一种柔性全桥式电阻应变片的制作方法

本发明属于应变片制造相关技术领域，更具体地，涉及一种柔性全桥式电阻应变片。

背景技术：

电阻应变片作为一种高精度测量元件，是利用与被测构件一起变形来测量构件的真实应变。在不同的工况下，电阻应变片的测量方法不同。对于几何形状规则的被测构件，传统测量方法通常是将四个单独的电阻应变片两两对称粘贴在被测构件的上下表面组成惠斯通全桥电路进行测量，使用该方法能够实现电阻应变片温度补偿，同时使输出电压的灵敏度最大。然而，此方法需要粘贴四次电阻应变片，这将给测量结果带来极大的误差，同时也增加了人力成本，降低了测量的效率。当被测构件几何形状不规则时，传统应变片无法在被测构件上形成有效的惠斯通全桥电路，只能采用单个电阻应变片测量，但单臂测量存在温度漂移误差，将会导致测量结构不准确，且影响输出电压的灵敏度。

另外，在一些特殊工况中，通常需要对一些曲率变化较大的曲面或者结构较为复杂的薄壁构件进行测量，这些零件发生变形时，不仅有拉伸应变同时还有弯曲应变，而目前市面上在售的电阻应变片测量范围太小且不适合由曲率变化导致的应变测量的情形，无法满足工业需求。针对上述问题，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利CN104142118记载了在柔性基底上用碳纳米管(CNT)纤维结构的CNT薄膜作为敏感栅，使得电阻应变片能够检测大于80％的应变；又如专利CN104880206记载了采用橡胶作为柔性基底，具有微米或者纳米间隙的金属薄膜作为敏感栅，制备了可以测量最大200％的应变的电阻应变片。以上所述两个专利都采用柔性材料作为基底材料，能够使应变片具有一定延展性，适合于大拉伸应变的情形，但由于敏感栅的结构中含有微米或者纳米间隙，当应变片被弯曲时，应变片的稳定性和可靠性不确定，影响测量的精确性，而且也不适合曲率变化导致的曲面应变。相应地，本领域存在着发展一种能够适用于曲面应变测量的电阻应变片。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性全桥式电阻应变片，其基于电阻应变片的工作特点，针对柔性全桥式电阻应变片的结构及部件之间的连接关系进行了设计。所述柔性全桥式电阻应变片自身构造有惠斯通全桥电路，既实现了应变片温度补偿，又保证了输出电压的灵敏度，同时降低了成本，提高了测量效率。此外，中间绝缘层对应第一电阻应变传感单元及第二电阻应变传感单元的区域分别形成有凸台，使得所述柔性全桥式电阻应变片仅受平面拉伸应变时，也能够保证所述柔性全桥式电阻应变片全桥输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性全桥式电阻应变片，其包括柔性基底、电阻应变传感单元、中间绝缘层及覆盖层，其特征在于：

所述电阻应变传感单元包括第一电阻应变传感单元、与所述第一电阻应变传感单元间隔设置的第二电阻应变传感单元、与所述第二电阻应变传感单元间隔设置的第三电阻应变传感单元及与所述第三电阻应变传感单元间隔设置的第四电阻应变传感单元；

所述第三电阻应变传感单元及所述第四电阻应变传感单元均贴附在所述柔性基底上；所述中间绝缘层设置在所述柔性基底上且覆盖所述第三电阻应变传感单元及所述第四电阻应变传感单元；所述第一电阻应变传感单元及所述第二电阻应变传感单元贴附在所述中间绝缘层上；所述覆盖层设置在所述中间绝缘层上且覆盖所述第一电阻应变传感单元及所述第二电阻应变传感单元；所述第一电阻应变传感单元、所述第二电阻应变传感单元、所述第三电阻应变传感单元及所述第四电阻应变传感单元构成惠斯通全桥电路。

进一步的，所述电阻应变单元的栅极为自相似结构。

进一步的，所述栅极为箔式片。

进一步的，所述电极包括第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极及第八电极，所述第一电极及所述第二电极分别连接于所述第一电阻应变传感单元的两端；所述第三电极及所述第四电极分别连接于所述第二电阻应变传感单元的两端；所述第五电极及所述第六电极分别连接于所述第三电阻应变传感单元的两端；所述第七电极及所述第八电极分别连接于所述第四电阻应变传感单元的两端。

进一步的，所述中间绝缘层开设有间隔设置的第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，所述第一电极及所述第八电极通过所述第一通孔相连，所述第二电极及所述第六电极通过所述第二通孔相连，所述第三电极及所述第七电极通过所述第三通孔相连，所述第四电极及所述第五电极通过所述第四通孔相连。

进一步的，所述中间绝缘层对应所述第一电阻应变传感单元及所述第二电阻应变传感单元的区域分别形成有凸台，即所述第一电阻应变传感单元及所述第二电阻应变传感单元分别设置在所述凸台上。

进一步的，两个所述凸台的形状及大小相同；所述凸台沿垂直于所述柔性基底的方向具有预定高度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的柔性全桥式电阻应变片，其自身构造有惠斯通全桥电路，既实现了应变片温度补偿，又保证了输出电压的灵敏度，同时降低了成本，提高了测量效率。此外，中间绝缘层对应第一电阻应变传感单元及第二电阻应变传感单元的区域分别形成有凸台，使得所述柔性全桥式电阻应变片仅受平面拉伸应变时，也能够保证所述柔性全桥式电阻应变片全桥输出。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的柔性全桥式电阻应变片的结构示意图。

图2是图1中的柔性全桥式电阻应变片沿A-A方向的剖视图。

图3是图1中的柔性全桥式电阻应变片的电阻应变传感单元联接成的惠斯通全桥电路的示意图。

图4是图1中的柔性全桥式电阻应变片的电阻应变传感单元的栅极的示意图。

图5是图1中的柔性全桥式电阻应变片作用于第一被测件时的使用状态示意图。

图6是图5中的柔性全桥式电阻应变片发生应变时的状态示意图。

图7是图1中的柔性全桥式电阻应变片作用于第二被测件时的使用状态示意图。

图8是本发明第二实施方式提供的柔性全桥式电阻应变片的结构示意图。

图9是图8中的柔性全桥式电阻应变片沿B-B方向的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一电极，2-第一电阻应变传感单元，3-第二电极，4-第三电极，5-第二电阻应变传感单元，6-第四电极，7-覆盖层，8-中间绝缘层，9-柔性基底，10-第五电极，11-第三电阻应变传感单元，12-第六电极，13-第七电极，14-第四电阻应变传感单元，15-第八电极，16-柔性全桥式电阻应变片，17-第一被测件，18-第二被测件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图5，本发明第一实施方式提供的柔性全桥式电阻应变片16，所述柔性全桥式电阻应变片16为全桥结构。所述柔性全桥式电阻应变片16不仅适合测量拉伸应变，还适合测量弯曲应变。

所述柔性全桥式电阻应变片16包括柔性基底9、电阻应变传感单元、电极、中间绝缘层8及覆盖层7。所述中间绝缘层8位于所述柔性基底9及所述覆盖层7之间。

所述电阻应变传感单元包括第一电阻应变传感单元2、与所述第一电阻应变传感单元2间隔设置的第二电阻应变传感单元5、与所述第二电阻应变传感单元5相对设置的第三电阻应变传感单元11及与所述第三电阻应变传感单元11间隔设置的第四电阻应变传感单元14，所述第一电阻应变传感单元2、所述第二电阻应变传感单元5、所述第三电阻应变传感单元11及所述第四电阻应变传感单元14之间连接形成惠斯通全桥电路。

请参阅图3及图4，本实施方式中，所述电阻应变传感单元的栅极为箔式片，所述栅极为自相似结构，当电阻应变传感单元拉伸或者弯曲发生大变形时，所述栅极也能被延展，如此将不会破坏所述电阻应变传感单元的稳定性，有利于曲面结构的大应变测量。

所述电极包括第一电极1、第二电极3、第三电极4、第四电极6、第五电极10、第六电极12、第七电极13及第八电极15，所述第一电极1及所述第二电极3分别连接于所述第一电阻应变传感单元的两端。所述第三电极4及所述第四电极6分别连接于所述第二电阻应变传感单元5的两端，所述第五电极10及所述第六电极12分别连接于所述第三电阻应变传感单元11的两端，所述第七电极13及所述第八电极15分别连接于所述第四电阻应变传感单元14的两端。

所述第三电阻应变传感单元11、连接于所述第三电阻应变传感单元11的第五电极10及第六电极12、第四电阻应变传感单元14、以及连接于所述第四电阻应变传感单元14的第七电极13及第八电极15均设置在所述柔性基底9上，其中所述第三电阻应变传感单元11及所述第四电阻应变传感单元14分别贴附在所述柔性基底9上。

所述中间绝缘层8覆盖所述第三电阻应变传感单元11、第四电阻应变传感单元14及所述柔性基底9朝向所述覆盖层7的表面未被所述第三电阻应变传感单元11及所述第四电阻应变传感单元14覆盖的区域。本实施方式中，所述柔性基底9与所述中间绝缘层8之间相对的表面的形状及面积相同；所述第三电阻应变传感单元11及所述第四电阻应变传感单元14内嵌于所述中间绝缘层8内。

所述第一电阻应变传感单元2、连接于所述第一电阻应变传感单元2的所述第一电极1及所述第二电极3、所述第二电阻应变传感单元5、以及连接于所述第二电阻应变传感单元5的第三电极4及第四电极6均设置在所述中间绝缘层8远离所述柔性基底9的一个表面上，其中所述第一电阻应变传感单元2及所述第二电阻应变传感单元5均贴附在所述中间绝缘层8上。

所述覆盖层7覆盖所第一电阻应变传感单元2及所述第二电阻应变传感单元5，以对所述第一电阻应变传感单元2及所述第二电阻应变传感单元5进行密封保护。

本实施方式中，所述中间绝缘层8开设有间隔设置的第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，所述第一电极1及所述第八电极15通过所述第一通孔相连，所述第二电极3及所述第六电极12通过所述第二通孔相连，所述第三电极4及所述第七电极13通过所述第三通孔相连，所述第四电极6及所述第五电极10通过所述第四通孔相连。测量时，所述第二电极3及所述第三电极4通过引线与外部输入电压U₁相连，所述第一电极1及所述第四电极6通过引线与外部输出电压U₀相连。

请参阅图6，所述柔性全桥式电阻应变片16粘贴在所述第一被测件17上，所述第一被测件17为飞机机翼，飞机机翼的表面属于复杂曲面。当所述第一被测件17发生弯曲应变时，所述柔性全桥式电阻应变片16也会随之发生形变，对应的电阻值发生改变，从而测出所述第一被测件17的应变情况。

所述第一被测件17发生变形时，所述第一电阻应变传感单元2(R1)和所述第二电阻应变传感单元5(R2)将受压，所述第三电阻应变传感单元11(R3)和所述第四电阻应变传感单元14(R4)将受拉，但四个电阻应变传感单元的电阻值变化量相同，故此时输出电压为全桥输出电压，电压灵敏度为单臂输出时的四倍。以下从理论上解释本实施方式的全桥测量：

所述柔性全桥式电阻应变片16未发生应变时：

由于R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，故此时U_O＝0，电桥保持平衡。

所述柔性全桥式电阻应变片16发生应变时：

由于四个电阻应变传感单元的初始电阻值相同，并且变化的电阻值相同，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R且ΔR₁＝ΔR，所以公式(2)可以化简为：

从公式(3)式可以看出，所述柔性全桥式电阻应变片16在进行曲面测量时，始终保持全桥输出，输出电压灵敏度为单臂输出时的四倍。本实施方式中，全桥电路构造于所述柔性全桥式电阻应变片16上，能够实现应变片温度补偿，避免了单臂测量时的温漂误差。

请参阅图7，所述柔性全桥式电阻应变片16设置在第二被测件18上，所述第二被测件18为人造血管，人造血管是一种非常复杂的曲面结构，管径变化大，目前医学上并没有合适的检测方法检测其工作状态，但人造血管有一个特性，随着血管老化其会松弛导致表面曲率发生改变。因此可以利用本实施方式的所述柔性全桥式电阻应变片16适合检查曲面应变的特性来检验。所述柔性全桥式电阻应变片16通过测得人造血管表面应变导致的曲率变化来检测血管是否可以继续工作。

请参阅图8及图9，本发明第二实施方式提供的柔性全桥式电阻应变片与本发明第一实施方式提供的柔性全桥式电阻应变片16基本相同，不同点在于所述中间绝缘层8对应所述第一电阻应变传感单元2及所述第二电阻应变传感单元5的区域分别设置有凸台，即所述第一电阻应变传感单元2及所述第二电阻应变传感单元5分别设置在所述凸台上，两个所述凸台的形状及尺寸相同。所述凸台凸出于所述中间绝缘层远离所述柔性基底9的表面，其具有沿垂直于所述柔性基底9的方向的预定高度。本发明第二实施方式提供的柔性全桥式电阻应变片适合仅受平面拉伸应变时应变的测量，当所述柔性全桥式电阻应变片粘贴在表面平整的被测样件上且受到拉伸应变时，由于所述凸台的存在以及所述中间绝缘层8的材料的性质，两个所述凸台上的所述第一电阻应变传感单元2及所述第二电阻应变传感单元5将向中间收缩受压，所述第三电阻应变传感单元11及所述第四电阻应变传感单元14将受拉，当所述凸台的高度一定时，四个电阻应变传感单元的电阻值的变化量相同，故此时输出电压为全桥输出电压，电压灵敏度为单臂输出时的四倍。

本实施方式中，所述柔性全桥式电阻应变片的厚度为35微米左右；所述柔性基底9是由柔性材料PDMS制成的；所述柔性全桥式电阻应变片是经旋涂、光刻和蒸镀工艺制成的。

本发明提供的柔性全桥式电阻应变片，其自身构造有惠斯通全桥电路，既实现了应变片温度补偿，又保证了输出电压的灵敏度，同时降低了成本，提高了测量效率。此外，中间绝缘层对应第一电阻应变传感单元及第二电阻应变传感单元的区域分别形成有凸台，使得所述柔性全桥式电阻应变片仅受平面拉伸应变时，也能够保证所述柔性全桥式电阻应变片全桥输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。