一种温度及磁场薄膜传感器及其数据采集分析系统的制作方法

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种能同时或分时测量温度和磁场大小的温度及磁场薄膜传感器及其数据采集分析系统。

背景技术：

传统的传感器功能用途都比较单一，通常情况下，一个传感器只能测量一种类型的外界参数。例如，热电偶温度传感器只能测量环境中的温度，而不能测量其他类型的环境物理量。特斯拉计也只能测量环境中的磁场大小。随着探测技术的发展，功能单一的传感器越来越不能满足日益复杂的数据采集任务，另一方面传感器功能的单一也意味着系统的高复杂性和高费用。传统传感器的探测部分一般都是圆柱状或半圆状，具有较大的体积和大小，因此在探测过程中存在灵敏度不高和响应时间时间较长的不足。例如，铂电阻温度传感器的探测部分是圆柱状，只有当外界变化的温度传导至金属铂，引起金属铂温度的变化，由于金属铂具有相当的体积，因此导致其探测时间的滞后。随着现代集成电路技术的不断成熟，较小体积和高精度的传感器将会更受欢迎。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统传感器功能单一、响应时间长和体积较大等方面的不足，提供一种能测试温度、磁场的温度及磁场薄膜传感器及其数据采集分析系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于温度及磁场薄膜传感器的数据采集分析系统，包括薄膜传感器和数据采集分析模块，所述薄膜传感器包括石英衬底，所述石英衬底上镀有锰氧化物薄膜，所述锰氧化物薄膜上镀有金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，所述金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ通过焊盘分别连接一金属引线，所述锰氧化物薄膜上覆盖有钝化保护层；

所述数据采集分析模块包括恒流源、电压放大电路、数据采集器和计算机，所述恒流源的两端分别与薄膜传感器通过焊接在金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ上的金属引线相连接，所述电压放大电路的两个输入端分别与薄膜传感器通过焊接在金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ上的金属引线相连接，所述薄膜传感器上的电压信号经由电压放大电路进行放大，所述电压放大电路与数据采集器相连，电压信号由数据采集器采集并传送到计算机。

进一步，所述的锰氧化物薄膜由具有庞磁电阻效应（CMR）的锰氧化物材料La_2/3(Ca_0.6Ba_0.4)_1/3MnO₃成型，该材料能够对环境中温度和磁场的变化进行快速响应。

进一步，所述的锰氧化物薄膜通过脉冲激光沉积或磁控溅射的方法沉积在石英衬底上，所述石英衬底为矩形衬底，其尺寸为3mm×5mm。

进一步，所述的锰氧化物薄膜的沉积厚度为500nm。

进一步，所述的金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ通过脉冲激光沉积或磁控溅射的方法对称地镀在锰氧化物薄膜上，所述金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ上分别焊接有金属引线Ⅰ和金属引线Ⅱ，所述金属引线Ⅰ和金属引线Ⅱ分别通过金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ与薄膜传感器连接，且金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ的形状为矩形或圆形。

进一步，所述的锰氧化物薄膜及金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ完全被钝化保护层所覆盖，所述钝化保护层由SiO₂成型。

进一步，所述的电压放大电路的主控芯片为AD623。

进一步，所述的数据采集器为16位的USB-6002数据采集卡，所述USB-6002数据采集卡通过USB通讯方式与计算机连接。

进一步，所述的计算机对数据的接收以及分析处理功能是在虚拟仪器开发软件LabVIEW中完成的。

本发明采用以上技术方案，其有益效果是：本发明采用具有巨磁电阻效应及温度电阻效应的锰氧化物材料作为感应器件，使得传感器能够同时或分时探测环境中的温度和磁场强度大小，解决了传统的传感器功能单一的缺点，并提高了传感器的探测精度；将感应器件做成体积较小的薄膜结构，这种薄膜结构一方面能够提高传感器的响应速度，有效地解决了传统传感器响应速度慢的不足；另一方面薄膜结构体积较小，更加有利于器件的集成化应用；传感器感应材料La_2/3(Ca_0.6Ba_0.4)_1/3MnO₃本身是氧化物，该锰氧化物薄膜传感器具有性能稳定、寿命长的优点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中薄膜传感器图形及引线焊接示意图。

图3是薄膜传感器保护层及引线焊接示意图。

图中1恒流源，2.薄膜传感器，3.电压放大电路，4.数据采集器，5.计算机，6.电源，7.石英衬底，8.金属电极Ⅰ，9.锰氧化物薄膜，10.金属电极Ⅱ，11.金属引线Ⅰ，12.金属引线Ⅱ，13.钝化保护层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-3之一所示，基于温度及磁场薄膜传感器的数据采集分析系统，包括薄膜传感器2和数据采集分析模块。其中，所述薄膜传感器2包括石英衬底7，薄膜传感器2是感知外界环境的装置，将锰氧化物薄膜9均匀地镀在石英衬底10上，锰氧化物薄膜9的厚度为500nm；在锰氧化物薄膜9两端对称地镀上金属电极Ⅰ8和金属电极Ⅱ10，将金属引线Ⅰ11和金属引线Ⅱ12分别焊接在金属电极Ⅰ8和金属电极Ⅱ10上；所述锰氧化物薄膜9上设有钝化保护层13，且钝化保护层13均匀地覆盖在锰氧化物薄膜9和金属电极Ⅱ10及金属电极Ⅰ8上。

所述数据采集分析系统包括恒流源1、电压放大电路3、数据采集器4和计算机5，恒流源1的接线端以及电压放大电路3的输入端均与薄膜传感器2的金属引线Ⅰ11和金属引线Ⅱ12相连接，电压放大电路3对从金属电极Ⅱ10和金属电极Ⅰ8上输出的小电压信号进行放大，电源6为电压放大电路3提供电源，所述电压放大电路3与数据采集器4相连，数据采集器4通过USB方式与计算机5实现信息通讯，数据采集器4对放大后的电压信号进行采集，电压信号由数据采集器4采集后传送到计算机5。计算机5中安装有虚拟仪器开发软件LabView，编程软件程序中已存储有锰氧化物材料La_2/3(Ca_0.6Ba_0.4)_1/3MnO₃在不同温度和磁场下的各种参数供调用运算，LabView软件通过数字和图形的形式对处理结果进行显示。

其中，将AD623主控芯片作为电压放大电路3的核心放大器，数据采集器4为16位的USB-6002数据采集卡。

所述锰氧化物薄膜9是具有庞磁电阻效应（CMR）的锰氧化物材料La_2/3(Ca_0.6Ba_0.4)_1/3MnO₃，该材料对环境中温度和磁场的变化进行快速响应。所述锰氧化物薄膜9通过脉冲激光沉积或磁控溅射的方法沉积在石英衬底7上，石英7为矩形衬底，其尺寸为3mm×5mm。所述金属电极Ⅰ8和金属电极Ⅱ10通过脉冲激光沉积或磁控溅射的方法对称地镀在矩形锰氧化物薄膜9上，金属引线Ⅰ11和金属引线Ⅱ12通过金属电极Ⅰ8和金属电极Ⅱ10与薄膜传感器连接，且金属电极的形状为矩形或圆形。所述锰氧化物薄膜9及金属电极Ⅰ8和金属电极Ⅱ10完全被钝化保护层13所覆盖，所述钝化保护层13由SiO₂成型。

由于恒流源1的输出端以及电压放大电路3的输入端均与薄膜传感器2的金属引线Ⅰ11和金属引线Ⅱ12相连接，因此薄膜传感器2两端的电压可以测定，进而可以推算出锰氧化物薄膜9的电阻。由于该材料的电阻值受温度和磁场的调制，为了区分温度和磁场变量对材料电阻影响，我们称由于温度改变引起的电阻值变化为热电阻，由于磁场改变引起的电阻值变化为磁电阻，热电阻和磁电阻是该材料电阻的不同表现形式。

一定的温度范围内，锰氧化物薄膜9的热电阻与外界温度呈线性关系R=R₀+kT（k为可测量的系数），因此可以通过计算锰氧化物薄膜9的热电阻来确定外界温度。锰氧化物薄膜9的热电阻随温度的变化率（R₀-R_T）/R₀（R₀指材料起始温度的电阻率，R_T指材料在T温度下的电阻率）在270K-300K可达到38%，远大于一般金属的热电阻变化率，并且具有线性变化的优点，因此该材料可以在大幅度提高温度传感器的精度的同时，简化设备复杂程度。

锰氧化物薄膜9的磁电阻与外界磁场大小近似呈线性关系R=R₀+nH（n为可测量系数），因此可以通过计算锰氧化物薄膜9的磁电阻来确定外界磁场强度。在室温、外磁场为3T条件下，锰氧化物薄膜9的磁电阻随磁场的变化率（R₀-R_H）/R₀（R₀指材料在零磁场下的电阻率，R_H指材料H磁场下的电阻率）达到21%，远大于一般材料的磁电阻变化率，因此该材料可以大幅度地提高磁场传感器的精度。

测量温度时，将薄膜传感器2置于所测环境中，打开计算机5中的测试程序，在测试面板选项中选择温度测试选项，运行测试程序。当外界磁场强度是在0.01特斯拉以内的弱磁场时，此时面板显示的数据就是薄膜传感器2所处环境的实时温度；当外界环境的磁场超过0.01特斯拉，在已知外界磁场的强度的情况下，输入此时的磁场强度并确认，此时面板显示的数据即是薄膜传感器2所处环境的实时温度。T温度时传感器2的电阻为R_T，在外磁场H下传感器2的电阻值R_T随温度T变化为R_T=R_H+aT, R_H和a为已知参数，当在材料两侧金属引线Ⅰ11和金属引线Ⅱ12加上恒定电流I时，材料两端可测得的电压U=I（R_H+aT），则温度T=U/(aI)- R_H/a。

测试磁场强度时，将薄膜传感器2置于所测环境中，在测试面板选项中选择磁场强度测试选项，运行测试程序，在计算机5上输入此时薄膜传感器2所在环境中的温度，程序对输入和测量的数据进行分析运算，此时面板显示的数据即是薄膜传感器2所处环境中磁场强度大小。H磁场时传感器2的电阻为R_H，在外界温度T时传感器2的电阻值R_H随磁场H变化为R_H=R_T+bH, R_T和b为已知参数，当在材料两侧金属引线Ⅰ11和金属引线Ⅱ12加上恒定电流I时，材料两端可测得的电压U=I（R_T+bH），则温度T=U/(bI)- R_T/a。