Fe3O4-PDMS复合材料磁电容微弱信号检测电路的设计研究.docxVIP

? ? Fe3O4/PDMS复合材料磁电容微弱信号检测电路的设计研究 ? ? 陈浩楠 （湖北科技学院，湖北 咸宁 437000） 微型磁传感器是目前弱磁场传 感器技术研究的热点和重点的发展对象之一，原因是由于其优异的可靠性和较低的功耗。目前常见的微型磁传感器包括TMR 、GMR和AMR等，这些精度较高的传感器都是通过其电阻值的微弱变化来检测微弱磁场的变化。但是这种微弱的电阻变化和磁场变化很容易被温度所影响，限制了微型磁传感器的推广和应用，所以目前需要找到一种办法解决这个问题。因此，本文希望通过FeO和PDMS两种纳米材料的复合来解决电阻对温度敏感的问题。 1 PDMS材料的发展 1.1 PDMS材料 电子产品元器件的使用温度每升高10℃，其损耗速度就会翻倍。另外一点，在较高温度的服役环境之中电子产品元器件的工作精度和工作性能也会下降。所以，为了降低高温对电子元器件的影响，需要在其服役过程中进行冷却和散热。为了解决这一问题，人们开始关注热界面材料（Thermal Interface Material，TIMs），TIMs是一种具有高导热系数可以填充和消除电子元器件因表面尺寸不匹配造成的空隙和接触热阻。目前常用的TIMs有硅脂、硅胶、相变化材料、散热垫片和导热胶等。在目前这些TIMs中；聚二甲基硅氧烷（PDMS）是其中应用范围最广的材料之一，原因是其良好的弹性可以填充因表面尺寸不匹配造成的空隙，还有其较高的导热系数。 但是，为了电子元器件更好的散热和冷却，纯PDMS材料的导热系数还不能达到要求。因此需要在纯PDMS材料中添加导热系数更高的材料来提高其散热性能，常见的填充材料有ZnO、SiC和FeO等。目前已经有研究制备了CNTs/PDMS自组装热传导材料，还有研究者通过将改性的AlN作为导热系数材料添加到PDMS中，制备了高导热性能的AlN/PDMS复合材料。AlO和 ZnO也常用作填料来制备散热性能不同的硅橡胶。但不是上述所有的填料都能够提升纯PDMS材料的热导率，有些金属氧化物颗粒的添加会使得聚合物的导电率增大，不再适用于存在电绝缘体的电场，与此同时， 这些填料过大的导电率也会导致电子元器件的短路，造成电子元器件的损坏。同时有的填料也会降低PDMS材料的力学性能和加工性能，让电子元器件的生产成本加大。因此，要选择合适的填料，在保证PDMS材料导热性能的同时还要减少填料对材料本身其他性能的影响。 PDMS材料由于其具有优异的化学惰性、热稳定性、光学透明性和生物相容性在医疗卫生、光互连、生物表皮传感等领域被广泛应用。通过调控PDMS布拉格光栅的眼部压力传感器，用于治疗青光眼和增强人工晶状体；与之类似，通过布拉格光栅的滤波波长—光栅参数—受力的关系实现力敏检测的PDMS光学力敏传感器应用于表皮传感；以及在光互连领域拉伸和弯曲波导不会大程度增加额外损耗的PDMS可拉伸光波导链路。由于PDMS材料成本低廉、适用领域广泛以及微纳米加工技术的发展，2012年，Ramuz等设计了两个厚度为600 μm的PDMS双向集成型波导耦合光栅压力传感器。Peng等提出类似结构并通过硅光栅模板获得PDMS耦合光栅，因其基于布拉格条件可以很好地实现光子信息的高效获取，并且具有较高的空间自由度、较小的对准容差，有利于光子芯片的集成封装。 在 PDMS基集成光子器件的研究中，Bosman等提出应用于通信网络WDM的集成光学器件：存在单个波导光栅的非对称型PDMS布拉格耦合器的滤波器；在传感系统中的 PDMS材料是芯片实验室（LOC）技术的绝佳材料。 Jangura 等基 于PDMS与当前制造技术的兼容性，提出通过将DLW工艺与PDMS压印工艺相结合来制造PDMS各种波导结构，并且设计使用多种技术制造类型多样的PDMS基光子器件以用于芯片实验室技术。 1.2 Fe3O4/PDMS复合材料 因为Fe、Co、Ni是顺磁材料，所以含有Fe、Co、Ni的纳米颗粒一般都有软磁特性。目前在Fe、Co、Ni这3种纳米颗粒中，FeO纳米颗粒因为其价格便宜、制备简单、应用范围广和软磁性强而被广泛的应用的研究。FeO纳米颗粒作为填料合成的FeO/PDMS复合材料兼具了2种材料的优点和特性。因此可以使用FeO/PDMS复合材料应用于微小电容检测之中。FeO/PDMS 复合材料磁电容即使在外部施加很大频率的磁场，它的电容变化也非常小，仅仅在pF级别，因此需要精度很高的检测电路来观察FeO/PDMS复合材料磁电容的变化。基于以上关于微弱信号电容检测困难的问题，本文设计了一种通过测试 FeO/PDMS平行板的变化就可以得到该检测电路微小电容的变化，它的优点是精度高、检测速度快、使用成本低。 2 Fe3O4/PDMS复合材料硬件电路设计 本文基于放电法设计的FeO/PDMS 复合材料