電阻應(yīng)變片及電阻應(yīng)變式傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)大尺度應(yīng)變測(cè)量范圍的電阻應(yīng)變式傳感器，具體來說就是一種電阻應(yīng)變片及電阻應(yīng)變式傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)應(yīng)變片和應(yīng)變式傳感器通常用來研宄或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況。隨著電子、信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)變式傳感器應(yīng)用已逐漸拓展到方方面面，相應(yīng)的也對(duì)應(yīng)變式傳感技術(shù)提出了更高的要求。特別是應(yīng)用于人體的生物醫(yī)療器械、可穿戴式電子等裝置，對(duì)于傳感器的柔軟性和大尺度測(cè)量范圍等性能指標(biāo)提出了更高的要求。應(yīng)變傳感器主要包括光纖應(yīng)變式傳感器、壓電材料應(yīng)變式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器等幾種類型。
[0003]其中，光纖應(yīng)變式傳感器的最大問題在于其需要大量設(shè)備與之相輔助，布置較困難，且成本很高，制約了其在小型化、低成本、便攜式設(shè)備中的應(yīng)用；而壓電材料應(yīng)變式傳感器由于受到其材料的機(jī)械電學(xué)性能和界面粘結(jié)等方面的制約，很難滿足對(duì)于傳感器柔軟性和大尺度測(cè)量范圍的需求。
[0004]目前較常采用的應(yīng)變式傳感元件是電阻應(yīng)變式傳感器，基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即被測(cè)構(gòu)件受到所測(cè)量的物理量作用而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變片一起變形，電阻應(yīng)變片再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測(cè)量拉力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量?，F(xiàn)有的電阻應(yīng)變片的功能層材料主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。由于金屬材料柔軟性較差，其最大缺點(diǎn)是靈敏度低、測(cè)量范圍小，通常只能測(cè)量約百分之幾的應(yīng)變值，例如，鉑的應(yīng)變值為±8%，鎢具有約±0.3%的應(yīng)變范圍，銅鎳合金具有±5%的應(yīng)變值范圍。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)最主要的缺點(diǎn)是受溫度影響大，制備工藝復(fù)雜，制備成本高，且其能夠可逆伸縮的變形量也只有約百分之幾的應(yīng)變值。因此，傳統(tǒng)的金屬和半導(dǎo)體材料在用于應(yīng)變傳感器的用途上時(shí)受到很大限制，特別是很難實(shí)現(xiàn)大尺度應(yīng)變的測(cè)量。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)柔軟性和大尺度應(yīng)變測(cè)量，人們?cè)噲D采用新興材料作為電阻應(yīng)變片的功能層，例如中國專利公開號(hào)CN101598529公布了一種涂敷有導(dǎo)電顆?；蚶w維與彈性體基體的混合物的彈性織物制作的應(yīng)變式傳感器，其有50%的最大應(yīng)變值。但其僅用于測(cè)量面內(nèi)單方向應(yīng)變，且其加工工藝較復(fù)雜，如需清潔、干燥彈性織物基底，需固化導(dǎo)電顆粒或纖維以除去其中存在的水或其它溶劑等處理工藝。特別是很難實(shí)現(xiàn)微米、納米尺度的精細(xì)加工(針對(duì)傳感器的小型、微型化)，可集成性(與其他電子器件和系統(tǒng)集成)和可拓展性較差。
[0006]又如中國專利公開號(hào)CN104142118公開了一種以多條所述碳納米管(CNT)纖維構(gòu)成的CNT膜作為功能層材料的電阻應(yīng)變傳感器，其具有大于80%的應(yīng)變值。但當(dāng)在沿非CNT纖維的取向方向進(jìn)行形變時(shí)，傳感器所測(cè)得的電阻變化的線性度不高。同樣的，也很難實(shí)現(xiàn)微米、納米尺度的精細(xì)加工(傳感器的小型、微型化)，可集成性(與其他電子器件和系統(tǒng)集成)和可拓展性較差。
[0007]為此，本領(lǐng)域亟需開發(fā)一種能夠進(jìn)行微米、納米尺度的精細(xì)加工，且可集成性和拓展性好的電阻應(yīng)變式傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種電阻應(yīng)變片及電阻應(yīng)變式傳感器，通過在柔性基底貼附一層具有微米和納米間隙的導(dǎo)電薄膜(即電阻應(yīng)變傳感層)，形成電阻應(yīng)變片，再將電阻應(yīng)變片附著在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)被測(cè)構(gòu)件發(fā)生物理形變時(shí)，導(dǎo)電薄膜的電阻值會(huì)改變，從而獲得被測(cè)構(gòu)件的物理量變化，解決了現(xiàn)有技術(shù)中電阻應(yīng)變片所測(cè)量時(shí)的最大應(yīng)變量小，集成度低、拓展性差的冋題。
[0009]本發(fā)明的電阻應(yīng)變片，包括柔性基底和電阻應(yīng)變傳感單元，其中，電阻應(yīng)變傳感單元附著于所述柔性基底上。所述電阻應(yīng)變傳感單元進(jìn)一步包括:電阻應(yīng)變傳感層，用于根據(jù)產(chǎn)生形變的大小改變其對(duì)應(yīng)的電阻值；第一電極，與所述電阻應(yīng)變傳感層的一端電連接；第二電極，與所述電阻應(yīng)變傳感層的另一端電連接。
[0010]本發(fā)明的電阻應(yīng)變式傳感器，包括電阻應(yīng)變片和被測(cè)構(gòu)件，將所述電阻應(yīng)變片貼附在所述被測(cè)構(gòu)件表面，與所述被測(cè)構(gòu)件在物理量的作用下一起產(chǎn)生形變，通過測(cè)量形變過程中所述電阻應(yīng)變片的電阻值變化量來測(cè)量作用于所述被測(cè)構(gòu)件上的物理量。
[0011]本發(fā)明提供一種電阻應(yīng)變片及電阻應(yīng)變式傳感器，通過在柔性基底貼附一層具有微米和納米間隙的導(dǎo)電薄膜(亦即電阻應(yīng)變傳感層)，從而形成電阻應(yīng)變片，再將電阻應(yīng)變片粘附在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)被測(cè)構(gòu)件發(fā)生物理形變時(shí)，電阻應(yīng)變片會(huì)隨著被測(cè)構(gòu)件一起發(fā)生形變，即導(dǎo)電薄膜會(huì)被拉伸，此時(shí)導(dǎo)電薄膜的電阻值會(huì)發(fā)生改變，通過導(dǎo)電薄膜的電阻值改變量，可以獲得被測(cè)構(gòu)件的物理量(包括拉力、壓力、扭矩、位移、加速度或者溫度等)變化；由于導(dǎo)電薄膜是由表面具有微米和納米間隙結(jié)構(gòu)的可拉伸金膜制成，最大應(yīng)變量可達(dá)200% ;此外可以在被測(cè)構(gòu)件上貼附多個(gè)電阻應(yīng)變片，可同時(shí)監(jiān)測(cè)不同方向和不同部位的應(yīng)變。此外，本發(fā)明的電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡單，具有集成度高、可拓展性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0012]應(yīng)了解的是，上述一般描述及以下【具體實(shí)施方式】僅為示例性及闡釋性的，其并不能限制本發(fā)明所欲主張的范圍。
【附圖說明】
[0013]下面的所附附圖是本發(fā)明的說明書的一部分，其繪示了本發(fā)明的示例實(shí)施例，所附附圖與說明書的描述一起用來說明本發(fā)明的原理。
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的實(shí)施方式一的俯視圖；
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的實(shí)施方式二的俯視圖；
[0016]圖3為圖1中所示的電阻應(yīng)變片沿A-A方向的剖視圖；
[0017]圖4為圖1中所示的電阻應(yīng)變片沿B-B方向的剖視圖；
[0018]圖5為圖2中所示的電阻應(yīng)變片沿C-C方向的剖視圖；
[0019]圖6為圖2中所示的電阻應(yīng)變片沿D-D方向的剖視圖；
[0020]圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的實(shí)施方式三的俯視圖；
[0021]圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的實(shí)施方式四的俯視圖；
[0022]圖9為圖7中所示的電阻應(yīng)變片沿E-E方向的剖視圖；
[0023]圖10為圖8中所示的電阻應(yīng)變片沿F-F方向的剖視圖；
[0024]圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變式傳感器的實(shí)施方式一的俯視圖；
[0025]圖12為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變式傳感器的實(shí)施方式二的俯視圖；
[0026]圖13為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變式傳感器的實(shí)施方式三的俯視圖；
[0027]圖14為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變式傳感器的實(shí)施方式四的俯視圖；
[0028]圖15為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變式傳感器的實(shí)施方式五的俯視圖；
[0029]圖16為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變式傳感器與其它傳感器集成應(yīng)用示意圖；
[0030]圖17為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變傳感層的拉伸前的表面形貌圖；
[0031]圖18為圖17所示的一種電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變傳感層的拉伸中的表面形貌圖；
[0032]圖19為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變傳感層的電阻變化和應(yīng)變的關(guān)系圖；
[0033]圖20為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變傳感層拉伸前納米裂紋間隙分布示意圖；
[0034]圖21為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變傳感層拉伸時(shí)微米-納米裂紋間隙分布示意圖；
[0035]圖22為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具備平鋪狀基底的電阻應(yīng)變片的具體應(yīng)用實(shí)施例；
[0036]圖23為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具備柱狀結(jié)構(gòu)基底的電阻應(yīng)變片的具體應(yīng)用實(shí)施例。
[0037]附圖符號(hào)說明:
[0038]10 柔性基底20 第一電阻應(yīng)變傳感單元
[0039]21 電阻應(yīng)變傳感層22 第一電極
[0040]23 第二電極
[0041]30 保護(hù)層
[0042]40 第二電阻應(yīng)變傳感單元50 第三電阻應(yīng)變傳感單元
[0043]60 第四電阻應(yīng)變傳感單元70 第五電阻應(yīng)變傳感單元
[0044]80 第六電阻應(yīng)變傳感單元90 第七電阻應(yīng)變傳感單元
[0045]α 第一角度β 第二角度
[0046]γ 第三角度δ 第四角度
[0047]1000電阻應(yīng)變片2000被測(cè)構(gòu)件
【具體實(shí)施方式】
[0048]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面將以附圖及詳細(xì)敘述清楚說明本發(fā)明所揭示內(nèi)容的精神，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本
【發(fā)明內(nèi)容】
的實(shí)施例后，當(dāng)可由本
【發(fā)明內(nèi)容】
所教示的技術(shù)，加以改變及修飾，其并不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
的精神與范圍。
[0049]本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。另外，在附圖及實(shí)施方