课题基金 / 基金详情

面向微纳金属薄膜厚度检测的电涡流传感器多物理场耦合研究

批准号:
52105172
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李弘恺
依托单位:
学科分类:
摩擦学及机械表界面科学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李弘恺

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
面向微纳制造技术发展,利用电涡流检测方法实现高精度高可靠的微纳金属薄膜厚度检测具有重要的科学意义与工程价值。针对电涡流传感器易受提离高度波动的影响,温度稳定性低以及低电导率金属薄膜厚度检测性能差等瓶颈问题,本项目通过建模仿真、传感器研制和实验研究相结合的方法开展电涡流传感器多物理场耦合研究,旨在阐明电涡流传感器对微纳金属薄膜厚度快速高精度检测机理。主要研究工作包括:(1)建立“电磁场-电路场-温度场”多物理场耦合作用下的电涡流传感器模型,揭示基础参数对厚度灵敏度和提离高度灵敏度的作用规律;(2)自主研制高精度电涡流传感器,提出微小信号处理方法,建立温度补偿机制;(3)研究提离高度波动与环境温度变化对金属薄膜厚度检测性能的影响规律与机理;(4)探究电磁超常材料磁芯对提升电涡流传感器在低电导率金属薄膜厚度检测性能方面的作用规律及其应用性。本项目将为发展电涡流检测技术提供良好的理论支撑。
英文摘要
Oriented to development of micro-nano manufacturing technology, it is of great scientific significance and engineering value to realize micro/nano-scale metal film thickness detection with high precision and reliability by using the eddy current detection method. To solve the bottleneck problem of eddy current sensor, such as low resistance to lift-off distance fluctuation, low temperature stability and poor detection performance to a metal film with low conductivity, a study on the eddy current sensor with multi-physics coupling is carried out by means of model simulation, sensor development and experimental analysis, which aims at revealing the mechanism of micro/nano-scale metal film thickness detection by using eddy current senor with quick response and high precision. The main work includes: (1) creating an eddy current sensor model with multi-physics coupling of “electromagnetic field - circuit field - temperature field”, revealing the effect of basic parameters on thickness sensitivity and lift-off distance sensitivity; (2) independently developing an eddy current sensor with high precision, proposing an efficient small-signal processing method, and establishing a temperature compensation mechanism; (3) studying the influence law of lift-off distance fluctuation and environment temperature variation on the performance of metal film thickness detection; (4) exploring the promotion effect of the magnetic core made by electromagnetic metamaterials on the thickness detection performance of the eddy current sensor to a metal film with low conductivity and its applicability. The project achievements will provide an essential theoretical foundation for further developing the eddy current detection technique.
面向微纳在线检测技术需求,发展纳米级金属薄膜厚度电涡流检测技术具有重要的科学意义与工程价值。针对电涡流传感器关键科学问题及其高精度检测技术瓶颈,本项目综合考虑传感器敏感元件、检测电路与环境因素等多个方面开展了电涡流传感器多物理场耦合研究,旨在阐明电涡流传感器对微纳金属薄膜厚度快速高精度检测机理及优化设计方法。主要研究工作包括:(1)建立了“电磁场-电路场-温度场”多物理场耦合作用下的电涡流传感器模型,揭示了线圈物理参数、工作频率和磁芯等基础参数对厚度灵敏度的作用规律,并提出了非常规形状线圈设计方法,阐释了兼顾灵敏度和空间分辨力两者的线圈匝数分布优化思路;(2)自主研制了高精度电涡流传感器,揭示了信号转化模块主要电学参数对传感器检测性能作用规律及其设计优值,并基于微小信号处理方法设计,提出了薄膜厚度-温度解耦感知计算方法,使自研电涡流传感器具备了双参量同步感知应用潜力;(3)量化了不同提离高度基准下提离波动幅度对厚度检测精度的影响程度,并提出了一种量化评估检测误差的方法,同时揭示了环境温度变化对电涡流传感器检测性能的影响机理;(4)揭示了负磁导率磁芯对金属薄膜厚度检测性能的作用规律,并提出了负磁导率设计优值。本项目为发展电涡流检测技术提供了良好的理论与技术支撑,基于相关研究成果已形成了具有自主知识产权的电涡流传感器技术。
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