应变式传感器以及利用其获得高灵敏度的方法和测量器件与流程

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种应变式传感器，以及利用该传感器获得高灵敏度的方法和测量器件。

背景技术：

随着科学技术的迅速发展，人类进入了日新月异的信息社会，科学研究活动和工业生产活动都紧密依赖于对信息资源的挖掘、获取、传递和处理，而传感器作为信息获取与转换的中心环节是信息科学前沿的研究应用领域和实现信息化的基础技术之一。同样，传感器作为目前物联网的重要感觉器官，可以感知、探测、采集和获取目标对象的各种形态的信息，是全面感知物联网的主要部件，是整个物联网中需求量最大的环节之一，也是最为基础的环节之一。

传感器灵敏度是传感器性能指标中的一个重要指标，它反映是输出量变化对输入量变化的比值。当输出量和输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数，提高灵敏度，可得到较高的测量精度。所以，设计与制造灵敏度高的应变传感器对信息获取和物联网的需求是很有必要的。目前提高传感器的灵敏度的方法主要有以下两种：一种方法是通过选用灵敏度系数高的半导体传感器来提高灵敏度，该种方法存在的缺点是半导体价格较高，用半导体支撑的传感器温漂较大，不适合测量精度要求高的场合应用；另外一种方法是通过改变被测构件的结构设计，在相同力的作用下提高局部的应变输出，这种方法的缺点是容易导致被测构件的局部应力集中、强度降低，使得被测构件在应用过程中过早地出现疲劳损伤，传感器体积较大不利于在小空间内的安装等。

因此，本领域中需要提供一种新型的、结构紧凑简单、成本较低的高灵敏度传感器的设计与制作方法。

技术实现要素：

对于通过改变被测构件结构来提高灵敏度会导致被测构件强度降低的问题，本发明提供了一种新型的、结构紧凑简单的、成本较低的应变式传感器，并且提供了利用该应变式传感器获得高灵敏度的方法。

因此，在第一方面，本发明提供了一种应变式传感器，所述应变式传感器包括片状载体，所述片状载体的两个面上分别设有第一敏感栅和第二敏感栅，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅在所述片状载体面上的投影不重合。

在一个实施方案中，在所述片状载体的一面上覆盖第一胶粘剂和第二胶粘剂，其中该面上敏感栅所在的部分覆盖所述第一胶粘剂，该面上背面有敏感栅的部分覆盖所述第二胶粘剂，所述第一胶粘剂的弹性模量小于等于2mpa，所述第二胶粘剂的弹性模量大于所述第一胶粘剂的弹性模量。

在一个实施方案中，所述第二胶粘剂的弹性模量是所述第二胶粘剂弹性模量的100倍以上，优选200倍以上。在一个实施方案中，所述第二胶粘剂弹性模量大于等于500mpa。

在一个实施方案中，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅在所述片状载体面上的投影相互平行。

在一个实施方案中，所述第一敏感栅的数量为两根或两根以上，所述第二敏感栅的数量为两根或两根以上。优选的，所述两根第一敏感栅和所述两根第二敏感栅分别作为两个独立的电阻，直接组成惠斯通全桥。

在一个实施方案中，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅均由金属压阻材料制成。

在另一个实施方案中，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅均由炭黑、纳米管、碳纤维、纳米金属颗粒一种或两种以上与绝缘高分子材料混合的导电压阻材料制成。优选的，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅的制作方法是：通过丝网印刷技术丝印或者溅射或者cvd的方法设置到所述载体上。

在一个实施方案中，所述片状载体由pet膜或者pi膜制成。

在第二方面，本发明提供了一种利用第一方面的传感器获得高灵敏度的方法，所述方法包括将所述传感器按照如下贴附到被测构件表面：

在所述片状载体的一面上覆盖第一胶粘剂和第二胶粘剂，其中该面上敏感栅所在的部分覆盖所述第一胶粘剂，该面上背面有敏感栅的部分覆盖所述第二胶粘剂，

所述第一胶粘剂的弹性模量小于等于2mpa，所述第二胶粘剂的弹性模量大于所述第一胶粘剂弹性模量；

将所述片状载体带有所述第一胶粘剂和所述第二胶粘剂的面粘贴到所述被测构件表面需要测量的位置上。

在一个实施方案中，所述第二胶粘剂的弹性模量是所述第二胶粘剂弹性模量的100倍以上，优选200倍以上。

在一个实施方案中，所述第二胶粘剂弹性模量大于等于500mpa。

在第三方面，本发明提供了一种应变测量器件，所述应变测量器件包括片状载体、两根第一敏感栅和两根第二敏感栅，以及fpc连接器，

所述两根第一敏感栅和所述两根第二敏感栅分别设置在所述片状载体的两面上，所述两根第一敏感栅和所述两根第二敏感栅在所述片状载体面上的投影不重合；

所述fpc连接器的一端与所述两根第一敏感栅和所述两根第二敏感栅电性连接，另一端与外部信号接收装置电性连接。

本发明的技术方案具有以下积极效果：

(1)第一敏感栅和第二敏感栅分别设置在同一片状载体的两面，可以使得被测构件在不改变结构情况下获得较高的灵敏度，同时应变式传感器的敏感栅两面设置，使其结构紧凑简单，相对于载体仅有一面设有敏感栅，而采用多个载体形式组成桥路的情况，制作简单，使用方便；第一敏感栅和第二敏感栅相互平行，方便该应变式传感器的制作和使用，在第一敏感栅和第二敏感栅数量各为两根的情况下，所形成的四个电阻的阻抗基本相等，方便利用第一敏感栅和第二敏感栅组成惠斯通全桥，而且所组成全桥的初始偏差接近于零。

(2)第一敏感栅和第二敏感栅均由金属压阻材料制成，金属压阻材料具体有优良的稳定性，制成传感器后不容易产生温漂；或者第一敏感栅和第二敏感栅均由炭黑、纳米管、碳纤维、纳米金属颗粒一种或两种以上与绝缘高分子材料混合的导电压阻材料制成，混合的导电压阻材料可获得高的电阻阻值和高的灵敏系数，而且制作工艺简单，制造成本低。

(3)利用不同弹性模量的胶粘剂使该传感器获得高灵敏度，该方法在不改变被测构件结构的情况就能够获得高的灵敏度，灵敏度可提高两倍以上，而且操作简便。

(4)本发明的应变测量器件，用fpc连接器和应变式传感器相连，使结构更为紧凑，操作简单，使用方便，便于与外部信号接收装置的形成插拔式电性连接，同时能够节省成本。

附图说明

下面参照附图将对发明的特征、优点以及示例性实施方式的技术上和工业上的意义进行描述，在附图中，相同的附图标记指示相同的元件，并且其中：

图1为本发明的一种应变式传感器的主视图；

图2为本发明的一种应变式传感器的俯视图；

图3为本发明的一种应变式传感器粘贴结构的主视图；

图4为本发明的一种应变式传感器粘贴结构的俯视图，图3中f方向的视图；

图5为图4中m-m的剖面示意图；

图6为现有贴片工艺获得传感器信号量曲线图；

图7为本发明的贴片工艺获得传感器信号量曲线图；

图8为本发明的一种应变测量器件的示意图。

其中：1.片状载体；2.第一敏感栅；3.第二敏感栅；4.被测构件；5.第一胶粘剂；6.第二胶粘剂；7.支撑物；8.fpc连接器；9.导线。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明中，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅在所述片状载体面上的投影优选相互平行，这种设计可以方便应变式传感器的制作和使用。所述第一敏感栅和所述第二敏感栅在所述片状载体面上的投影是指将所述第一敏感栅和所述第二敏感栅投影到与所述片状载体平行的平面上。优选的，所述第一敏感栅的数量至少为两根，所述第二敏感栅的数量至少为两根。两根所述第一敏感栅和两根所述第二敏感栅分别作为两个独立的电阻，所形成的四个电阻的阻抗基本相等，直接组成惠斯通全桥，而且所组成全桥的初始偏差接近于零，这种设计使结构紧凑。在本发明中，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅可以均由金属压阻材料制成。所述第一敏感栅和所述第二敏感栅可以均由金属材料制成，金属材料具体有优良的稳定性，制成传感器后不容易产生温漂。

在本发明中，所述第一敏感栅和所述第二敏感栅可以均由炭黑、纳米管、碳纤维、纳米金属颗粒一种或两种以上与绝缘高分子材料混合的导电压阻材料制成。混合的导电压阻材料可获得高的电阻阻值和高的灵敏系数，而且制作工艺简单，制造成本低，优选的所述第一敏感栅和所述第二敏感栅的制作方法是均通过丝网印刷技术丝印或者溅射或者cvd的方法设置到所述载体上，这些技术操作较为方便，而且能够进一步保证所述第一敏感栅和所述第二敏感栅的性能均匀性。

在本发明中，pet膜和pi膜可以作为传感器的载体，由pet膜和pi膜都具有较好的稳定性，能够提高传感器的稳定性。

在一个实施方案中，本发明的利用该传感器获得高灵敏度的方法如图3至图5所示，该传感器按照如下步骤粘贴到被测构件表面：

步骤一，清理被测构件表面和该传感器表面；

步骤二，将所述载体上的第一敏感栅所在的部分覆盖第一胶粘剂，所述胶粘剂的弹性模量小于等于2mpa，将所述载体上的第二敏感栅所在部分背面覆盖第二胶粘剂，所述弹性模量大于等于500mpa；

或者，将所述载体上的第二敏感栅所在的部分覆盖第一胶粘剂，所述第一胶粘剂的弹性模量小于等于2mpa，将所述载体上的第一敏感栅所在部分背面覆盖第二胶粘剂，所述第二胶粘剂弹性模量大于等于500mpa；与弹性模量小于等于2mpa的第一胶粘剂接触的敏感栅产生负应变，与弹性模量大于等于500mpa的第二胶粘剂接触的敏感栅产生正应变，这样在不改变结构的情况下，将所述第一敏感栅和所述第二敏感栅组成惠斯通桥路时能够获得较大的灵敏度输出；

步骤三，将所述载体带有两种所述第一胶粘剂和所述第二胶粘剂的面粘贴到所述被测构件表面需要测量的位置上。

在本一个实施方案中，本发明的应变测量器件可以包括应变式传感器的载体、第一敏感栅和第二敏感栅，以及fpc连接器，所述fpc连接器的一端与所述应变传感器的两根所述第一敏感栅和两根所述第二敏感栅电性连接，另一端与外部信号接收装置电性连接。用fpc连接器和应变式传感器相连，使结构更为紧凑，操作简单，使用方便，便于与外部信号接收装置的形成插拔式电性连接，同时能够节省成本。

如图1-图2所示的本发明的应变式传感器的具体实施例，其包括片状载体1，片状载体1为薄壁结构，片状载体1的一面设有第一敏感栅2，片状载体1的另一面设有第二敏感栅3，第一敏感栅2和第二敏感栅3在所述片状载体面上的投影不重合。片状载体1两面的第一敏感栅2和第二敏感栅3可以互成一定角度设置，第一敏感栅2占用片状载体1的一面的一部分上，第二敏感栅3投影占用片状载体1的该面的另一部分上，这样在测量被测构件4的应变时容易使得第一敏感栅2和第二敏感栅3形成不同的应变，有利于在组成惠斯通电桥时，增大信号输出。将第一敏感栅2和第二敏感栅3通过连接导线引出来，该连接导线可以为铜导线或导电银浆等，同时为了能够得到更好的绝缘效果，可在第一敏感栅2上、第二敏感栅3上和同其连接导线上涂覆绝缘层，该绝缘层可以选用聚酰亚胺、环氧树脂和酚醛树脂等绝缘材料。优选的技术方案是第一敏感栅2和第二敏感栅3在片状载体1其中一面的投影相互平行，即第二敏感栅3在第一敏感栅2所在面上的投影平行于第一敏感栅2，这样平行的设置是容易使得传感器结构紧凑简单，而且方便该应变式传感器的制作和后续使用，这种紧凑布置特别便于在空间要求较小的环境中应用。

更为优选的技术方案，第一敏感栅2的数量为两根，第二敏感栅3的数量为两根，这样两根第一敏感栅2作为两个独立的电阻，两根第二敏感栅3作为另外两个独立的电阻，两两电阻可以直接组成惠斯通全桥，通过不同应变的搭配使该惠斯通全桥输出较高的灵敏度，而且相较单一传感器上的单一敏感栅，可获得更为紧凑的结构。

具体地，为了获得较低温漂的传感器，第一敏感栅2和第二敏感栅3均由金属材料制成，金属材料具有优良的稳定性，优选为康铜材料，这样获得的传感器性能稳定可进行高精度的测量；或者为了获得高灵敏系数和高电阻值的传感器，第一敏感栅2和第二敏感栅3均由炭黑、纳米管、碳纤维、纳米金属颗粒一种或两种以上与绝缘高分子材料混合的导电压阻材料制成，该混合的导电压阻材料可以根据对阻值和灵敏系数的要求进行不同的配比，不仅可以制成高的灵敏系数，而且容易获得高的电阻阻值，能够满足对传感器高灵敏度和低功耗的需求，而且利用这些材料制作传感器工艺简单，具体可通过丝网印刷技术丝印或者溅射或者cvd的方法设置到载体1上，这些技术操作方便，生产效率高，同时能够进一步较好地保证第一敏感栅2和第二敏感栅3的一致性，进而保证传感器性能一致性和稳定性。

具体地，为了获得较高的传感器稳定性，载体1由pet膜或者pi膜制成，pet膜和pi膜材料都具有较好的稳定性，作为传感器的载体1，能够相应地提高传感器的稳定性。

在本发明中，利用该传感器获得高灵敏度的一个示例性方法如图3至图5所示，将该传感器按照如下步骤粘贴到被测构件4表面：

步骤一，用砂纸打磨被测构件4的表面，然后用酒精或丙酮清洗所测被测构件4表面和该传感器表面，这样能够获得被测构件4表面的清洁度，保证足够的粘贴强度。

步骤二，将载体1上的第一敏感栅2所在的部分覆盖第一胶粘剂5，第一胶粘剂5的弹性模量小于等于2mpa，具体地第一胶粘剂5可选为双面胶、oca胶等，将载体1上的第二敏感栅3所在部分背面覆盖第二胶粘剂6，第二胶粘剂6的弹性模量大于等于500mpa，具体地第二胶粘剂6可选为502胶、瞬干胶或其他环氧类水胶等，即第一敏感栅2所在面的一部分涂第一胶粘剂5，另外一部分涂第二胶粘剂6。

或者，将载体1上的第二敏感栅3所在的部分覆盖第一胶粘剂5，第一胶胶粘剂5的弹性模量小于等于2mpa，将载体1上的第一敏感栅2所在部分背面覆盖第二胶粘剂6，第二胶粘剂6的弹性模量大于等于500mpa，即第二敏感栅3所在面的一部分涂第一胶粘剂5，另外一部分涂第二胶粘剂6。这样如图3至图5所示，当被测构件4固定在支撑物7上时，力f加载在被测构件4的中间，与弹性模量小于等于2mpa的第一胶粘剂5接触的敏感栅产生负应变，与弹性模量大于等于500mpa的第二胶粘剂6接触的敏感栅产生正应变，这样在不改变结构的情况下，将第一敏感栅2和第二敏感栅3组成惠斯通全桥时能够获得较大的灵敏度输出，要比惠斯通半桥的输出信号提高约两倍以上，或者比载体1单一胶粘剂粘贴时的输出信号提高两倍。

步骤三，将载体1带有第一胶粘剂5和第二胶粘剂6的面粘贴到被测构件4表面需要测量的位置上，为了获得一定的载体1与被测构件4足够的粘结力，按照胶粘剂的使用说明施加相应的压力。

如图6为现有贴片工艺获得传感器信号量，在零载荷时信号输出约为0个信号量，在加载100g砝码时信号输出84个信号量，如图7为载体1的第一敏感栅2所在部分用3m双面胶，另一部分即第二敏感栅3的背面用502瞬干胶进行粘贴，所获得传感器信号量，在零载荷时信号输出约为0个信号量，在加载100g砝码时信号输出255个信号量(不同采集设备所获得的信号量单位不一样，此处只是为了说明倍数关系)。

一种应变测量器件，如图8所示，包括应变式传感器的载体1，第一敏感栅2和第二敏感栅3，以及fpc连接器8，fpc连接器8的一端通过导线9与应变式传感器的两根第一敏感栅2和两根第二敏感栅3电性连接，另一端与外部信号接收装置电性连接。用fpc连接器8和应变式传感器相连，这种一体结构使传感器更为紧凑，操作简单，使用方便，便于与外部信号接收装置的形成插拔式电性连接，同时能够节省成本。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

在本说明书中，每当提及“示例性实施方式”、“优选实施方式”、“一个实施方式”等时意味着针对该实施方式描述的具体的特征、结构或特点包括在本发明的至少一个实施方式中。这些用词在本说明书中不同地方的出现不一定都指代同一实施方式。此外，当针对任一实施方式/实施方式描述具体的特征、结构或特点时，应当认为本领域技术人员也能够在所有所述实施方式中的其它实施方式中实现这种特征、结构或特点。

以上详细描述了本发明的实施方式。然而，本发明的方面不限于上述实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下，各种改型和替换均可以应用到上述实施方式中。