CN109373889A - 一种金属应变感知器件及其制造方法及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳光机电系统相关技术领域，其公开了金属应变感知器件及其制造方法及使用方法，所述金属应变感知器件包括为柔性可拉伸结构，其包括硅光栅基底及形成在所述硅光栅基底上的金属薄膜层，所述硅光栅基底为柔性可拉伸基底，其具有可拉伸性及弯曲性；所述金属应变感知器件形成有应变感知区，所述应变感知区的电阻值随着所述金属感应器件的应变值的变化而变化；所述金属应变感知器件通过自身的电阻变化量来实现应变量的测量。本发明提供的金属应变感知器件具有可拉伸性和弯曲性，降低了制备成本，提高了效率。
Description
技术领域
本发明属于维纳光机电系统相关技术领域，更具体地，涉及一种基于柔性可拉伸光栅基底的金属应变感知器件及其制造方法及使用方法。
背景技术
应变感知器件是根据半导体或者半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化这一原理来制作的。目前，采用较多的为光纤光栅传感器来测量应变，但是光纤光栅一般太细太脆且不能弯折，给实际使用带来了较多的不便。
现阶段，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利CN106441376A公开了一种石墨栅柔性电阻应变片及其制造方法，所述石墨栅柔性电阻应变片能够产生较大的形变，精度较高，制造相对简单，但是所述石墨栅柔性电阻应变片不具备可拉伸性，适用性较差。相应地，本领域存在着发展一种可拉伸的金属应变感知器件及其制造方法及使用方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属应变感知器件及其制造方法及使用方法，其基于现有应变感知器件的工作特点，研究及设计了一种可拉伸的金属应变感知器件及其制造方法及使用方法。所述金属应变感知器件由柔性可拉伸材料在硅光栅模板上复制成型，并溅射金属薄膜层来实现，该方式能够充分发挥光栅基底的可拉伸性及弯曲性，能够对由外界应变引起的金属应变感知器件的电阻变化进行精确测量，且使得制备成本较低，效率高且能够批量化复制成型生产。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属应变感知器件，所述金属应变感知器件为柔性可拉伸结构，其包括硅光栅基底及形成在所述硅光栅基底上的金属薄膜层，所述硅光栅基底为柔性可拉伸基底，其具有可拉伸性及弯曲性；
所述金属应变感知器件形成有应变感知区，所述应变感知区的电阻值随着所述金属感应器件的应变值的变化而变化；所述金属应变感知器件通过自身的电阻变化量来实现应变量的测量。
进一步地，所述硅光栅基底形成有多个间隔设置的光栅，所述光栅位于所述应变感知区内。
进一步地，所述金属薄膜层的厚度为10纳米-10000纳米。
进一步地，所述金属薄膜层的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt及Cr中的任一种。
按照本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的金属应变感知器件的制造方法，该制造方法包括以下步骤：
(1)制备硅光栅模板，并对所述硅光栅模板进行疏水处理；
(2)将所述硅光栅模板放置于制备好的轮廓成形模具的成型区域上后，将配置得到的未固化柔性可拉伸材料溶液旋涂在所述硅光栅模板上并进行固化；接着，将得到的样品进行剥离以得到所述硅光栅基底；
(3)在所述硅光栅基底上沉积得到所述金属薄膜层，由此得到所述金属应变感知器件。
进一步地，步骤(1)中，将制备得到的所述硅光栅模板放置在疏水硅烷中浸泡5分钟～15分钟，使得所述硅光栅模板的表面改变为疏水表面。
进一步地，所述柔性可拉伸材料包括PDMS材料、PMMA材料及硫化玻璃中的一种。
进一步地，步骤(2)中的固化是在温度50℃～200℃下固化5分钟～120分钟。
本发明还提供了一种如上所述的金属应变感知器件的使用方法，该使用方法包括以下步骤：
(1)将所述金属应变感知器件的两端连接电阻测量仪，并记录下所述金属应变感知器件的初始电阻值R0；
(2)所述电阻测量仪记录所述金属应变感知器件受外力F作用时的实时电阻值R，并采用应变测量仪记录下所述金属应变感知器件的实时应变量S；
(3)建立所述应变量S和对应的实时电阻变化值ΔR之间的关系式，进而结合所述关系式及对应的电阻变化值来获得被测物体的应变量。
进一步地，所述关系式为：
ΔR＝R-R0＝f(S) (1)。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的金属应变感知器件及其制造方法及使用方法主要具有以下有益效果：
1.所述金属应变感知器件为柔性可拉伸结构，其包括硅光栅基底及形成在所述硅光栅基底上的金属薄膜层，成功地解决了传统的应变片不具备柔性和可拉伸性的不足之处，具有高可弯性和拉伸性，为柔性可拉伸应变感知器件在柔性光电、智能感知器件等领域的应用提供了基础。
2.所述金属应变感知器件是采用基于纳米复制成型的相关材料及工艺方案，制备耗时短，成本低。
3.所述硅光栅基底形成有多个间隔设置的光栅，所述光栅位于所述应变感知区内，应变感知区采用光栅结构，能够减少应变作用对所述金属应变感知器件产生的疲劳损耗，同时，增加了小应变范围的检测精度。
4.所述硅光栅基底为柔性可拉伸基底，其具有可拉伸性及弯曲性，当外界作用产生变形时，所述金属应变感知器件的结构形变会反应在所述金属应变感知器件输出电阻值的变化上，通过电阻值的变化量信息能够实时对外界应变进行检测。
附图说明
图1是本发明提供的金属应变感知器件的结构示意图。
图2是图1中的金属应变感知器件的另一个角度的示意图。
图3是图1中的金属应变感知器件的制造方法的流程示意图。
图4是图3中的金属应变感知器件的制造方法涉及的轮廓成形模具的示意图。
图5是采用图1中的金属应变感知器件的使用方法得到的金属应变感知器件的应变响应图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：6-应变感知区，7-第一夹持部，8-第二夹持部，9-硅光栅模板，10-疏水层，11-轮廓成形模具，12-成型区域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的金属应变感知器件基本呈工字型，其包括硅光栅基底及形成在所述硅光栅基底上的金属薄膜层，所述硅光栅基底为柔性可拉伸基底，其具有可拉伸性及弯曲性。所述硅光栅基底具有多个光栅，多个所述光栅间隔设置。参见图1，图1中的1表示所述硅光栅基底的厚度，2表示所述金属薄膜层的厚度，3表示所述光栅的周期长度，宽度如4所示，高度如5所示。
本实施方式中，所述金属应变感知器件的中部形成有应变感知区6，所述光栅位于所述应变感知区6内。所述应变感知区6的电阻值随着应变值的改变而改变，通过实时测量电阻值来精确的计算出应力应变值。所述金属应变感知器件通过几何结构的形变来对外界物理量中的应变进行感知，并通过其自身电阻值的变化对应变量进行高灵敏度的测量。所述金属应变感知器件具有柔性及可拉伸性，其两端分别形成有第一夹持部7及第二夹持部8，所述第一夹持部7及所述第二夹持部8分别连接于所述应变感知区6。使用时，所述金属应变感知器件通过所述第一夹持部7及所述第二夹持部8连接于待检测对象上。
请参阅图3及图4，本发明提供的金属应变感知器件的制造方法包括以下步骤：
(1)制备硅光栅模板。选定光栅周期、光栅高度和占空比等参数后，采用电子束刻蚀法或者深度紫外线刻蚀法制备硅光栅模板9。
(2)硅光栅模板的表面疏水处理。具体地，将制备好的所述硅光栅模板9放置在疏水硅烷中浸泡5～15分钟，使得所述硅光栅模板9的表面性能改变为疏水表面，由此得到表面疏水层10。
(3)制备轮廓成形模具。具体地，设定所述金属应变感知器件的长度、宽度和所述应变感知区6的大小，并采用树脂材料制备对应的轮廓成形模具11，所述轮廓成形模具11形成有成型区域12。所述轮廓成形模具与所述金属应变感知器件的外形相符。
(4)配置柔性可拉伸材料。具体地，所述柔性可拉伸材料具有弯曲、拉伸等形变能力，并满足纳米复制成型工艺的一类弹塑性材料。本实施方式以PDMS材料为例，将未固化的PDMS和固化剂按照预定的体积比混合后进行搅拌，使得未固化PDMS材料与固化剂混合均匀；最后将得到的混合液置于真空箱内进行预定时间的脱气处理。其中，所述预定的体积比为1:15～1:3；所述预定时间为10分钟～60分钟。在其他实施方式中，所述柔性可拉伸材料还可以为PMMA、硫化玻璃等。
(5)制作硅光栅基底。将制备好的所述硅光栅模板9放置于所述轮廓成形模具11的成型区域12上后，将配置得到的未固化PDMS溶液旋涂在所述硅光栅模板9的填充区域内以形成所述硅光栅基底；接着，将得到的样品放置于烘箱内，并在温度50℃～200℃下固化5分钟～120分钟。
(6)剥离所述硅光栅基底。具体地，将固化在所述轮廓成形模具11上的固化PDMS样品自所述轮廓成形模具11中剥离；接着，将所述硅光栅模板9剥离掉，以得到柔性可拉伸的硅光栅基底。
(7)制备金属薄膜层。具体地，采用电子束蒸镀或者磁控溅射的方式将金属薄膜沉积在所述硅光栅基底上，由此制造得到基于柔性可拉伸基底的金属应变感知器件。本实施方式中，所述金属薄膜层的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt及Cr中的任一种；所述金属薄膜层的厚度为10纳米-10000纳米。
请参阅图5，本发明还提供了如上所述的金属应变感知器件的使用方法，该使用方法包括以下步骤：
(1)将金属应变感知器件固定在拉伸机构两端，并将所述金属应变感知器件的两端连接电阻测量仪，并记录下所述金属应变感知器件的初始电阻值R0。
(2)所述电阻测量仪记录所述金属应变感知器件受外力F作用时的实时电阻值R，并采用高精度应变测量仪记录下所述金属应变感知器件的实时应变量S。
(3)建立所述应变量S和对应的实时电阻变化值ΔR之间的关系式，如此通过实时的电阻变化值及所述关系式来得到实际环境状态下的应变量。具体地，所述关系式如公式(1)所示：
ΔR＝R-R0＝f(S) (1)
采用以上方法获得所述金属应变感知器件的电阻值随着应变量的变化而变化，在0-25％的应变范围内，存在线性规律性。
本发明提供的金属应变感知器件及其制造方法及使用方法，所述金属应变感知器件通过可拉伸光栅基底及其上表面金属薄膜层的几何结构形变，能够对外界物理量中的应变进行感知，并通过金属应变感知器件的电阻值的变化对应变量进行高灵敏度的测量。此外，所述金属应变感知器件具有柔性及可拉伸性，有利于在智能感知、智能医疗等领域的广泛应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属应变感知器件，其特征在于：
所述金属应变感知器件为柔性可拉伸结构，其包括硅光栅基底及形成在所述硅光栅基底上的金属薄膜层，所述硅光栅基底为柔性可拉伸基底，其具有可拉伸性及弯曲性；
所述金属应变感知器件形成有应变感知区，所述应变感知区的电阻值随着所述金属感应器件的应变值的变化而变化；所述金属应变感知器件通过自身的电阻变化量来实现应变量的测量。
2.如权利要求1所述的金属应变感知器件，其特征在于：所述硅光栅基底形成有多个间隔设置的光栅，所述光栅位于所述应变感知区内。
3.如权利要求1所述的金属应变感知器件，其特征在于：所述金属薄膜层的厚度为10纳米-10000纳米。
4.如权利要求1-3任一项所述的金属应变感知器件，其特征在于：所述金属薄膜层的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt及Cr中的任一种。
5.一种权利要求1-4任一项所述的金属应变感知器件的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)制备硅光栅模板，并对所述硅光栅模板进行疏水处理；
(2)将所述硅光栅模板放置于制备好的轮廓成形模具的成型区域上后，将配置得到的未固化柔性可拉伸材料溶液旋涂在所述硅光栅模板上并进行固化；接着，将得到的样品进行剥离以得到所述硅光栅基底；
(3)在所述硅光栅基底上沉积得到所述金属薄膜层，由此得到所述金属应变感知器件。
6.如权利要求5所述的金属应变感知器件的制造方法，其特征在于：步骤(1)中，将制备得到的所述硅光栅模板放置在疏水硅烷中浸泡5分钟～15分钟，使得所述硅光栅模板的表面改变为疏水表面。
7.如权利要求5所述的金属应变感知器件的制造方法，其特征在于：所述柔性可拉伸材料包括PDMS材料、PMMA材料及硫化玻璃中的一种。
8.如权利要求5所述的金属应变感知器件的制造方法，其特征在于：步骤(2)中的固化是在温度50℃～200℃下固化5分钟～120分钟。
9.一种如权利要求1-4任一项所述的金属应变感知器件的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
(1)将所述金属应变感知器件的两端连接电阻测量仪，并记录下所述金属应变感知器件的初始电阻值R0；
(2)所述电阻测量仪记录所述金属应变感知器件受外力F作用时的实时电阻值R，并采用应变测量仪记录下所述金属应变感知器件的实时应变量S；
(3)建立所述应变量S和对应的实时电阻变化值ΔR之间的关系式，进而结合所述关系式及对应的电阻变化值来获得被测物体的应变量。
10.如权利要求9所述的金属应变感知器件的使用方法，其特征在于：所述关系式为：
ΔR＝R-R0＝f(S) (1)。
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