电阻应变片及电阻应变式传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种实现大尺度应变测量范围的电阻应变式传感器，具体来说就是一种电阻应变片及电阻应变式传感器。
【背景技术】
[0002]传统应变片和应变式传感器通常用来研宄或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况。随着电子、信息技术的发展，应变式传感器应用已逐渐拓展到方方面面，相应的也对应变式传感技术提出了更高的要求。特别是应用于人体的生物医疗器械、可穿戴式电子等装置，对于传感器的柔软性和大尺度测量范围等性能指标提出了更高的要求。应变传感器主要包括光纤应变式传感器、压电材料应变式传感器、电阻应变式传感器等几种类型。
[0003]其中，光纤应变式传感器的最大问题在于其需要大量设备与之相辅助，布置较困难，且成本很高，制约了其在小型化、低成本、便携式设备中的应用；而压电材料应变式传感器由于受到其材料的机械电学性能和界面粘结等方面的制约，很难满足对于传感器柔软性和大尺度测量范围的需求。
[0004]目前较常采用的应变式传感元件是电阻应变式传感器，基于电阻应变效应，即被测构件受到所测量的物理量作用而产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形，电阻应变片再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量拉力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。现有的电阻应变片的功能层材料主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。由于金属材料柔软性较差，其最大缺点是灵敏度低、测量范围小，通常只能测量约百分之几的应变值，例如，铂的应变值为±8%，钨具有约±0.3%的应变范围，铜镍合金具有±5%的应变值范围。半导体应变计最主要的缺点是受温度影响大，制备工艺复杂，制备成本高，且其能够可逆伸缩的变形量也只有约百分之几的应变值。因此，传统的金属和半导体材料在用于应变传感器的用途上时受到很大限制，特别是很难实现大尺度应变的测量。
[0005]为了实现柔软性和大尺度应变测量，人们试图采用新兴材料作为电阻应变片的功能层，例如中国专利公开号CN101598529公布了一种涂敷有导电颗粒或纤维与弹性体基体的混合物的弹性织物制作的应变式传感器，其有50%的最大应变值。但其仅用于测量面内单方向应变，且其加工工艺较复杂，如需清洁、干燥弹性织物基底，需固化导电颗粒或纤维以除去其中存在的水或其它溶剂等处理工艺。特别是很难实现微米、纳米尺度的精细加工(针对传感器的小型、微型化)，可集成性(与其他电子器件和系统集成)和可拓展性较差。
[0006]又如中国专利公开号CN104142118公开了一种以多条所述碳纳米管(CNT)纤维构成的CNT膜作为功能层材料的电阻应变传感器，其具有大于80%的应变值。但当在沿非CNT纤维的取向方向进行形变时，传感器所测得的电阻变化的线性度不高。同样的，也很难实现微米、纳米尺度的精细加工(传感器的小型、微型化)，可集成性(与其他电子器件和系统集成)和可拓展性较差。
[0007]为此，本领域亟需开发一种能够进行微米、纳米尺度的精细加工，且可集成性和拓展性好的电阻应变式传感器。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种电阻应变片及电阻应变式传感器，通过在柔性基底贴附一层具有微米和纳米间隙的导电薄膜(即电阻应变传感层)，形成电阻应变片，再将电阻应变片附着在被测构件上，当被测构件发生物理形变时，导电薄膜的电阻值会改变，从而获得被测构件的物理量变化，解决了现有技术中电阻应变片所测量时的最大应变量小，集成度低、拓展性差的冋题。
[0009]本发明的电阻应变片，包括柔性基底和电阻应变传感单元，其中，电阻应变传感单元附着于所述柔性基底上。所述电阻应变传感单元进一步包括:电阻应变传感层，用于根据产生形变的大小改变其对应的电阻值；第一电极，与所述电阻应变传感层的一端电连接；第二电极，与所述电阻应变传感层的另一端电连接。
[0010]本发明的电阻应变式传感器，包括电阻应变片和被测构件，将所述电阻应变片贴附在所述被测构件表面，与所述被测构件在物理量的作用下一起产生形变，通过测量形变过程中所述电阻应变片的电阻值变化量来测量作用于所述被测构件上的物理量。
[0011]本发明提供一种电阻应变片及电阻应变式传感器，通过在柔性基底贴附一层具有微米和纳米间隙的导电薄膜(亦即电阻应变传感层)，从而形成电阻应变片，再将电阻应变片粘附在被测构件上，当被测构件发生物理形变时，电阻应变片会随着被测构件一起发生形变，即导电薄膜会被拉伸，此时导电薄膜的电阻值会发生改变，通过导电薄膜的电阻值改变量，可以获得被测构件的物理量(包括拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度等)变化；由于导电薄膜是由表面具有微米和纳米间隙结构的可拉伸金膜制成，最大应变量可达200% ;此外可以在被测构件上贴附多个电阻应变片，可同时监测不同方向和不同部位的应变。此外，本发明的电阻应变片结构简单，具有集成度高、可拓展性好等优点。
[0012]应了解的是，上述一般描述及以下【具体实施方式】仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
【附图说明】
[0013]下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
[0014]图1为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式一的俯视图；
[0015]图2为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式二的俯视图；
[0016]图3为图1中所示的电阻应变片沿A-A方向的剖视图；
[0017]图4为图1中所示的电阻应变片沿B-B方向的剖视图；
[0018]图5为图2中所示的电阻应变片沿C-C方向的剖视图；
[0019]图6为图2中所示的电阻应变片沿D-D方向的剖视图；
[0020]图7为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式三的俯视图；
[0021]图8为本发明实施例提供的一种电阻应变片的实施方式四的俯视图；
[0022]图9为图7中所示的电阻应变片沿E-E方向的剖视图；
[0023]图10为图8中所示的电阻应变片沿F-F方向的剖视图；
[0024]图11为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式一的俯视图；
[0025]图12为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式二的俯视图；
[0026]图13为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式三的俯视图；
[0027]图14为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式四的俯视图；
[0028]图15为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器的实施方式五的俯视图；
[0029]图16为本发明实施例提供的一种电阻应变式传感器与其它传感器集成应用示意图；
[0030]图17为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层的拉伸前的表面形貌图；
[0031]图18为图17所示的一种电阻应变片的电阻应变传感层的拉伸中的表面形貌图；
[0032]图19为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层的电阻变化和应变的关系图；
[0033]图20为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层拉伸前纳米裂纹间隙分布示意图；
[0034]图21为本发明实施例提供的一种电阻应变片的电阻应变传感层拉伸时微米-纳米裂纹间隙分布示意图；
[0035]图22为本发明实施例提供的一种具备平铺状基底的电阻应变片的具体应用实施例；
[0036]图23为本发明实施例提供的一种具备柱状结构基底的电阻应变片的具体应用实施例。
[0037]附图符号说明:
[0038]10 柔性基底20 第一电阻应变传感单元
[0039]21 电阻应变传感层22 第一电极
[0040]23 第二电极
[0041]30 保护层
[0042]40 第二电阻应变传感单元50 第三电阻应变传感单元
[0043]60 第四电阻应变传感单元70 第五电阻应变传感单元
[0044]80 第六电阻应变传感单元90 第七电阻应变传感单元
[0045]α 第一角度β 第二角度
[0046]γ 第三角度δ 第四角度
[0047]1000电阻应变片2000被测构件
【具体实施方式】
[0048]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本
【发明内容】
的实施例后，当可由本
【发明内容】
所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本
【发明内容】
的精神与范围。
[0049]本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方