用，所以目前需要找到一種辦法解決這個(gè)問(wèn)題。因此，本文希望通過(guò)FeO和PDMS兩種納米材料的復(fù)合來(lái)解決電阻對(duì)溫度敏感的問(wèn)題。

1 PDMS材料的發(fā)展

1.1 PDMS材料

電子產(chǎn)品元器件的使用溫度每升高10℃，其損耗速度就會(huì)翻倍。另外一點(diǎn)，在較高溫度的服役環(huán)境之中電子產(chǎn)品元器件的工作精度和工作性能也會(huì)下降。所以，為了降低高溫對(duì)電子元器件的影響，需要在其服役過(guò)程中進(jìn)行冷卻和散熱。為了解決這一問(wèn)題，人們開(kāi)始關(guān)注熱界面材料（Thermal Interface Material，TIMs），TIMs是一種具有高導(dǎo)熱系數(shù)可以填充和消除電子元器件因表面尺寸不匹配造成的空隙和接觸熱阻。目前常用的TIMs有硅脂、硅膠、相變化材料、散熱墊片和導(dǎo)熱膠等。在目前這些TIMs中；聚二甲基硅氧烷（PDMS）是其中應(yīng)用范圍最廣的材料之一，原因是其良好的彈性可以填充因表面尺寸不匹配造成的空隙，還有其較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

但是，為了電子元器件更好的散熱和冷卻，純PDMS材料的導(dǎo)熱系數(shù)還不能達(dá)到要求。因此需要在純PDMS材料中添加導(dǎo)熱系數(shù)更高的材料來(lái)提高其散熱性能，常見(jiàn)的填充材料有ZnO、SiC和FeO等。目前已經(jīng)有研究制備了CNTs/PDMS自組裝熱傳導(dǎo)材料，還有研究者通過(guò)將改性的AlN作為導(dǎo)熱系數(shù)材料添加到PDMS中，制備了高導(dǎo)熱性能的AlN/PDMS復(fù)合材料。AlO和 ZnO也常用作填料來(lái)制備散熱性能不同的硅橡膠。但不是上述所有的填料都能夠提升純PDMS材料的熱導(dǎo)率，有些金屬氧化物顆粒的添加會(huì)使得聚合物的導(dǎo)電率增大，不再適用于存在電絕緣體的電場(chǎng)，與此同時(shí)， 這些填料過(guò)大的導(dǎo)電率也會(huì)導(dǎo)致電子元器件的短路，造成電子元器件的損壞。同時(shí)有的填料也會(huì)降低PDMS材料的力學(xué)性能和加工性能，讓電子元器件的生產(chǎn)成本加大。因此，要選擇合適的填料，在保證PDMS材料導(dǎo)熱性能的同時(shí)還要減少填料對(duì)材料本身其他性能的影響。

PDMS材料由于其具有優(yōu)異的化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性、光學(xué)透明性和生物相容性在醫(yī)療衛(wèi)生、光互連、生物表皮傳感等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通過(guò)調(diào)控PDMS布拉格光柵的眼部壓力傳感器，用于治療青光眼和增強(qiáng)人工晶狀體；與之類似，通過(guò)布拉格光柵的濾波波長(zhǎng)—光柵參數(shù)—受力的關(guān)系實(shí)現(xiàn)力敏檢測(cè)的PDMS光學(xué)力敏傳感器應(yīng)用于表皮傳感；以及在光互連領(lǐng)域拉伸和彎曲波導(dǎo)不會(huì)大程度增加額外損耗的PDMS可拉伸光波導(dǎo)鏈路。由于PDMS材料成本低廉、適用領(lǐng)域廣泛以及微納米加工技術(shù)的發(fā)展，2012年，Ramuz等設(shè)計(jì)了兩個(gè)厚度為600 μm的PDMS雙向集成型波導(dǎo)耦合光柵壓力傳感器。Peng等提出類似結(jié)構(gòu)并通過(guò)硅光柵模板獲得PDMS耦合光柵，因其基于布拉格條件可以很好地實(shí)現(xiàn)光子信息的高效獲取，并且具有較高的空間自由度、較小的對(duì)準(zhǔn)容差，有利于光子芯片的集成封裝。 在 PDMS基集成光子器件的研究中，Bosman等提出應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)WDM的集成光學(xué)器件：存在單個(gè)波導(dǎo)光柵的非對(duì)稱型PDMS布拉格耦合器的濾波器；在傳感系統(tǒng)中的 PDMS材料是芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC）技術(shù)的絕佳材料。 Jangura 等基 于PDMS與當(dāng)前制造技術(shù)的兼容性，提出通過(guò)將DLW工藝與PDMS壓印工藝相結(jié)合來(lái)制造PDMS各種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)使用多種技術(shù)制造類型多樣的PDMS基光子器件以用于芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。

1.2 Fe3O4/PDMS復(fù)合材料

因?yàn)镕e、Co、Ni是順磁材料，所以含有Fe、Co、Ni的納米顆粒一般都有軟磁特性。目前在Fe、Co、Ni這3種納米顆粒中，F(xiàn)eO納米顆粒因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、制備簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣和軟磁性強(qiáng)而被廣泛的應(yīng)用的研究。FeO納米顆粒作為填料合成的FeO/PDMS復(fù)合材料兼具了2種材料的優(yōu)點(diǎn)和特性。因此可以使用FeO/PDMS復(fù)合材料應(yīng)用于微小電容檢測(cè)之中。FeO/PDMS 復(fù)合材料磁電容即使在外部施加很大頻率的磁場(chǎng)，它的電容變化也非常小，僅僅在pF級(jí)別，因此需要精度很高的檢測(cè)電路來(lái)觀察FeO/PDMS復(fù)合材料磁電容的變化。基于以上關(guān)于微弱信號(hào)電容檢測(cè)困難的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)測(cè)試 FeO/PDMS平行板的變化就可以得到該檢測(cè)電路微小電容的變化，它的優(yōu)點(diǎn)是精度高、檢測(cè)速度快、使用成本低。

2 Fe3O4/PDMS復(fù)合材料硬件電路設(shè)計(jì)

本文基于放電法設(shè)計(jì)的FeO/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測(cè)微小電容電路。下面將具體論述檢測(cè)電路中的每個(gè)模塊在FeO/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測(cè)電路中的作用及其工作原理。

2.1 脈沖激勵(lì)模塊

FeO/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測(cè)電路中的脈沖激勵(lì)模塊在整個(gè)檢測(cè)電路中的作用是提供精確的載波信號(hào)。本文中設(shè)計(jì)電路脈沖激勵(lì)模塊所采用的施密特觸發(fā)器為集成施密特觸發(fā)器，其優(yōu)點(diǎn)是只需要調(diào)節(jié)觸發(fā)器的電容和電阻就可以產(chǎn)生不同頻率的高頻載波信號(hào)。

2.2 C-V轉(zhuǎn)換模塊

FeO/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測(cè)電路中的C-V轉(zhuǎn)換模塊主要作用是將脈沖激勵(lì)模塊的高頻載波電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。檢測(cè)電路中的C-V轉(zhuǎn)換模塊主要由3部分組成，分別是電阻、電容和二極管。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊

FeO/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測(cè)電路中信號(hào)調(diào)理模塊起到的作用是放大信號(hào)，信號(hào)調(diào)理模塊的工作過(guò)程是，脈沖激勵(lì)模塊的電容信號(hào)經(jīng)過(guò)C-V轉(zhuǎn)換模塊的處理，但是處理后信號(hào)變得比較小，很難保證檢測(cè)的速度和精度，這時(shí)候就要通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊將輸出信號(hào)放大，最后得到調(diào)節(jié)后的信號(hào)以供檢測(cè)。與此同時(shí)，F(xiàn)eO/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測(cè)電路還采用了精密度較高的放大器來(lái)保證當(dāng)電容值在±2.5 pF 內(nèi)變化時(shí)，最大的輸出電壓可以達(dá)到±155 mV。

2.4 載波解調(diào)模塊

FeO/PDMS 納米復(fù)合材料磁電容檢測(cè)電路中的載波解調(diào)模塊主要作用是將信號(hào)處理模塊放大的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，去除C-V轉(zhuǎn)化模塊中載波信號(hào)諧波的干擾，提取出磁電容結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)。同時(shí)，為了減小整個(gè)檢測(cè)電路的噪聲影響，本文中設(shè)計(jì)的濾波器的實(shí)際使用頻率和工作頻率相當(dāng)，頻率在59 Hz~66 kHz。

3 Fe3O4/PDMS復(fù)合材料硬件電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖1為FeO/PDMS 納米復(fù)合材料在零磁場(chǎng)環(huán)境下的響應(yīng)特性測(cè)試，該測(cè)試可以反映材料的自身介電特性。

從圖1的響應(yīng)特性測(cè)試曲線可以明顯的看出，在零磁場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境下，當(dāng)激勵(lì)頻率小于200 kHz的時(shí)候，材料的相對(duì)介電常數(shù)（′）與相對(duì)損耗系數(shù)（′′）隨著激勵(lì)頻率的增大而減小，當(dāng)激勵(lì)頻率在增大到200 kHz之后，相對(duì)介電常數(shù)（′）與相對(duì)損耗系數(shù)（′′）基本趨于穩(wěn)定，不再隨著激勵(lì)頻率的變化而變化。同時(shí)在圖1中還可以看出純 FeO/PDMS 復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)（′）與相對(duì)損耗系數(shù)（′′）不隨磁場(chǎng)的變化而變化。

圖1 零磁場(chǎng)環(huán)境下的響應(yīng)特性測(cè)試Fig.1 Response characteristics test in zero magnetic field environment

當(dāng)磁電容平行板的兩端施加測(cè)試信號(hào)的時(shí)候，電容平行板會(huì)與施加測(cè)試信號(hào)的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電勢(shì)差，電勢(shì)差的產(chǎn)生也伴隨著寄生電容。寄生電容現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果存在一定的誤差，影響測(cè)試精度。所以本文通過(guò)使用屏蔽線的辦法消除因電勢(shì)差產(chǎn)生的寄生電容對(duì)測(cè)試的影響。不同容值檢測(cè)電路中的磁電容測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同容值檢測(cè)電路中的磁電容測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of Magnetic capacitance in detection circuits with different capacitance

圖2是將表1中的結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如下：

從表1的計(jì)算結(jié)果和圖2中的擬合結(jié)果可以看出，動(dòng)態(tài)電容檢測(cè)電路的標(biāo)度因數(shù)=2.039 V/pF，且輸出線性度很高，與理論計(jì)算=1.98 V/pF相差很小。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)會(huì)存在不可避免的系統(tǒng)誤差，所以檢測(cè)電路的輸出電壓（= 2.49 V）與理論計(jì)算輸出電壓（= 2.52 V）高度吻合。證明本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的微弱電容信號(hào)檢測(cè)電路的測(cè)試速度快，可以滿足微小電容檢測(cè)電路的精度要求，在微小電容檢測(cè)電路領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

圖2 電容差值和電壓的線性擬合結(jié)果Fig.2 Linear fitting results of capacitance difference and voltage

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)論述了PDMS材料目前的發(fā)展和研究進(jìn)展，同時(shí)，還詳細(xì)介紹了具有軟磁特性的FeO納米顆粒和PDMS材料復(fù)合制備的FeO/PDMS納米復(fù)合材料微弱信號(hào)的檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了微弱信號(hào)檢測(cè)電路的構(gòu)成及其工作原理。本文中設(shè)計(jì)的測(cè)試電路簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快，可以滿足微小電容檢測(cè)電路的精度要求，在微小電容檢測(cè)電路領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。