用于弹性体应变测量的薄膜应变计及制备方法与流程

本发明涉及一种薄膜应变计，特别涉及一种直接制备于弹性体表面测量其微小应变的薄膜应变计。

背景技术：

应变测量技术在很多领域都有其广泛的应用。一方面是因为对大部分的物理量如力、扭矩、速度与加速度等的测量都可以转化为对应变进行间接测量而得到，使得应变传感器成为目前市面上多数测量仪器的核心。另一方面是其结构与原理简单，性能稳定可靠，使用方便。在所有应变测量的技术中，以金属材料为主的电阻式应变传感器最为常用，其测量原理为：当外界的物理量(如力、速度、扭矩等)引起敏感材料的几何形状(长度或宽度)发生改变，从而导致材料的电阻发生变化，通过对电阻变化引起的电信号进行采集、放大，就可以得到被测物体的实际应变大小及其变化。该原理简单且易于实现，只需分析敏感材料的电阻值变化即可得到被测样品的应变大小，因此得到广泛应用。

现有的电阻式应变传感器以粘贴式电阻应变片为主，其具有附加质量小、精度高、响应速度快且可以同时进行动态和静态测量等优点。使用时只需将应变片粘贴于待测物体上，也可以组成一定的放大或补偿电路，最后引出应变片信号线即可进行测量。但是应变片的使用需要通过胶水与待测物体进行紧密贴合，依靠人工在实验室操作并进行固化处理。这种应变片与待测物体通过胶水结合的方式带来了许多问题，首先由于粘贴剂的引入，使得应变片存在滞后与蠕变大的缺点；其次，目前高质量粘贴剂依赖于进口，各种粘贴剂质量的差别将影响到应变片的测量效果。

为了克服上述粘贴式电阻应变片的缺点，近年来发展出了基于薄膜加工技术的新型薄膜应变片。薄膜应变片是利用蒸镀、沉积、溅射等薄膜制备工艺，将敏感材料及其形状结构原位制备于待测物体的表面。因此薄膜应变计与待测物体之间不再使用粘贴胶水来进行固定，取而代之的是二者之间形成的较强的原子间的结合，从而避免了使用粘贴胶水作绝缘时存在的蠕变老化、滞后等问题。另一方面，薄膜应变计的厚度在微米甚至纳米量级，其灵敏度、测量精度、响应速度在粘贴式电阻应变片的基础上进一步提高，且微小的结构使之不会对测试环境的力学特性产生影响。因此本发明针对舰用特殊环境条件，提出一种基于电阻应变效应的薄膜应变计，同时设计适合沉积薄膜的弹性体，并在弹性体上恰当部位制备薄膜应变计，可以实现弹性体应变的快速稳定的测量。

经过对现有技术的文献检索发现，目前有关薄膜应变计的研究，国内以电子科技大学的研究成果最具代表性，如电子科技大学硕士论文《涡轮叶片应变测量用tan薄膜应变计的研制》、《涡轮叶片应变测量用nicr薄膜应变计的研制》等，刘豪等人发表的论文《pdcr薄膜电阻应变计研制及其高温应变敏感性能研究》等，研究的薄膜应变计均用于高温场合下的涡轮叶片的应变测量。本发明提出的用于弹性体测量的薄膜应变计，主要是在弹性体合金上制备薄膜应变计，制备有薄膜应变计的弹性体可作为其他测量设备的应变测量元件使用，其工作原理、结构形式、适用对象均不同于上述提到的应用于涡轮叶片的薄膜应变计。

技术实现要素：

本发明是针对弹性体合金的应变测量需求，提出一种用于弹性体应变测量的薄膜应变计，基于薄膜加工技术的薄膜应变计，弹性体上制备的薄膜应变计可以应用于其他计量装置，通过分析弹性体上薄膜应变计的电阻值变化，为装置提供弹性体准确的应变值，进而得到计量装置所需的待测物理量。

本发明的技术方案为：一种用于弹性体应变测量的薄膜应变计，包括弹性体、绝缘隔离层、应变敏感层以及保护层，所述绝缘隔离层、应变敏感层和保护层均制备于弹性体上，其中，所述绝缘隔离层制备于弹性体表面，用于薄膜应变计整体与弹性合金之间的电气绝缘；所述应变敏感层制备于所述绝缘隔离层上方，用于应变的测量；所述保护层制备于所属应变敏感层之上，并设置露出应变敏感层的引线电极，用于保护应变敏感层不受外界环境的影响，避免应变敏感层发生老化、腐蚀等现象。

进一步，所述应变敏感层包括电极、过渡栅、敏感栅和横栅，所述电极用于将应变敏感层电阻值变化的电信号引出；所述电极通过过渡栅连接敏感栅，所述敏感栅用于感知应变带来电阻变化，所述敏感栅由多条细长的长条状结构构成，用于最大限度的反应纵向上应变引起的电阻变化；所述敏感栅的细长的长条状结构之间通过横栅连接，所述横栅起到连接各个敏感栅的作用从而减小应变敏感层的总体尺寸，所述横栅为短接的结构，可减小薄膜应变计的横向效应。

进一步，当外界物理量引起弹性体发生形变时，所述应变敏感层中的敏感栅的长度发生伸长或缩短，根据电阻应变效应，引起所述应变敏感层的电阻发生改变，从而输出未知物理量作用下的电阻，由电阻与应变的关系得到相应的物理量作用下的应变值。

进一步，所述应变敏感层的电极上焊接信号线，所述薄膜应变计所产生的电信号通过信号线传给测量电路，由测量电路进行温度补偿与放大处理，避免环境对应变测量结果产生不利影响。

一种用于弹性体应变测量的薄膜应变计的制备方法，包括以下步骤：

第一步、对弹性体基底的表面进行抛光处理；

第二步、采用旋涂的方法，在第一步抛光后的弹性体基底上覆盖一层聚合物形成绝缘隔离层，聚合物可以选用电泳漆；

第三步、利用掩膜溅射方法或lift-off方法实现图形化，采用磁控溅射方法沉积薄膜；在第二步形成的绝缘隔离层上表面，溅射一层合金薄膜，得到应变敏感层，其中合金薄膜选用cr/nicr或cr/cuni，cr作为粘接层厚度在10nm～30nm，cuni或nicr的厚度在200-500nm之间；

第四步、利用旋涂的方法，在第三步形成的应变敏感层上覆盖一层保护层，同时采用蚀刻的方法露出引线电极，得到薄膜应变计。

本发明的有益效果在于：

本发明的用于弹性体应变测量的薄膜应变计，不同于传统粘贴式电阻应变片，不需要引入粘贴剂，从而避免了滞后与蠕变大的问题，并具有结构简单、精准度高、响应速度快的优点，制备好薄膜应变计的弹性体更可以满足其他计量装置的应变测量需求。

附图说明

图1为弹性体上薄膜应变计结构剖面图；

图2为弹性体上薄膜应变计结构俯视图；

图3为薄膜应变计原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明的用于弹性体应变测量的薄膜应变计，包括弹性体1，绝缘隔离层2，应变敏感层3与保护层4。绝缘隔离层2，应变敏感层3与保护层4均制备于弹性体上，其中绝缘隔离层2制备于弹性体1表面，用于薄膜应变计整体与弹性合金之间的电气绝缘；应变敏感层3制备于所述绝缘隔离层2上方，用于应变的测量；保护层4制备于所属应变敏感层3之上，同时需露出应变敏感层3的引线电极，用于保护应变敏感层3不受外界环境的影响，避免应变敏感层3发生老化、腐蚀等现象。

如图3所示，应变敏感层3包括电极5，过渡栅6，敏感栅7和横栅8。电极5用于将应变敏感层电阻值变化的电信号引出；过渡栅6在结构上起到减小局部应力的作用；敏感栅7是感知应变带来电阻变化的主要结构，其结构设计为细长的长条状，能够最大限度的反应纵向上应变引起的电阻变化；横栅8起到连接各个敏感栅的作用从而减小应变敏感层3的总体尺寸，同时横栅8应设计为短接的结构，以减小薄膜应变计的横向效应。

应变敏感层3的电极上焊接信号线，薄膜应变计所产生的电信号通过信号线传给测量电路，由测量电路进行温度补偿与放大处理，避免环境对应变测量结果产生不利影响。

上述的一种用于弹性体应变测量的薄膜应变计，可以采用以下制备方法进行制备，包括如下步骤：

第一步、对弹性体1基底的表面进行抛光处理；

第二步、采用旋涂的方法，在第一步抛光后的弹性体基底上覆盖一层聚合物形成绝缘隔离层2，聚合物可以选用电泳漆；

第三步、利用掩膜溅射方法或lift-off方法实现图形化，采用磁控溅射方法沉积薄膜。在第二步形成的绝缘隔离层2上表面，溅射一层合金薄膜，得到应变敏感层3，其中合金薄膜可以选用cr/nicr、cr/cuni等组合，cr作为粘接层厚度在10nm～30nm，cuni、nicr的厚度在200-500nm之间灵活选择；

第四步、利用旋涂的方法，在第三步形成的应变敏感层3上覆盖一层保护层4，同时采用蚀刻的方法露出引线电极，得到薄膜应变计。

当所述的弹性体在未知物理量作用下发生形变时，制备于其表面的薄膜应变计电阻也会发生改变。具体来说，当外界物理量引起弹性体发生形变时，薄膜应变计的应变敏感层3的结构会发生变化，根据外界作用的方向，应变敏感层3中的敏感栅7的长度会发生伸长或缩短，根据电阻计算公式(1)：

式中r为应变敏感层3的电阻；ρ为应变敏感层3所用材料的电阻率；l为应变敏感层3所属结构的总长度，可用敏感栅长度乘上敏感栅根数近似；s为制备的应变敏感层的厚度。敏感栅长度的变化会引起所述应变敏感层3的电阻发生改变，从而输出未知物理量作用下的电阻，分析其电阻与应变的关系就可以得到相应的物理量作用下的应变值。