CN110082026A - 气压检测设备及其制作方法、气压检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气压检测设备及其制作方法、气压检测方法，该气压检测设备包括进气机构以及压敏膜片，进气机构具有进气腔室，进气腔室设有进气口以及与进气口连通的检测口，压敏膜片包括弹性衬底和金属应变层，弹性衬底覆盖检测口，金属应变层设置在弹性衬底的背向进气腔室的一侧，且金属应变层的位置与检测口对应。上述气压检测设备测试时灵敏度高、有效使用次数多、寿命长、响应速度快，操作简单且制作成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及气体压强检测领域，特别是涉及一种气压检测设备及其制作方法、气压检测方法。
背景技术
气压传感器的主要作用是把气体信号转化为可读出的电信号或者其它物理信号，进而实现对压力的检测。气压传感器在工业过程监控、环境检测、航空、医疗及健康监测上有着非常重要的应用。
传统的气压传感器是基于电学检测的，如压电式气压传感器、陶瓷气压传感器、扩散硅气压传感器、蓝宝石气压传感器等。这类气压传感器的原理在于：当检测环境中存在气体压强时，由于压阻或者压电效应，压敏膜片的电阻或电容随气体压强的变化而发生变化，通过配套电路可将电阻或电容变化量转换为气体压强的大小，从而实现气体压强的测量。电学气压传感器有响应速度快、探测极限低、可探测压强范围大等优点，但其存在测试电路较为复杂、温度敏感性高的缺点。
近年来，光纤气压传感器成为一个研究热点。例如，利用Fabry–Pérot(FP)干涉，研究者在中空的光子带隙光纤中实现了灵敏度为4.24nm/MPa的气压传感，其原理在于外部压力会使压敏膜片发生位置和形状的改变，从而改变FP腔的腔长和谐振波长，通过监控FP腔的腔长或谐振波长的变化，即可确定施加的气体压强大小。此外，利用光纤布拉格光栅和Mach-Zehnder干涉也可以实现气压的检测。光纤气压传感器结构相对简单，制备和使用方便，而且不受电磁干扰。但是，这类传感器存在以下问题：压敏膜片往往杨氏模量较大，且利用传统的加工方法难以把膜片加工得很薄，因此对于压力造成位移或者形变较小，导致灵敏度较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高灵敏度的气压检测设备及其制作方法、气压检测方法。
一种气压检测设备，包括进气机构以及压敏膜片，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，所述压敏膜片包括弹性衬底和金属应变层，所述弹性衬底覆盖所述检测口，所述金属应变层设置在所述弹性衬底的背向所述进气腔室的一侧，且所述金属应变层的位置与所述检测口对应。
在其中一个实施例中，所述金属应变层为自然状态下平坦的金属薄膜。
在其中一个实施例中，所述金属应变层的厚度为50nm～10000nm。
在其中一个实施例中，所述金属应变层为周期性金属纳米阵列。
在其中一个实施例中，所述金属应变层的周期尺寸为300nm～100000nm。
在其中一个实施例中，所述金属应变层设有多个凹槽，多个所述凹槽呈阵列分布。
在其中一个实施例中，所述凹槽的深度为50nm～1000nm；和/或
所述凹槽的开口宽度为150nm～400nm。
在其中一个实施例中，所述弹性衬底的材质为橡胶；和/或
所述金属应变层的材质为金、银或铝。
在其中一个实施例中，所述进气机构还包括进气管，所述进气管与所述进气口连通。
一种气压检测设备的制作方法，包括以下步骤：
在弹性衬底上形成金属应变层；
获取进气机构，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，将所述弹性衬底的远离所述金属应变层的一侧覆盖所述检测口，并使所述金属应变层的位置与所述检测口对应。
在其中一个实施例中，在所述弹性衬底上形成所述金属应变层的方法为溅射或蒸镀。
一种气压检测方法，采用上述任一实施例的气压检测设备，所述气压检测方法包括以下步骤：
将所述进气机构的进气口与待测环境连通；
检测连通前后所述金属应变层表面的光学参数的变化以得到所述待测环境的气压。
在其中一个实施例中，所述金属应变层为自然状态下平坦的金属薄膜，所述光学参数为光反射率。
在其中一个实施例中，所述金属应变层为周期性金属纳米阵列，所述光学参数为光反射率或谐振波长。
在其中一个实施例中，所述光反射率为所述金属应变层在波长为550nm～750nm的光照下的反射率。
与现有方案相比，本发明具有以下有益效果：
采用上述气压检测设备测试时，进气腔室通过进气口与待测环境连通。在一定的气压环境下，弹性衬底受到单边气体压强，会发生形变，形成一个凸起的弧面，弹性衬底上的金属应变层的表面形貌将发生较大的形变，而使得其表面光学参数发生变化，通过检测连通前后光学参数的变化，即可推出待测环境的气压。
上述气压检测设备创造性地引入了弹性衬底，利用弹性衬底上金属薄膜光滑度的(“镜面-粗糙面”)转变，或者弹性衬底上的周期性金属纳米阵列的几何形变，把微小的气体压强变化转化为金属薄膜或周期性金属纳米阵列的谐振波长的移动量和反射率的变化，从而实现施加气体压强的测量。由于弹性衬底具有一定的形变能力，金属应变层与弹性衬底之间的应力将大大减少，这样减少了金属应变层在形变过程中从弹性衬底的脱落几率，增加了检测设备的有效使用次数(>200次)和寿命。
上述气压检测设备具有非常高的灵敏度，灵敏度可以达到0.43nm/KPa，比基于FP腔的光纤气压传感器高2-3个数量级。同时，上述气压检测设备具有较快的响应速度，操作简单，相对较低的制作成本，可以广泛应用到实际的气压检测中。
附图说明
图1为一实施例的气压检测设备的结构示意图；
图2为图1所示气压检测设备中进气机构的竖向剖视图；
图3为图1所示气压检测设备中进气机构的横向剖视图；
图4为图1所示气压检测设备中压敏膜片在通气前后的形貌变化示意图；
图5为另一实施例的气压检测设备的结构示意图；
图6为图5所示气压检测设备中压敏膜片在通气前后的形貌变化示意图；
图7为实施例1中气压检测设备在通入20KPa的氮气和卸载气体后，金属应变层的光发射谱图；
图8为实施例1中气压检测设备在通入20KPa的氮气和卸载气体后，金属应变层的光学反差示意图；
图9为实施例1中气压检测设备在通入20KPa的氮气和卸掉氮气200个循环内，金属应变层的反射率变化示意图；
图10为实施例2中在设有周期性纳米凹槽阵列的硅片上成型弹性衬底的示意图；
图11为在图9形成的弹性衬底上成型金属应变层的示意图；
图12为实施例2中气压检测设备在通入1～20KPa的氮气和卸载气体后，金属应变层的光发射谱图；
图13为实施例2中金属应变层的谐振波长和施加气体压强的关系曲线图；
图14为实施例2中金属应变层的光学反差和施加气体压强的关系曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1和图5所示，本发明一实施例的气压检测设备100，包括进气机构120以及压敏膜片140。
其中，进气机构120具有进气腔室122，进气腔室122设有进气口124以及与进气口124连通的检测口126。
压敏膜片140包括弹性衬底142和金属应变层144，弹性衬底142覆盖检测口126，金属应变层144设置在弹性衬底142的背向进气腔室122的一侧，且金属应变层144与检测口126的位置对应。
采用上述气压检测设备100测试时，进气腔室122通过进气口124与测试环境连通。在一定的气压环境下，弹性衬底142受到单边气体压强，会发生膨胀，形成一个凸起的弧面，柔性衬底上的金属应变层144(金属薄膜或周期性金属纳米阵列)的表面形貌将发生较大的形变。
如图1所示，在其中一个示例中，金属应变层144为自然状态下平坦的金属薄膜。
如图4所示，对于金属薄膜而言，气压加载会使金属薄膜拉伸，从而呈现一个凸面镜(光滑)的外观，具有非常高的镜面反射率，而当气压卸载时，由于收缩作用，金属薄膜会呈现一个平面的磨砂玻璃(粗糙)外观，镜面反射率几乎降到零。因此，可以通过检测金属薄膜的镜面反射率的变化来检测施加的气压值。
进一步地，金属应变层144的厚度可选择为50nm～10000nm，例如100nm、500nm、1000nm、5000nm。
如图5所示，在其中一个示例中，金属应变层144为周期性金属纳米阵列。
如图6所示，对于周期性金属纳米阵列而言，气压加载会使周期性金属纳米阵列拉伸，进而改变金属纳米结构的周期和几何形状，从而产生谐振波长的移动和镜面反射率的变化。因此，可以通过监控周期性金属纳米阵列的谐振波长的移动量和镜面反射率的变化来检测施加的气压值。
在本示例中，金属应变层144的周期尺寸会影响其谐振波长(即工作波长)的位置。在其中一个示例中，金属应变层144的周期尺寸优选为300nm～100000nm，例如700nm、1000nm、3000nm、5000nm。
在图5所示的具体示例中，金属应变层144设有多个凹槽，多个凹槽呈阵列分布。凹槽的深度和开口宽度均会影响其谐振波长(即工作波长)的位置。在其中一个示例中，凹槽的深度为50nm～1000nm，例如100nm、300nm、500nm、700nm。在其中一个示例中，凹槽的开口宽度为150nm～400nm，例如150nm、200nm、300nm。较优地，金属应变层144的厚度不低于50nm，不会影响其谐振波长的位置。在其中一个示例中，金属应变层144的厚度为50nm～10000nm，例如100nm、300nm、500nm、700nm。
在图5所示的具体示例中，周期性纳米阵列的结构是一维周期性纳米槽阵列，在其他示例中，周期性纳米阵列还可以为二维周期性纳米孔洞阵列等其它周期性纳米阵列。
较优地，金属应变层144的材质选用在可见和近红外波段具有高反射率的金属，例如金、银、铝等等。
较佳地，在其中一个示例中，弹性衬底142的材质选用橡胶。具体地，弹性衬底142可以是热固性弹性体，也可以是热塑性弹性体。塑性弹性体可以为丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶或丁腈橡胶、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体等。
较优地，弹性衬底142的杨氏模量不高于60000MPa，如5MPa、10MPa、50MPa、100MPa、1000MPa、10000MPa。在其中一个示例中，弹性衬底142的杨氏模量为3MPa～1000MPa。具体地，可以根据测试的气压范围选择弹性衬底142的杨氏模量。
在其中一个示例中，检测口126的孔径为10mm～20mm。
如图2和图3所示，在其中一个示例中，进气腔室122包括底板1222以及设置在底板1222上的围合部1224，底板1222和围合部1224围合形成中空的腔室，检测口126开设在围合部1224上。进一步地，进气机构120还包括进气管128，进气管128与进气口124连通。进气管128可以方便探入于测试环境中。更具体地，进气管128通过进气管128伸入至腔室中，进气管128的外径比进气口124的孔径大，以形成良好的密封效果。如进气口124的孔径为0.5mm～1mm，进气管128的外径比进气口124的孔径大0.1mm-0.2mm。
上述气压检测设备100创造性地引入了弹性衬底142，利用弹性衬底142上金属薄膜“镜面-粗糙面”转变，或者弹性衬底142上的周期性金属纳米阵列的几何形变，把微小的气体压强变化转化为金属薄膜或周期性金属纳米阵列的谐振波长的移动量和反射率的变化，从而实现施加气体压强的测量。由于弹性衬底142具有较小的杨氏模量，金属应变层144与弹性衬底142之间的应力将大大减少，这样减少了金属应变层144在形变过程中的脱落几率，增加了检测设备的有效使用次数(>200次)和寿命。
上述气压检测设备100具有非常高的灵敏度，灵敏度可以达到0.43nm/KPa，比基于FP腔的光纤气压传感器高2-3个数量级。同时，上述气压检测设备100具有较快的响应速度，操作简单，相对简单的制作成本，可以广泛应用到实际的气压检测中。
进一步地，本发明还提供一种上述任一示例的气压检测设备100的制作方法，该方法包括以下步骤：
获取弹性衬底142，在弹性衬底142上形成金属应变层144；
获取进气机构120，进气机构120具有进气腔室122，进气腔室122设有进气口124以及与进气口124连通的检测口126，将弹性衬底142的远离金属应变层144的一侧覆盖检测口126，并使金属应变层144的位置与检测口126对应。
在其中一个示例中，弹性衬底142上形成金属应变层144的方法为溅射或蒸镀。
在其中一个示例中，弹性衬底142和进气机构120的连接方法为预先对连接部位进行氧等离子刻蚀，再将两者贴在一起进行自然键合。
在周期性金属纳米阵列作为金属应变层144的示例中，弹性衬底142可先采用设有凹槽阵列的周期性纳米阵列模板进行成型，再在弹性衬底142上形成一层金属薄膜，得到压敏膜片140。
进一步地，本发明还提供一种气压检测方法，该检测方法采用上述任一示例的气压检测设备100，包括以下步骤：
将进气机构120的进气口124与待测环境连通；
测试连通前后金属应变层144表面光学参数的变化量以获得上述待测环境的气压。
若金属应变层144为金属薄膜，则测试金属应变层144的发射率的变化量以获得待测环境的气压。
若金属应变层144为周期性金属纳米阵列，则测试金属应变层144的发射率的变化量或谐振波长的移动量以获得待测环境的气压。
更具体地，气压测试前，将入射光垂直照射到金属薄膜的表面，测量金属应变层144的光学参数。光学参数可以是550nm-750nm波长范围内的反射率，也可以是某一波长处的反射率。若金属应变层144为周期性金属纳米阵列，还可以测量谐振波长。光反射率和谐振波长均可以采用微区光谱仪进行测量。连通待测环境后，再次测量金属应变层144的光学参数，获得光学参数的变化量，进而可以推出待测环境的气压。
以下通过具体实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1
本实施例的气压检测设备100(参见图1)的制作方法包括以下步骤：
(1)将一硅片和脱模剂一同放入真空皿中，抽真空，静置40分钟，使脱模剂分子挥发并覆盖到硅片表面。
(2)常温下，将10g聚二甲基硅氧烷预聚体和1g固化剂混合，搅拌均匀后浇在硅片的表面上，并放入真空皿中抽真空去除气泡。
(3)将去气泡的聚二甲基硅氧烷预聚体和硅片放入烘箱，烘烤120分钟，烘烤温度为70度。
(4)将烘烤固化后的聚二甲基硅氧烷与硅片分离，得到聚二甲基硅氧烷弹性衬底142。
(5)在弹性衬底142上用磁控溅射一层150nm的金，形成压敏膜片140。
(6)在硅片上贴一个长5cm、宽1mm的胶带，以在硅片上形成一个凸起。将硅片脱模剂一同放入真空皿中，抽真空，静置40分钟，使脱模剂分子挥发覆盖到贴有胶带的硅片表面。
(7)对覆盖脱模剂分子的贴有胶带的硅片重复步骤(2)～(4)，得到聚二甲基硅氧烷围合部1224。
(8)在围合部1224的中部打一个直径为1cm的圆孔，在围合部1224上打一个直径为0.7mm的进气口124。
(9)用氧等离子刻蚀对一干净载玻片1222和打孔处理的聚二甲基硅氧烷围合部1224的表面进行亲水化处理，刻蚀功率为500W，刻蚀时间为30s。
(10)将处理过的聚二甲基硅氧烷围合部1224贴在载玻片1222上，进行自然键合。
(11)将外径为0.9mm的针管128插在围合部1224的进气口124上，形成进气机构120。
(12)用氧等离子刻蚀对步骤(8)-(11)制备的进气系统，以及步骤(1)～(7)制备的膜片分别进行亲水化处理。刻蚀功率为500W，刻蚀时间为30s。其中，聚二甲基硅氧烷围合部1224和弹性衬底142面朝上(即接受刻蚀)。
(13)将弹性衬底142和聚二甲基硅氧烷围合部1224相贴，进行自然键合，形成最终的气压检测设备100。
对本实施例制作得到的气压检测设备100进行气压检测试验如下：
通入20KPa的氮气，利用光谱仪测量在正入射情况下金薄膜在550nm-750nm波长范围内的镜面反射谱，如图7所示。
卸掉氮气，利用光谱仪测量在正入射情况下金薄膜在550nm-750nm波长范围内的镜面反射谱，如图7所示。可见，通气和放气情况下金属应变层的光反射率有着明显的区别。
计算出不同压强下光学反差(定义为通入某一压强的气体前后金属薄膜的反射率的比值)，如图8所示。在可见波段处，20KPa气压下即可达到1500％的光学反差，如图13所示。如此明显的光学反差可以直接用肉眼观察到。基于非常高的光学反差和相对简单的制作成本，可以广泛应用到实际的气体压强传感中。
通入20KPa的氮气，采用微区光谱仪测量其在波长为650nm处的反射率。停止通氮气，测量其在波长为650nm处的反射率。重复以上步骤200个循环。参考图9，气压传感器在20KPa和0KPa下的反射率保持稳定，可以看出气压传感器具有较好的重复性和稳定性。
实施例2
本实施例制作气压检测设备100(参见图5)的步骤与实施例1中大致相同，区别在于步骤(1)的普通硅片换为设有周期性纳米槽阵列的硅片。该周期性纳米槽阵列的周期是700nm，深度是300nm，槽的宽度是150nm。该周期性纳米槽阵列由标准的电子束光刻制备而成。如图10所示，在设有周期性纳米凹槽阵列的硅片200上成型弹性衬底142。如图11所示，弹性衬底142上成型金属应变层144，得到压敏膜片140。
对本实施例制作得到的气压检测设备100进行气压检测试验如下：
通入不同压强的氮气，利用光谱仪测量其在正入射情况下周期性金属纳米阵列在710nm-740nm波长范围内的镜面反射谱。气体压强分别为1-20KPa，间隔为1KPa，如图12所示。
(3)停止通入氮气，利用光谱仪测量在正入射情况下金薄膜在710nm-740nm波长范围内的镜面反射谱，如图12所示。
(4)记录出不同压强下谐振波长(定义为反射谱波谷所在的波长)的位置，如图13所示，可计算出波长移动的灵敏度为0.43nm/KPa。
(5)计算出不同压强下波长为722nm处的光学反差，如图14所示。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种气压检测设备，其特征在于，包括进气机构以及压敏膜片，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，所述压敏膜片包括弹性衬底和金属应变层，所述弹性衬底覆盖所述检测口，所述金属应变层设置在所述弹性衬底的背向所述进气腔室的一侧，且所述金属应变层的位置与所述检测口对应。
2.如权利要求1所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层为自然状态下平坦的金属薄膜。
3.如权利要求1所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层为周期性金属纳米阵列。
4.如权利要求3所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层的周期尺寸为300nm～100000nm。
5.如权利要求3所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层设有多个凹槽，多个所述凹槽呈阵列分布。
6.如权利要求1～5任一项所述的气压检测设备，其特征在于，所述进气机构还包括进气管，所述进气管与所述进气口连通。
7.一种气压检测设备的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
在弹性衬底上形成金属应变层；
获取进气机构，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，将所述弹性衬底的远离所述金属应变层的一侧覆盖所述检测口，并使所述金属应变层的位置与所述检测口对应。
8.一种气压检测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的气压检测设备，所述气压检测方法包括以下步骤：
将所述进气机构的进气口与待测环境连通；
检测连通前后所述金属应变层表面的光学参数的变化以得到所述待测环境的气压。
9.如权利要求8所述的气压检测方法，其特征在于，所述金属应变层为自然状态下平坦的金属薄膜，所述光学参数为光反射率。
10.如权利要求8所述的气压检测方法，其特征在于，所述金属应变层为周期性金属纳米阵列，所述光学参数为光反射率或谐振波长。
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