CN115323337A - 一种纳米薄膜复合应变传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米薄膜复合应变传感器及其制备方法与应用，涉及传感器技术领域；该传感器包括基底层，所述基底层表面设有过渡层；所述过渡层的表面设有绝缘层；所述绝缘层的部分表面设有应变层；所述绝缘层的剩余部分表面设有保护层；所述应变层的部分表面设有焊盘；所述应变层的剩余部分表面设有保护层。本发明中应变层由NiCrMnSi层和NiCrAlY层组成，其中NiCrMnSi层的致密程度高、表面缺陷少且与绝缘层的结合强度高，从而提升了应变层的测试精度；而NiCrAlY层中含有金属铝，金属铝在氧气存在的情况下会生成氧化铝，而氧化铝能够起到一定的抗氧化作用，有利于提升应变敏感层的抗氧化性能。

Description

一种纳米薄膜复合应变传感器及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体是一种纳米薄膜复合应变传感器及其制备方法与应用。
背景技术
在工业控制领域，往往需要对多个物理量同时进行测量（如压力、扭矩和应力等），相关技术中为同时测量上述物理量，选择将应变片粘贴在弹性体上，从而实现上述物理量的测量；而粘贴一般选用胶材；而胶材会随着环境温度的变化和使用时间的延长而老化；胶材老化后会影响到应变片的测试精度和应变片的粘贴牢固程度；从而导致测试误差增大；且相关技术中一个应变片仅能测试一个物理量；若要测试多个物理量，则需要同时选用多个应变片进行组合使用，从而会增大应变片的占用面积；因此在对较小体积的设备无法进行测试。
因此，本发明提供了一种纳米薄膜复合应变传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米薄膜复合应变传感器，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
本发明还提供了上述纳米薄膜复合应变传感器的制备方法。
本发明还提供了上述纳米薄膜复合应变传感器的应用。
具体如下，本发明第一方面提供了一种纳米薄膜复合应变传感器，包括：
基底层，所述基底层表面设有过渡层；
所述过渡层的表面设有绝缘层；
所述绝缘层的部分表面设有应变层；
所述绝缘层的剩余部分表面设有保护层；
所述应变层的部分表面设有焊盘；
所述应变层的剩余部分表面设有保护层；
所述基底层为不锈钢层；
所述过渡层包括氧化铌层；
所述应变层由NiCrMnSi层和NiCrAlY层组成；
所述NiCrMnSi层与所述绝缘层相接触；
所述NiCrAlY层与所述保护层相接触；
所述应变层分区设置为扭矩测量模块、应力测量模块和压力测量模块。
根据本发明传感器技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
本发明通过在基底层表面设置氧化铌过渡层，利用氧化铌来缓解绝缘层和基底层之间的失配导致的应力，从而提升基底层与绝缘层之间的结合强度；从而提升纳米薄膜复合应变传感器的稳定性和寿命。
本发明通过设置绝缘层，保证了应变层与不锈钢层之间电学信号的绝缘。
本发明中应变层由NiCrMnSi层和NiCrAlY层组成，其中NiCrMnSi层的致密程度高、表面缺陷少且与绝缘层的结合强度高，从而提升了应变层的测试精度；而NiCrAlY层中含有金属铝，金属铝在氧气存在的情况下会生成氧化铝，而氧化铝能够起到一定的抗氧化作用，有利于提升应变敏感层的抗氧化性能。
本发明中保护层取代保护应变层的作用，提升应变层的抗氧化性。
本发明在应变层中设置多个测试模块，通过多组模块的设置，从而实现了多组参数的同时测量。
根据本发明的一些实施方式，所述应变层中的测试模块呈“米”字型分布。
根据本发明的一些实施方式，所述扭矩测量模块的数目为4个。
根据本发明的一些实施方式，所述压力测试模块的数目为2个。
根据本发明的一些实施方式，所述应力测试模块的数目为2个。
根据本发明的一些实施方式，所述扭矩测试模块将所述传感器均分为四个部分。
根据本发明的一些实施方式，每个所述压力测试模块分布在相邻两个所述扭矩测试模块之间。
根据本发明的一些实施方式，每个所述压力测试模块与相邻两个所述扭矩测试模块的距离相同。
根据本发明的一些实施方式，每个所述压力测试模块对称设置。
根据本发明的一些实施方式，每个所述应力测试模块分布在相邻两个所述扭矩测试模块之间。
根据本发明的一些实施方式，每个所述应力测试模块与相邻两个所述扭矩测试模块的距离相同。
根据本发明的一些实施方式，每个所述应力测试模块对称设置。
根据本发明的一些实施方式，所述不锈钢层的厚度为100μm~800μm。
根据本发明的一些实施方式，所述不锈钢层的厚度为100μm~300μm。
根据本发明的一些实施方式，所述不锈钢层为304不锈钢层、316L不锈钢层、17-4PH不锈钢层、630不锈钢层和15-5PH不锈钢层中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述过渡层还包括NiCr层；所述NiCr层与所述不锈钢层相接触。
在过渡层中设置NiCr层，有利于进一步增加NiCr层与不锈钢层的结合力，从而提升本发明纳米薄膜复合传感器的稳定性，从而延长纳米薄膜复合传感器的寿命。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCr层的厚度为50nm~100nm。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铌层（五氧化二铌层）的厚度为100nm~800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铌层（五氧化二铌层）的厚度为400nm~600nm。
该层的厚度过薄，则会导致应力的不能充分缓解，从而影响到传感器稳定性；而厚度过厚，则会导致传感器中膜层厚度的增加，从而限制传感器的应用场景。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrMnSi层中包括如下质量百分数的元素：
50%~60%的Ni、10%~30%的Cr、20%~30%的Mn和1%~10%的Si。
将各成分的用量控制在上述范围，有利于进一步提升应变层的精确度。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrMnSi层的厚度为100nm~500nm。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlY层中包括如下质量百分数的元素：
50%~60%的Ni、10%~30%的Cr、20%~30%的Al和1%~10%的Y。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlY层的厚度为100nm~800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlY层的厚度为600nm~800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述保护层由氧化铝层和二氧化硅层组成。
本发明中保护层采用复合防护层。利用其层之间的界面势垒阻断单层保护层的氧离子渗透通道，进而增强保护层的抗氧化能力。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铝层的厚度为100nm~300nm。
根据本发明的一些实施方式，所述二氧化硅层的厚度为200nm~400nm。
根据本发明的一些实施方式，所述焊盘为金焊盘。
根据本发明的一些实施方式，所述焊盘的厚度为500nm~1500nm。
本发明第二方面提供了上述纳米薄膜复合应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基底层上依次生长所述过渡层和所述绝缘层；
S2、在所述绝缘层表面生长应变层；光刻后实现应变层图案化，形成图案化应变层；
S3、在所述图案化应变层表面部分区域生长保护层；在所述图案化应变层表面部分区域生长焊盘。
根据本发明的一些实施方式，所述基底层需进行研磨处理。
根据本发明的一些实施方式，所述研磨处理为采用机械抛光。
根据本发明的一些实施方式，所述过渡层的生长方法为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCr层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铌层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述应变层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrMnSi层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrMnSi层的溅射过程中基底的温度为300℃~500℃。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrMnSi层的溅射功率为150W~250W。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlY层的生长方式为磁控溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlY层的溅射过程中基底的温度为300℃~500℃。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlY层的溅射功率为150W~250W。
本发明第三方面提供了上述纳米薄膜复合应变传感器在测量油井钻头压力、应力和/或扭矩中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米薄膜复合应变传感器焊接在所述油井钻头表面。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例1中纳米薄膜复合应变传感器的俯视结构示意图。
图2为图1中AA截面位置纳米薄膜复合应变传感器的截面结构示意图。
图3为本发明实施例1中纳米薄膜复合应变传感器安装后的结构示意图。
图中：
100、扭矩测试模块；101、应力测试模块；102、压力测试模块；103、焊点；104、油井钻头安装平面。
200、基底层；201、NiCr层；202、Nb2O5层；203、绝缘层；204、NiCrMnSi层；205、NiCrAlY层；206、焊盘；207、保护层。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果；显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中；在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例为一种纳米薄膜复合应变传感器，结构示意图见图1~2。
本实施例中纳米薄膜复合传感器如图1中所示，其中八个测试模块呈“米”字型分布；
在“米”字型水平位置分布的两个测试模块为应力测试模块101；
在“米”字型竖直位置分布的两个测试模块为压力测试模块102；
剩余的四个测试模块为扭矩测试模块100。
图1中AA位置截面结构示意图见图2（从“米”字型的中央为图2中左侧），从图2中得知：
本实施例中纳米薄膜复合应变传感器由以下各层组成：
基底层200（不锈钢层（304不锈钢层），厚度为100μm）、NiCr层201（厚度为100nm）、Nb2O5层202（厚度为500nm）、绝缘层203（二氧化硅层，厚度为2500nm）；
绝缘层203的表面部分区域上设有NiCrMnSi层204（厚度为300nm）、NiCrAlY层205（厚度为700nm）；
绝缘层203的表面部分剩余部分区域上设有保护层207；
NiCrAlY层表面部分区域上设有焊盘206（Au层，厚度为1000nm）；
NiCrAlY层表面部分区域上保护层207；
保护层207依次由氧化铝层（厚度为200nm）和二氧化硅层（厚度为300nm）组成；
氧化铝层和NiCrAlY层相接触。
NiCrMnSi层由如下质量百分数的元素组成：
55%的Ni、20%的Cr、20%的Mn和5%的Si。
NiCrAlY层由如下质量百分数的元素组成：
50%的Ni、25%的Cr、20%的Al和5%的Y。
本实施例中纳米薄膜复合应变传感器的制备方法，由以下步骤组成：
S1、通过研磨抛光完成不锈钢层的平坦化处理。
S2、采用磁控溅射镀膜的方法在经过步骤S1处理的不锈钢弹性基底上依次沉积NiCr层、Nb2O5层和绝缘层；制得第一预制件。
S3、采用磁控溅射镀膜的方法在步骤S2制得的第一预制件表面依次沉积NiCrMnSi层和NiCrMnSi层；制得第二预制件；
其中NiCrMnSi层的溅射过程中基底的温度为450℃；
NiCrMnSi层的溅射功率为200W；
NiCrAlY层的溅射过程中基底的温度为450℃；
NiCrAlY层的溅射功率为200W。
S4、利用光刻技术加工形成八个测试模块，再利用磁控溅射在步骤S3制得的第二预制件表面沉积焊盘；制得第三预制件。
S5、利用光刻技术加工形成保护层图案，利用磁控溅射沉积工艺沉积保护层。
实施例2
本实施例为一种纳米薄膜复合应变传感器，与实施例1的差异在于：本实施例中不设置NiCr层。
对比例1
本对比例为一种纳米薄膜复合应变传感器，与实施例2的差异在于：本对比例中不设置Nb2O5层。
对比例2
本对比例为一种纳米薄膜复合应变传感器，与实施例2的差异在于：本对比例中不设置NiCrMnSi层。
对比例3
本对比例为一种纳米薄膜复合应变传感器，与实施例2的差异在于：本对比例中不设置NiCrAlY层。
对比例4
本对比例为一种纳米薄膜复合应变传感器，与实施例2的差异在于：本对比例中将NiCrAlY层替换为NiCrMnSi层；即NiCrMnSi层厚度为1μm。
本实施例1~2和对比例1~4中纳米薄膜复合传感器的应用于油井钻头，具体操作如下：
S1、采用金刚砂纸对油井钻头安装平面104进行打磨；
S2、在步骤S1中打磨好的油井钻头安装平面104上对纳米薄膜复合传感器进行定位；
S3、将点焊设备对准纳米薄膜复合传感器的四个角落，采用点焊定位；
S4、将定位好的纳米薄膜复合传感器边沿向内移动1mm，紧密点焊（焊点103分布如图3所示），将本发明中纳米薄膜复合传感器牢固焊接在被测量物体表面。
本发明实施例1~2和对比例1~4中纳米薄膜复合传感器的性能测试结果见表1，测试标准参照GBT 13992-2010。
表1 本发明实施例1~2和对比例1~4中纳米薄膜复合传感器的性能测试结果
Figure 484417DEST_PATH_IMAGE001
从上述结果得知，本发明传感器的灵敏度高（适用于恶劣环境）且寿命长。
综上所述，本发明的纳米薄膜复合应变传感器通过在基底层表面设置氧化铌过渡层，利用氧化铌来缓解绝缘层和基底层之间的失配导致的应力，从而提升基底层与绝缘层之间的结合强度；从而提升纳米薄膜复合应变传感器的稳定性和寿命；本发明通过设置绝缘层，保证了应变层与不锈钢层之间电学信号的绝缘；本发明中应变层由NiCrMnSi层和NiCrAlY层组成，其中NiCrMnSi层的致密程度高、表面缺陷少且与绝缘层的结合强度高，从而提升了应变层的测试精度；而NiCrAlY层中含有金属铝，金属铝在氧气存在的情况下会生成氧化铝，而氧化铝能够起到一定的抗氧化作用，有利于提升应变敏感层的抗氧化性能；本发明中保护层取代保护应变层的作用，提升应变层的抗氧化性；本发明在应变层中设置多个测试模块，通过多组模块的设置，从而实现了多组参数的同时测量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米薄膜复合应变传感器，其特征在于，包括：
基底层，所述基底层表面设有过渡层；
所述过渡层的表面设有绝缘层；
所述绝缘层的部分表面设有应变层；
所述绝缘层的剩余部分表面设有保护层；
所述应变层的部分表面设有焊盘；
所述应变层的剩余部分表面设有保护层；
所述基底层为不锈钢层；
所述过渡层包括氧化铌层；
所述应变层由NiCrMnSi层和NiCrAlY层组成；
所述NiCrMnSi层与所述绝缘层相接触；
所述NiCrAlY层与所述保护层相接触；
所述应变层模块设置为扭矩测量模块、应力测量模块和压力测量模块。
2.根据权利要求1所述的纳米薄膜复合应变传感器，其特征在于，所述过渡层还包括NiCr层；所述NiCr层与所述不锈钢层相接触。
3.根据权利要求1所述的纳米薄膜复合应变传感器，其特征在于，所述氧化铌层的厚度为100nm~800nm。
4.根据权利要求1所述的纳米薄膜复合应变传感器，其特征在于，所述NiCrMnSi层中包括如下质量百分数的元素：
50%~60%的Ni、10%~30%的Cr、20%~30%的Mn和1%~10%的Si。
5.根据权利要求1至4任一项所述的纳米薄膜复合应变传感器，其特征在于，所述NiCrMnSi层的厚度为100nm~500nm。
6.根据权利要求1至4任一项所述的纳米薄膜复合应变传感器，其特征在于，所述NiCrAlY层的厚度为100nm~800nm。
7.根据权利要求1至4任一项所述的纳米薄膜复合应变传感器，其特征在于，所述保护层由氧化铝层和二氧化硅层组成。
8.一种制备如权利要求1至7任一项所述的纳米薄膜复合应变传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在基底层上依次生长所述过渡层和所述绝缘层；
S2、在所述绝缘层表面生长应变层；光刻后实现应变层图案化，形成图案化应变层；
S3、在所述图案化应变层表面部分区域生长保护层；在所述图案化应变层表面部分区域生长焊盘。
9.一种如权利要求1至7任一项所述的纳米薄膜复合应变传感器在测量油井钻头压力、应力和/或扭矩中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述纳米薄膜复合应变传感器焊接在所述油井钻头表面。
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