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嵌入式完全喷涂凤凰平台注册采用电容式传感机构


发布日期:[2018-08-23]    作者:凤凰平台凤凰平台注册


嵌入功能传感器层直接转化成机械系统在重型环境方便了系统状态的实时监测。本文提出了一种完全喷涂凤凰平台注册,适用于高压力范围的应用。它是嵌入功能的有机涂层,另外作为电介质的电容传感机理。传感器的灵敏度,以及其长期稳定性,已确定。此外,测试已经在升高的温度下进行测定的温度依赖性的敏感性产生的杨氏模量的温度依赖性。

1。简介

对机械系统的特性的实时监测是非常有利的,一个组件的磨损或失效的影响。因此,包括传感器,如力、温度或压力,为机械零件是一种防止整个系统损坏。一个非常复杂的方式,包括传感器是它们直接嵌入到组件的表面,因为它是从而免受机械磨损,而且措施数量完全在兴趣点。
其中一个量的利益是在一个系统的机械压力。测量压力,有大量的物理效应可以被利用:压阻式凤凰平台注册得到了重视与硅的压阻效应的发现。硅应变计是直接制作在硅膜片或为了测量压力或压差。压电材料是利用谐振式凤凰平台注册,对悬臂梁,甚至柔性凤凰平台注册利用压电聚合物。压力的测量也可以用光学方法进行,通过测量布拉格波长时,压力的变化[移八]或隔膜与Fabry Perot [结合设置九]。也可以通过测量感应电流压力测量或[利用磁致伸缩。两大电容传感原理是电容膜片位置传感和在电容器的介电材料的弹性性质的利用
本文提出了一种电容式凤凰平台注册,利用这些弹性性质在一个平行板电容器。这是不到15µm薄和耐很高的压力,而组成的,可以承受高达250°C.此外温度的材料,进一步的处理是使作为传感器的设计能承受机械磨损,保持不变,即通过保护面漆,从而完全嵌入功能元素。这一点,结合的制造工艺,包括喷涂,使传感器便于工业应用,如在机械系统状态监测。

2。传感器的概念和设计

设计的传感器由两个介电层,软外套增加灵敏度和很难使传感器的机械稳定性,在钢基体上银电极,这又是封装在介电涂层。基板和电极之间的电容测量的量与压力施加到电极的变化。
进入图1一、传感器的设计原理是:钢基体(占被监测机器的一部分的机械部件)和银电极形成一个堆叠的聚合物层作为电容器介质之间。图1B显示通过制造设备与扫描电子显微镜的传感层的截面抛光。
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图1(一)传感器的设计:一个三维(3D)视图(图和示意图)和横截面(示意图)显示传感器的层状结构,由两个导电层(钢基与银电极)和两个介电层(聚酰胺-酰亚胺(聚氨酯);B)扫描的传感器电子显微镜截面抛光。
可以看出,整个过程包括两介电层和电极是大约10µm厚。薄层喷涂效果为制作工艺。

三.材料与方法

制造过程是由几个喷涂步骤而使用商业喷枪(喷枪枪afc-101a由康拉德、希尔绍、德国)。首先,聚氨酯基涂层薄50重量%N-甲基吡咯烷酮和处理在钢基体上喷涂,已预先加热到200°C. 90 S在250°C后,聚氨酯基涂层充分固化和聚酰胺酰亚胺涂层可以应用。聚氨酯作为一种更柔和,更容易变形,从而更加压力敏感层,而聚酰胺酰亚胺层具有较高的弹性模量,从而防止银电极被通过介电层在钢基体上施加高压力。这种聚酰胺酰亚胺涂层由40%N-甲基吡咯烷酮,27重量%的对二甲苯、33重量%的聚酰胺-酰亚胺(rhodeftal 210 ES的亨斯迈先进材料,盐湖城,UT,美国)。在这些组件完全混合,0.1重量%的表面添加剂(BYK 310 BYK助剂和仪器,韦瑟尔,德国)以降低表面张力,从而导致针孔减少和短路的风险较低。这个解决方案是处理到聚氨酯涂层钢基体上喷涂,并预先加热到170°C.随后,聚酰胺-酰亚胺固化在250°C 30分钟。
图案的电极、高温稳定的胶切割形状与切割机作为模板,这是转移到聚合物涂覆的基材涂布步骤之前。喷雾过程的电极材料、纳米银膏(ka801由杜邦、威尔明顿、德、美国)变薄和50重量%的醋酸乙酯。聚合物涂覆的基材是预先加热到200°C 15 S在方案上喷涂加工。随后,胶模板拆除和银电极是固化在200°C为20min,在最后一步中,传感器与聚酰胺酰亚胺溶液在相同的方式,如前所述封装。为了能与电极接触,小面积的电极上覆盖胶在封装。
接触传感器,一个直径8µm铜丝粘在银电极和银基高温稳定的环氧树脂基体(EPO-TEK h20e-8环氧技术,将马、美国)。

4.。结果

表征制造传感器,先在室温下,压力变化的响应进行研究。机械压力进行控制的液压试验台,而电容的测量是一个电容传感器模块进行评价(fdc2214evm Ti,达拉斯,TX,美国)。测试设置显示图2
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图2测试设置显示气候室(赖特)与凤凰平台注册夹在压力试验台和评价模块(左)
它包括一个压力试验台,采用凤凰平台注册的定义。该系统是放置在一个气候室在测量过程中的温度控制。电容评价模块置于气候室外面,连接到PC机记录测量数据。
结果第一次测量了所示图3A.电容变化量为室温作用一百次施加的压力(25°C)。每个循环包括30在79.5 kPa,其次是30 S在397.5 kPa。
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图三(一)施加的压力(黑色)和电容变化(红色)作为时间的函数;(B)的时间后,凤凰平台注册已被应用于作为一个最终的压力水平的功能达到恒定的电容传感器。初始压力为50kPa各测量。
在研究的时间尺度,传感器几乎立即在压力变化的反应,虽然它需要达到一个恒定的电容传感器的一些时间,这是由于两个现象:第一,压力不存在作为一个阶跃函数,而是接近的压力试验台控制器。第二,聚合物需要一些时间放松进入最后的状态在每个压力水平。这是显示在图3B作为一个最终的压力水平的功能时,开始在50 kPa。可以看到,随着越来越多的最终压力的时间减少。当传感器已接近最终状态,电容也几乎保持不变时,测量时间较长。
电容变化量是相对于电容在环境压力。在较高的压力水平,电容变化的顺序是10%,而在较低的压力水平,它只是略微超过1%。假设施加的压力和电容测量信号之间的线性关系,这个结果在一个平均0.03%的灵敏度相对电容改变每千帕。
然而,在现实中,这种变化是不依赖于所施加的压力水平,可以看出在图四。在测量中,如图四一、压力(黑色)上升在79.5 kPa的步骤从159到795 kPa,然后增加了相同的步长,再在室温条件下(25°C)。每个压力水平保持一分钟不变。可以看出,当压力步长不变,随着压力水平每降低压力变化的电容变化。进入图四B,这说明为电容变化从低到高的压力相对于卸传感器作为压力较低级别的功能。对于压力范围在1 MPa以上,传感器将不再检测电容几乎没有变化。
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图4(一)压力(黑色)和电容变化(红色)作为时间的函数。每个压力水平保持一分钟;和(B)在每个压力水平在电容变化。
第二观察可以在图四一是,在相同的压力水平,而电容水平逐渐下降的不一样而加大压力。一旦加载一定的压力最大,但是,下面这个最大的压力是多周期再次恒定的压力响应(如图3一)。这可能是由于聚合物将承受压力,这之后重排过程完成后,传感器的输出变得稳定了最大压力,它是装在。
但低于1MPa压力,所制造的传感器产生一个非常稳定的输出。这已被证实在长期的测量周期在室温条件下几个小时(25°C),其中压力已应用于传感器在高压阶段,其次是低压力的时期。进入图5对这一测量周期,第一个小时的结果,之后,在测量信号中没有更多的变化已被观察到。可以看出,在所制作的传感器的使用,有一系列的阶段,每个周期增加电容压力变化。后的第一个30min,然而,传感器信号保持稳定的测量的休息。
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图5电容变化为一种长期的测量周期的第一小时时间函数。
同样的测量,如图所示图5,也已经进行了一个气候室高温下温度依赖性试验。可以看出在图6,有相当强的影响温度对传感器信号,需要在测量中的应用补偿。
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图6在电容的变化作为一个功能在三个不同温度与压力的步骤,应用时间:25°C(黑色),90°C(红色)和130°C(蓝色)。
这些结果表明,图6在三个不同温度凤凰平台注册的响应:步骤25°C(黑色),90°C(红色),和130°C(蓝色),一直在每个测量周期常数,分别为。由于在测试设置的局限,130°C在测试是可能的最高温度,虽然材料是稳定的高达250°C.施加的压力有10 Pa和1.3千帕之间。可以看到,温度的影响在两方面:第一,传感器在较低压力水平随温度的增加而增加的电容的介电涂层软化。其次,该电容变化从低到高水平的增加而增加的温度。在室温下,这种变化约为4%,而在90°C,这已经是4.7%和130°C 5.8%的变化。再次,这是由于在较高的温度下,介质的软化和电极距离减小强大压力下。

5。讨论

在这项工作中,凤凰平台注册已经制造完全由喷涂到金属基板(例如,一个机械部件进行监测)。该工艺结合机械稳定的设计和高温稳定的材料,使它适合于工业应用,也涉及进一步的部件加工。
生产的传感器已经过测试的输出信号和相应的长期稳定性。该传感器的响应速度快,长时间稳定。然而,传感器的输出不依赖于初始压力水平,并因此压力不是线性的。校准需要确定电容的变化作为一个功能的压力。此外,该传感器具有对其输出的温度依赖性。结果表明,温度对传感器响应的影响。在室温下对电容变化的比较,在90°C反应17.5百分点,并在130°C增加的响应是45分。这使得传感器在高温下更敏感。如果传感器是用在不同的温度环境,温度的影响需要补偿,例如,结合嵌入式温度传感器[十五]。适用于相对稳定的高温和高机械压力的条件下,如在许多机械过程,如,在重工业或汽车生产,该传感器使机械内部的系统压力测量的稳定准确的兴趣点,而不需要昂贵的制造过程。