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

陳浩楠

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，電子產(chǎn)品在人們的日常生活中越來越重要。由于過高的溫度會使電子元器件的使用壽命大幅度的縮減，所以需要有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料來加速散熱保證電子元器件的正常工作，PDMS材料因?yàn)槠涞土膬r(jià)格和高導(dǎo)熱系數(shù)，是最常用的熱界面材料之一。該文詳細(xì)論述了PDMS材料的發(fā)展和目前的研究現(xiàn)狀，同時設(shè)計(jì)了一種通過充放電法檢測微弱信號的Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容，并且詳細(xì)地介紹了充放電法檢測電流的模塊和工作機(jī)理并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：PDMS;Fe3O4/PDMS;充放電法;理論計(jì)算

中圖分類號：TQ050.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）04-0075-04

Abstract： With the continuous progress and development of science and technology， electronic products are becoming more and more important in people's daily life. However， high temperatures can significantly reduce the service life of electronic components， so materials with high thermal conductivity are needed to accelerate heat dissipation to ensure the normal operation of electronic components. PDMS materials are one of the most commonly used thermal interface materials because of their low price and high thermal conductivity. The paper discusses in detail the development and current research status of PDMS materials， and designs a Fe3O4/PDMS composite magnetic capacitance which can detect weak signals by the charge-discharge method. In addition， the paper introduces in detail the module and working mechanism of the charge-discharge method detecting current and performs the experimental verification.

Key words：? PDMS; Fe3O4/PDMS composites; charge-discharge method; theoretical calculations

微型磁傳感器是目前弱磁場傳 感器技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)的發(fā)展對象之一，原因是由于其優(yōu)異的可靠性和較低的功耗[1-2]。目前常見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其電阻值的微弱變化來檢測微弱磁場的變化。但是這種微弱的電阻變化和磁場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問題。因此，本文希望通過Fe3O4和PDMS兩種納米材料的復(fù)合來解決電阻對溫度敏感的問題。

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下降。所以，為了降低高溫對電子元器件的影響，需要在其服役過程中進(jìn)行冷卻和散熱。為了解決這一問題，人們開始關(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)更高的材料來提高其散熱性能，常見的填充材料有ZnO、SiC和Fe3O4等。目前已經(jīng)有研究制備了CNTs/PDMS自組裝熱傳導(dǎo)材料[3]，還有研究者通過將改性的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[4]。Al2O3和 ZnO也常用作填料來制備散熱性能不同的硅橡膠[5-6]。但不是上述所有的填料都能夠提升純PDMS材料的熱導(dǎo)率[7-8]，有些金屬氧化物顆粒的添加會使得聚合物的導(dǎo)電率增大，不再適用于存在電絕緣體的電場，與此同時， 這些填料過大的導(dǎo)電率也會導(dǎo)致電子元器件的短路，造成電子元器件的損壞[9-12]。同時有的填料也會降低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)熱性能的同時還要減少填料對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，通過布拉格光柵的濾波波長—光柵參數(shù)—受力的關(guān)系實(shí)現(xiàn)力敏檢測的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：存在單個波導(dǎo)光柵的非對稱型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，提出通過將DLW工藝與PDMS壓印工藝相結(jié)合來制造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)e3O4 納米顆粒因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、制備簡單、應(yīng)用范圍廣和軟磁性強(qiáng)而被廣泛的應(yīng)用的研究。Fe3O4納米顆粒作為填料合成的Fe3O4/PDMS復(fù)合材料兼具了2種材料的優(yōu)點(diǎn)和特性[13-14]。因此可以使用Fe3O4/PDMS復(fù)合材料應(yīng)用于微小電容檢測之中。Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容即使在外部施加很大頻率的磁場，它的電容變化也非常小，僅僅在pF級別，因此需要精度很高的檢測電路來觀察Fe3O4/PDMS復(fù)合材料磁電容的變化[15]?；谝陨详P(guān)于微弱信號電容檢測困難的問題，本文設(shè)計(jì)了一種通過測試 Fe3O4/PDMS平行板的變化就可以得到該檢測電路微小電容的變化，它的優(yōu)點(diǎn)是精度高、檢測速度快、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Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測微小電容電路[16]。下面將具體論述檢測電路中的每個模塊在Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測電路中的作用及其工作原理。

2.1 脈沖激勵模塊

Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測電路中的脈沖激勵模塊在整個檢測電路中的作用是提供精確的載波信號。本文中設(shè)計(jì)電路脈沖激勵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。

2.2 C-V轉(zhuǎn)換模塊

Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測電路中的C-V轉(zhuǎn)換模塊主要作用是將脈沖激勵模塊的高頻載波電容信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。檢測電路中的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 信號調(diào)理模塊

Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測電路中信號調(diào)理模塊起到的作用是放大信號，信號調(diào)理模塊的工作過程是，脈沖激勵模塊的電容信號經(jīng)過C-V轉(zhuǎn)換模塊的處理，但是處理后信號變得比較小，很難保證檢測的速度和精度，這時候就要通過信號調(diào)理模塊將輸出信號放大，最后得到調(diào)節(jié)后的信號以供檢測。與此同時，F(xiàn)e3O4/PDMS 復(fù)合材料磁電容檢測電路還采用了精密度較高的放大器來保證當(dāng)電容值在±2.5 pF 內(nèi)變化時，最大的輸出電壓可以達(dá)到±155 mV。

2.4 載波解調(diào)模塊

Fe3O4/PDMS 納米復(fù)合材料磁電容檢測電路中的載波解調(diào)模塊主要作用是將信號處理模塊放大的信號進(jìn)行過濾，去除C-V轉(zhuǎn)化模塊中載波信號諧波的干擾，提取出磁電容結(jié)構(gòu)的輸出信號。同時，為了減小整個檢測電路的噪聲影響，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Fe3O4/PDMS 納米復(fù)合材料在零磁場環(huán)境下的響應(yīng)特性測試，該測試可以反映材料的自身介電特性。

從圖1的響應(yīng)特性測試曲線可以明顯的看出，在零磁場的測試環(huán)境下，當(dāng)激勵頻率小于200 kHz的時候，材料的相對介電常數(shù)（k ′）與相對損耗系數(shù)（k ′′）隨著激勵頻率的增大而減小，當(dāng)激勵頻率在增大到200 kHz之后，相對介電常數(shù)（k ′）與相對損耗系數(shù)（k ′′）基本趨于穩(wěn)定，不再隨著激勵頻率的變化而變化。同時在圖1中還可以看出純 Fe3O4/PDMS 復(fù)合材料的相對介電常數(shù)（k ′）與相對損耗系數(shù)（k ′′）不隨磁場的變化而變化。

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

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，動態(tài)電容檢測電路的標(biāo)度因數(shù)k=2.039 V/pF，且輸出線性度很高，與理論計(jì)算k=1.98 V/pF相差很小。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)會存在不可避免的系統(tǒng)誤差，所以檢測電路的輸出電壓（U0= 2.49 V）與理論計(jì)算輸出電壓（U= 2.52 V）高度吻合。證明本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的微弱電容信號檢測電路的測試速度快，可以滿足微小電容檢測電路的精度要求，在微小電容檢測電路領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

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，還詳細(xì)介紹了具有軟磁特性的Fe3O4納米顆粒和PDMS材料復(fù)合制備的Fe3O4/PDMS納米復(fù)合材料微弱信號的檢測電路的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了微弱信號檢測電路的構(gòu)成及其工作原理。本文中設(shè)計(jì)的測試電路簡單、測試速度快，可以滿足微小電容檢測電路的精度要求，在微小電容檢測電路領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 龍亮，鐘少龍，吳亞明.基于電容監(jiān)測MEMS磁傳感器的設(shè)計(jì)與制作[J].納米技術(shù)與精密工程，2013，11（3）：222-230.

[2] 張曉強(qiáng).基于MEMS工藝的微型磁通門傳感器的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 劉浪，馬鐵華，李新娥.基于TDC的微小電容測量電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（1）：71-74.

[4] 郭冰，王沖.壓力傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國儀器儀表，2009（5）：72-75.

[5] 吳丹，黃堯，高小龍，等.空間限域強(qiáng)制組裝法制備篩網(wǎng)PP/CF導(dǎo)電復(fù)合材料[J].塑料，2018，47（4）：99-102.

[6] 高小龍.空間限域強(qiáng)制組裝法制備高性能聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料機(jī)理的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2017.

[7] 楊敏，陳洪，李明海，等.柔性陣列式壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀簡介[J].航天器環(huán)境工程，2009，26（z1）：112-115.

[8] 蔣家云，富寶龍.電容式傳感器電容檢測電路的研究[J].傳感器世界，2008，14（3）：46-49.

[9] 唐建國.層狀磁電復(fù)合材料的磁電容效應(yīng)[D].南京：南京師范大學(xué)，2011.

[10] 婁正，沈國震.柔性可穿戴傳感器發(fā)展現(xiàn)狀[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017（10）：55-60.

[11] 楊澤文.壓阻式聚合物基柔性傳感器信號采集處理系統(tǒng)的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2019.

[12] 熊家輝.PDMS包覆SnO2納米纖維柔性氣體傳感器的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[13] 陳國彬，張曉明，劉俊，等.基于氧化鐵顆粒與聚合物的納米復(fù)合材料磁電容特性研究[J].高分子學(xué)報(bào)，2015（3）：277-283.

[14] 李曉紅.Fe3O4納米顆粒/SU-8復(fù)合材料的磁電容特性[J].磁性材料及器件，2014，45（5）：19-21.

[15] 王俊杰，羅裴.高靈敏度差分電容檢測電路的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（9）：10-12.

[16] 李新娥，馬鐵華，祖靜，等.基于充放電原理的小電容測量電路[J].探測與控制學(xué)報(bào)，2012，34（2）：42-48.