CN109631811A - 振弦式应变传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明振弦式应变传感器及其制作方法，属于应变传感器领域，目的是提高振弦式传感器其灵敏度及使用寿命。包括基座和振弦；所述振弦为碳纳米管；所述基座沿其纵向的两端设置有向下凹陷的缺口，在缺口内填充有镀金层；在基座与镀金层之间设置有用于安装振弦的凹槽，所述凹槽包括凹槽一和凹槽二，所述凹槽一沿基座的中心线刻蚀于所述基座上，所述凹槽二沿基座的中心线刻蚀于所述镀金层，且所述凹槽一的两端分别与凹槽二相连通；所述振弦设置于凹槽一内，其两端延伸至凹槽二内，并经银浆固定于凹槽二内。本发明采用碳纳米管作为振弦，极大地提高了传感器的灵敏度；而碳纳米管通过银浆与镀金层上相配合将碳纳米管固定，长期稳定性好，不容易发生连接失效。

Description

振弦式应变传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于应变传感器技术领域，具体涉及一种适合电磁感应方式激荡，使用含有金属杂质的碳纳米管作应变结构的振弦式应变传感器。

背景技术

振弦式应变传感器是一种用振弦的方式来测量的应变传感器。当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量。振弦式应变传感器无须电流、以频率为传输信号、抗干扰能力强、长距离传输不失真、安装方便、可重复使用，而且本身具有温度监测功能，不需另外设置温度传感器。

目前国内使用的振弦式应变传感器，通常采用钢弦作为振弦，钢弦的两端通常通过螺栓等固定。然而由于钢弦初张后存在蠕变，使得振弦式应变传感器使用期普遍较短，灵敏度较低，且恶劣的测量环境对其准确性也产生重要影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种振弦式应变传感器及其制作方法，以提高振弦式传感器其灵敏度及使用寿命。

本发明采用的技术方案是：振弦式应变传感器，包括基座和振弦；所述振弦为碳纳米管；所述基座沿其纵向的两端设置有向下凹陷的缺口，在缺口内填充有镀金层；在基座与镀金层之间设置有用于安装振弦的凹槽，所述凹槽包括凹槽一和凹槽二，所述凹槽一沿基座的中心线刻蚀于所述基座上，所述凹槽二沿基座的中心线刻蚀于所述镀金层，且所述凹槽一的两端分别与凹槽二相连通；所述振弦设置于凹槽一内，其两端延伸至凹槽二内，并经银浆凝固固结于所述凹槽二内。

进一步的，沿竖直方向，所述凹槽二的槽底位于所述凹槽一的槽底的上方。

进一步的，所述凹槽一的槽底与所述缺口的顶面共面。

进一步的，所述凹槽二内填充满银浆。

进一步的，所述凹槽二的中心线与所述凹槽一的中心线在同一水平投影面上相重合，且所述凹槽二的宽度大于所述凹槽一的宽度。

进一步的，所述基座为氧化铝基片。

振弦式应变传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、采用刻蚀法，沿基座纵向将基座两端向下刻蚀形成缺口，使得刻蚀完成后的基座呈凸字形；

步骤二、通过磁控溅射在法基座两端的缺口处镀上镀金层；

步骤三、在步骤二中形成的带有镀金层的基座上，沿基座中心线方向刻蚀凹槽；

步骤四、在扫描隧道显微镜下，使用探针尖将碳纳米管移动至步骤三中形成的凹槽内，并在碳纳米管的两端各滴入适量的银浆，银浆填满镀金层上开设的凹槽二，并在室温下干燥两天。

进一步的，在步骤一与步骤二之间，采用去离子水洗净基座上残留的刻蚀液，并在真空干燥箱内对基座进行干燥。

进一步的，步骤二中，镀金层的厚度等于缺口的厚度。

进一步的，所述镀金层的厚度大于碳纳米管直径的2倍。

本发明的有益效果是：本发明通过采用弹性模量和强度较大的碳纳米管作为振弦，在感受微小应力变化时，其能产生更加明显的应变效果，从而极大地提高了振弦式应变传感器的灵敏度；而碳纳米管通过银浆与镀金层上相配合将碳纳米管固定，长期稳定性好，不容易发生连接失效，即便在恶劣的环境下依旧能精确测量出被测物体的应变。而在碳纳米管安装时，采用刻蚀法进行凹槽的制作，采用磁控溅射法进行镀膜，提高了碳纳米管的安装精度，更利于保证本振弦式应变传感器的高灵敏度。

附图说明

图1为本发明振弦式应变传感器的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图。

图中，基座1、缺口11、振弦2、镀金层3、凹槽4、凹槽一41、凹槽二42。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：

振弦式应变传感器，包括基座1和振弦2；所述振弦2为碳纳米管；所述基座1沿其纵向的两端设置有向下凹陷的缺口11，在缺口11内填充有镀金层3；在基座1与镀金层3之间设置有用于安装振弦2的凹槽4，所述凹槽4包括凹槽一41和凹槽二42，所述凹槽一41沿基座1的中心线刻蚀于所述基座1上，所述凹槽二42沿基座1的中心线刻蚀于所述镀金层3，且所述凹槽一41的两端分别与凹槽二42相连通；所述振弦2设置于凹槽一41内，其两端延伸至凹槽二42内，并经银浆凝固固结于所述凹槽二42内。

本发明基座1用于安装振弦2，其可以为氧化锆基片或者氧化铝基片等。

本发明采用弹性模量和强度较大的碳纳米管作为振弦2，使得振弦2在感受微小应力变化时，其能产生更加明显的应变效果，从而极大地提高了振弦式应变传感器的灵敏度；而振弦2安装时，利用在基座1沿其纵向的两端设置有向下凹陷的缺口11使得基座1呈凸字形，配合凹槽4的设置，从而起到将振弦2悬置的目的，避免振弦2的两侧直接暴露于基片外，从振弦2的两侧起到保护作用，避免振弦2两侧直接受到外界作用力而影响振弦2的振幅，从而输出错误的信号，保证了本振弦式应变传感器的精度度；振弦2的固定经过镀金层3和银浆来完成，镀金层3起到固定振弦2作用的同时起到引出电极的作用，镀金层3和银浆具有稳定的耐酸碱性、抗氧化性及抗高温性等化学性质，长期稳定性好，不容易发生连接失效，可明显提高振弦式传感器的使用寿命。

而在碳纳米管安装时，采用刻蚀法进行凹槽的制作，采用磁控溅射法进行镀膜，提高了碳纳米管的安装精度，更利于保证本振弦式应变传感器的高灵敏度。

优选的，沿竖直方向，所述凹槽二42的槽底位于所述凹槽一41的槽底的上方。

该结构，当碳纳米管安装后，能够保证碳纳米管悬空于凹槽一41内，保证碳纳米管良好的振动性能。

凹槽一41的深度可以大于镀金层3的厚度。凹槽一41主要起到放置碳纳米管以及为碳纳米管提供振动空间，在基座1厚度确定的情况下，凹槽一41的深度越深，会削弱氧化铝基片结构的稳定性，而凹槽一41的深度越浅，碳纳米管的振动空间受限。最优的，所述凹槽一41的槽底与所述缺口11的顶面共面。用于碳纳米管通过镀金层3和银浆固定，凹槽二42沿镀金层3的厚度方向不允许贯穿镀金层3。镀金层3的厚度需大于2倍碳纳米管的直径，以免弯曲过程中触碰到氧化铝基片。故，该设置能够保证凹槽一41满足碳纳米管振动空间需求的同时，保证基座1的稳定性。

为了确保碳纳米管固定的牢固性，优选的，所述凹槽二42内填充满银浆。

凹槽二42的宽度可以与所述凹槽一41的宽度相等，但是，为了提高增加银浆的凝固量，提高碳纳米管固定的牢固性，优选的，所述凹槽二42的中心线与所述凹槽一41的中心线在同一水平投影面上相重合，且所述凹槽二42的宽度大于所述凹槽一41的宽度。凹槽二42的中心线与所述凹槽一41的中心线在同一水平投影面上相重合，提高碳纳米管两侧银浆凝固量分布的均匀性，使得碳纳米管两侧的受力处于均匀。凹槽二42的宽度通常比凹槽一41的宽度大0-5nm。

由上述实施方式可知，基座1可以为氧化锆基片等，优选的，所述基座1为氧化铝基片。氧化铝基片具有高绝缘性、抗电击穿、耐高温、耐磨损、高强度等极佳的物理综合性能，能适应恶劣的外界环境，在潮湿的环境中其耐腐蚀性能等能够得到保证，从而利于延长该振弦传感器的使用寿命。

振弦式应变传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、采用刻蚀法，沿基座1纵向将基座1两端向下刻蚀形成缺口11，使得刻蚀完成后的基座1呈凸字形；

步骤二、通过磁控溅射在法基座1两端的缺口11处镀上镀金层3；

步骤三、在步骤二中形成的带有镀金层3的基座1上，沿基座1中心线方向刻蚀凹槽4；

步骤四、在扫描隧道显微镜下，使用探针尖将碳纳米管移动至步骤三中形成的凹槽4内，并在碳纳米管的两端各滴入适量的银浆，银浆填满镀金层3上开设的凹槽二42，并在室温下干燥两天。

步骤一中，采用刻蚀法加工基座1，保证了基座1的制作精度；步骤二中采用磁控溅射进行镀金层3的制作，保证了镀金层3的均匀一致性，确保了镀金层3的精度，再通过刻蚀法制作凹槽4，最终保证了振弦2的安装精度，消除安装误差对振弦式应变传感器灵敏度的影响；步骤四中，将银浆在室温下固化，使导电银微粒在合成树脂中形成较为紧密的连接，保证银浆的导电性能不会受到影响，也保证了从而保证了碳纳米管固定的稳定可靠性。通过该制作方法制作出的振弦式应变传感器，其高灵敏度高，使用寿命长。

为了保证基座1的清洁度，避免刻蚀液残留物影响镀金层3的设置精度及其稳定性，优选的，在步骤一与步骤二之间，采用去离子水洗净基座1上残留的刻蚀液，并在真空干燥箱内对基座1进行干燥。

镀金层3的厚度若大于缺口11的厚度，不便于保证镀膜精度的同时还浪费材料；镀金层3的厚度若小于缺口11的厚度，那么凹槽二42的深度缩小，影响碳纳米管固定的稳固性。最优的，步骤二中，镀金层3的厚度等于缺口11的厚度。

优选的，所述镀金层3的厚度大于两倍碳纳米管的直径。镀金层3的厚度需要大于两倍碳纳米管的直径，以免碳纳米管弯曲过程中触碰到氧化铝基片。

本发明采用的碳纳米管可以为任意规格的碳纳米管，但是采用直径10～30nm，长度15～30μm的常规碳纳米管最优。若碳纳米管直径太小，会影响到后面碳纳米管的移动、定位，而大直径的碳纳米管由于现在制备技术所限制，制备难度很大。

实施例：利用如下材料制作振弦式应变传感器：

基座1采用氧化铝陶瓷基片，氧化铝陶瓷基片的尺寸为2mm×1mm×1μm；碳纳米管的直径为20nm，长度为20μm；镀Au薄层厚度为50nm。

步骤一：将一块2×1×1μm的氧化铝陶瓷基片，采用刻蚀法，沿氧化铝基片纵向将基片两端向下刻蚀50nm，刻蚀后的基片成“凸”字形，“凸”字形两侧的缺口11之间的距离为19μm；

步骤二：采用去离子水洗净氧化铝陶瓷基片残留的刻蚀液，真空干燥箱内干燥，通过磁控溅射在基片被刻蚀掉的缺口11上镀一层厚度为50nm薄镀金层3；

步骤三：在步骤二中制备的基片上，沿中心线刻蚀一条“工”字形凹槽，凹槽尺寸选择如下：

1、在氧化铝陶瓷基片上刻蚀长度为19μm、宽度为25nm、深度为50nm的凹槽一41；

2、在缺口11的镀金层3上刻蚀长度为0.5μm、宽度为28nm、深度为30nm的凹槽二42；

步骤四：扫描隧道显微镜下，在步骤三制备的凹槽内使用探针尖移动一根直径20nm、长度20μm的碳纳米管，在碳纳米管的两端对应的凹槽二42内各滴入适量的银浆，银浆填满凹槽二42，并在室温下干燥2d。

最后，得到振弦式应变传感器，对该振弦式应变传感器与传统的钢弦应变传感器进行应变效果试验，对该两种应变传感器同时施加同样微小应力，发现该振弦式应变传感器产生的应变效果更加明显。

Claims (10)

1.振弦式应变传感器，包括基座(1)和振弦(2)；其特征在于：所述振弦(2)为碳纳米管；所述基座(1)沿其纵向的两端设置有向下凹陷的缺口(11)，在缺口(11)内填充有镀金层(3)；在基座(1)与镀金层(3)之间设置有用于安装振弦(2)的凹槽(4)，所述凹槽(4)包括凹槽一(41)和凹槽二(42)，所述凹槽一(41)沿基座(1)的中心线刻蚀于所述基座(1)上，所述凹槽二(42)沿基座(1)的中心线刻蚀于所述镀金层(3)，且所述凹槽一(41)的两端分别与凹槽二(42)相连通；所述振弦(2)设置于凹槽一(41)内，其两端延伸至凹槽二(42)内，并经银浆凝固固结于所述凹槽二(42)内。

2.如权利要求1所述的振弦式应变传感器，其特征在于：沿竖直方向，所述凹槽二(42)的槽底位于所述凹槽一(41)的槽底的上方。

3.如权利要求1或2所述的振弦式应变传感器，其特征在于：所述凹槽一(41)的槽底与所述缺口(11)的顶面共面。

4.如权利要求1-3任意一项所述的振弦式应变传感器，其特征在于：所述凹槽二(42)内填充满银浆。

5.如权利要求1-4任意一项权利要求所述的振弦式应变传感器，其特征在于：所述凹槽二(42)的中心线与所述凹槽一(41)的中心线在同一水平投影面上相重合，且所述凹槽二(42)的宽度大于所述凹槽一(41)的宽度。

6.如权利要求1-5任意一项权利要求所述的振弦式应变传感器，其特征在于：所述基座(1)为氧化铝基片。

7.如权利要求1-6任意一项权利要求所述的振弦式应变传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、采用刻蚀法，沿基座(1)纵向将基座(1)两端向下刻蚀形成缺口(11)，使得刻蚀完成后的基座(1)呈凸字形；

步骤二、通过磁控溅射在法基座(1)两端的缺口(11)处镀上镀金层(3)；

步骤三、在步骤二中形成的带有镀金层(3)的基座(1)上，沿基座(1)中心线方向刻蚀凹槽(4)；

步骤四、在扫描隧道显微镜下，使用探针尖将碳纳米管移动至步骤三中形成的凹槽(4)内，并在碳纳米管的两端各滴入适量的银浆，银浆填满镀金层(3)上开设的凹槽二(42)，并在室温下干燥两天。

8.如权利要求7所述的振弦式应变传感器的制作方法，其特征在于：在步骤一与步骤二之间，采用去离子水洗净基座(1)上残留的刻蚀液，并在真空干燥箱内对基座(1)进行干燥。

9.如权利要求7或8所述的振弦式应变传感器的制作方法，其特征在于：步骤二中，镀金层(3)的厚度等于缺口(11)的厚度。

10.如权利要求7或8或9所述的振弦式应变传感器的制作方法，其特征在于：所述镀金层(3)的厚度大于碳纳米管直径的2倍。