传感器及其制备方法及集成化应变温度传感测量系统与流程

本发明涉及应变-温度传感测量技术领域，特别涉及一种传感器及其制备方法及集成化应变温度传感测量系统。

背景技术：

在机械系统、航空领域等的健康监测中，应变和温度是非常重要的两个要素。例如机械在运转过程中结构件受力会产生应变，应变可以监测表现载荷，应变过大会导致结构件破裂；另一方面机械系统在运行过程中会受到外界温度的影响，温度的改变不仅影响机械系统的性能，温度的失控会给系统带来不可逆转的影响。同时应变传感器的测量参数会随着温度的改变而改变。设计可以测量应变和温度两个参数传感器并且通过温度对应变进行修正具有重要的意义。

要完成对机械系统、航空航天等系统的健康监控任务，在保证测量精度的前提下，还要求传感器具有高可靠性、小体积、小质量等特性。然而，目前的应变和温度传感器，大多是制作在非柔性基底上，这样的传感器对于机械系统曲面无法完全贴合，会导致测量误差。此外，目前的传感器主要还是单独测一个参数，而没有将两个参数结合起来，这导致了两个测量量相互影响，精度下降，而且同时布置两种传感器导致引线过多过乱，占用空间。现在虽然出现了基于光纤的温度和应变同时测量传感器，但光纤机械强度差、弯曲灵活性不如金属强，不是很适合所描述的工况。更重要的是，传统应变传感器应用于机械系统结构检测时，易受引线电阻和温度影响，测量结果精确性需要进一步提高。

综上所述，研究具有柔性基底、小尺寸、高集成度的薄膜式应变-温度传感器测量系统在机械系统等结构健康监测领域将具有科学研究与实际应用的双重价值。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种传感器及其制备方法及集成化应变温度传感测量系统，通过本发明的集成化应变温度传感测量系统既能实现对应变和温度的感知，又能够对应变的引线电阻和温漂进行补偿，实现高精度应变测量和温度测量。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种传感器，集应变和温度测量于一体，包括应变传感单元、连接引线、柔性基底及覆盖层，应变传感单元及连接引线均贴附于柔性基底上，覆盖层密封覆盖在应变传感单元及连接引线上，所述连接引线与应变传感单元相连，连接引线包括第一引线、第二引线和第三引线，其中，第二引线和第三引线连接在应变传感单元的同一输出端；

在本发明的传感器中，第一引线、第二引线和第三引线组合形成三线制测量可以消除引线过长导致的线路电阻和线路应变带来的误差，其中，第二引线和第三引线则可以组成热电偶，一方面测量温度，另一方面利用测量的温度对应变测量时的温度误差进行补偿，进一步提高传感器的测量精度。

进一步地，第二引线、应变传感单元由康铜制成，所述第一引线、第三引线由铜制成，所述柔性基底由聚酰亚胺制成，所述覆盖层由聚对二甲苯制成，从而使得传感器具备较好的柔性可弯折性能，能够贴附在曲面构件上测量。

同时，本发明还公开了一种薄膜型集成化应变温度传感测量系统，包括上述的传感器及测量补偿电路；所述测量补偿电路包括三线制应变测量电路和热电偶测量电路；所述三线制应变测量电路用于测量应变；所述热电偶测量电路用于测量温度；所述连接引线接入三线制应变测量电路中；在实际测量中，热电偶测量电路测量的温度值又反馈给三线制应变测量电路，进行温度补偿，从而提高传感测量系统的应变测量精度；本发明的薄膜型集成化应变温度传感测量系统在一个传感器上集成两种信号测量功能，在测量方式上非简单的重复叠加，而是充分利用设计的传感器结构特点，实现对温度和应变的感知测量；此外，测量信号之间互补，进一步提高了传感器测量精度。

进一步地，所述三线制应变测量电路包括惠斯通桥路、运算放大电路和低通滤波电路，本发明的三线制应变测量电路的主要作用是消除导线过长以及温度变化对导线电阻的影响；所述惠斯通桥路与传感器的连接引线的三根引线相连，从而使电桥输出在初始状态下保持平衡；在工作状态中，引线电阻被消除，即使温度发生变化导致电阻变化也不会给输出带来影响；惠斯通桥路输出的电压信号接入运算放大电路中，运算放大电路为比例放大电路，能够放大接入电路的电压，经运算放大电路放大输出后的电压信号输入低通滤波电路中，以滤除信号中的杂波，提高测量精度；其中，惠斯通桥路、运算放大电路和低通滤波电路均是现有的较为成熟且常用的电路设计，将三线制引线接入惠斯通桥路以使得即使温度发生变化导致电阻变化也不会给输出带来影响的具体连接方式也为现有技术，故此处不再赘述。

进一步地，本发明的技术方案中，热电偶测量电路需要综合考虑测量的冷热端温度，尤其是冷端温度干扰影响，需要对其进行补偿，因此本方案采用了基于模拟电路的测量方法；所述热电偶测量电路包括温度补偿电路和低通滤波电路，温度补偿电路输出的电压信号输入至低通滤波电路；消除测量干扰；其中，温度补偿电路和低通滤波电路是现有的较为成熟且常用的电路设计，此处不再赘述。

进一步地，所述温度补偿电路包括温度传感芯片及分压电阻，分压电阻与温度传感芯片的输出端相连；具体的，分压电阻可由滑动变阻器实现，能实现分压功能，并根据热电偶的灵敏度来调节分至热电偶回路内的电压大小，从而实现抵消由于冷端温度变化带来的热电偶输出电压值变化，补偿冷端温度；具体的设计由温度传感芯片及分压电阻实现温度补偿电路的方式实现补偿冷端温度为现有技术常用设计，此处不再赘述。

同时，本发明还公开了一种上述传感器的制备方法，包括以下步骤：

a.清洗硅片，烘干备用；

b.采用旋涂、加热工艺制备覆于硅片上的牺牲层；

c.采用旋涂的方式使用聚酰亚胺材料在牺牲层上制备柔性基底层并进行前烘固化及亚胺化处理；

d.在所述柔性基底层上采用旋涂、紫外曝光、加热反转、紫外曝光、显影、溅射金属的方式分别制备光刻铜图案或光刻康铜图案从而形成金属传感层；其中，光刻铜图案即分别构成第一引线、第三引线；光刻康铜图案即分别构成第二引线及应变传感单元；

e.在金属传感层上沉积聚对二甲苯形成覆盖层，并采用trt转印方式剥离硅片得到传感器；传感器成品会在硅片与柔性基底层之间的牺牲层均匀断裂不破坏柔性基底层的完整性，且不使金属传感层产生破裂，从而最终获得完整的薄膜传感器。

进一步地，所述步骤b中所述牺牲层由聚甲基丙烯酸甲酯制成。

进一步地，所述步骤d中，采用金属铬作为粘附层将金属传感层与柔性基底层进行粘附。

进一步地，所述步骤d具体为：在柔性基底层上依次进行以下工序旋涂光刻胶、烘干、紫外线曝光、加热反转、紫外线曝光、显影后进行溅射，且先溅射金属铬，再溅射铜或康铜，并使用丙酮脱胶，形成光刻铜图案或光刻康铜图案。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明的薄膜型集成化应变温度传感测量系统，由集应变和温度测量于一体的传感器和测量补偿电路两部分构成，其中，传感器不仅能够感知应变信号，还能够测量温度信号；测量补偿电路采用三线制测量方案，能够完全消除传感器应变区域连接引线过长线路电阻带来的影响；此外，采用热电偶测量的温度信号能够对应变测量结果进行温度补偿，从而进一步提高传感器应变测量精度；同时，本发明的传感器制作在柔性基底上，具有较好柔性弯折性能，能够贴附在曲面构件上进行测量，且应变敏感区域尺寸小，因此非常适合于安装空间狭小、测量线路长、受温度影响较大结构的健康检测领域的应用

附图说明

图1是本发明的传感器的示意图。

图2是沿图1中a-a方向的剖视图。

图3是本发明的一个实施例中测量补偿电路中三线制应变测量电路示意图。

图4是本发明的一个实施例中测量补偿电路中热电偶测量电路示意图。

图5是本发明的薄膜型集成化应变温度传感测量系统的应变单元温度补偿示意原理图。

附图标记：1-应变传感单元，2-第一引线，3-第二引线，4-第三引线，5-覆盖层，6-柔性基底。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

实施例一：

如图1及图2所示，一种传感器，集应变和温度测量于一体，包括应变传感单元1、连接引线、柔性基底6及覆盖层5，应变传感单元1及连接引线均整齐的贴附于柔性基底6上，覆盖层5密封覆盖在应变传感单元1及连接引线上，对其进行密封保护；连接引线与应变传感单元1相连，连接引线包括第一引线2、第二引线3和第三引线4，其中，第二引线3和第三引线4连接在应变传感单元1的同一输出端。

具体的，本实施例中，第二引线3、应变传感单元1由康铜制成，第一引线2、第三引线4由铜制成，柔性基底6由聚酰亚胺制成，覆盖层5由聚对二甲苯制成，从而使得传感器具备较好的柔性可弯折性能，能够贴附在曲面构件上测量。

在本实施例的传感器中，第一引线2、第二引线3和第三引线4组合形成三线制测量可以消除引线过长导致的线路电阻和线路应变带来的误差，其中，第二引线3和第三引线4组成热电偶，一方面测量温度，另一方面利用测量的温度对应变测量时的温度误差进行补偿，进一步提高传感器的测量精度。

在具体制作传感器时，传感器的连接引线分为接线端及焊盘端，如图1中各连接引线的较细的左端即接线端，较粗的右端即焊盘端，在制作传感器时，仅将连接引线的接线端贴附于柔性基底6上并由覆盖层5密封覆盖，连接引线的焊盘端则外露，以便后续进行相应的线缆连接。

实施例二

一种薄膜型集成化应变温度传感测量系统，包括实施例一的传感器及测量补偿电路；测量补偿电路包括三线制应变测量电路和热电偶测量电路；三线制应变测量电路用于测量应变；热电偶测量电路用于测量温度；连接引线接入三线制应变测量电路中；在实际测量中，热电偶测量电路测量的温度值又反馈给三线制应变测量电路，进行温度补偿，从而提高传感测量系统的应变测量精度；本发明的薄膜型集成化应变温度传感测量系统在一个传感器上集成两种信号测量功能，在测量方式上非简单的重复叠加，而是充分利用设计的传感器结构特点，实现对温度和应变的感知测量；此外，测量信号之间互补，进一步提高了传感器测量精度。

本发明的三线制应变测量电路的主要作用是消除导线过长以及温度变化对导线电阻的影响；具体的，本实施例的三线制应变测量电路包括惠斯通桥路、运算放大电路和低通滤波电路；惠斯通桥路与传感器的连接引线的三根引线相连，可使电桥输出在初始状态下保持平衡；在工作状态中，引线电阻被消除，即使温度发生变化导致电阻变化也不会给输出带来影响；惠斯通桥路输出的电压信号接入运算放大电路中，运算放大电路为比例放大电路，能够放大接入电路的电压，经运算放大电路放大输出后的电压信号输入低通滤波电路中，以滤除信号中的杂波，提高测量精度。

具体的，如图3所示，本实施例中的惠斯通桥路具体包括固定电阻r1、固定电阻r2、线路电阻rl1、线路电阻rl2、传感器rs以及滑动变阻器rv2；运算放大电路包括固定电阻r3、滑动变阻器rv3、运算放大器u1；该运算放大电路为比例放大电路，放大倍数通过调节滑动变阻器rv3的大小来控制。低通滤波电路则具体包括固定电阻r4、固定电阻r5、滑动变阻器rv4、运算放大器u2和电容c1，采用该滤波电路的作用主要是滤除信号中的杂波，提高测量精度。

具体的，本实施例的技术方案中，热电偶测量电路需要综合考虑测量的冷热端温度，尤其是冷端温度干扰影响，需要对其进行补偿，因此本方案采用了基于模拟电路的测量方法；热电偶测量电路包括温度补偿电路和低通滤波电路，具体的，如图4所示，本实施例中，温度补偿电路通过温度传感芯片lm35及分压电阻，其中，分压电阻由滑动变阻器rv6实现，能实现分压功能，并根据热电偶的灵敏度来调节分至热电偶回路内的电压大小，从而实现抵消由于冷端温度变化带来的热电偶输出电压值变化，补偿冷端温度。经过温度补偿电路输出的电压信号输入至低通滤波电路，以消除测量干扰，如图4所示本实施例的低通滤波电路与三线制应变测量电路中的构成相同，对应的，具体包括电阻r7、固定电阻r8、滑动变阻器rv5、运算放大器u3和电容c2。

如图5所示为本实施例的薄膜型集成化应变温度传感测量系统的应变单元温度补偿原理示意。在本实施例的薄膜型集成化应变温度传感测量系统中，传感器应变传感单元1的输出信号中包括应变引起的电压差δvε和由环境温度引起的电压差δvt，其中，由环境温度引起的电压差信号是无用的干扰信号，会降低测量的精度，因此需要进行滤除。具体的，由环境温度引起的电压差的计算公式如下：δvt＝ir0(1+αδt)；其中，i为输入的电流；r0为应变测量单元初始电阻值；α为应变测量单元敏感栅材料的电阻温度系数；δt为温度的变化值。

而热电偶测量电路测量的信号通过a/d转换后可转化为初始温差数字信号，从而获知温差δt，将热电偶测量电路测量的温差反馈到上述温差信号计算公式中，可算出由环境温度引起的电压差δvt，再将传感器应变传感单元1的输出信号的压差值减去计算得到的环境温度引起的电压差δvt即可得到应变引起的电压差δvε，从而将温度对应变测量带来的影响去除。

实施例三

同时，一种实施例一种的传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.清洗硅片，准备干净的硅片使用丙酮进行80w，5min超声清洗，然后用酒精进行80w，2min超声清洗，最后使用去离子水进行40w，3min超声清洗，烘干备用。

步骤2.制作牺牲层；采用pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)作为牺牲层旋涂在硅片上，具体旋涂参数为先是转速500rpm，时间10s，然后是转速3000rpm，30s，最后在以180℃加热5min(使溶剂蒸发)，最终形成一层薄的pmma牺牲层。

步骤3.旋涂pi(聚酰亚胺)基底，具体的，本实施例中，pi的旋涂参数为转速500rpm，15s，然后转速1500rpm，45s加速度500r/s，低粘度1000-2000cp旋涂一层后再高粘度5000-6000cp旋涂一层，进行90℃前烘，再220℃保温1h，将聚酰亚胺亚胺化处理。

步骤4.光刻铜图案，旋涂az5214光刻胶，参数依次为1000rpm10s，2000rpm，12s；3000rpm15s，再进行90℃前烘60秒，紫外线曝光7.5秒，110℃加热60秒反转，紫外曝光15s，显影后进行溅射，先溅射金属铬，溅射参数为0.6pa，70w，3min，后溅射铜，溅射参数为0.8pa，70w，25min，最后使用丙酮脱胶；

步骤5.光刻康铜图案，旋涂az5214光刻胶，参数依次为1000rpm10s，2000rpm，12s；3000rpm15s，再进行90℃前烘60秒，紫外线曝光7.5秒，110℃加热60秒反转，紫外曝光15s，显影后进行溅射康铜，溅射参数为0.8pa，70w，25min，最后使用丙酮脱胶。

经过步骤4及步骤5即可实现传感器的金属传感层的制作，其中光刻铜图案即分别构成第一引线2、第三引线4；光刻康铜图案即分别构成第二引线3及应变传感单元1。需要说明的是，本实施例中是以先光刻铜图案再光刻康铜图案为例，实际中，也可先光刻康铜图案再光刻铜图案。

步骤6.沉积聚对二甲苯做覆盖层5，并使用trt胶带贴附在传感器表面，将传感器片成品与硅片基底分离，然后将trt胶带放置于热板进行温度130℃时长1分钟的加热，使得trt胶带胶层失活与传感器分离得到完整的传感器。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。