專(zhuān)利名稱(chēng)：硅基底多層線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的微型渦流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及金屬構(gòu)件表面微小裂紋檢測(cè)。
背景技術(shù)：
目前，用于微裂紋無(wú)損檢測(cè)的設(shè)備主要由磁粉探傷儀、超聲探傷儀、射線(xiàn)探傷儀。磁粉探傷儀具有一定的缺點(diǎn)例如，對(duì)表面微小裂紋的檢測(cè)靈敏度比較低，難以發(fā)現(xiàn)缺陷；需要檢測(cè)之前對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的油脂、涂料以及鐵銹，大大增加了準(zhǔn)備時(shí)間；被測(cè)工件容易被磁化，檢測(cè)之后需要進(jìn)行退磁、除去磁粉處理，檢測(cè)效率低，延長(zhǎng)路檢測(cè)周期。 超聲波探傷儀除了上述某些缺點(diǎn)外還具有自身一些缺點(diǎn)例如，對(duì)形狀不規(guī)則、小、薄工件難以檢測(cè)；適合于深處大缺陷的檢測(cè)，對(duì)工件表面缺陷檢測(cè)靈敏度低穩(wěn)定性很差；檢測(cè)時(shí)需要耦合劑，且效率低；需要由有經(jīng)驗(yàn)人員謹(jǐn)慎操作。射線(xiàn)探傷儀對(duì)工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)很有效；對(duì)人體輻射大需要安全防護(hù)，且不易實(shí)施。目前無(wú)損探傷傳感器在向著微小精密檢測(cè)方向發(fā)展，針對(duì)以上缺點(diǎn)本發(fā)明涉及一種硅基底多層線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的微型渦流傳感器，具有結(jié)構(gòu)纖薄、微小化、靈敏度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在表面涂層、潮濕等惡略環(huán)境下也能很好地開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，尤其適合金屬工件表面微裂紋的非接觸式檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種硅基底上多層線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的微型渦流傳感器，以消除目前無(wú)損檢測(cè)傳感器的上述缺點(diǎn)，不但實(shí)現(xiàn)了裂紋檢測(cè)的目的而且具有結(jié)構(gòu)纖薄、尺寸微小、靈敏度高、效率高、非接觸檢測(cè)、對(duì)工作環(huán)境不敏感的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下采用硅片作為渦流傳感器的基底，包括單層激勵(lì)線(xiàn)圈、至少兩層的檢測(cè)線(xiàn)圈、導(dǎo)通層和絕緣層，每?jī)蓪訖z測(cè)線(xiàn)圈通過(guò)中間的一層導(dǎo)線(xiàn)柱導(dǎo)通，保證兩層檢測(cè)線(xiàn)圈螺旋方向相反；激勵(lì)線(xiàn)圈層與檢測(cè)線(xiàn)圈層之間具有單獨(dú)的SiO2絕緣層；通過(guò)激勵(lì)線(xiàn)圈兩端的接線(xiàn)柱加載交變電源；檢測(cè)線(xiàn)圈的兩個(gè)接線(xiàn)柱穿過(guò)其上面每一層線(xiàn)圈空白區(qū)域與檢測(cè)電路引線(xiàn)相連。該傳感器可以采用200 厚的三寸硅基片為基底，其中檢測(cè)線(xiàn)圈截面尺寸為10 i! mX 10 i! m、20 i! mX 15 i! m、30 i! mX 15 i! m三種，激勵(lì)線(xiàn)圈截面尺寸對(duì)應(yīng)為140iimX20iim、290iimX20iim、430iimX20iim。檢測(cè)線(xiàn)圈均為10匝，激勵(lì)線(xiàn)圈均為單匝，
材質(zhì)選擇電導(dǎo)率較大的Cu。電感線(xiàn)圈有方形平面螺旋和圓形平面螺旋兩種形式，為了對(duì)比二者在實(shí)際應(yīng)用中的靈敏度。為了增加每次檢測(cè)的面積提高檢測(cè)效率，相同的螺旋形狀及尺寸呈矩陣式分布，并且激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈螺旋形狀保持一致?？梢愿鶕?jù)檢測(cè)需要適當(dāng)增加檢測(cè)線(xiàn)圈和激勵(lì)線(xiàn)圈層數(shù)。其中每?jī)蓪訖z測(cè)線(xiàn)圈通過(guò)中間的一層導(dǎo)線(xiàn)柱導(dǎo)通，并保證兩層檢測(cè)線(xiàn)圈螺旋方向相反，從而保證感應(yīng)電磁場(chǎng)疊加為了增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)提高檢測(cè)靈敏度；激勵(lì)線(xiàn)圈兩端的接線(xiàn)柱是用于加載激勵(lì)電源；激勵(lì)線(xiàn)圈層與檢測(cè)線(xiàn)圈層之間通過(guò)其間的SiO2層，達(dá)到絕緣效果；檢測(cè)線(xiàn)圈的兩個(gè)接線(xiàn)柱穿過(guò)其上面每一層線(xiàn)圈空白區(qū)域?yàn)榱嗽谧詈髮优c后續(xù)信號(hào)檢測(cè)電路連接。電感線(xiàn)圈根據(jù)相同形狀及尺寸呈矩陣式分布。在加工完成之后，可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要，進(jìn)行基于基底的切割，既可以切割單套電感線(xiàn)圈用于單套電感線(xiàn)圈調(diào)試，或者根據(jù)相同形狀及尺寸進(jìn)行矩陣式切割，同時(shí)使用多套電感線(xiàn)圈進(jìn)行大面積檢測(cè)達(dá)到提高檢測(cè)效率的效果。本發(fā)明的有益效果是底層絕緣效果好，傳感器更加輕薄、操作靈便。通過(guò)微精密加工工藝UV-LIGA :光刻、濺射、電鑄以及等離子體化學(xué)氣相沉積PECVD技術(shù)將渦流傳感器的微型檢測(cè)和激勵(lì)線(xiàn)圈一體化、微小化，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)上激勵(lì)和檢測(cè)線(xiàn)圈相互獨(dú)立放置，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)候需要對(duì)激勵(lì)和檢測(cè)分別定位的缺點(diǎn)。傳感器內(nèi)部具有很多套電感線(xiàn)圈，與傳統(tǒng)傳感器單線(xiàn)圈相比，大大增加了一次探傷的面積提高了檢測(cè)效率。硅基底多層線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的微型渦流傳感器不但具有微型集成化特點(diǎn)，而且性?xún)r(jià)比高、檢測(cè)面積大、效率高、操作靈便，重要的是打破了傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)傳感器的宏觀局限性，尤其對(duì)金屬表面微裂紋無(wú)損檢測(cè)具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖I分別是本發(fā)明的縱切面結(jié)構(gòu)示意圖。其中■表示金屬Cu，□表示光刻膠。圖2a是第一層檢測(cè)線(xiàn)圈俯視圖。圖2b是對(duì)應(yīng)圖2a的導(dǎo)線(xiàn)柱俯視圖。圖2c是對(duì)應(yīng)圖2a、2b的第二層檢測(cè)線(xiàn)圈俯視圖。圖2d是對(duì)應(yīng)圖2a、2b、2c的檢測(cè)線(xiàn)圈與激勵(lì)線(xiàn)圈之間絕緣層俯視圖。圖2e是對(duì)應(yīng)圖2a、2b、2c、2d的激勵(lì)線(xiàn)圈俯視圖。圖3是本發(fā)明中第一層檢測(cè)線(xiàn)圈層的整體俯視圖。圖4是本發(fā)明中激勵(lì)線(xiàn)圈層的整體俯視圖。圖5a是本發(fā)明的具體實(shí)施示例，是截面尺寸為30iimX15iim的第一層圓形平面螺旋檢測(cè)線(xiàn)圈在顯微鏡下50倍放大圖。圖5b是本發(fā)明的另外一個(gè)具體實(shí)施示例，是截面尺寸為IOiimXlOiim的第一層方形平面螺旋檢測(cè)線(xiàn)圈在顯微鏡下200倍放大圖。圖中1_激勵(lì)線(xiàn)圈，2-檢測(cè)線(xiàn)圈與激勵(lì)線(xiàn)圈之間SiO2絕緣隔離層，3、5_兩層檢測(cè)線(xiàn)圈，4-兩檢測(cè)線(xiàn)圈中間層，6-硅基底，7-兩檢測(cè)線(xiàn)圈之間導(dǎo)線(xiàn)柱，8、9-檢測(cè)線(xiàn)圈的兩個(gè)接線(xiàn)柱，12-公共電極，13-截面尺寸為10 y mX 10 y m的檢測(cè)線(xiàn)圈區(qū)域，14-截面尺寸為20 V- mX 15 u m的檢測(cè)線(xiàn)圈區(qū)域，15-截面尺寸為30 y mX 15 u m的檢測(cè)線(xiàn)圈區(qū)域，16-方形平面螺旋線(xiàn)圈，17-圓形平面螺旋線(xiàn)圈，18-截面尺寸為140iimX20iim的激勵(lì)線(xiàn)圈區(qū)域，19-截面尺寸為290 ii mX 20 ii m的激勵(lì)線(xiàn)圈區(qū)域,20-截面尺寸為430 y mX 20 y m的激勵(lì)線(xiàn)圈區(qū)域，21、22_檢測(cè)線(xiàn)圈的兩個(gè)接線(xiàn)柱用于外接信號(hào)檢測(cè)電路，23、24_激勵(lì)線(xiàn)圈的兩個(gè)接線(xiàn)柱，用于加載激勵(lì)電源，10-檢測(cè)線(xiàn)圈的接線(xiàn)柱，11-兩層檢測(cè)線(xiàn)圈之間的導(dǎo)線(xiàn)柱。具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方案本發(fā)明微傳感器電感線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)是在對(duì)比自感式、互感式基礎(chǔ)之上，考慮到自感式結(jié)構(gòu)中電感線(xiàn)圈即充當(dāng)激勵(lì)同時(shí)又作為檢測(cè)線(xiàn)圈，在實(shí)際應(yīng)用中信噪比小，所以本發(fā)明選擇互感式結(jié)構(gòu)，即傳感器是由獨(dú)立的檢測(cè)線(xiàn)圈和激勵(lì)線(xiàn)圈構(gòu)成。將信號(hào)源產(chǎn)生的交變電流加載至激勵(lì)線(xiàn)圈，產(chǎn)生的交變電場(chǎng)使得被測(cè)工件表面處在交變磁場(chǎng)中，從而感應(yīng)產(chǎn)生電渦流；相鄰檢測(cè)線(xiàn)圈成反向螺旋，并通過(guò)線(xiàn)圈之間的導(dǎo)線(xiàn)柱串聯(lián)導(dǎo)通，該結(jié)構(gòu)是為了使得檢測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)磁場(chǎng)疊加從而達(dá)到增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)，提高檢測(cè)靈敏度的目的。圖5a和圖5 b是本發(fā)明具體實(shí)施示例，是基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS，通過(guò)UV-LIGA加工工藝光刻、濺射、電鑄以及等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD技術(shù)制作。圖5a是截面尺寸為30 ii mX 15 ii m的第一層圓形平面螺旋檢測(cè)線(xiàn)圈在顯微鏡下50倍放大圖，圖5b是截面尺寸為10 ii mX 10 ii m的第一層方形平面螺旋檢測(cè)線(xiàn)圈在顯微鏡下200倍放大圖，10為檢 測(cè)線(xiàn)圈的一個(gè)接線(xiàn)柱用于與外部信號(hào)檢測(cè)電路連接，11為兩檢測(cè)線(xiàn)圈之間的導(dǎo)線(xiàn)柱，實(shí)現(xiàn)兩檢測(cè)線(xiàn)圈導(dǎo)通。該實(shí)施示例的縱向切面結(jié)構(gòu)如圖I所示，是由兩層串聯(lián)結(jié)構(gòu)檢測(cè)線(xiàn)圈和一層激勵(lì)線(xiàn)圈構(gòu)成，檢測(cè)線(xiàn)圈平面螺旋匝數(shù)為10匝，激勵(lì)線(xiàn)圈為單匝。第一層檢測(cè)線(xiàn)圈整體俯視圖如圖3所不，二寸200 u m厚的娃片為基底,傳感器線(xiàn)圈以銅為材質(zhì),娃基底上檢測(cè)線(xiàn)圈和激勵(lì)線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)成方形平面螺旋和圓形平面螺旋，用于在實(shí)驗(yàn)中對(duì)比靈敏度，并成矩陣式布局。檢測(cè)線(xiàn)圈截面共有三種不同尺寸區(qū)域13表示線(xiàn)圈截面尺寸為10 umXIOu m,14表示線(xiàn)圈截面尺寸為20 umX15u m, 15表示線(xiàn)圈截面尺寸為30 umX15u m。激勵(lì)線(xiàn)圈整體俯視圖如圖4所示，與檢測(cè)線(xiàn)圈尺寸、形狀相對(duì)應(yīng)，激勵(lì)線(xiàn)圈三種尺寸分別為18表示激勵(lì)線(xiàn)圈截面尺寸為140umX20um，19表示激勵(lì)線(xiàn)圈截面尺寸為290 u mX 20 u m，20表示激勵(lì)線(xiàn)圈截面尺寸為430iimX20iim。
權(quán)利要求
1.一種硅基底多層線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的微型渦流傳感器，其特征在于，采用硅片作為渦流傳感器的基底，包括單層激勵(lì)線(xiàn)圈、至少兩層的檢測(cè)線(xiàn)圈、導(dǎo)通層和絕緣層，每?jī)蓪訖z測(cè)線(xiàn)圈通過(guò)中間的一層導(dǎo)線(xiàn)柱導(dǎo)通，保證兩層檢測(cè)線(xiàn)圈螺旋方向相反；激勵(lì)線(xiàn)圈層與檢測(cè)線(xiàn)圈層之間具有單獨(dú)的SiO2絕緣層；通過(guò)激勵(lì)線(xiàn)圈兩端的接線(xiàn)柱加載交變電源；檢測(cè)線(xiàn)圈的兩個(gè)接線(xiàn)柱穿過(guò)其上面每一層線(xiàn)圈空白區(qū)域與檢測(cè)電路引線(xiàn)相連。
2.如權(quán)利要求I所述的微型渦流傳感器，其特征在于，檢測(cè)線(xiàn)圈截面尺寸為10 umXIOu m、20 umX15u m、30 umX15um三種且每個(gè)線(xiàn)圈均為10匝，對(duì)應(yīng)激勵(lì)線(xiàn)圈截面尺寸為140 ii mX 20 ii m、290 u mX 20 u m,430 u mX 20 u m且均為單匝，相同的螺旋形狀及尺寸呈矩陣式分布。
3.如權(quán)利要求I或2所述的微型渦流傳感器，其特征在于，硅片采用厚度為200y m的三寸硅片。、
4.如權(quán)利要求I或2所述的微型渦流傳感器，其特征在于，電感線(xiàn)圈有方形平面螺旋和圓形平面螺旋兩種形式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅基底多層線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的微型渦流傳感器，屬于微傳感器領(lǐng)域，用于金屬構(gòu)件表面微裂紋檢測(cè)。該傳感器基于200μm厚的三寸硅基片由單層激勵(lì)線(xiàn)圈、多層檢測(cè)線(xiàn)圈以及導(dǎo)通層和絕緣層構(gòu)成。每?jī)蓪訖z測(cè)線(xiàn)圈成反向螺旋環(huán)繞通過(guò)中心導(dǎo)線(xiàn)柱串聯(lián)導(dǎo)通，保證其中感應(yīng)電流流向一致增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)；檢測(cè)線(xiàn)圈和激勵(lì)線(xiàn)圈之間填充二氧化硅絕緣層。檢測(cè)線(xiàn)圈截面尺寸為10μm×10μm、20μm×15μm、30μm×15μm三種且每個(gè)線(xiàn)圈均為10匝，對(duì)應(yīng)激勵(lì)線(xiàn)圈截面尺寸為140μm×20μm、290μm×20μm、430μm×20μm且均為單匝。電感線(xiàn)圈呈方形和圓形兩種平面螺旋并根據(jù)形狀及尺寸呈矩陣式分布以增加檢測(cè)面積提高檢測(cè)效率。本發(fā)明是基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS通過(guò)UV-LIGA為精密加工工藝，具有結(jié)構(gòu)纖薄、微小化、靈敏度高、效率高的優(yōu)點(diǎn)，適合金屬工件表面微缺陷的無(wú)損檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N27/90GK102721738SQ20121019370
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者姜鳳娟, 孫浩, 尹嘉鵬, 徐志祥 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)