CN109282930A - 应力探测装置与应力探测矩阵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应力探测装置与应力探测矩阵系统，应力探测装置包括：硅衬底与探测组件，其中，硅衬底设置有凹槽，探测组件包括柔性衬底、二维层状材料片及探测电路；二维层状材料片设置于柔性衬底的表面，二维层状材料片与硅衬底的表面相贴合，且二维层状材料片与上述凹槽结合形成一空腔；上述凹槽的两侧设置有电极，探测电路与该电极电性连接。本发明公开的应力探测装置可以通过测量二维层状材料片中电信号的变化情况，来间接测量出外部应力的大小，测量结果具有较高的准确度。同时，上述装置结构较简单，可以根据需求来选择硅衬底与探测组件的尺寸大小，故还能够应用于微米级区域的应力测量。
Description
技术领域
本发明涉及应力探测技术领域，尤其涉及一种应力探测装置与应力探测矩阵系统。
背景技术
物体由于外因(受力、湿度、温度变化等)而变形时，在物体内各部分之间会产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。应力探测被普遍的应用到人们的日常生活当中，其中在生物医疗，仪器架设、密封检测、汽车、人体工学和包装密封等领域具有广泛的应用，并带来了巨大的经济价值。
目前，市场上的应力检测设备通常都是采用光学传感或机械应力探测的原理进行制备，在使用时，通过将应力信号转换成电信号进行探测。常见的应力检测器件包括应变仪、可变电容和压电器件等，该类检测器件的结构复杂，灵敏度较低，且由于体积较大，很难准确的对微米级的区域进行应力测量。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种应力探测装置与应力探测矩阵系统，旨在解决现有技术中的应力检测装置灵敏度低，体积大，难以准确测量微米级区域的应力的技术问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种应力探测装置，该装置包括硅衬底与探测组件，所述硅衬底设置有凹槽，所述探测组件包括柔性衬底、二维层状材料片及探测电路；
所述二维层状材料片设置于所述柔性衬底的指定表面，所述二维层状材料片与所述硅衬底的表面相贴合，且所述二维层状材料片与所述凹槽结合形成一空腔；
所述凹槽的两侧设置有电极，所述探测电路与所述电极电性连接。
可选的，所述二维层状材料片与所述电极之间为欧姆接触关系。
可选的，所述柔性衬底为高分子有机聚合物，所述高分子有机聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
可选的，所述二维层状材料片包括过渡金属硫化物和黑磷中的至少一种。
可选的，所述探测电路包括驱动电路，所述驱动电路用于对所述二维层状材料片施加偏置电压。
可选的，所述探测电路还包括电信号放大电路和应力探测电路，所述电信号放大电路用于放大所述二维层状材料片中产生的电信号，所述应力探测电路用于探测所述二维层状材料片中被放大的电信号。
可选的，所述凹槽是利用电子束曝光或双束刻蚀的方式在所述硅衬底表面加工而成。
可选的，所述柔性衬底的厚度为10μm～30μm。
为实现上述目的，本发明第二方面提供一种应力探测矩阵系统，该应力探测矩阵系统包括衬底与若干个应力探测装置，所述若干个应力探测装置按照预设的排布方式排布于所述衬底的表面；
所述应力探测装置为本发明第一方面提供的应力探测装置。
本发明实施例所提供的应力探测装置，相较于现有技术而言，本发明将二维层状材料片设置于柔性衬底的表面，然后再将二维层状材料片贴合于硅衬底的表面，与硅衬底中的凹槽形成一空腔，由于当外部应力使二维层状材料片处于悬空的区域发生形变时，便会改变二维层状材料片本身的电学特性，因此通过测量二维层状材料片中电信号的变化情况，即可间接测量出外部应力的大小，且由于二维层状材料对外力作用非常敏感，因此测量结果会具有较高的灵敏度与准确度。同时，上述装置结构较简单，可以根据需求来选择硅衬底与探测组件的尺寸，故还能够应用于微米级区域的应力测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中应力探测装置的切面示意图；
图2为本发明实施例中应力探测装置的立体结构示意图；
图3为本发明实施例中应力探测矩阵系统的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例中应力探测装置的切面示意图，本发明实施例中，上述装置包括硅衬底10与探测组件，硅衬底10设置有凹槽11，探测组件包括柔性衬底21、二维层状材料片22及探测电路。
其中，二维层状材料片22设置于柔性衬底21的表面，二维层状材料片22与硅衬底10的表面相贴合，且二维层状材料片22与凹槽11结合形成一空腔；凹槽11的两侧设置有电极12，探测电路与电极12电性连接。
其中，二维层状材料片22与电极12之间为欧姆接触关系，具有较低的阻抗。
为了更好的理解本发明实施例，请参照图2，图2为本发明实施例中应力探测装置的立体结构示意图。
其中，柔性衬底21为高分子有机聚合物，该高分子有机聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚二甲基硅氧烷中的至少一种，具有柔性可弯曲，高拉伸强度和较强的抗疲劳等特点。其中，衬底102的厚度为10μm～30μm。
另外，柔性衬底21的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将高分子有机聚合物粉末溶于特定的溶剂中，得到基于高分子有机聚合物的溶液；
步骤二：选取适量的高分子有机聚合物溶液于器皿中，置于烘干箱内烘干，得到相应的薄膜，该薄膜即可作为柔性衬底21使用。
其中，二维层状材料片22包括过渡金属硫化物和黑磷中的至少一种，其中，过渡金属硫化物为二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硒化钼、二硒化锆、二硫化锆、二硫化锡、二硒化锡、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化铼、二硫化铼和硒化铟中的至少一种。另外，二维层状材料片22可以通过化学气相沉积法生长制备或机械剥离法得到大面积高质量的单层和少层。
其中，二维层状材料片22为一种半导体材料，具有应力可调谐的电子能带特性。
具体地，将大面积单层或少层的二维层状材料片22转移到柔性衬底21表面，柔性衬底21受到外部环境的应力作用发生表面的形变，从而对二维层状材料片22表面提供相应的应力作用。另外，由于二维层状材料片22受到的是间接的应力作用，避免了材料直接与外部环境接触，可以有效的提高二维层状材料片22的使用寿命。
另外，柔性衬底21作为二维层状材料片22的载体，能够使得二维层状材料片22均匀的紧贴在硅衬底10的表面，还具有较高的抗疲劳性能，进一步增加了二维层状材料片22本身的机械强度。
其中，上述电极12是由凹槽11两侧使用热蒸镀或磁控溅射的方式沉积而成，用于对二维层状材料片22施加偏置电压，以及放大和探测通过二维层状材料片22本身的电流信号，以实现对外部应力变化的测量。
进一步地，上述探测电路包括驱动电路，该驱动电路用于对二维层状材料片22施加偏置电压。
同时，上述探测电路还包括电信号放大电路和应力探测电路，电信号放大电路用于放大二维层状材料片22中产生的电流信号，应力探测电路探测放大后的电路信号，根据探测到的电路信号的变化情况即可确定二维层状材料片22受到的应力。
其中，凹槽11是利用电子束曝光或双束刻蚀的方式在硅衬底10表面加工而成。具体地，凹槽11的宽度为10μm-50μm，长度为50μm-100μm，高度为5μm-20μm。凹槽11作为将二维层状材料片22悬空的器件，可以使得二维层状材料片22在受到应力作用时表面发生弯曲，进而改变了二维层状材料片22本身的电学特性，通过检测二维层状材料片22中电信号的变化情况，即可得到二维层状材料片22受到的应力。
本发明实施例所提供的应力探测装置，相较于现有技术而言，将二维层状材料片设置于柔性衬底的表面，然后覆盖于硅衬底表面，与硅衬底中的凹槽形成一空腔，由于当外部应力使二维层状材料片处于悬空的区域发生形变时，便会改变二维层状材料片本身的电学特性，因此通过测量二维层状材料片中电信号的变化情况，即可间接测量出外部应力的大小，且由于二维层状材料对外力作用非常敏感，因此测量结果会具有较高的灵敏度与准确度。同时，上述装置结构较简单，可以根据需求来选择硅衬底与探测组件的尺寸，故还能够应用于微米级区域的应力测量。
进一步地，参照图3，图3为本发明实施例中应力探测矩阵系统的结构示意图，上述应力探测矩阵系统包括衬底301与若干个应力探测装置302，若干个应力探测装置302按照预设的排布方式排布于衬底301的表面。
其中，应力探测装置302为本发明上述实施例所提供的应力探测装置，具体可参照上述实施例，在此不再赘述。
其中，上述若干个应力探测装置302之间相互独立，当外界对上述应力探测矩阵系统施加应力作用时，矩阵系统中的各个应力探测装置302能够独立的对所受到的应力作用进行相应的探测，因此该矩阵系统能够实现对应力分布的精确测量，测量精度取决于应力探测装置302的大小，探测范围在微米量级。
可以理解的是，若应力探测矩阵系统进行探测的区域中的应力分布不均匀时，各个应力探测装置302所检测到的应力也会不同，从而根据各个应力探测装置302所检测到的应力，即可得到检测区域的应力分布情况。
本发明实施例所提供的应力探测矩阵系统，将若干个应力探测装置302按照矩阵的排布方式排布在衬底301上，通过各个应力探测装置302探测到的应力进行处理分析，即可得到所探测区域所受到的应力的分布情况。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种应力探测装置与应力探测矩阵系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种应力探测装置，其特征在于，所述装置包括硅衬底与探测组件，所述硅衬底设置有凹槽，所述探测组件包括柔性衬底、二维层状材料片及探测电路；
所述二维层状材料片设置于所述柔性衬底的表面，所述二维层状材料片与所述硅衬底的表面相贴合，且所述二维层状材料片与所述凹槽结合形成一空腔；
所述凹槽的两侧设置有电极，所述探测电路与所述电极电性连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二维层状材料片与所述电极之间为欧姆接触关系。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性衬底为高分子有机聚合物，所述高分子有机聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二维层状材料片包括过渡金属硫化物和黑磷中的至少一种。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测电路包括驱动电路，所述驱动电路用于对所述二维层状材料片施加偏置电压。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述探测电路还包括电信号放大电路和应力探测电路，所述电信号放大电路用于放大所述二维层状材料片中产生的电信号，所述应力探测电路用于探测所述二维层状材料片中被放大的电信号。
7.如权利要求1至6任意一项所述的装置，其特征在于，所述凹槽是利用电子束曝光或双束刻蚀的方式在所述硅衬底表面加工而成。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述柔性衬底的厚度为10μm～30μm。
9.一种应力探测矩阵系统，其特征在于，所述应力探测矩阵系统包括衬底与若干个应力探测装置，所述若干个应力探测装置按照预设的排布方式排布于所述衬底的表面；
所述应力探测装置为权利要求1至8中任意一项所述的应力探测装置。
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