CN111439290A - 一种面向轮轨力测试的柔性电子装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮轨力在线监测的柔性多功能电子装置，涉及轨道交通轮轨关系与柔性电子领域，包括温度感知、动态应变感知和压电振动感知功能模块，均集成到同一柔性基板上，安装在车轮辐板曲面上，与之保持共形接触，利用辐板动态应变和振动信息计算轮轨之间的作用力，实现了高速列车轮轨接触状态（温度、动态应变和振动信息）的实时监测，发明了微机电加工和激光剥离技术制备一种柔性多功能电子装置，为柔性电子技术在轮轨关系中的监测应用提供技术保障。

Description

一种面向轮轨力测试的柔性电子装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及轨道交通轮轨关系与柔性电子领域，特别涉及一种面向轮轨力测试的柔性电子装置及其制备方法。

背景技术

轮轨关系很大程度上决定了高速列车行驶的舒适性、安全性和环境友好性，轨道的不平顺特性和车辆自身的周期性振动都直接体现到轮轨作用中，造成轮轨之间的作用也是动态变化的，因此，轮轨作用状态监测一直是列车运行中的重要课题，轮轨的结构健康监测技术具有广阔的应用前景，特别是在线健康监测技术，为高速列车的安全可靠行驶提供技术保障。

目前，轮轨作用关系的检测技术主要分为车载监测和道旁监测，华东交通大学雷晓燕等深入探索了基于道旁监测的轮轨关系监测，传感器安装在轨道结构上，通过对轨道结构响应的测试来识别和评估车轮的结构健康状态。车载测试方法通过车轮动态应变，探知车轮结构状态。陈曦、袁高斌等发明一种铁路车辆车轮失圆检测方法及检测装置（一种铁路车辆车轮失圆检测方法及检测装置，ZL2016109873144），包括加速度传感器，载荷传感器，射频车号识别装置和轨边信号处理箱，运用加速度传感器测量获得振动曲线，利用传递函数重构轨道各个位置的轮轨垂向作用力与时间的曲线，通过工作人员判断车轮是否失圆。当前技术针对车轮的测试都是离线，很难做好列车运行过程中的轮轨作用关系的在线监测，柔性电子技术将为轮轨作用关系的在线监测提供技术支持，嵌入到车轮或者轨道曲面上，提高高速列车安全行驶、结构健康监测和维护水平。

实际应用中，高速列车轮轨作用关系检测简述在列车安全行驶中起着至关重要的作用，柔性电子技术内嵌到车轮和轨道结构中的曲面上，与之无缝集成，不影响列车与轨道的动态性能，实现轮轨作用关系的实时监测，提升轨道交通行业的智能检测水平，加速轨道交通行业的快速发展，落实柔性电子技术在重大行业的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于发明一种面向轮轨力测试的柔性多功能电子装置，包括温度感知、动态应变感知和压电振动感知功能模块，所有功能模块均集成到同一柔性基板上，其安装在车轮辐板的曲面结构上，良好的柔性性能保证柔性多功能电子装置与车轮辐板曲面结构保持共形接触，实时采集车轮辐板的动态应变、温度和振动信息，间接实现了高速列车轮轨接触状态关系（温度、动态应变和振动信息）的实时监测，计算得到轮轨之间的作用力，保障高速列车与轨道的结构健康监测与安全行驶。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于发明一种柔性多功能电子装置的制备方法，在无机多晶硅基衬底上制备一层牺牲层材料，通过微机电系统加工技术完成柔性多功能电子装置（温度，应变计和压电等）的薄膜沉积、图案化、引线、封装等工艺操作，通过调节激光剥离技术的工艺参数，实现柔性多功能电子装置从硅基衬底上成功剥离，完成面向轮轨关系监测的柔性多功能电子装置的制备，主要工艺步骤如下：

（1）通过标准清洗工艺完成多晶硅衬底的清洗工作；

（2）旋涂制备牺牲层薄膜，通过加热固化聚合物薄膜；

（3）薄膜沉积制备金属应变计与温度薄膜；

（4）在金属表面旋涂光刻胶，通过掩膜版光刻曝光，结合湿法刻蚀工艺完成金属应变、温度薄膜、压电薄膜底层电极的图案化；

（5）利用正胶反转工艺制备压电陶瓷薄膜（锆钛酸铅，PZT）的模具，通过磁控溅射压电陶瓷薄膜PZT，利用去胶工艺完成压电陶瓷薄膜PZT的图案化工作；

（6）溅射压电陶瓷薄膜PZT的顶电极，然后通过光刻曝光，完成压电陶瓷薄膜PZT的顶电极的图案化；

（7）溅射金属引线薄膜，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成金属引线的图案化，将压电、应变和热敏等功能单元的电信号引出来；

（8）通过有机聚合物实现柔性多功能电子装置的封装；

（9）调节激光剥离的工艺参数，实现柔性多功能电子装置从多晶硅基上分离；

（10）将成功剥离的柔性多功能装置转印到柔性衬底上，完成柔性多功能电子装置的制备。

进一步地，所述一种面向轮轨力测试的柔性多功能电子装置及其制备方法，同时集成温度、应变计和压电传感模块，柔性多功能电子装置贴在车轮辐板结构的曲面表面上，用于实时记录高速列车运行过程的轮轨作用信息，采集车轮振动、温度和动态应变等信息，用于计算轮轨之间的作用力（横向力、垂向力），为分析高速列车的车轮与轨道结构健康状态提供技术与信息支持，实现对高速列车运行状态的实时评估提升高速列车的安全行驶与舒适水平，具有重大工程应用前景与研究价值。

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，由于本发明一种面向轮轨力测试的柔性多功能电子装置，为多层超薄薄膜结构（柔性衬底5微米厚，功能薄膜厚度小于1微米），具有良好的柔软特性，集成温度、压电振动测试、动态应变等功能模块，记录高速列车运动过程的车轮辐板温度、轮轨的振动和动态应变信号，用以计算轮轨之间的作用力，为高速列车安全行驶中的车轮作用提供数据支撑。超薄柔性多功能电子装置安装在车轮辐板的曲面结构表面，实时记录列车行驶过程中的受力情况，分析环境、轮轨作用等对列车安全平稳行驶的影响，提高高速列车结构健康检测水平与安全性能。

本发明用于高速列车轮轨关系的在线测试，实现轮轨力的在线测试，所发明的柔性多功能装置集成温度、振动、动态应变感知功能，实时采集轮轨运行过程车轮与轨道的作用信号，以及外界环境对列车车轮（轨道）的影响情况，为优化车轮与铁轨结构与安装方式提供技术支撑。

综上所述，本发明一种面向轮轨力测试的柔性多功能电子装置及其制备方法，采用微机电加工和激光转印剥离结束解决刚性无机功能材料与柔性衬底之间的工艺集成，完成柔性多功能电子装置的制备工作，实现复杂曲面部件的结构健康监测，推动柔性电子技术在轨道交通中的行业应用。所发明的柔性多功能电子装置，安装在车轮辐板曲面上，保证其与轮轨车轮辐板曲面保持共形接触，集成温度、振动、动态应变功能模块，实时记录列车行驶过程中的轮轨作用过程轮子的受力、温度分布、振动模态信号，分析环境、轮轨作用等对列车安全平稳行驶的影响情况，提高高速列车结构健康检测水平与安全性能。

附图说明

图1为基于柔性多功能电子装置的轮轨力在线监测示意图，其中，左上图为轮轨接触状态示意图，并且柔性多功能电子装置安装在车轮辐板的曲面结构表面；右上图为柔性多功能电子装置的功能结构布局图；下图为柔性多功能电子装置中振动、温度和动态应变的测试原理图。

图2为柔性多功能电子装置的加工制备工艺流程。

图3为柔性多功能电子装置的复杂变形形式，其中，图a为柔性多功能电子装置能够褶皱成复杂形式；图b为柔性多功能电子装置与圆锥曲面保持共形接触。

图4为基于柔性多功能电子装置的轮轨作用状态监测实现流程图。

图中符号意义说明如下：

11-枕木支撑；12-轨道；13-车轮辐板曲面；14-柔性衬底；15-压电功能单元；16-温度感知单元；17-应变感知单元。

21-压电单元金属电极；22-压电功能薄膜；23-金属应变计；24-热敏电阻薄膜；25-金属引线。

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。

参见图1，柔性多功能电子装置贴合在车轮辐板结构的曲面表面上，用于轮轨作用力的在线监测，其中左上图提供了一种高速列车车轮辐板曲面结构13与轨道12（轨道下面为枕木11的支撑）之间作用关系的检测装置，集成了温度感知模块16、动态应变感知模块17和压电振动感知模块15，所有功能模块均集成到同一柔性衬底14上。所发明的柔性多功能电子装置，具有良好的柔软特性，能够与车轮辐板结构复杂曲面保持共形接触，提高了实时记录轮轨作用中的信号精度与可靠性。所发面的柔性多功能电子装置对应的功能结构如图1的右上图所示，包括压电振动测试模块、金属应变计的动态应变测试模块和金属热敏电阻的温度测试模块。压电振动测试模块采用压电无机材料（压电陶瓷PZT）22制备，在压电陶瓷的上下表面分别制备一层金属电极21，用于将振动引起的压电薄膜上下层电势变化引出来，从而实现将压电电压变化引出来；轮轨关系作用中的动态应变变化是通过金属应变计23构建的全桥电路测试得到的，4个金属应变计23构建的全桥电路提高了动态应变测试的精度与灵敏度；轮轨作用和外界环境的温度变化通过热敏电阻薄膜24测试得到，揭示了外界环境以及轮轨作用的温度变化情况。所设计的感知功能信号均通过金属引线25引出来，方便与外加采集电路相连，用于采集多功能装置感知的信号，实现了轮轨作用力的连续在线监测。图1中下图为柔性多功能电子装置中的振动、温度和动态应变的测试原理图。利用压电功能单元实现轮轨作用中的振动测试，根据压电薄膜的输出电压实时变化，得到轮轨作用引起的振动模式情况。金属应变计的输出电阻在轮轨作用下（引起动态应变变化）会发生动态变化，给出了轮轨作用中动态应变的测试方法。热敏电阻薄膜的输出电阻随着在轮轨作用和外界环境的温度变化而变化，利用金属的热敏效应提供了温度的测试技术。

为解决电子装置从硬质硅基衬底到柔性基板之间的工艺集成问题，提出微机电加工与激光转印剥离技术完成柔性多功能电子装置的加工制备，具体的加工工艺流程，参见图2，主要步骤如下：

（1）准备多晶硅衬底，在丙酮、乙醇、去离子水溶液通过超声清洗多晶硅衬底，并用氮气吹干多晶硅衬底表面；

（2）在多晶硅衬底表面旋涂聚酰亚胺溶液，并通过热板和烘箱加热实现对聚合物薄膜的固化，完成牺牲层薄膜的制备；

（3）在聚合物薄膜沉积制备金属薄膜，用作金属应变计、温度和压电陶瓷薄膜的底电极；

（4）在金属表面旋涂光刻胶，然后加热光刻胶，通过掩膜版光刻曝光，将掩膜版中的图案转移到光刻胶薄膜上，并在显影液中将图案显现出来，利用湿法刻蚀工艺完成金属应变、温度薄膜、压电薄膜底层电极的图案化；

（5）利用正胶反转工艺，结合光刻曝光技术完成压电陶瓷薄膜PZT的模具之别，通过磁控溅射压电陶瓷薄膜PZT，利用丙酮去胶工艺完成压电陶瓷薄膜PZT的图案化；

（6）溅射压电陶瓷薄膜PZT，然后通过光刻曝光，结合湿法刻蚀技术完成压电陶瓷薄膜PZT的顶电极的图案化；

（7）溅射金属引线薄膜，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成金属引线的图案化，将压电、应变和热敏等功能单元的电信号引出来；

（8）通过有机聚合物实现柔性多功能装置的封装，采用氧气反应离子刻蚀完成聚合物薄膜的图案化；

（9）调节激光剥离的工艺参数，实现对聚酰亚胺薄膜的烧结，利用不同薄膜之间的热胖胀系数不一致，实现柔性多功能电子装置从多晶硅基上分离；

（10）将成功剥离的柔性多功能电子装置转印到柔性衬底上，完成柔性多功能电子装置的制备。

为进一步说明所发明的柔性多功能电子装置的柔软特性以及与复杂曲面共形接触能力，图3给出了柔性多功能电子装置的复杂变形示意图，图3a为柔性多功能电子装置能够褶皱成复杂形式，承受较大的弯折变形；图3b为柔性多功能电子装置与圆锥曲面保持共形接触，表明柔性多功能电子装置与复杂曲面结构保持共形接触，主动适应车轮辐板曲面结构，扩展了柔性电子器件的应用场景。

为实现柔性多功能电子装置贴合在车轮辐板的曲面结构表面，实现高速列车运行过程中的结构健康监测，参见图4，基于柔性多功能电子装置的轮轨作用状态监测包括以下步骤：

（1）柔性多功能电子装置贴合在列车车轮辐板的曲面结构表面，提高采集信号的精度与可靠性；

（2）在不同外加负载以及车轮转动速度下，柔性多功能电子装置采集的轮对作用过程中的振动、动态应变和温度输出值，完成柔性多功能电子装置的标定工作；

（3）利用柔性多功能电子装置采集高速列车在运行过程中轮轨作用状态信息（振动、动态应变和温度），实现了轮轨作用力的在线监测；

（4）根据不同的运行速度条件下，柔性多功能电子装置采集的振动、动态应变和温度信息，分析轮轨作用过程中是否存在异常情况；

（5）利用柔性多功能电子装置采集的振动、动态应变和温度信息，实现轮轨作用关系的在线健康监测，提升轮轨运行水平；

（6）运用柔性多功能电子装置采集到的特征数据，在线计算轮轨之间的作用力大小，运用智能方法识别轮轨作用过程中的车轮和轨道的结构损伤情况，提高车轮的使用寿命和轨道的维护管理水平。

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 (5)

1.一种面向轮轨力在线监测的柔性多功能电子装置，其特征在于，包括温度感知、动态应变感知和压电振动感知功能模块，所有功能模块均集成到同一柔性基板上，其安装在车轮辐板的曲面结构上，良好的柔性性能保证柔性多功能电子装置与车轮辐板的曲面结构保持共形接触，实现了对高速列车轮轨接触状态关系（温度、动态应变和振动信息）的实时监测，保障高速列车与轨道的结构健康监测与安全行驶。

2.根据权利要求1所述的一种面向轮轨力在线监测的柔性多功能电子装置制备方法，其特征在于，在无机多晶硅基衬底上制备一层牺牲层材料，通过微机电系统加工技术完成柔性多功能电子装置（温度，应变计和压电）的薄膜沉积、图案化、引线、封装工艺操作，通过调节激光剥离技术的工艺参数，实现柔性多功能电子装置从硅基衬底上成功剥离，完成面向轮轨关系监测的柔性多功能电子装置的制备工作，保证其与轮轨辐板曲面结构保持共形接触，解决刚性无机功能材料与柔性衬底之间的工艺集成，突破复杂曲面体结构健康监测难题，柔性多功能电子装置的主要工艺步骤如下：

（1）准备多晶硅衬底，通过标准晶圆清洗工艺完成晶圆的清洗工作；

（2）旋涂制备牺牲层薄膜，通过加热固化聚合物薄膜；

（3）薄膜沉积制备金属应变计与温度薄膜；

（4）在金属表面旋涂光刻胶，通过掩膜版光刻曝光，结合湿法刻蚀工艺完成金属应变、温度薄膜、压电薄膜底层电极的图案化；

（5）利用正胶反转工艺制备压电陶瓷薄膜PZT的模具，通过磁控溅射压电陶瓷薄膜PZT，利用去胶工艺完成压电陶瓷薄膜PZT的图案化工作；

（6）溅射压电陶瓷薄膜PZT的顶电极，然后通过光刻曝光，完成压电陶瓷薄膜PZT的顶电极的图案化；

（7）溅射金属引线薄膜，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成金属引线的图案化，将压电、应变和热敏等功能单元的电信号引出来；

（8）通过有机聚合物实现柔性多功能电子装置的封装；

（9）调节激光剥离的工艺参数，实现柔性多功能电子装置从多晶硅基上分离；

（10）将成功剥离的柔性多功能电子装置转印到柔性衬底上，完成柔性多功能电子装置的制备。

3.根据权利要求1所述的一种面向轮轨力在线监测的柔性多功能电子装置，其特征在于，柔性多功能电子装置具有超薄超轻属性，与车轮辐板曲面保持共形接触，不影响列车运行的动态性能，提高了采集信号的精度和稳定性。

4.根据权利要求1和2所述的一种面向轮轨力在线监测的柔性多功能电子装置，其特征在于，柔性多功能电子装置贴合在车轮辐板曲面表面，实时采集轮轨作用过程中的振动、动态应变和温度信号，实现了高速列车车轮的在线结构健康监测。

5.根据权利要求1到4所述的一种面向轮轨力在线监测的柔性多功能电子装置，其特征在于，嵌入到轨道交通车辆车轮中，提供了一种在线采集与测量轮轨作用力的传感装置。

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