传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器及其制备的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器及其制备。

背景技术：

力敏传感器是是将应力/应变信号转换成可输出信号的器件或装置。力敏传感器通常由弹性敏感元件和传感元件组成。其中弹性敏感元件是指传感器中能直接感受应力/应变的部分，弹性敏感元件的形状有柱状、悬臂梁、膜盒膜片、薄壁圆筒等结构/形状，可根据不同的被测量参数来选择或设计不同的结构形式。传感元件是指传感器中能将弹性敏感元件输出的应力/应变转换为适于传输和测量的电信号的部分，传感元件是传感器的核心元件。例如电阻应变式传感器中的金属/半导体应变片，厚膜压阻传感器中的导电纳米颗粒-陶瓷复合膜，以及微机电一体化(mems)传感器系统。在现有的力敏传感器中，弹性敏感元件与传感元件的设计、制备是独立的，传感元件通过烧结、粘结等与弹性敏感元件结合，这就大大增加了传感器设计、制备的难度。例如，专利cn201711193503公开了一种柔性传感器的制备方法，在柔性基体的表面书写传感元件，所制备的传感元件需要再与弹性敏感元件(如悬臂梁)结合后形成传感器。该传感器中的传感元件利用原位碳化后的高分子与柔性基体之间物化性能差异，比如热膨胀系数、吸湿性等，将形变信号转换为电信号输出。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器及其制备，本发明在三维结构的弹性敏感元件上直接进行传感元件的制备，弹性敏感元件和传感元件之间无需经过复杂方法进行复合，从而实现传感器弹性敏感元件与传感元件设计、制备、加工的一体化。

本发明的第一个目的是提供一种传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，所述传感元件原位生成在所述弹性敏感元件的表面，所述传感元件的中的至少两部分作为电极分别与所述电阻采集系统电连接，其中，所述弹性敏感元件为三维结构，所述弹性敏感元件包括至少设置在其一个表面的可碳化高分子层，所述传感元件由所述可碳化高分子层中一部分被碳化后得到。

进一步地，所述传感器为压阻式传感器。

进一步地，所述弹性敏感元件的结构为空心/实心的圆柱、柱状、膜片及膜盒、悬臂梁、弹簧管、波纹管或扭转棒。

进一步地，所述弹性敏感元件还包括基体，所述可碳化高分子层设置于所述基体的表面上。

进一步地，所述基体的材质为金属、陶瓷、塑料、玻璃。

进一步地，所述可碳化高分子层与基体可通过粘结等方式复合，也可以将可碳化高分子层的溶液涂覆在基体表面进行复合，涂覆方式可以是滴涂、浸涂、喷涂和旋涂。

进一步地，所述可碳化高分子层的材质为聚酰亚胺、碳化硅或氧化石墨烯。

优选地，弹性敏感元件为聚酰亚胺管，其表面(外表面或内表面)的聚酰亚胺作为可碳化高分子层，对其中的一部分进行碳化，碳化后的聚酰亚胺即作为传感元件。

进一步地，传感元件可以原位生成在弹性敏感元件的外表面或内表面，传感元件的图案可以是由点或线组成的线形或面形等各种图案。

进一步地，采用的碳化方式为激光碳化，激光碳化时所使用激光光源的波长为10nm-1mm，激光功率为200mw-10w。

优选地，激光照射时所使用的激光光源的波长为193-1064nm。激光光源及其波长可依据高分子基体的吸收能力，而作出不同的选择；进一步地，激光照射时的功率优选为500mw-1w。可以实施其他运动装置辅助激光碳化过程，以实现在弹性体不同部位进行激光碳化。

进一步地，本发明的传感器响应拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转中的一种或以上几种力的复合力。

本发明的第二个目的是提供一种上述传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供一具有三维结构的弹性敏感元件，所述弹性敏感元件包括至少设置在其一个表面的可碳化高分子层；

(2)将所述可碳化高分子层的一部分进行碳化，以在所述弹性敏感元件的表面原位生成传感元件；

(3)将所述传感元件的至少两部分作为电极，分别与电阻采集系统进行电连接，装配和封装后得到所述传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器。

进一步地，在步骤(1)中，所述弹性敏感元件还包括基体，所述可碳化高分子层设置于所述基体的表面上。基体的材质为金属、陶瓷、塑料、玻璃。

进一步地，所述可碳化高分子层与基体可通过粘结等方式复合，也可以将可碳化高分子层的溶液涂覆在基体表面进行复合，涂覆方式可以是滴涂、浸涂、喷涂和旋涂。

进一步地，在步骤(1)中，弹性敏感元件的结构为空心/实心的圆柱、柱状、膜片及膜盒、悬臂梁、弹簧管、波纹管或扭转棒。

进一步地，在步骤(1)中，所述可碳化高分子层的材质为聚酰亚胺、碳化硅或氧化石墨烯。

优选地，在步骤(1)中，弹性敏感元件为聚酰亚胺管、表面涂覆有聚酰亚胺的陶瓷管、表面涂覆有聚酰亚胺的玻璃管或表面涂覆有聚酰亚胺的塑料管。

进一步地，在步骤(2)中，采用的碳化方式为激光碳化，激光碳化时所使用激光光源的波长为10nm-1mm，激光功率为200mw-10w。激光碳化方式具有较好的灵活性。激光碳化是利用高能激光与可碳化高分子层之间光热转化的物理现象，原位碳化可碳化高分子层生成碳材料。

优选地，激光照射时所使用的激光光源的波长为193-1064nm。激光光源及其波长可依据高分子基体的吸收能力，而作出不同的选择；进一步地，激光照射时的功率优选为500mw-1w。可以实施其他运动装置辅助激光碳化过程，以实现在弹性体不同部位进行激光碳化。

进一步地，传感元件可以原位生成在弹性敏感元件的外表面或内表面，传感元件的图案可以是由点或线组成的线形或面形等各种图案。

进一步地，在步骤(3)中，电极的制备方式为点导电胶、点银胶、蒸镀或焊接方式。

进一步地，在步骤(3)中，电极的制备可以是两电极法也可以是四电极法。

进一步地，在步骤(3)中，传感系统的装配和封装是根据不同的应用，在传感器上设计配件或直接将传感器封装。

本发明的第三个目的是公开上述传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器在检测拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转中的一种或几种变形中的应用。

进一步地，本发明的传感器可用于检测真空度、接触式压力、粘度、风力风向或超声波。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

利用可碳化高分子直接制作的弹性敏感元件，或者利用可碳化高分子与其他基体复合制备的弹性敏感元件，本发明在上述三维结构的弹性敏感元件上进行原位碳化，从而实现传感器弹性敏感元件与传感元件设计、制备、加工的一体化。通过原位碳化与传感器敏感元件的一体化设计、制备技术，将材料设计的灵活性与传感器的设计与制备有机地结合，提高了传感器的设计灵活性，从而实现面向需求的传感器定向设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例1中的传感器部分结构示意图；

图2是本发明实施例1中的传感器在进行真空度检测时，真空箱内的实时压力变化曲线；

图3是本发明实施例1中的传感器在进行真空度检测时，传感器的实时电阻变化曲线；

图4是本发明实施例2中的传感器的结构示意图；

图5是本发明实施例2中的传感器的碳化图案的示意图；

图6是本发明实施例2中接触式压力与传感器电阻变化关系图；

图7是本发明实施例3中粘度传感器粘度的传感器

图8是本发明实施例3中传感器的电阻与待测液粘度关系图；

图9是本发明实施例4中风力风向检测传感器的实物照片；

图10是本发明实施例4中不同风速的风从一根碳线的正面和背面施加时碳线的相对电阻变化测试结果；

图11是本发明实施例4中分布有两条碳线的传感器用于检测多个风向的测试结果；

图12是本发明实施例5中用于水下超声信号检测的传感器的实物照片；

图13是本发明实施例5中的传感器在超声信号下的实时电阻检测结果；

图14是对本发明实施例5中的传感器的实时电阻信号进行傅里叶变换后在频率域内的信号结果；

图15是在带有聚酰亚胺包覆层的不锈钢管上进行激光碳化制备传感器的碳化区域示意图；

图16是在带有聚酰亚胺包覆层的弹簧管上进行激光碳化制备传感器的碳化区域示意图；

附图标记说明：

1-聚酰亚胺管；2-碳线；3-圆板；4-第一钢管；5-第二钢管；6-固定端，7-第一不锈钢板；8-第二不锈钢板；9-连接管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种用于检测真空度的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，其中，弹性敏感元件为聚酰亚胺管1，传感元件为环绕在聚酰亚胺管1上的一圈碳线2，由聚酰亚胺管1的相应位置激光碳化后得到，传感元件与聚酰亚胺管1的管轴长度方向相垂直，传感元件的两处分别通过银胶连接有导线，两根导线再分别与电阻采集系统相连接，聚酰亚胺管1的两端分别采用圆板封端，圆板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。

本实施例的传感器的制备方法包括以下步骤：

以市售的管状聚酰亚胺(内径×壁厚＝2.5mm×0.06mm)为弹性敏感元件，将聚酰亚胺管两端密封，可进行真空度测试。利用有限元分析进行模拟，优化激光书写位置，经过模拟分析，线形的激光碳化图案与管轴夹角θ是90°时，传感元件受到的应变最大，因此，选择该图案进行激光碳化。利用旋转电机来辅助激光加工过程，将聚酰亚胺管水平安装在电机上，激光头正对聚酰亚胺管，保持激光头位置不变，利用电机转动带动聚酰亚胺管转动，则可以在聚酰亚胺管外部形成环形(θ＝90°)的碳化图案(传感元件)。激光模式为打点模式，激光功率为0.7w，管状基体旋转线速度为12.3mm/s，得到碳化图案如图1所示。在环形碳线一条直径的两端分别用银胶粘结导线，于150℃下加热5min使导电银漆固化，进行两线法电极的制备，电极的另一端与电阻采集系统电连接。为了进行真空度测试，将聚酰亚胺管进行密封。将聚酰亚胺管两头分别插入带有圆形凹槽的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)圆板(直径×厚度＝5mm×2.5mm)中，圆形凹槽深1mm，宽度和内径与管状基体截面匹配，分别为0.06mm和2.5mm，接缝处用环氧胶密封，密封后的装置在50℃下放置12小时以上使环氧胶完全固化。应用时，将传感器放入真空箱内，抽真空进行真空度测试，同时用数字万用表(电阻采集系统)记录电阻的变化。真空箱内气压随时间的变化曲线和本实施例制备的传感器的电阻随时间的变化曲线分别如图2和图3所示。由结果可见，气压随时间变化时，本实施例的传感器的电阻也能随之变化，说明本实施例的传感器能够感应真空度的变化。

实施例2

本实施例提供了一种用于检测触式压力的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，其中，弹性敏感元件为聚酰亚胺管1，传感元件为沿聚酰亚胺管1管轴长度方向延伸的一条碳线2，由聚酰亚胺管1的相应位置激光碳化后得到，传感元件与聚酰亚胺管1的管轴长度方向相平行，碳线2的两端分别通过银胶连接有导线，两根导线再分别与电阻采集系统相连接，聚酰亚胺管1的两端分别采用圆板3封端，圆板3的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。

本实施例的传感器的制备方法包括以下步骤：

以市售的管状聚酰亚胺(内径×壁厚＝2.5mm×0.06mm)为弹性敏感元件，设计传感系统，装置示意图如图4所示。利用有限元分析进行模拟，优化激光书写位置，经过模拟分析，线形的激光碳化图案与管轴夹角θ是0°时，传感元件受到的应变最大，因此，选择该图案进行激光碳化，激光模式为切割模式，激光功率为0.7w，激光速度为12.3mm/s，得到的传感元件如图5所示。在碳线2的两端分别用银胶粘结导线，于150℃下加热5min使导电银漆固化，进行两线法电极的制备，电极与外部的电阻采集系统电连接。将聚酰亚胺管1两头分别插入带有圆形凹槽的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)圆板3(直径×厚度＝15mm×2.5mm)中，圆形凹槽深1mm，宽度和内径与管状基体截面匹配，分别为0.06mm和2.5mm，连接处用环氧胶固定，在50℃下放置12小时以上使环氧胶完全固化，得到接触式压力传感器(图4)。应用时，将传感器垂直放置，压力垂直施加于圆板3上，同时记录电阻变化，其电阻变化与压力之间的关系如图6所示。

实施例3

本实施例提供了一种用于检测粘度的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，其中，弹性敏感元件为聚酰亚胺管1，传感元件为螺旋设置在聚酰亚胺管1表面的碳线2，由聚酰亚胺管1的相应位置激光碳化后得到，螺旋的碳线的倾斜方向与聚酰亚胺管1的管轴长度方向的夹角为45°，碳线2的两端分别通过银胶连接有导线，两根导线再分别与电阻采集系统相连接，聚酰亚胺管1的两端分别与第一钢管4和第二钢管5的一端连接，第一钢管4的另一端与固定端6固定连接，第二钢管5的另一端与第一不锈钢板7的一侧固定连接，第一不锈钢板7的另一侧相对平行设置有第二不锈钢板8，第一不锈钢板7和第二不锈钢板8之间形成一用于承载待测液体的空腔，第二不锈钢板8的另一侧通过一连接管9连接旋转电机，旋转电机用于带动第二不锈钢板8转动。

本实施例的传感器的制备方法包括以下步骤：

以市售的管状聚酰亚胺(内径×壁厚＝2.5mm×0.06mm)为弹性敏感元件，设计平行板式的传感器，结构如图7所示。利用有限元分析进行模拟，优化激光书写位置，经过模拟分析，线形的激光碳化图案与管轴夹角θ是45°时，传感元件受到的应变最大，因此，选择该图案进行激光碳化。利用旋转电机辅助激光加工，将聚酰亚胺管水平固定在电机上，激光头正对聚酰亚胺管，电机转动结合激光束水平运动，可以在管状基体表面制备出螺旋碳线，激光模式为切割激光功率为0.7w，激光水平速度为3.5mm/s，聚酰亚胺管旋转线速度为3.5mm/s，激光沿聚酰亚胺管的管轴方向水平移动，水平移动的距离为10mm。在碳线的两端分别用银胶粘结导线，于150℃下加热5min使导电银漆固化，进行两线法电极的制备，电极再与外部的电阻采集系统电连接。按照装置设计，将传感器进行装配，将聚酰亚胺管的一端与固定端固定连接，另一端自由并连接圆形的第一不锈钢板(直径×厚度＝38mm×0.2mm)，第一不锈钢板正对一圆形的第二不锈钢板(直径×厚度＝58mm×0.2mm)，第二不锈钢板与第一不锈钢板相互平行，且第二不锈钢板与旋转电机连接，依靠旋转电机带动第二不锈钢板进行转动，待测液体夹在第二不锈钢板与第一不锈钢板之间，第二不锈钢板转动时液体受到粘滞阻力，传递到聚酰亚胺管上使传感器受到扭力作用，转速一定时，扭力的大小与液体粘度有关。所有部件的连接处用环氧胶固定，在50℃下放置12小时以上使环氧胶完全固化。此实施例中选择不同质量分数的甘油水溶液进行粘度测试。测试时，第一不锈钢板保持不动，第二不锈钢板与电机连接以5.8rad/s的角速度进行转动，第一不锈钢板与第二不锈钢板之间的间隙为3mm，两板之间充满待测液体，同时记录电阻变化，其电阻变化与待测液粘度之间的关系如图8所示。待测液粘度用乌氏粘度计测出。结果表明，本实施例的粘度传感器的电阻与待测液粘度呈线性关系，可根据传感器的电阻值换算出待测液的粘度数值。

实施例4

本实施例提供了一种用于检测风力风向的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，其中，弹性敏感元件为聚酰亚胺管1，传感元件为沿聚酰亚胺管1管轴长度方向延伸的两条碳线2，由聚酰亚胺管1的相应位置激光碳化后得到，碳线2与聚酰亚胺管1的管轴长度方向相平行，在聚酰亚胺管1的横截面上，两条碳线2的夹角为90°，每条碳线2的两端分别通过银胶连接有导线，两根导线再分别与电阻采集系统相连接，聚酰亚胺管1的一端连接有若干扇叶，另一端连接固定装置。

本实施例的传感器的制备方法包括以下步骤：

以市售的管状聚酰亚胺(内径×壁厚＝2.5mm×0.06mm)为弹性敏感元件，进行碳化图案和传感器设计。管状传感器垂直放置，一端固定，另一端自由，传感器在受到风力时，基体产生弯曲形变，引起传感器电阻的变化。为了更大限度的感受风力，设计了四个沿竖直方向设置的扇叶，各扇叶在水平方向上互相垂直，且在水平方向上每两个扇叶之间的夹角为90°，四个扇叶分别排布在管状基体的三点、六点、九点和十二点方向。扇叶的材质是pet，长×宽×厚＝6×9×0.5mm。两条沿聚酰亚胺管管轴书写的碳线分布在聚酰亚胺管根部的十二点和三点方向。碳线长10mm，激光碳化功率是0.7w，激光速度是12.3mm/s。在每条碳线的两端各用银漆粘结导线，于150℃下加热5min使导电银漆固化，进行两线法电极的制备，电极的另一端与电阻采集系统电连接。将两根钢管分别插入沿聚酰亚胺管的两端用以分别连接扇叶和固定装置，制备出风力方向检测传感器。传感器中的各连接处都用环氧胶进行固定，并在在50℃下放置12小时以上使环氧胶完全固化，最终装置的实物照片如图9。将三个速度的气流分别从正面和背面吹向其中一根碳线，该碳线的电阻变化如图10所示，横线上方柱为面向风的结果，下方柱为背向风的结果，结果表明，当风向面向该碳线时，相对电阻高于1，且风力越大，电阻变化越大；当风向背向该碳线时，相对电阻小于1，且风力越大，电阻变化越大。进一步的，改变不同风向，通过对两根碳线的电阻变化进行测试和分析，结果表明两根碳线的电阻均发生变化，可以分辨出8个风向，其结果如图11所示。

实施例5

本实施例提供了一种用于检测水下超声的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，其中，弹性敏感元件为聚酰亚胺管1，聚酰亚胺管1上开设有大致呈矩形的开口，与开口相对的聚酰亚胺管1的内表面上设置有传感元件，传感元件为由点组成的矩形图案，传感元件由聚酰亚胺管1的相应位置激光碳化后得到，传矩形图案的两个对角分别通过银胶连接有导线，聚酰亚胺管1的两端及开口处采用环氧胶密封，两根导线的其中一部分被密封在聚酰亚胺管1内，另一部分再分别与外部的电阻采集系统相连接。

本实施例的传感器的制备方法包括以下步骤：

以市售的管状聚酰亚胺(内径×壁厚＝2.5mm×0.06mm)为弹性敏感元件，利用管状的空心结构，在管内壁进行激光碳化，管体密封后可自然地对碳结构形成物理保护，密封后可将传感系统浸入水中，进行水下超声波的检测。聚酰亚胺管长为20mm，用激光在管状基体上烧蚀出长4.4mm，宽1.2mm的开口，激光设置为扫描模式，激光功率为1w，激光速度为1mm/s，扫描间隔为0.1mm。烧蚀开口时，在聚酰亚胺管内插入一根木棍，防止聚酰亚胺管相对开口的一侧内壁受到激光破坏。为了使激光能精确定位从开口处透过到聚酰亚胺管内壁进行激光碳化，在烧蚀完毕后，保持聚酰亚胺管不动的情况下抽出木棍。在管内壁激光碳化的图案是由点组成的面形图案(3×3mm)，如图12所示。激光模式为打点模式，激光功率为0.7w，打点时间为0.015s，打点间隔为0.1mm。在面形图案的两个对角用银胶粘结导线，于150℃下加热5min使导电银漆固化，进行两线法电极的制备。最后将开口处和聚酰亚胺管的两端用环氧胶进行密封，导线的一端被密封在管内，另一端伸出管外，并在50℃下放置12小时以上使环氧胶完全固化。伸出管外的导线与数字万用表连接，将封装好后的传感器放入水浴超声清洗器中，打开设备，同时用数字万用表采集传感器的实时电阻，结果如图13和图14所示。

实施例6

如图15所示，以不锈钢管为基体，在不锈钢管上浸涂20％paa(聚丙烯酸)溶液，经过100℃下加热30min、150℃下加热90min以及300℃下加热60min的固化程序后，可在不锈钢管上得到聚酰亚胺包覆层，即形成弹性敏感元件。对弹性敏感元件上的聚酰亚胺包覆层进行激光碳化后，可原位形成传感元件，进一步制备得到的传感器可用于温度、压力等传感。

实施例7

以弹簧管为基体，在不锈钢管上浸涂20％paa(聚丙烯酸)溶液，经过100℃下加热30min、150℃下加热90min以及300℃下加热60min的固化程序后，可在弹簧管上得到聚酰亚胺包覆层，即形成弹性敏感元件。碳化图案(传感元件)可以激光书写在弹簧管的不同部位，如图15所示。得进一步制备到的传感器可用于气体压力传感。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。