Fe3O4/PDMS復合材料磁電容微弱信號檢測電路的設計研究

陳浩楠

（湖北科技學院，湖北 咸寧 437000）

微型磁傳感器是目前弱磁場傳 感器技術研究的熱點和重點的發展對象之一，原因是由于其優異的可靠性和較低的功耗。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FeO和PDMS兩種納米材料的復合來解決電阻對溫度敏感的問題。

1 PDMS材料的發展

1.1 PDMS材料

電子產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，在較高溫度的服役環境之中電子產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行冷卻和散熱。為了解決這一問題，人們開始關注熱界面材料（Thermal Interface Material，TIMs），TIMs是一種具有高導熱系數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、散熱墊片和導熱膠等。在目前這些TIMs中；聚二甲基硅氧烷（PDMS）是其中應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，還有其較高的導熱系數。

但是，為了電子元器件更好的散熱和冷卻，純PDMS材料的導熱系數還不能達到要求。因此需要在純PDMS材料中添加導熱系數更高的材料來提高其散熱性能，常見的填充材料有ZnO、SiC和FeO等。目前已經有研究制備了CNTs/PDMS自組裝熱傳導材料，還有研究者通過將改性的AlN作為導熱系數材料添加到PDMS中，制備了高導熱性能的AlN/PDMS復合材料。AlO和 ZnO也常用作填料來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材料的熱導率，有些金屬氧化物顆粒的添加會使得聚合物的導電率增大，不再適用于存在電絕緣體的電場，與此同時， 這些填料過大的導電率也會導致電子元器件的短路，造成電子元器件的損壞。同時有的填料也會降低PDMS材料的力學性能和加工性能，讓電子元器件的生產成本加大。因此，要選擇合適的填料，在保證PDMS材料導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材料由于其具有優異的化學惰性、熱穩定性、光學透明性和生物相容性在醫療衛生、光互連、生物表皮傳感等領域被廣泛應用。通過調控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—受力的關系實現力敏檢測的PDMS光學力敏傳感器應用于表皮傳感；以及在光互連領域拉伸和彎曲波導不會大程度增加額外損耗的PDMS可拉伸光波導鏈路。由于PDMS材料成本低廉、適用領域廣泛以及微納米加工技術的發展，2012年，Ramuz等設計了兩個厚度為600 μm的PDMS雙向集成型波導耦合光柵壓力傳感器。Peng等提出類似結構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現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等提出應用于通信網絡WDM的集成光學器件：存在單個波導光柵的非對稱型PDMS布拉格耦合器的濾波器；在傳感系統中的 PDMS材料是芯片實驗室（LOC）技術的絕佳材料。 Jangura 等基 于PDMS與當前制造技術的兼容性，提出通過將DLW工藝與PDMS壓印工藝相結合來制造PDMS各種波導結構，并且設計使用多種技術制造類型多樣的PDMS基光子器件以用于芯片實驗室技術。

1.2 Fe3O4/PDMS復合材料

因為Fe、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，FeO納米顆粒因為其價格便宜、制備簡單、應用范圍廣和軟磁性強而被廣泛的應用的研究。FeO納米顆粒作為填料合成的FeO/PDMS復合材料兼具了2種材料的優點和特性。因此可以使用FeO/PDMS復合材料應用于微小電容檢測之中。FeO/PDMS 復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FeO/PDMS復合材料磁電容的變化。基于以上關于微弱信號電容檢測困難的問題，本文設計了一種通過測試 FeO/PDMS平行板的變化就可以得到該檢測電路微小電容的變化，它的優點是精度高、檢測速度快、使用成本低。

2 Fe3O4/PDMS復合材料硬件電路設計

本文基于放電法設計的FeO/PDMS 復合材料磁電容檢測微小電容電路。下面將具體論述檢測電路中的每個模塊在FeO/PDMS 復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

FeO/PDMS 復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。本文中設計電路脈沖激勵模塊所采用的施密特觸發器為集成施密特觸發器，其優點是只需要調節觸發器的電容和電阻就可以產生不同頻率的高頻載波信號。

2.2 C-V轉換模塊

FeO/PDMS 復合材料磁電容檢測電路中的C-V轉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化為電壓信號。檢測電路中的C-V轉換模塊主要由3部分組成，分別是電阻、電容和二極管。

2.3 信號調理模塊

FeO/PDMS 復合材料磁電容檢測電路中信號調理模塊起到的作用是放大信號，信號調理模塊的工作過程是，脈沖激勵模塊的電容信號經過C-V轉換模塊的處理，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理模塊將輸出信號放大，最后得到調節后的信號以供檢測。與此同時，FeO/PDMS 復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電容值在±2.5 pF 內變化時，最大的輸出電壓可以達到±155 mV。

2.4 載波解調模塊

FeO/PDMS 納米復合材料磁電容檢測電路中的載波解調模塊主要作用是將信號處理模塊放大的信號進行過濾，去除C-V轉化模塊中載波信號諧波的干擾，提取出磁電容結構的輸出信號。同時，為了減小整個檢測電路的噪聲影響，本文中設計的濾波器的實際使用頻率和工作頻率相當，頻率在59 Hz~66 kHz。

3 Fe3O4/PDMS復合材料硬件電路設計的實驗驗證

圖1為FeO/PDMS 納米復合材料在零磁場環境下的響應特性測試，該測試可以反映材料的自身介電特性。

從圖1的響應特性測試曲線可以明顯的看出，在零磁場的測試環境下，當激勵頻率小于200 kHz的時候，材料的相對介電常數（′）與相對損耗系數（′′）隨著激勵頻率的增大而減小，當激勵頻率在增大到200 kHz之后，相對介電常數（′）與相對損耗系數（′′）基本趨于穩定，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 FeO/PDMS 復合材料的相對介電常數（′）與相對損耗系數（′′）不隨磁場的變化而變化。

圖1 零磁場環境下的響應特性測試Fig.1 Response characteristics test in zero magnetic field environment

當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體之間產生電勢差，電勢差的產生也伴隨著寄生電容。寄生電容現象會導致測試結果存在一定的誤差，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果如表1所示。

表1 不同容值檢測電路中的磁電容測試結果Tab.1 Test results of Magnetic capacitance in detection circuits with different capacitance

圖2是將表1中的結果進行線性擬合，擬合結果如下：

從表1的計算結果和圖2中的擬合結果可以看出，動態電容檢測電路的標度因數=2.039 V/pF，且輸出線性度很高，與理論計算=1.98 V/pF相差很小。因為實驗會存在不可避免的系統誤差，所以檢測電路的輸出電壓（= 2.49 V）與理論計算輸出電壓（= 2.52 V）高度吻合。證明本實驗中設計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域有廣泛的應用前景。

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

4 結語

本文詳細論述了PDMS材料目前的發展和研究進展，同時，還詳細介紹了具有軟磁特性的FeO納米顆粒和PDMS材料復合制備的FeO/PDMS納米復合材料微弱信號的檢測電路的設計，詳細介紹了微弱信號檢測電路的構成及其工作原理。本文中設計的測試電路簡單、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域有廣泛的應用前景。