一种基于复合相变材料的高灵敏压力探测器的制作方法

1.本发明涉及压力探测领域，具体涉及一种基于复合相变材料的高灵敏压力探测器。


背景技术：

2.压力是工程状态监测和安全评估的重要参数，用以压力测量的探测器是工程中常见的探测器之一。
3.通过导电样品的导电特性变化测量样品所受到的压力是实现压力探测的重要手段之一，其中，常用的策略是改变两样品或样品两部分之间的接触面积。例如，发明专利cn108243620b公开了一种响应于所施加的外力之可变导电装置，包括第一导电路径，第一导电路径包括第一导电表面；第二导电路径，第二导电路径包括第二导电表面。当所施加的外力增加时，第一导电表面和第二导电表面之间的导电接触表面增加，从而使得第一导电表面与第二导电表面之间的导电性增大。
4.上述通过改变接触面积的方式实现压力探测中，只有当压力较大时，才能对接触面积造成一定量的变化，从而实现压力探测，其压力探测的灵敏度低，不能满足高灵敏度压力探测。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提供了一种基于复合相变材料的高灵敏压力探测器，包括基底、凹槽、复合相变材料层、受力部、第一电极、第二电极，基底的材料为绝缘材料，凹槽周期性地设置在基底的表面，复合相变材料层填充凹槽并覆盖基底，受力部置于复合相变材料层上凹槽的顶部，第一电极和第二电极分别置于复合相变材料层上凹槽的两侧。基底的材料为绝缘材料。第一电极和第二电极用以测量复合相变材料层的导电特性变化。
6.更进一步地，复合相变材料层包括相变材料颗粒和高分子聚合物。高分子聚合物用以隔离或分离相变材料颗粒。待测压力改变了相变材料颗粒之间的距离，从而改变了相变材料的导电特性。
7.更进一步地，相变材料颗粒与高分子聚合物均匀掺杂。
8.更进一步地，相变材料颗粒为二氧化钒颗粒。
9.更进一步地，高分子聚合物为聚乙二醇。
10.更进一步地，凹槽的形状为楔形。
11.更进一步地，第一电极和第二电极的材料为金或银。
12.更进一步地，受力部的材料为绝缘材料。受力部的材料可以为二氧化硅或陶瓷。
13.更进一步地，基底的材料为二氧化硅。
14.更进一步地，受力部的材料为二氧化硅。
15.本发明的有益效果：本发明提供了一种基于复合相变材料的高灵敏压力探测器，包括基底、凹槽、复合相变材料层、受力部、第一电极、第二电极，基底的材料为绝缘材料，凹
槽周期性地设置在基底的表面，复合相变材料层填充凹槽并覆盖基底，受力部置于复合相变材料层上凹槽的顶部，第一电极和第二电极分别置于复合相变材料层上凹槽的两侧。应用时，待测压力作用到受力部，通过第一电极和第二电极联通外电路，用以测量复合相变材料层的导电特性。在压力作用下，复合相变材料层内部结构发生变化，从而改变了复合相变材料层的导电特性，通过复合相变材料层导电特性的变化，确定待测压力。因为复合相变材料层的导电特性严重地依赖于其内部结构，因此本发明能够实现高灵敏度的压力探测。另外，本发明是基于传统电学原理测量压力的，设备简单，成本低，在高灵敏压力探测领域具有良好的应用前景。
16.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
17.图1是一种基于复合相变材料的高灵敏压力探测器的示意图。
18.图2是又一种基于复合相变材料的高灵敏压力探测器的示意图。
19.图中：1、基底；2、凹槽；3、复合相变材料层；4、受力部；5、第一电极；6、第二电极。
具体实施方式
20.以下结合附图对优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。
21.实施例1
22.本发明提供了一种基于复合相变材料的高灵敏压力探测器，如图1所示，包括基底1、凹槽2、复合相变材料层3、受力部4、第一电极5、第二电极6。基底1的材料为绝缘材料。具体地，基底1的材料为二氧化硅。凹槽2周期性地设置在基底1的表面。复合相变材料层3填充凹槽2并覆盖基底1。复合相变材料层3包括相变材料颗粒和高分子聚合物。具体地，相变材料颗粒为二氧化钒颗粒，高分子聚合物为聚乙二醇。高分子聚合物具有一定的弹性。相变材料颗粒与高分子聚合物掺杂在一起，高分子聚合物将相变材料颗粒间隔开。受力部4置于复合相变材料层3上凹槽2的顶部。受力部4的材料为绝缘材料。具体地，受力部的材料为二氧化硅。第一电极5和第二电极6分别置于复合相变材料层3上凹槽2的两侧。第一电极5和第二电极6的材料为金或银或铂。
23.应用时，待测压力作用到受力部4，通过第一电极5和第二电极6测量复合相变材料层3的导电特性变化，实现压力探测。在压力作用下，相变材料颗粒的导电能力增加、电阻率减小，另外，复合相变材料层3内部微观结构也发生变化，相邻相变材料颗粒之间的距离或接触面积或界面形状等发生变化，从而改变了复合相变材料层3的导电特性，通过复合相变材料层3导电特性的变化，确定待测压力。因为复合相变材料层3的导电特性严重地依赖于其内部结构，因此本发明能够实现高灵敏度的压力探测。另外，本发明是基于传统电学原理测量压力的，设备简单，成本低，在高灵敏压力探测领域具有良好的应用前景。具体地，在待测压力作用下，复合相变材料层3向下移动，也就是向凹槽2内移动，由于凹槽2侧壁的存在，相邻相变材料颗粒之间的距离能够减小更多，所以导致复合相变材料层3中相邻相变材料颗粒之间的电子跃迁和量子隧穿的几率增加了。这两方面的效果均导致复合相变材料层3导电特性更多的增加，因此，本发明能够实现高灵敏压力探测。
24.本发明中，所述导电特性是指电阻或伏安特性。在本发明中，压力不仅增加了相变材料颗粒本身的导电特性，而且减小了相变材料颗粒之间的距离，增加了相变材料颗粒之间的电子跃迁和量子隧穿几率，该几率严重地依赖于相变材料颗粒之间的距离，因此，本发明的压力探测灵敏度远大于由接触面积改变导致的压力探测灵敏度。
25.制备时，首先制备具有凹槽2的基底1,或者具有粗糙表面的基底1；将二氧化钒颗粒与聚乙二醇颗粒置于挥发性溶液内进行搅拌，使得二氧化钒颗粒与聚乙二醇颗粒充分混合，然后将混合液体置于基底1上；溶液挥发后，聚乙二醇包覆或部分地包覆二氧化钒颗粒，形成复合相变材料层3；然后，在复合相变材料层3的两端表面上制备第一电极5和第二电极6；最后在复合相变材料层3的中间位置设置受力部4即可得到本发明。由于本发明中复合相变材料层3的面积大，对具体形态的要求低，因此，本发明具有制备简单的优点。
26.实施例2
27.在实施例1的基础上，相变材料颗粒与高分子聚合物均匀掺杂，相变材料颗粒的尺寸小于10微米，更进一步地，相变材料颗粒的尺寸小于2微米。这样一来，在压力作用下，导电特性能够实现较均匀的变化，从而降低了数据处理的难度。在压力的作用下，便于相变材料颗粒向凹槽底部移动，从而更多地增加复合相变材料层3的导电特性，实现更高灵敏度的压力探测。
28.实施例3
29.在实施例2的基础上，如图2所示，凹槽2的形状为楔形。这样一来，在待测压力作用下，从而使得凹槽2内的相变材料颗粒之间的电子跃迁和量子隧穿几率逐渐增加，从而导致复合相变材料层3的导电特性渐进增加，从而降低了数据处理难度。另一方面，复合相变材料层3更容易向凹槽2内移动，从而使得复合相变材料层3的导电特性改变更多，从而实现更高灵敏度的压力探测。
30.实施例4
31.在实施例3的基础上，凹槽2的底部设有弹性纤维。弹性纤维为绝缘材料。具体地，弹性纤维可以为玻璃纤维。这样一来，在待测压力作用下，复合相变材料层3能够更多地向凹槽2内移动，从而更多地改变相变材料颗粒之间的距离，从而提高压力探测的灵敏度。
32.更进一步地，相变材料颗粒的尺寸不同。也就是说，不同尺寸的相变材料颗粒混杂在一起。这样一来，在压力作用下，相变材料颗粒能够发生更多的移动，从而使得相邻相变材料颗粒之间的距离变化更多，从而更多地改变复合相变材料层3的导电特性，从而实现更高灵敏度的压力探测。
33.更进一步地，受力部4为压电材料。这样一来，在压力作用下，受力部4表面产生电荷，从而改变了复合相变材料层3在图2竖直方向上的电场，从而改变了相变材料颗粒的介电常数，从而改变了复合相变材料层3的导电特性，从而实现更高灵敏度的压力探测。
34.更进一步地，相邻凹槽2之间的复合相变材料层3连接，这便于电流的流动，降低整个复合相变材料层3的导电特性。
35.在本发明中，在压力的作用下，复合相变材料层3向凹槽2内移动，由于基底1材料占据了一定的空间，当复合相变材料层3向凹槽2内移动时，相变材料颗粒之间的距离减小更多；不仅因为相变材料颗粒本身的改变导致导电特性提升，而且因为相变材料颗粒之间的距离导致导电特性提升。因此，本发明能够实现高灵敏度的压力探测。
36.显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明实施例也意图包含这些改动和变型在内。