一种无温度干扰薄膜应变计及其制备方法

本发明属于薄膜传感器，具体涉及一种无温度干扰薄膜应变计及其制备方法。

背景技术：

1、压阻式薄膜应变计已广泛应用于许多领域，例如机器人技术、飞机结构健康监测、人体运动检测等。然而，由于温度升高时载流子浓度的增加和电子-电子散射的增强，材料的电阻强烈依赖于温度。来自环境的非测量信号干扰会显著降低传感器的可靠性和灵敏度。通过解决有关电阻温度系数(tcr)的问题，可使传感单元和电子设备实现热相关的实际应用。

2、目前通过开发外部电路和程序，已为实现无干扰系统做出了巨大努力。然而，对于薄膜传感系统，复杂的外部电路是不可取的，在结构/材料级别上实现无干扰特性才是首选的方案。目前已经报道了几种通过工程材料特性和结构实现无温度扰动的策略。一种策略是将两种具有相反tcr的材料进行层状堆叠或混合成纳米复合材料，通过抵消电阻的正负温度依赖性来开发具有低/接近零tcr的混合传感材料，从而实现非温度干扰传感器的应用。另一个有效的方法是热膨胀策略。该策略通常采用热膨胀聚合物作为基体，使用相对不膨胀的填料作为导电相。导电聚合物复合材料热膨胀的正tcr(ptcr)抵消了导电纳米颗粒(nps)的负tcr(ntcr)传输，从而实现接近于零的tcr(nztcr)。虽然已经通过不同的策略实现了一些具有近零tcr特性的示例，但这些器件的温度干扰只能在较窄的温度范围内消除。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种无温度干扰薄膜应变计及其制备方法。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种无温度干扰薄膜应变计，包括绝缘基底和gnps/sicno敏感层，所述gnps/sicno敏感层设于绝缘基底上，所述gnps/sicno敏感层由石墨纳米片填充的psn2溶液沉积于绝缘基底表面并在氮气氛中热解形成。

3、可选的，所述石墨纳米片掺杂的psn2溶液中，石墨纳米片的质量分数为20-80wt％。

4、可选的，所述石墨纳米片的粒径为20nm-1μm。

5、在本发明一较佳实施例中，所述gnps/sicno敏感层是敏感栅结构，所述敏感栅的厚度为5-50μm，线宽为50-700μm。

6、在本发明一较佳实施例中，所述敏感栅的引出端设有金属焊点。

7、可选的，所述gnps/sicno敏感层引出端通过金属焊点与金属导连接。

8、在本发明一较佳实施例中，所述绝缘基底是氧化铝基底。

9、为了实现以上目的，本发明的技术方案之二为：一种无温度干扰薄膜应变计的制备方法，具体包括如下步骤：

10、(1)打磨、抛光、清洗绝缘基底；

11、(2)按比例配置石墨纳米片掺杂的psn2溶液，石墨纳米片的质量分数为20-80wt％，石墨纳米片的粒径为20nm-1μm；

12、(3)利用韦森堡直写平台将步骤(2)所得的石墨纳米片掺杂的psn2溶液在绝缘基底上直写敏感栅；

13、(4)将完成步骤(3)的器件在200-800℃氮气氛中保温1-8h进行热解，随后降温至室温完成gnps/sicno应变敏感层的制备；

14、(5)使用金属焊点将敏感栅的引出端、金属导线二者粘合，在100-300℃空气氛围中保温10-60min进行固化。

15、可选的，所述步骤(2)中配置石墨纳米片掺杂的psn2溶液需搅拌1-3h。

16、可选的，所述步骤(4)中升温速率为1-5℃/min，降温速率为1-10℃/min。

17、可选的，所述步骤(5)中金属焊点为银浆焊点。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、1.本发明通过韦森堡直写技术直写石墨烯纳米片掺杂的psn2先驱体溶液，可实现薄膜厚度、线宽可调，实现被测构件上薄膜传感器图案化的原位制备；

20、2.通过调整导电相的比例对敏感材料的电子散射和热辅助跳跃传输进行调控，成功消除了温度波动对电阻信号干扰；本发明制备的gnps/sicno薄膜应变计温度不敏感范围为30-300℃，最高温度比已报道的非干扰薄膜应变计高约200℃；

21、3.本发明制备的薄膜应变计的gf为19.1，比传统的金属应变传感器(gf＜1.8)高得多，并且在动态应变测试中表现出独立于温度变化之外的应变响应。

技术特征：

1.一种无温度干扰薄膜应变计，其特征在于，包括绝缘基底和gnps/sicno敏感层，所述gnps/sicno敏感层设于绝缘基底上，所述gnps/sicno敏感层由石墨纳米片填充的psn2溶液沉积于绝缘基底表面并在氮气氛中热解形成。

2.如权利要求2所述的薄膜应变计，其特征在于，所述石墨纳米片的质量分数为20-80wt％。

3.如权利要求2所述的薄膜应变计，其特征在于，所述石墨纳米片的粒径为20nm-1μm。

4.如权利要求1所述的薄膜应变计，其特征在于，所述gnps/sicno敏感层是敏感栅结构，所述敏感栅的厚度为5-50μm，线宽为50-700μm。

5.如权利要求1所述的薄膜应变计，其特征在于，所述敏感栅的引出端设有金属焊点。

6.如权利要求1所述的薄膜应变计，其特征在于，所述gnps/sicno敏感层引出端通过金属焊点与金属导线连接，实现敏感栅信号的引出。

7.如权利要求1所述的薄膜应变计，其特征在于，所述绝缘基底是氧化铝基底。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的薄膜应变计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中升温速率为1-5℃/min，降温速率为1-10℃/min。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中金属焊点为银浆焊点。

技术总结
本发明属于薄膜传感器技术领域，具体公开了一种无温度干扰薄膜应变计及其制备方法，其中薄膜应变计包括绝缘基底和GNPs/SiCNO敏感层，所述GNPs/SiCNO敏感层设于绝缘基底上，所述GNPs/SiCNO敏感层由石墨纳米片填充的PSN2溶液沉积于绝缘基底表面并在氮气氛中热解形成。本发明通过韦森堡直写技术直写石墨烯纳米片掺杂的PSN2先驱体溶液，可实现薄膜厚度、线宽可调，实现被测构件上薄膜传感器图案化的原位制备；本发明制备的GNPs/SiCNO薄膜应变计温度不敏感范围为30‑300℃，最高温度比已报道的非干扰薄膜应变计高约200℃。

技术研发人员：孙道恒,林帆,张岩松,海振银,贺晓鹏,武超,潘晓川,郭仁飞,唐瑞,孙国玉,齐海涛
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14