本发明涉及材料科学与传感器领域，具体地，涉及一种以金属玻璃微米箔为应变敏感材料的电阻式应变传感器及其制备方法。
背景技术：
自从1938年simmons和ruge发明金属电阻丝组成的电阻应变片后，给各类工程结构的应力测量和结构应力分析带来了极大的方便。1953年，英国的jackson发明了以环氧树脂系胶粘剂为基底、以金属箔代替金属丝制成的金属箔式应变片，使应变片的生产工艺技术有了根本性的改变。常用的箔材厚度为3μm～10μm，最薄的箔材厚度可达1μm。从20世纪70年代开始，箔式应变片已逐渐取代丝式应变片。以金属箔为敏感元件的电阻应变片，已广泛应用于制作测量力、质量、压力、位移以及加速度的各种物理量传感器，在测力/称重传感器领域，有80％～90％都采用箔式应变片。
作为箔式应变片用的金属箔材，应该具有以下要求：(1)电阻率高；(2)电阻温度系数低而稳定；(3)应变灵敏系数大，并随应变量增加而不变；(4)在使用温度范围内性能稳定；(5)弹性极限高。
应变片的工作原理为将应变片贴在被测物上，使其随着被测对象的应变一起伸缩，这样应变片里面的金属敏感栅就随着应变伸长或缩短。金属伸长或缩短时其电阻也会随之变化，通过测量电阻的变化从而对应变进行测定。
应变片的一个重要特性是它的测量应变范围。目前，箔式应变片一般采用铜镍合金、镍铬合金、铜铬合金等晶态材料，其弹性应变极限在0.5％以内。当被测应变超出此应变范围时，应变片内部的敏感栅会发生塑性变形，甚至断裂。尽管有些应变片的应变测量极限高达20％，但由于发生了塑性变形，导致应变片不能被再次使用。因而一般应变片只工作在敏感栅的弹性应变极限范围以内。
基于上述，本领域急需研发一种新型的箔式应变片，以使其能解决上述存在的应用问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种以金属玻璃微米箔为敏感材料的电阻式应变传感器及其制备方法，利用金属玻璃箔材作为敏感材料以提高商业化的传统箔式应变传感器的量程和性能，实现理想电阻式应变传感器。
根据本发明的一个方面，提供一种以金属玻璃微米箔为敏感材料的电阻式应变传感器，包括：
基底；
位于所述基底上的金属玻璃敏感栅；
覆盖于所述金属玻璃敏感栅上的覆盖层；
其中：
所述金属玻璃敏感栅由金属玻璃箔材制备得到。
优选地，所述金属玻璃敏感栅由金属玻璃箔材采用光刻工艺制备得到。
优选地，所述金属玻璃箔材为钯基、铂基、金基、银基、钙基、镁基、铜基、铝基、钛基、钴基、镍基、锆基、铪基、钇基、镧系稀土基及多组元基金属玻璃箔材中的一种。
更优选地，所述金属玻璃箔材的厚度为1μm～20μm。
优选地，所述基底材料为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或玻璃纤维布等。
优选地，所述覆盖层材料为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或玻璃纤维布等。
优选地，所述引线为直径1μm～2mm的铜导线、银导线或铂导线。
根据本发明的另一个方面，提供一种以金属玻璃微米箔为敏感材料的电阻式应变传感器的制备方法，包括：
制备基底；
在所述基底上光刻制备金属玻璃敏感栅；
在所述金属玻璃敏感栅上覆盖覆盖层；
在所述上述金属玻璃敏感栅的端部焊接引线。
优选地，所述制备基底，是指：将金属玻璃箔材放在洁净的玻璃板上，然后将基底材料胶滴在金属玻璃箔材的表面，用隔离罩封住，自然晾干后从玻璃板上取下基底和固定在其上的金属玻璃箔，再固化处理后取出。
优选地，在所述基底上光刻制备金属玻璃敏感栅，包括：
(a)涂覆光刻胶：在清洁的金属玻璃箔材的表面旋涂一层感光胶；
(b)前烘：将涂覆感光胶的金属玻璃箔材放入恒温干燥箱中烘焙处理；
(c)曝光：将预先制好的掩模版与感光胶紧密接触，用紫外线照射，受到光照的感光胶发生光化学反应，改变感光部分胶的性质，移走掩模版；
(d)显影：把曝光后的片子放在显影液中，曝光的地方由于感光胶发生了化学反应而变得不溶于有机溶剂，其他没曝光的地方则被显影液溶掉；
(e)蚀刻：将暴露出的金属玻璃箔材从上到下刻蚀，初腐后再进行细腐；
(f)去胶：将残留的感光胶通过去胶剂清洗去除；
更优选地，在所述步骤(d)、(e)之间，增加坚膜工序，即：将显影后的片子热烘，然后冷却，使基底与金属玻璃箔材之间粘结更牢固，以增基底的抗蚀能力。
优选地，在上述金属玻璃敏感栅上覆盖覆盖层，是指：在得到的金属玻璃敏感栅的表面涂布一层胶粘剂，以填充栅丝间的空隙和在箔栅表面形成一薄层胶膜但露出敏感栅焊接端部，即为传感器的覆盖层。
优选地，所述焊接引线，是指：得到的金属玻璃敏感栅的焊接端部表面电镀铜以改善焊接性能，接着焊接引线。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明利用金属玻璃箔材作为敏感材料，在大大提高商业化的传统箔式应变传感器的量程和性能的同时，其制备工艺与现有箔式应变片生产工艺兼容，实现理想的电阻式应变传感器。
根据本发明部分实施例中，所述传感器的弹性极限1.0％～2.5％，是商业化电阻式应变传感器的2至8倍，且其制备工艺与商用金属箔式应变片制备工艺兼容性强，无需设备更新换代，大大降低了成本和企业负担，为其大规模的商业推广带来便利。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例的制备流程图；
图中：1为引线，2为覆盖层，3为基底，4为金属玻璃敏感栅，5为金属玻璃箔材，6为感光胶膜，7为掩模版。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
金属玻璃是指合金熔体在快速冷却到形成的非晶态合金。金属玻璃具有超高强度、高硬度、高弹性极限、优异的耐腐蚀性能等诸多优点，自它问世以来，就得到了科学界和产业界的极大兴趣。大多数非晶合金体系，拉伸变形过程中弹性部分的应变极限在2％左右，远高于传统晶态金属。非晶合金的这种高弹性的根源在于它的结构无序性，即不能像晶态材料那样通过位错滑移很快使材料达到屈服。非晶合金的电阻率一般高于晶态金属材料的电阻率，通常为100-300μω·cm。此外，非晶合金的电阻率温度系数特别小，温度系数α的绝对值一般小于10-5。
在长期的研究中，申请人发现高弹性应变极限，高电阻率，低的电阻温度系数，耐腐蚀这些优点使得金属玻璃箔将是一种较为理想的电阻应变敏感材料。但因厚度10μm以下金属玻璃箔制备难度高，同时传统技术中没有出现采用该材料的应变片传感器，所以，目前为止，还未见采用金属玻璃箔做箔式应变片传感器的报道。
为了能进一步提供高性能的电阻式应变传感器，本发明突破现有的常规技术设计理念，采用金属玻璃微米箔作为敏感材料设计电阻式应变传感器。
如图1所示，一种以金属玻璃微米箔为敏感材料的电阻式应变传感器的实施例结构示意图，包括：引线1、覆盖层2、基底3和金属玻璃敏感栅4，其中：所述金属玻璃敏感栅4由金属玻璃箔采用光刻工艺制备得到，位于所述基底上；覆盖层2覆盖于所述金属玻璃敏感栅4上；所述金属玻璃敏感栅4黏贴在所述基底3与所述覆盖层2之间，所述金属玻璃敏感栅4的焊接端头与所述引线1连接。
在上述实施例的结构基础上，所述金属玻璃箔材，可以为钯基、铂基、金基、银基、钙基、镁基、铜基、铝基、钛基、钴基、镍基、锆基、铪基、钇基、镧系稀土基及多组元基金属玻璃箔材中的一种，具体根据实际应用需要进行选择。
在上述实施例的结构基础上，所述金属玻璃箔材的厚度可以为1μm～20μm。
在上述实施例的结构基础上，所述基底材料为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或玻璃纤维布，根据应变片传感器的设计温度使用范围和性能选用其中任一种。
在上述实施例的结构基础上，所述覆盖层材料为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或玻璃纤维布，根据应变片传感器的设计温度使用范围和性能选用其中任一种。
在上述实施例的结构基础上，所述引线的直径可以为1μm～2mm，材料可以是铜导线、银导线或铂导线中任一种。
上述电阻式应变传感器使用时，将电阻式应变传感器贴在被测物上，使其随着被测对象的应变一起伸缩，这样电阻式应变传感器里面的金属玻璃敏感栅就随着应变伸长或缩短。金属伸长或缩短时其电阻也会随之变化，通过测量电阻的变化从而对应变进行测定。
在本发明部分实施例中，上述的金属玻璃箔材可以优选以下方法制备：将金属与金属玻璃板材或带材叠加；将上述叠加后的材料加热至金属玻璃的过冷液相区，即玻璃转变温度tg和晶化温度tx之间，然后进行辊轧压延，获得厚度为微米尺度的金属玻璃箔材。该方法利用金属玻璃在过冷液相区软化的特点，采用金属带材叠加金属玻璃板材或带材辊轧压延，热轧过程中仅金属玻璃板材或带材变形。同时金属带材起支撑作用，避免软化的金属玻璃板材或带材无法成型。此外，普通轧机的轧辊间距无法精确到10μm以内调节，因而制备厚度10μm以内的超薄金属箔材通常需要采用特种轧机。而通过上述叠层的方法，控制轧辊间距和金属带材厚度，即可在普通轧机上制备厚度10μm以内的金属玻璃箔材。从而解决现有技术中金属玻璃微米箔制备难的问题，为金属玻璃微米箔进一步的大规模推广提供了条件。当然，该制备方法仅仅是上述材料制备中一种方法，本发明并不局限于采用上述方法制备的金属玻璃箔材。
以下结合附图2，通过几个具体实施例详细说明所述传感器的制备方法，以对本发明做进一步的理解。
实施例1：制备zr60cu25al10fe5金属玻璃为敏感栅的单轴应变片(即电阻式应变传感器)。
本实施例采用zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材，经光刻后制备阻值350ω的单轴应变片的敏感栅，基底材料采用环氧酚醛胶膜，该应变片可用于各类测力、称重传感器。
具体的，该单轴应变片的制备步骤如下：
1、制备胶膜基底
将厚度为3μm的zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5固定在洁净的玻璃板上，然后用吸管将环氧酚醛胶滴在zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5的表面，用隔离罩封住，自然晾干后从玻璃板上取下环氧酚醛胶和固定在其上的金属玻璃箔，再放入电热箱中在90℃下固化处理1小时后取出；
2、光刻制备敏感栅，流程如下：
(a)涂覆光刻胶：
用匀胶机在经过清洁处理的zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5(如图2中(1)所示)的表面旋涂一层感光胶膜6(如图2中(2)所示)，厚度为2～10μm；
(b)前烘(如图2中(3)所示)：
将涂覆了感光胶膜6的zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5放入恒温干燥箱中，在70～110℃进行10min左右的烘焙处理；
(c)曝光(如图2中(4)所示)：
将预先制好的掩模版7与zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5在一定的压力下紧密接触，在波长240nm～340nm光波范围内曝光3～50秒后，移走掩模版7；
(d)显影(如图2中(5)所示)：
用显影液将曝光的感光胶膜6溶解，暴露出内部的zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5；
(e)坚膜(如图2中(6)所示)：
将显影后的片子放在180～200℃的烘箱中热烘30min，然后随炉冷却，使基底3与zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5之间粘结更牢固，增强基底抗蚀能力；
(f)蚀刻(如图2中(7)所示)：
用刻蚀液将暴露出的zr60cu25al10fe5金属玻璃箔材5从上到下刻蚀，刻蚀液浓度比为0.3mol/l硫酸和0.5mol/l的磷酸混合液，初腐后再进行细腐，调节电阻值至350ω；
(g)去胶(如图2中(8)所示)：
将残留的感光胶膜6通过三氯乙烯去胶剂清洗去除；
3、覆盖保护膜
在金属玻璃敏感栅的表面涂布一层胶粘剂，以填充栅丝间的空隙和在箔栅4表面形成一层胶膜(露出敏感栅焊接端部)，即为覆盖层。所述覆盖层材料可以为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或玻璃纤维布。
4、焊接引线：
在步骤3得到的金属玻璃敏感栅的焊接端部表面电镀铜以改善焊接性能，接着焊接引线。
上述实施例中，将基底材料替换为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或玻璃纤维布中任一种，也是完全可以实现的。
实施例2：fe31co31nb8b30金属玻璃为敏感栅的单轴剪切式应变片
本实施例采用fe31co31nb8b30金属玻璃箔材，经光刻后制备阻值350ω的单轴剪切式应变片的敏感栅，基底材料采用环氧酚醛胶膜，该应变片可用于剪切传感器和扭矩传感器。当然，所述基底材料可以为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或玻璃纤维布任一种，并不局限于环氧酚醛胶膜。
具体的，该应变片的制备步骤如下：
1、制备胶膜基底
将厚度为3μm的fe31co31nb8b30金属玻璃箔材固定在洁净的玻璃板上，然后用吸管将环氧酚醛胶滴在fe31co31nb8b30金属玻璃箔材表面，用隔离罩封住，自然晾干后从玻璃板上取下环氧酚醛胶和固定在其上的金属玻璃箔，再放入电热箱中在90℃下固化处理1小时后取出；
2、光刻制备敏感栅，光刻流程如下：
(a)涂覆光刻胶(如图2中(2)所示)：
用匀胶机在经过清洁处理的fe31co31nb8b30金属玻璃箔材的表面旋涂一层感光胶膜，厚度为2～10μm；
(b)前烘(如图2中(3)所示)：
将涂覆了光刻胶的fe31co31nb8b30金属玻璃箔材放入恒温干燥箱中，在70～110℃进行10min左右的烘焙处理；
(c)曝光(如图2中(4)所示)：
将预先制好的掩模版与fe31co31nb8b30金属玻璃箔材在一定的压力下紧密接触，在波长240nm～340nm光波范围内曝光3～50秒后，移走掩模版；
(d)显影(如图2中(5)所示)：
用显影液将曝光的感光胶膜6溶解，暴露出内部的fe31co31nb8b30金属玻璃箔材；
(e)坚膜(如图2中(6)所示)：
将显影后的片子放在180～200℃的烘箱中热烘30min，然后随炉冷却，使胶膜基底与fe31co31nb8b30金属玻璃箔材之间粘结更牢固，增强胶膜基底抗蚀能力；
(f)蚀刻(如图2中(7)所示)：
用刻蚀液将暴露出的fe31co31nb8b30金属玻璃箔材从上到下刻蚀，刻蚀液浓度比为0.3mol/l硫酸和0.5mol/l的磷酸混合液，初腐后再进行细腐，调节电阻值至350ω；
(g)去胶(如图2中(8)所示)：
将残留的感光胶膜通过三氯乙烯去胶剂清洗去除；
3、覆盖保护膜
在金属玻璃敏感栅的表面涂布一层胶粘剂，以填充栅丝间的空隙和在箔栅表面形成一层胶膜(露出敏感栅焊接端部)，即为覆盖层。
4、焊接引线：
在步骤3得到的金属玻璃敏感栅的焊接端部表面电镀铜以改善焊接性能，接着焊接引线。
实施例3：zr65al10ni10cu5金属玻璃为敏感栅的圆膜式应变片
本实施例采用zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材，经光刻后制备阻值350ω的圆膜式应变片的敏感栅，基底材料采用环氧酚醛胶膜，该应变片可用于测量流体压力的压力传感器。
具体的，该应变片的制备步骤如下：
1、制备胶膜基底
将厚度为3μm的zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材固定在洁净的玻璃板上，然后用吸管将环氧酚醛胶滴在zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材表面，用隔离罩封住，自然晾干后从玻璃板上取下环氧酚醛胶和固定在其上的金属玻璃箔，再放入电热箱中在90℃下固化处理1小时后取出；
2、光刻制备敏感栅，光刻流程如下：
(a)涂覆光刻胶(如图2中(2)所示)：
用匀胶机在经过清洁处理的zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材的表面旋涂一层感光胶膜，厚度为2～10μm；
(b)前烘(如图2中(3)所示)：
将涂覆了光刻胶的zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材放入恒温干燥箱中，在70～110℃进行10min左右的烘焙处理；
(c)曝光(如图2中(4)所示)：
将预先制好的掩模版与zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材在一定的压力下紧密接触，在波长240nm～340nm光波范围内曝光3～50秒后，移走掩模版；
(d)显影(如图2中(5)所示)：
用显影液将曝光的感光胶膜溶解，暴露出内部的zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材；
(e)坚膜(如图2中(6)所示)：
将显影后的片子放在180～200℃的烘箱中热烘30min，然后随炉冷却，使胶膜基底与zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材之间粘结更牢固，增强胶膜基底抗蚀能力；
(f)蚀刻(如图2中(7)所示)：
用刻蚀液将暴露出的zr65al10ni10cu5金属玻璃箔材从上到下刻蚀，刻蚀液浓度比为0.3mol/l硫酸和0.5mol/l的磷酸混合液，初腐后再进行细腐，调节电阻值至350ω；
(g)去胶(如图2中(8)所示)：
将残留的感光胶膜通过三氯乙烯去胶剂清洗去除；
3、覆盖保护膜
在金属玻璃敏感栅的表面涂布一层胶粘剂，以填充栅丝间的空隙和在箔栅表面形成一层胶膜(露出敏感栅焊接端部)，即为覆盖层。
4、焊接引线：
在步骤3得到的金属玻璃敏感栅的焊接端部表面电镀铜以改善焊接性能，接着焊接引线。
综上所述，本发明的核心在于采用非晶态结构的金属玻璃箔材替代传统金属箔作为应变片的敏感栅，除该材料替换外，其余流程可与现有商业化箔式应变片工艺生产兼容。
表1是金属玻璃微米箔应变传感器与商业化的箔式应变传感器性能参数比较。表1中的ks＝(δr/r)/(δl/l)为应变片的应变灵敏系数，其中r为应变片的原电阻值，l为应变片原长度，δr为伸长引起的电阻变化，δl为伸长量。εe、κ、δre/r0分别指弹性极限、电阻温度系数、弹性极限电阻变化率。
上述实施例是本发明的部分实施例，本发明还可以有其他的实施例，比如本发明中的金属玻璃箔材为钯基、铂基、金基、银基、钙基、镁基、铜基、铝基、钛基、钴基、镍基、锆基、铪基、钇基、镧系稀土或多组元基金属玻璃箔材中的任一种，这对于本领域技术人员来说，在上述实施例的说明基础上，是非常容易实现的，不再一一给出实施例说明。同样的，上述实施例中的参数也可以替换为其他的参数，只要在本发明所给出的参数范围内，均可以实现本发明的目的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。