一种裂纹尖端应变场传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及应变传感领域中的场应变测量技术领域，尤其是以接触式应变测量方式实现裂纹尖端应变场随裂纹开裂过程的实时测量。
【背景技术】
[0002]应变传感技术被广泛的应用于工程和科研领域，如工程结构分析、材料力学等。其中场应变测量尤其是裂纹尖端应变场的测量一直是测量的难点。目前可实现场应变测量的方法主要是通过非接触的光学测量方法来实现的，如光弹、云纹干涉、散斑干涉和数字图像相关等方法。这些方法的共同特点是以非接触的形式来实现裂纹尖端应变场的测量，但测量过程需对材料表面作特殊的处理，如制备光栅、喷涂散斑等，同时测量还需搭建光路系统，测试过程需要较大空间，有较大的不便性。并且采用上述方法测量得到的大多是平面内的二维应变在笛卡尔坐标系中的坐标分量，并不能直接测得表面的主应变分布。
[0003]采用接触式应变传感是解决空间问题、简化测量步骤的一种较理想的方式，但是目前所使用的贴片式应变传感，即应变片，所利用的是金属薄膜的欧姆定律来实现应变传感，其特点是灵活度高，精度好。但缺点是金属薄膜需有一定的长度来满足器件电阻的需求，一般应变片的几何尺寸在毫米级，而且其电极引线布置与传感材料本身在同一个平面，这两方面原因导致其空间分辨率有限，测量精度也相对有限，难以进行高分辨率的阵列化集成使用。常用的应变片灵敏度:Gauge Factor = 2。
【发明内容】
[0004]本实用新型的技术目的是针对上述现有技术的不足以及应变测量需求，提出一种全新的解决方案，将各向异性半导体薄膜材料应用于裂纹尖端应变场的测量，制作出一种结构简单可靠的高空间分辨率、高灵敏度的非均匀应变场传感器，从而实现裂纹尖端非均匀应变场的全接触式实时测量。
[0005]本实用新型提供的裂纹尖端应变场传感器，包括若干个应变传感单元，每个应变传感单元包括五层结构，分别为柔性高分子衬底层、电阻率各向异性应变传感薄膜层、布置于电阻率各向异性应变传感薄膜层上下的正交式底电极层和顶电极层，以及表面保护层。所述的若干个应变传感单元组成梯度阵列式结构；所有的应变传感单元共用一层连续的各向异性传感薄膜的结构。
[0006]本实用新型所述的应变场传感器具有C字型结构，用于包络待测样品的裂纹尖端，实现裂纹尖端应变场的全方位测量。
[0007]所述的柔性高分子衬底层，为具有一定变形能力的高分子薄膜材料，耐温不低于150°C，厚度尽量薄，一般不超过125 μ m，选材无其他特殊要求。
[0008]所述的电阻率各向异性应变传感薄膜层，选取具有压阻效应的半导体或者为具有压电性的半导体材料。
[0009]所述的电阻率各向异性应变传感薄膜层，其电阻率在沿电阻率各向异性应变传感薄膜平面内方向和沿厚度方向具有明显的各向异性特性，在沿电阻率各向异性应变传感薄膜平面内方向具有超高电阻率甚至绝缘，在沿厚度方向具有较小电阻率。这样有利于将阵列式的电极布置于同一薄膜上下表面形成阵列式传感单元而不发生传感单元之间的电流串扰问题。
[0010]所述的电阻率各向异性应变传感薄膜层，其厚度应不小于I μπι。
[0011]所述应变场传感器的电极结构为上下式立体结构，即在电阻率各向异性应变传感薄膜层的上下表面分别布置顶电极层和底电极层，这种结构为依据电阻率各向异性传感薄膜的应变测量特点而设计，有利于减少电极引线数量，提高传感单元的布置密度，提高应变场传感器的空间分辨率。
[0012]所述布置于电阻率各向异性应变传感薄膜层上下表面的顶电极和底电极为阵列正交结构，上下电极导线各自汇聚并平行引出，并在端部形成符合标准FFC接口的排线式结构，以方便与阵列器件电学性能测试系统的多路复用开关的FFC接口插接。
[0013]所述的应变传感单元的梯度阵列式结构，是指在应变场传感器上围绕C字形缺口布置高密度的应变传感单元，在距离C字形缺口较远的区域布置低密度应变传感单元，从高密度(如10个每平方毫米)至低密度(如0.3个每平方毫米)区域的应变传感单元的密度呈梯度变化布置。
[0014]所述应变场传感器的电阻率各向异性应变传感薄膜层，为一层连续的薄膜，所有应变传感单元共用该连续的薄膜。该结构可避免电阻率各向异性应变传感薄膜的紫外光刻工艺，有利于简化制作步骤，提高电阻率各向异性应变传感薄膜厚度，提高应变测量灵敏度。
[0015]所述应变场传感器的表面保护层，为一层高分子包覆薄膜，覆盖于顶电极之上，起到电绝缘、防水、防气体吸附的作用。厚度一般为I至3μπι。
[0016]本实用新型的优点在于:
[0017](I)本实用新型提供的非均匀应变场传感器，结构简单可靠，具有高空间分辨率和高灵敏度；
[0018](2)本实用新型以接触方式测量表面应变场，测量信号不受材料表面状态影响；
[0019](3)本实用新型的测量灵敏度Gauge Factor在2_200之间可调。
【附图说明】
[0020]图1A为本实用新型的裂纹尖端应变场传感器示意图，其中每一个黑色点为一个传感单元；
[0021]图1B为本实用新型的裂纹尖端应变场传感器的传感单元结构示意图；
[0022]图2为本实用新型裂纹尖端应变场测量示意图；
[0023]图3为本实用新型逐点扫描测量方法示意图；
[0024]图4为本实用新型实施例中采用应变传感薄膜测量得到的裂纹尖端应变场云图。
[0025]图中:
[0026]1.柔性高分子衬底；2.底电极；3.电阻率各向异性应变传感薄膜；4.顶电极；5.表面保护层。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0028]图1A和IB为本实用新型实施例的应变传感器结构示意图，本实用新型提供的裂纹尖端应变场传感器自下而上包括柔性高分子衬底1、底电极2、电阻率各向异性应变传感薄膜3、顶电极4和表面保护层5。
[0029]所述的柔性高分子衬底I不必在材料方面受限制，只要具有柔性并能耐受150°C以上的高温即可。用于柔性高分子衬底的材料，可以使用合成树脂类薄膜，如聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)等。
[0030]如图1B，底电极2结构包括两部分:一部分是用于覆盖应变传感单元的圆形点，另一部分是用于将底电极2引出的导线。圆形点的直径远远大于导线的宽度，一般圆形点的直径与导线的宽度的比例可控制在10:1。圆形点和导线在空间结构上为同一连续的金属薄膜。
[0031]如图1B，顶电极4结构包括两部分:一部分是用于覆盖应变传感单元的圆形点，另一部分是用于将顶电极4引出的导线。圆形点的直径远远大于导线的宽度，一般可控制在10:1的比例。圆形点和导线在空间结构上为同一连续的金属薄膜。
[0032]如图1B，底电极2和顶电极4的圆形点部分在空间上为上下重叠的结构，顶电极4和底电极2之间为电阻率各向异性应变传感薄膜3，底电极2和顶电极4的导线部分在空间上为相互垂直的正交结构。
[0033]所述的裂纹尖端应变场传感器通过如下方法制备得到:
[0034]第一步，底电极2的制备；
[0035]底电极2和顶电极4可选材料为金、银、铂、铜等低电阻率金属，均可通过紫外光刻和磁控溅射方法制作，具体步骤如下:
[0036](I)紫外光刻:在柔性高分子衬底1(对于顶电极4的制备，是在已经制备好的电阻率各向异性应变传感薄膜3的表面)上用匀胶机以5000RPM的速度均匀涂布NR9-1500PY型负性光刻胶，以150°C在烘胶台上烘烤60s，然后将柔性高分子衬底I置于紫外曝光机上以底电极(或顶电极)掩膜板曝光，再将柔性高分子衬底I置于烘胶台以100°C烘烤90s，以RD6显影液显影、定影。
[0037](2)磁控溅射:使用氩气等离子体和氧气等离子体对紫外光刻后的柔性高分子衬底I进行清洗，开启直流溅射电源溅射金属金作为底电极，直至金膜厚度达到100至200nm，关闭溅射电源。将柔性高分子衬底I浸泡于丙酮中超声处理。第二步