CN113959327B - 一种具有高灵敏度的多层结构应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应变传感器技术领域，提供了一种具有高灵敏度的多层结构应变传感器，包括传感器本体，传感器本体包括第一薄膜层，第一薄膜层连接有第二薄膜层，远离第一薄膜层侧的第二薄膜层连接有第三薄膜层，第一薄膜层和第二薄膜层及第三薄膜层之间设置有空腔，第一薄膜层上设置有应变核心区；第二薄膜层使第一薄膜层和第三薄膜层之间非直接连接，结合应变核心区参数设计使第一薄膜层上应变核心区的刚度较两侧区域的刚度更低，从而在第一薄膜层的应变核心区上产生更大的应变，由此实现了当被测物体变形较小时，也能够满足准确测量要求。

Description

一种具有高灵敏度的多层结构应变传感器

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域，具体涉及一种能够精确测量小变形的具有高灵敏度的包含多层结构的应变传感器。

背景技术

物体的应变是一个非常重要的几何参数，其准确的测量在很多方面有着十分重要的意义。在测量物体受力变形所产生的应变时一般采用应变传感器。应变传感器种类繁多，按原理分，有电阻式、电容式、压电式、电感式和光学式等等。

对于工程上应用较多的电阻式应变传感器，其中的电阻导体箔是最常用的传感元件，它可以将机械构件上的应变变化转换为电阻的变化。电阻导体箔的电阻材料又可选用金属、半导体、导电聚合物、石墨、离子液体等导体材料。在现有技术中，测量物体表面应变时，需要用粘合剂将导体箔牢固地粘贴在被测物表面。当被测物受力变形时，导体箔的敏感栅会随之发生相同的变形，该变形导致导体箔电阻发生变化。由于导体箔的电阻变化与被测物应变成比例，可采用外部测量电路将这种电阻变化转换为电压或电流变化，并用显示记录仪表将该电压或电流变化记录下来，进而推算被测物应变量大小。

当被测物体变形较小时，普通的电阻式导体箔无法检测或很难满足准确测量要求，需要灵敏系数更高的传感材料，大大增加工程成本，或者需要利用光学的方法进行测量，而光学器件成本高、不易便携且难以小型化。

如何有效地解决上述技术问题，是目前本领域技术人员需解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种能够精确测量小变形的具有高灵敏度的包含多层结构的应变传感器。

具有高灵敏度的多层结构应变传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括第一薄膜层，所述第一薄膜层连接有第二薄膜层，远离所述第一薄膜层侧的所述第二薄膜层连接有第三薄膜层；

所述第一薄膜层和所述第二薄膜层及所述第三薄膜层之间设置有空腔；

所述第一薄膜层上设置有可放大变形的应变核心区。

进一步的，所述第一薄膜层为哑铃形结构。

进一步的，在与所述应变核心区相对应的所述第一薄膜层上设置有颈缩部。

进一步的，与所述应变核心区相对应的所述第一薄膜层处的材料弹性模量可降低，降低方式为在与所述应变核心区相对应的所述第一薄膜层处设置异质部。

进一步的， 所述第二薄膜层为两个，并且分别设置在所述第一薄膜层和所述第三薄膜层相对的两个端部。

进一步的，所述传感器本体的外侧包覆有与所述传感器本体具有相同形状的封装薄膜，并且所述封装薄膜可随所述传感器本体的拉伸进行同步拉伸。

进一步的，所述第二薄膜层的厚度分别小于所述第一薄膜层和所述第三薄膜层的厚度。

进一步的，对所述应变核心区的应变表征方式包括但不限于电阻式、电容式、压电式、电感式和光学式。

进一步的，当采用电阻式表征所述应变核心区应变时：

在远离所述第二薄膜层侧的所述第一薄膜层的表面，所述应变核心区上连接有敏感栅结构，所述应变核心区以外的区域连接有导体箔，所述导体箔与所述敏感栅结构相连接共同构成应变片，所述应变片为哑铃形结构；

所述敏感栅结构与所述导体箔的连接处设置有第一圆弧部，所述应变核心区与所述第一薄膜层的连接处设置有第二圆弧部。

进一步的，所述敏感栅结构的电阻阻值大于所述导体箔的电阻阻值。

在本发明中，第二薄膜层使第一薄膜层和第三薄膜层之间非直接连接，并且结合空腔共同实现了第一薄膜层的应变与第三薄膜层的应变不一致，同时由于整体结构的设置使第一薄膜层上应变核心区的刚度较两侧区域的刚度更低，使第一薄膜层因第三薄膜层产生的变形主要由第一薄膜层上的应变核心区变形提供，从而使应变核心区上产生更大的应变。由此实现当被测物体变形较小时，传感器本体也能够满足准确测量的要求，并且具有更低的检出下限和更高的测量精度。本发明的结构设计在提升了传感器本体灵敏系数的同时还降低了工程成本，并且使传感器本体体积更小、便携性更高。

附图说明

图1是本发明提供的传感器本体的剖视结构示意图；

图2是本发明提供的传感器本体的俯视结构剖视图；

图3是本发明提供的敏感栅结构的结构示意图；

图4是本发明提供的传感器本体的右视结构示意图；

图5是本发明提供的颈缩部的结构示意图；

图6是本发明提供的异质部的示意图；

图7是本发明提供的具有单条导体线形式敏感栅结构的传感器本体俯视示意图；

图8是本发明提供的单条导体线形式的敏感栅结构的示意图；

附图标记：

1、传感器本体；

2、第二薄膜层；

3、第一薄膜层；31、颈缩部；32、异质部；

4、空腔；

5、第三薄膜层；

6、导体箔；

7、应变核心区；

8、敏感栅结构。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一实施例，结合图1、图2、图3和图4，一种具有高灵敏度的多层结构应变传感器，包括传感器本体1，传感器本体1包括第一薄膜层3，第一薄膜层3连接有第二薄膜层2，远离第一薄膜层3侧的第二薄膜层2连接有第三薄膜层5。

第一薄膜层3和第二薄膜层2及第三薄膜层5之间设置有空腔4。

第一薄膜层3上设置有可放大变形的应变核心区7。

在本实施例中，第二薄膜层2使第一薄膜层3和第三薄膜层5之间非直接连接，使第一薄膜层3的应变与第三薄膜层5的应变不一致，同时由于整体结构的设置使第一薄膜层3上应变核心区7的刚度较两侧区域的刚度更低，使第一薄膜层3因第三薄膜层5产生的变形主要由第一薄膜层3上的应变核心区7变形提供，从而使应变核心区7上产生更大的应变。由此实现当被测物体变形较小时，传感器本体1也能够满足准确测量的要求，并且具有更低的检出下限和更高的测量精度。本实施例中的结构设计在提升了传感器本体1灵敏系数的同时还降低了工程成本，并且使传感器本体1体积更小、便携性更高。

本实施例中的传感器本体1放大应变8倍。

本发明提供的又一实施例，如图5所示，在与应变核心区7相对应的第一薄膜层3上设置有颈缩部31。

在本实施例中，颈缩部31可以设置在朝向第二薄膜层2侧，也可以设置在远离第二薄膜层2侧，以实现对与应变核心区7相对应的第一薄膜层3厚度进行减薄。

颈缩部31可以直接在第一薄膜层3上进行设置，也可以设置两层第一薄膜层3，在靠近第二薄膜层2侧的第一薄膜层3上截去与应变核心区7对应的面积，或者在远离第二薄膜层2侧的第一薄膜层3上截去与应变核心区7对应的面积。

当设置两层第一薄膜层3时，每层第一薄膜层3的厚度是只设置一层第一薄膜层3时厚度的一半，从而使两层第一薄膜层3的总厚度与只设置一层第一薄膜层3的厚度相同，并且设置两层第一薄膜层3时的每层第一薄膜层3的材料成分相同。

第一薄膜层3为绝缘聚合物材料。其中，绝缘聚合物材料包括但不限于聚酰亚胺、酚醛树脂、环氧树脂等。

第一薄膜层3为哑铃形结构。

本实施例中的传感器本体1放大应变10倍。

为了降低与应变核心区7相对应的第一薄膜层3处的材料弹性模量，以降低应变核心区7的抗拉刚度，提高传感器本体1对应变的放大倍数和灵敏度，本发明提供的又一实施例，如图6所示，在与应变核心区7相对应的第一薄膜层3处设置异质部32。

异质部32可以是与第一薄膜层3一体化设置，也可以是将与应变核心区7相对应的第一薄膜层3处进行切割后进行替换。当与应变核心区7相对应的第一薄膜层3处进行切割后，将被切割后的部分替换为异质部32，异质部32材料的弹性模量低于第一薄膜层3材料的弹性模量。异质部32的材料为聚乙烯薄膜材料。

传感器本体1放大应变11倍。

为了降低与应变核心区7相对应的第一薄膜层3处的材料弹性模量，也可将第一薄膜层3采用材料弹性模量更低的聚合物材料，如橡胶、PDMS等，再对第一薄膜层3非应变核心区的区域利用提高交联剂浓度、杂质粒子参杂、扩散和注入等方式提高第一薄膜层3上非应变核心区区域材料的弹性模量。

本发明提供的又一实施例，如图1所示，第二薄膜层2为两个，并且分别设置在第一薄膜层3和第三薄膜层5相对的两个端部。

在本实施例中，第二薄膜层2既起到支撑作用，又配合第一薄膜层3和第三薄膜层5共同形成空腔4。

本发明提供的又一实施例，传感器本体1可进行预拉伸。

在本实施例中，将传感器本体1预拉伸至目标长度后，再将其与被测物表面进行连接，既可以测拉伸应变，也可以测压缩应变。

本发明提供的又一实施例，传感器本体1的外侧包覆有与传感器本体1具有相同形状的封装薄膜，并且封装薄膜可随传感器本体1的拉伸进行同步拉伸。

在本实施例中，当传感器本体1的使用环境相对封闭时，可以不对其表面进行封装。而当传感器本体1的使用环境受外界因素影响较多时，需要对导体箔6进行保护，可在传感器本体1的外部包覆封装薄膜。

为了降低封装薄膜对传感器本体1测量精度的影响，封装薄膜的材料为普通橡胶、聚二甲基硅氧烷或Ecoflex系列硅橡胶中的任一种，这些材料具有高绝缘性、低弹性模量的性能，弹性恢复能力好，对传感器本体1的测量精度影响小。

为了实现更好的放大应变倍数，本发明提供的又一实施例，应变片的厚度小于第一薄膜层3的厚度，第二薄膜层2的厚度分别小于第一薄膜层3和第三薄膜层5的厚度。

为了进一步地说明对应变核心区的具体应变表征方式，本发明提供的又一实施例，对应变核心区的应变表征方式包括但不限于电阻式、电容式、压电式、电感式和光学式。

本发明提供的又一实施例，结合图1、图2和图3，当采用电阻式表征应变核心区7应变时，在远离第二薄膜层2侧的第一薄膜层3的表面，应变核心区7上连接有敏感栅结构8，应变核心区7以外的区域连接有导体箔6，导体箔6与敏感栅结构8相连接共同构成应变片，应变片为哑铃形结构。

敏感栅结构8与导体箔6的连接处设置有第一圆弧部，应变核心区7与第一薄膜层3的连接处设置有第二圆弧部。

在本发明中，导体箔6与第一薄膜层3上非应变核心区区域的形状相同。

在本实施例中，由于康铜或新康铜电阻率的温度系数较低，单位摄氏度的温度变化仅产生十万分之一的电阻变化，也就是说，其电阻大小不易受温度影响，因此导体箔6的电阻材料包括但不限于康铜或新康铜，以提高传感器本体1的热稳定性。

导体箔6的电阻材料也可选用镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金中的任一种，其中，铂和铂钨合金化学稳定性高，有助于提高导体箔6的使用寿命。

由于半导体单晶硅和石墨烯的应变敏感系数高，有助于提高测量精度，因此导体箔6的电阻材料也可选用半导体单晶硅或石墨烯。

本发明提供的又一实施例，敏感栅结构8的电阻阻值大于导体箔6的电阻阻值。

在本实施例中，敏感栅结构8可以是单条导体线的形式，也可以是一条或两条以上敏感栅的形式。

当敏感栅结构8为单条导体线的形式时，传感器本体1放大应变15倍。

当与应变核心区7相对应的第一薄膜层3上设置有异质部32，并且敏感栅结构8为单条导体线的形式时，传感器本体1放大应变27倍。

应变核心区7的厚度可减小，以降低应变核心区7的抗拉刚度，从而提高传感器本体1对应变的放大倍数。

为了进一步地说明传感器本体1的数据参数，本发明提供的又一实施例，如图1所示，导体箔6的厚度为0.005 mm；

敏感栅结构8的长度为0.495mm，敏感栅结构8的宽度为0.015mm，敏感栅结构8的连接段的长度为0.055mm，宽度为0.03mm；

第一薄膜层3的厚度为0.1mm，第一薄膜层3上的两侧矩形区域长度分别为9.5mm，宽度为7mm，应变核心区7的长度为0.6mm，宽度为0.6mm；

每个第二薄膜层2的厚度为0.05mm，长度为0.8mm，宽度为7mm；

第三薄膜层5的厚度为0.1mm，长度为19.6mm，宽度为7mm。

在本发明中，根据不同的实际应用环境及实际使用需求，也可以直接将第一薄膜层3和第三薄膜层5直接进行连接，并对应变核心区7进行设置。也就是说，也可以直接去掉第二薄膜层2，并直接降低第一薄膜层3上应变核心区7的材料的弹性模量，以降低应变核心区7的抗拉刚度，提高传感器本体1对应变的放大倍数和灵敏度。

在本发明中，根据不同的实际应用环境及实际使用需求，也可以在第一薄膜层3和第二薄膜层2之间，或者在第二薄膜层2和第三薄膜层5之间继续连接更多的薄膜层，并对应变核心区7进行设置。也就是说，在继续连接更多的薄膜层的同时，降低第一薄膜层3上应变核心区7的材料的弹性模量，以降低应变核心区7的抗拉刚度，提高传感器本体1对应变的放大倍数和灵敏度。

传感器本体可通过以下方法制得：

首先，估计被测物体受力应变大小，确定传感器本体所需放大倍数。

其次，使用有限元软件模拟传感器本体的模型结构，调节相关尺寸参数，当放大倍数较需求放大倍数小时，可通过减少第一薄膜层上的应变核心区宽度、降低第一薄膜层应变核心区厚度、降低第一薄膜层应变核心区材料弹性模量、增加第一薄膜层总体长度的方式增大放大倍数，而当放大倍数较需求放大倍数大时，可通过相反方法进行调节，直至满足需求。

再次，根据设计传感器本体模型相关参数，制作含整片第一薄膜层和导体箔的基底材料，再用激光器按哑铃形轮廓对基底材料进行切割，制作敏感栅结构时，可以使用腐蚀工艺刻蚀出预设敏感栅图案的应变电阻结构或者使用激光器剥离预设敏感栅图案轮廓外多余导体箔以形成预设敏感栅图案的应变电阻结构。

再其次，用激光器按矩形轮廓切割相应设计厚度的第二薄膜层和第三薄膜层，并依照顺序对各层材料进行粘接。

最后，焊接引线，选择性封装保护层和弹性薄膜，标定传感器本体的电阻和应变关系。

以上所述并非是对本发明的限制，最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或替换，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种具有高灵敏度的多层结构应变传感器，包括传感器本体，其特征在于，

所述传感器本体包括第一薄膜层，所述第一薄膜层连接有第二薄膜层，远离所述第一薄膜层侧的所述第二薄膜层连接有第三薄膜层；

所述第一薄膜层和所述第二薄膜层及所述第三薄膜层之间设置有空腔；

所述第一薄膜层上设置有可放大变形的应变核心区；

所述第一薄膜层为哑铃形结构；

与所述应变核心区相对应的所述第一薄膜层处的材料弹性模量降低，降低方式为在与所述应变核心区相对应的所述第一薄膜层处设置异质部，异质部材料的弹性模量低于第一薄膜层材料非应变核心区的弹性模量；

所述第二薄膜层为两个，并且分别设置在所述第一薄膜层和所述第三薄膜层相对的两个端部；

所述传感器本体的外侧包覆有与所述传感器本体具有相同形状的封装薄膜，并且所述封装薄膜可随所述传感器本体的拉伸进行同步拉伸；

所述第二薄膜层的厚度分别小于所述第一薄膜层和所述第三薄膜层的厚度；

对所述应变核心区的应变表征方式为电阻式；

在远离所述第二薄膜层侧的所述第一薄膜层的表面，所述应变核心区上连接有敏感栅结构，所述应变核心区以外的区域连接有导体箔，导体箔与第一薄膜层上非应变核心区区域的形状相同，所述导体箔与所述敏感栅结构相连接共同构成应变片，所述应变片为哑铃形结构；

所述敏感栅结构与所述导体箔的连接处设置有第一圆弧部，所述应变核心区与所述第一薄膜层的连接处设置有第二圆弧部；所述敏感栅结构的电阻阻值大于所述导体箔的电阻阻值。

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