电阻应变片及电阻应变式传感器的制造方法_3

文档序号:8556527阅读:来源:国知局
式二的俯视图,图12与图11的不同之处在于,所述柔性基底10为柱状结构,电阻应变片1000粘附于所述被测构件2000表面,在物理量(包括拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度等)作用下与被测构件2000 —起产生形变。
[0077]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,如图13所示,所述电阻应变片还包括第二电阻应变传感单元40,第二电阻应变传感单元40与所述第一电阻应变传感单元20垂直交叉布局,第二电阻应变传感单元40附着于所述柔性基底10上。
[0078]参照图13,第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40的材料采用微纳加工工艺制作而成,第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40所使用的材质可以不同,例如,第一电阻应变传感单元20由金制成,第二电阻应变传感单元40由石墨烯制成,可以实现第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40的垂直交叉布置,从而可以实现相同部位、不同方向应变的同时检测,应用灵活,可拓展性强,在实际应用中更具有竞争力。图13所示的电阻应变式传感器只是本发明的一个具体实施例,第一电阻应变传感单元20水平设置,第二电阻应变传感单元40垂直设置只是相对而言,也可以第一电阻应变传感单元20垂直设置,第二电阻应变传感单元40水平设置,在其它具体实施例中,第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40还可以根据实际测量的需要,让第一电阻应变传感单元20和第二电阻应变传感单元40呈现非垂直布局,例如,剪刀状布局或者平行布局等等,本发明不以此为限。
[0079]再次参照图13,所述第一电阻应变传感单元20和所述第二电阻应变传感单元40之间具有一绝缘层(图中未标示)。绝缘层的设置可以防止所述第一电阻应变传感单元20和所述第二电阻应变传感单元40之间的相互影响,使得测量结果更加精准。当然,在本发明的特定实施例中,当所述第一电阻应变传感单元20和所述第二电阻应变传感单元40的长度很长,仅测量所述第一电阻应变传感单元20或所述第二电阻应变传感单元40所受的应力时,由于交叉部分面积相对较小,可以忽略重叠部分对测量结果的影响,因此可以不设置绝缘层,以达成成本节省和制备简单的效果。
[0080]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,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,如图14和15所示,所述电阻应变片还包括第三电阻应变传感单元50、和/或第四电阻应变传感单元60、和/或第五电阻应变传感单元70、和/或第六电阻应变传感单元80和/或第七电阻应变传感单元90,其中,第三电阻应变传感单元50与所述第一电阻应变传感单元20平行并排布局;第四电阻应变传感单元60与所述第一电阻应变传感单元20之间成第一角度α布局;第五电阻应变传感单元70与所述第一电阻应变传感单元20之间成第二角度β布局;第六电阻应变传感单元80与所述第一电阻应变传感单元20之间成第三角度γ布局;第七电阻应变传感单元90与所述第一电阻应变传感单元20之间成第四角度δ布局;其中,所述第三电阻应变传感单元50、和/或所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80、和/或所述第七电阻应变传感单元90都附着于所述柔性基底10上。以上所述电阻应变传感单元由微纳加工工艺制作而成,所使用的材质可以相同、也可以不同,本发明不以此为限。
[0081]参照图15,第一电阻应变传感单元20和第三电阻应变传感单元50并行设置,第四电阻应变传感单元60、和/或第五电阻应变传感单元70、和/或第六电阻应变传感单元80和/或第七电阻应变传感单元90围绕着第一电阻应变传感单元20和第三电阻应变传感单元50设置,可以实现不同部位和不同方向应变的同时检测,应用范围广阔、应用灵活、可拓展性强,本发明的具体实施例中,可以仅有第五电阻应变传感单元70、第六电阻应变传感单元80和第七电阻应变传感单元90其中的一个或多个,本发明不以此为限。
[0082]本发明并不对所述第一角度α、和/或所述第二角度β、和/或所述第三角度γ和/或所述第四角度δ之间的大小关系作具体限定,所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80和/或所述第七电阻应变传感单元90围绕所述第一电阻应变传感单元20和所述第三电阻应变传感单元50的布局,所述第一角度α、和/或所述第二角度β、和/或所述第三角度Y和/或所述第四角度δ为面向所述第一电阻应变传感单元20和所述第三电阻应变传感单元50的角度,例如本发明一具体实施例中,所述第一角度α、所述第二角度β、所述第三角度Y和所述第四角度δ的大小互不相同;本发明另一具体实施例中,所述第一角度α、所述第二角度β、所述第三角度γ和所述第四角度S的大小相同。例如,所述第一角度α、所述第二角度β、所述第三角度γ和所述第四角度δ均为45度,或者,所述第一角度α和所述第四角度S为45度,所述第二角度β和所述第三角度γ为60度。另外,本发明也不对电阻应变传感单元的数量进行限定,在满足发明目的的前提下,可以适当增加或减少电阻应变传感单元的数量,例如,可以不设置第三电阻应变传感单元50,即仅所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80和/或所述第七电阻应变传感单元90围绕所述第一电阻应变传感单元20的布局(如图14所示),还可以再设置两个电阻应变片,分别与第一电阻应变传感单元20和第三电阻应变传感单元50交叉垂直设置,本发明不以此为限。
[0083]本发明的一具体实施例中,如果所述第一电阻应变传感单元20与其它电阻应变传感单元存在重叠交叉(如图15所示),那么,所述第一电阻应变传感单元20、和/或所述第四电阻应变传感单元60、和/或所述第五电阻应变传感单元70、和/或所述第六电阻应变传感单元80、和/或所述第七电阻应变传感单元90之间设有绝缘层。
[0084]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,如图16所示,电阻应变片的电阻应变传感层材料采用微纳加工工艺(MEMS)制作而成,因此尺寸可以灵活设计和加工,最小可以实现纳米尺寸的结构,而且易于与其他传感器、电子器件和系统集成,电阻应变片的形状、尺寸、数量和排列方式可以根据实际应用要求进行调整。
[0085]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;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;如图17?图18所示,第一电极22、第二电极23和电阻应变传感层由表面具有微米和纳米间隙结构的可拉伸金薄膜制成,打底层为钛,图17-图18分别为金薄膜在拉伸前、拉伸中(ε = 100%)和拉伸还原后的扫描电子显微镜图(SEM),从图中可看出金薄膜表面的微米和纳米间隙结构,该结构在薄膜拉伸时能很好地释放局部应力,图17所示为导电薄膜的原始纳米间隙结构图,从图17中可看到纳米间隙处于任意分布状态,当导电薄膜受到应力拉伸时,部分纳米间隙将会扩张、合并成宽度为微米级别的微米间隙(如图18所示),以此来释放拉伸中产生的局部应力,而不至于在薄膜内部产生大的贯穿性裂纹,从而保证了其可拉伸性,而不至于在薄膜内部产生大的贯穿性裂纹,从而保证了其可拉伸性。
[0086]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,电阻应变传感单元的第一电极22和第二电极23的尺寸均为1.5 X 1.5mm2,电阻应变传感层的尺寸为0.5 X 1mm2,金薄膜的厚度约为50nm,该薄膜可在150%的一维形变下依旧保持电导通,且在最大拉伸率下具有多次循环的疲劳寿命。如图19所示,y = ax, y=In (R/R0),X = ε,a = 2.86178,相关系数r = 0.9963,电阻应变片在循环拉伸100次后测量电阻应变传感层的电阻变化和引起该变化的应变的对应关系图。图19中y = ln(R/R0), X = ε,其中Rtl为初始电阻值,R为应变时的电阻值,ε为应变量;从图19中可以看出,y和X对应很好的线性关系:y = ax,从而确保电阻应变片在大幅度应变时,物理量(包括拉力、压力、扭矩、位移、加速度或者温度等)测量的精确性。电阻初始值Rtl和线性系数a是由电阻应变传感层的尺寸和结构决定的,但电阻值随应变的变化规律类似。从图19中能看出所述电阻应变片具有响应速度快、灵敏度高、线性度好的特点。电阻应变片在保持电导通的条件下能达到的最大形变范围可以通过改变电阻应变传感层的尺寸来调整。
[0087]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;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,如图20、图21所示,图20为导电薄膜拉伸前,其表面分布着若干纳米裂纹间隙结构,图21为当导电薄膜受到应力拉伸时,部分纳
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