CN117664407B - 一种柔性无源光学式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性无源光学式压力传感器，包括有从下至上顺次粘接固定的力敏传感器薄膜层、光子晶体微结构层和透明柔性薄膜层，光子晶体微结构层的顶面上设置有光子晶体图案，力敏传感器薄膜层和透明柔性薄膜层之间设置有柔性封装支撑结构，光子晶体微结构层设置于柔性封装支撑结构的内腔中且光子晶体微结构层的高度不大于柔性封装支撑结构内腔的高度。本发明可直接通过观测传感器颜色的变化实时直观掌握压力的变化情况，避免了数据传输分析造成压力数据延误的问题。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体是一种柔性无源光学式压力传感器。
背景技术
现有的柔性薄膜传感器通常是由底座层，敏感层，电极层和绝缘层组成，采用上下衬底进行封装保护。在使用过程中，柔性薄膜传感器的信号处理和数据传输具有时效性的要求，响应速度有一定的限制。在进行分布式测量时，由于扫描电路的存在，测点量过多，外界压力变化过快时，采集数据有一定的滞后性，尤其在隧道这种实际应用场景中，还需要用到无线数据传输技术，由于带宽限制传输甚至会出现几十分钟到几个小时的滞后性。当外部应力过大无法及时反应时，也会导致传感器的破坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种柔性无源光学式压力传感器，可直接通过观测传感器颜色的变化实时直观掌握压力的变化情况，避免了数据传输分析造成压力数据延误的问题。
本发明的技术方案为：
一种柔性无源光学式压力传感器，包括有从下至上顺次粘接固定的力敏传感器薄膜层、光子晶体微结构层和透明柔性薄膜层，所述的光子晶体微结构层的顶面上设置有光子晶体图案，所述的力敏传感器薄膜层和透明柔性薄膜层之间设置有柔性封装支撑结构，所述的光子晶体微结构层设置于柔性封装支撑结构的内腔中且光子晶体微结构层的高度不大于柔性封装支撑结构内腔的高度。
所述的光子晶体微结构层包括有上光子晶体微结构层和下光子晶体微结构层，透明柔性薄膜层包括有上透明柔性薄膜层和下透明柔性薄膜层，下透明柔性薄膜层、下光子晶体微结构层、力敏传感器薄膜层、上光子晶体微结构层和上透明柔性薄膜层从下往上顺次粘接固定，且力敏传感器薄膜层和下透明柔性薄膜层之间、力敏传感器薄膜层和上透明柔性薄膜层之间均设置有柔性封装支撑结构，所述的下光子晶体微结构层或上光子晶体微结构层设置于对应柔性封装支撑结构的内腔中。
所述的下透明柔性薄膜层、下光子晶体微结构层、力敏传感器薄膜层、上光子晶体微结构层和上透明柔性薄膜层从下往上顺次粘接固定后，封装于柔性封装层内。
所述的力敏传感器薄膜层选用薄膜弯曲传感器、薄膜压阻式压力传感器或薄膜压电式压力传感器。
所述的光子晶体微结构层选用聚二甲基硅氧烷薄膜层、氧化硅薄膜层、聚苯乙烯薄膜层、氧化铟锡薄膜层、聚乙烯薄膜层或氧化铝薄膜层，光子晶体微结构层顶面的光子晶体图案为采用热压印方法获得的矩阵式排列结构的纳米图案，每个纳米图案对应一个凸起结构，光子晶体微结构层顶面上的所有凸起结构形状一致，相邻凸起结构之间的间距相等。
所述的光子晶体微结构层是由基材和黑色有机硅颜料制成的黑色透明薄膜，基材选用聚二甲基硅氧烷、氧化硅、聚苯乙烯、氧化铟锡、聚乙烯或氧化铝，黑色有机硅颜料占基材总重量的3.67-8.43％。
所述的透明柔性薄膜层选用无色透明的聚酰亚胺薄膜层、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜层或聚碳酸酯薄膜层。
所述的柔性封装层选用无色透明的聚酰亚胺封装层、聚对苯二甲酸乙二醇酯封装层、聚碳酸酯封装层、聚乙烯醇封装层或聚萘二甲酯乙二醇酯封装层。
所述的柔性封装支撑结构包括有无色透明的柔性玻璃封盖和密封圈，柔性玻璃封盖包括有底端开口的柔性罩壳和环形粘接层，柔性罩壳的纵向截面形状为倒梯形，环形粘接层的内圈与柔性罩壳的底端为一体化连接结构，柔性罩壳的顶面与透明柔性薄膜层的底面密封粘接固定，光子晶体微结构层设置于柔性罩壳内且光子晶体微结构层的底面与力敏传感器薄膜层的顶面密封粘接固定，密封圈密封粘接于环形粘接层和力敏传感器薄膜层之间，光子晶体微结构层的高度不大于柔性罩壳内顶面和力敏传感器薄膜层顶面之间的最小垂直距离。
所述的柔性封装支撑结构包括有柔性支撑环和密封圈，柔性支撑环包括有锥形环、上环形粘接层和下环形粘接层，锥形环从顶端至底端其口径逐渐增大，上环形粘接层与锥形环的顶端为一体化连接结构，下环形粘接层与锥形环的底端为一体化连接结构，上环形粘接层的顶面与透明柔性薄膜层的底面密封粘接固定，光子晶体微结构层设置于锥形环内且光子晶体微结构层的底面与力敏传感器薄膜层的顶面密封粘接固定，密封圈密封粘接于下环形粘接层和力敏传感器薄膜层之间，光子晶体微结构层的高度不大于上环形粘接层顶面和力敏传感器薄膜层顶面之间的最小垂直距离。
本发明的优点：
(1)、本发明的光子晶体微结构层，对于光的散射和反射非常敏感，能提供高度灵敏的压力传感性能，小幅度的压力变化即会造成其光学带隙的变化，从而实现高分辨率的压力测量，光子晶体微结构层的光学性质可以在毫秒或更短时间内产生响应，从而能够快速直观掌握压力的变化情况。
(2)、本发明使用时，直接粘接固定于待检测物体的表面上，进行非侵入性数据采集，直接通过光子晶体微结构层的颜色变化，得到压力的实时数据，无需现场工作人员掌握压力采集设备的使用规则，使用操作简单，数据采集成本低。
(3)、本发明的光子晶体微结构层为黑色透明薄膜结构，添加黑色有机硅颜料使得光子晶体微结构层能有效吸收光，有助于防止散射，从而提高光子晶体的清晰度；同时通过调节黑色有机硅颜料的添加量，调节光子晶体微结构层的颜色深浅，且保证不影响光子晶体微结构层的衍射效果。
(4)、本发明设置有力敏传感器薄膜层，兼具现有柔性薄膜传感器通过电信号采集压力数据的功能，使得本发明适用于多种采集环境下，满足多种压力数据采集的要求。
(5)、本发明设置有柔性封装支撑结构，在不影响柔性无源光学式压力传感器整体柔性性能的情况下，对光子晶体微结构层进行封装保护，避免光子晶体微结构层发生损伤，影响正常的使用显示。
(6)、本发明的透明柔性薄膜层和柔性封装层具有无色透明和热稳定性好的优点，在不影响光子晶体微结构层颜色变化显示的同时，进一步保护力敏传感器薄膜层和光子晶体微结构层，提高柔性无源光学式压力传感器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明上光子晶体微结构层第一种结构的纵剖视图。
图3是本发明上光子晶体微结构层第一种结构的俯视图。
图4是本发明上光子晶体微结构层第二种结构的纵剖视图。
图5是本发明上光子晶体微结构层第二种结构的俯视图。
图6是本发明光子晶体微结构层封装于力敏传感器薄膜层和上透明柔性薄膜层之间的结构示意图一。
图7是本发明光子晶体微结构层封装于力敏传感器薄膜层和上透明柔性薄膜层之间的结构示意图二。
附图标记：1-下透明柔性薄膜层，2-下光子晶体微结构层，3-力敏传感器薄膜层，4-上光子晶体微结构层，5-上透明柔性薄膜层，6-柔性封装层，71-柔性罩壳，72-环形粘接层，73-密封圈，74-锥形环，75-上环形粘接层，76-下环形粘接层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1，一种柔性无源光学式压力传感器，包括有从下至上顺次粘接固定的下透明柔性薄膜层1、下光子晶体微结构层2、力敏传感器薄膜层3、上光子晶体微结构层4和上透明柔性薄膜层5，以及柔性封装层6；下透明柔性薄膜层1、下光子晶体微结构层2、力敏传感器薄膜层3、上光子晶体微结构层4和上透明柔性薄膜层5从下往上顺次粘接固定后，封装于柔性封装层6内；
力敏传感器薄膜层3选用薄膜压电式压力传感器，其上下表面均连接有信号线，两个信号线的外端部引出至柔性封装层6的外部；
下光子晶体微结构层2和上光子晶体微结构层4均为聚二甲基硅氧烷薄膜层，聚二甲基硅氧烷薄膜层是由聚二甲基硅氧烷和黑色有机硅颜料制成的黑色透明薄膜，黑色有机硅颜料占聚二甲基硅氧烷总重量的3.67％，下光子晶体微结构层2的底面和上光子晶体微结构层4的顶面上均设置有光子晶体图案，光子晶体图案为采用热压印方法获得的矩阵式排列结构的纳米图案(见图2-图5)，每个纳米图案对应一个凸起结构，聚二甲基硅氧烷薄膜层顶面上的所有凸起结构形状一致，相邻凸起结构之间的间距相等；
下透明柔性薄膜层1和上透明柔性薄膜层5均选用无色透明的聚酰亚胺(PI)薄膜层；柔性封装层6选用无色透明的聚酰亚胺(PI)封装层、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)封装层、聚碳酸酯(PC)封装层、聚乙烯醇(PVA)封装层或聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)封装层；
力敏传感器薄膜层3和下透明柔性薄膜层1之间、力敏传感器薄膜层3和上透明柔性薄膜层5之间均设置有柔性封装支撑结构，下光子晶体微结构层2或上光子晶体微结构层4设置于对应柔性封装支撑结构的内腔中。
见图6，柔性封装支撑结构包括有无色透明的柔性玻璃封盖(柔性玻璃材料)和密封圈73，柔性玻璃封盖包括有底端开口的柔性罩壳71和环形粘接层72，柔性罩壳71的纵向截面形状为倒梯形，环形粘接层72的内圈与柔性罩壳71的底端为一体化连接结构，柔性罩壳71的顶面与上透明柔性薄膜层5的底面或下透明柔性薄膜层1的顶面密封粘接固定，下光子晶体微结构层2或上光子晶体微结构层4设置于对应的柔性罩壳71内，下光子晶体微结构层2的顶面与力敏传感器薄膜层3的底面之间粘接固定，上光子晶体微结构层4的底面与力敏传感器薄膜层3的顶面之间粘接固定，密封圈73密封粘接于环形粘接层72和力敏传感器薄膜层3之间，下光子晶体微结构层2和上光子晶体微结构层4的高度均不大于柔性罩壳71内顶面和力敏传感器薄膜层3顶面之间的最小垂直距离。
见图7，柔性封装支撑结构包括有柔性支撑环和密封圈73，柔性支撑环包括有锥形环74、上环形粘接层75和下环形粘接层76，锥形环74从顶端至底端其口径逐渐增大，上环形粘接层75与锥形环74的顶端为一体化连接结构，下环形粘接层76与锥形环74的底端为一体化连接结构，锥形环74、上环形粘接层75和下环形粘接层76为高弹模金属材料制成的一体化结构；上透明柔性薄膜层5的底面或下透明柔性薄膜层1的顶面与对应上环形粘接层75的顶面密封粘接固定，下光子晶体微结构层2和上光子晶体微结构层4设置于对应的锥形环74内且上光子晶体微结构层4的底面与力敏传感器薄膜层3的顶面密封粘接固定、下光子晶体微结构层2的顶面与力敏传感器薄膜层3的底面密封粘接固定，密封圈密73封粘接于下环形粘接层76和力敏传感器薄膜层3之间，下光子晶体微结构层2的高度不大于上环形粘接层75顶面和力敏传感器薄膜层3底面之间的最小垂直距离，上光子晶体微结构层4的高度不大于上环形粘接层75顶面和力敏传感器薄膜层3顶面之间的最小垂直距离。
本发明下光子晶体微结构层2和上光子晶体微结构层4的制备方法：
(1)、首先按重量份比，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中加入黑色有机硅颜料，并确保黑色有机硅颜料在PDMS中均匀分布，得到PDMS浆料备用；
(2)、在硅衬底的顶面上加工纳米孔阵列图案，每个纳米孔的尺寸为100μm×100μm，然后将硅衬底放入模具中，纳米孔阵列图案朝上，然后向模具中倒入PDMS浆料，并采用热压印方法，在50-100℃、0.1-1MPa下预热轻压，50-200℃、1-10MPa下热压，使得PDMS上形成纳米阵列图案，最后PDMS固化后，从模具中取出即可。
其中，光子晶体微结构层的反射峰波长决定光子晶体微结构层的颜色，其计算公式见下式(1)：
式(1)中，λ为反射峰波长；d为光子晶体微结构层的晶格间距；k3为不同柔性封装支撑结构对光折射率的影响，取值范围为0.9753-1.1897；L1为光子晶体微结构层上透明柔性薄膜层和柔性封装层的厚度和；m为衍射级数；ni和Vi表示光子晶体微结构层中各组分的折射率和体积分数；k6为分形维数；θ为入射光与光子晶体微结构层表面法线的夹角；k5为光子晶体微结构层中相邻两个纳米图案之间的间距，取值范围为0.9756-1.2356；k1为光子晶体微结构层上透明柔性薄膜层和柔性封装层的透射率系数，取值为0.9576-1.1766；k2为光子晶体微结构层的反射折减系数，取值范围为0.8798-1.2565。
柔性无源光学式压力传感器出厂使用前进行颜色的计算标定，得出压力范围和颜色的对应关系，使用时，直接根据颜色即可判定对应的压力范围。
当施加压力在柔性无源光学式压力传感器上时，导致光子晶体微结构层光子带隙的位置和宽度发生变化，从而改变光子晶体微结构层的透射或反射光谱，在光子晶体微结构层的表面可以看到由于不同程度的压力所表现的颜色。同时力敏传感器薄膜层3采集压力信号并通过电路传输给压力采集设备，实现压力远程监控和记录。
对于隧道中需要准确监测压力变化的应用中进行分布式压力测量，在不同测量点固定柔性无源光学式压力传感器，根据传感器的变色情况，判定压力的大小；柔性无源光学式压力传感器通常具有较高的抗干扰能力，可以减少外部干扰对传感器性能的影响，在隧道环境中，可能会有各种振动、电磁干扰等因素，柔性无源光学式压力传感器的变色情况并不会受这些干扰因素的影响。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：包括有从下至上顺次粘接固定的力敏传感器薄膜层、光子晶体微结构层和透明柔性薄膜层，所述的光子晶体微结构层的顶面上设置有光子晶体图案，所述的力敏传感器薄膜层和透明柔性薄膜层之间设置有柔性封装支撑结构，所述的光子晶体微结构层设置于柔性封装支撑结构的内腔中且光子晶体微结构层的高度不大于柔性封装支撑结构内腔的高度；
所述的柔性封装支撑结构包括有无色透明的柔性玻璃封盖和密封圈，或包括有柔性支撑环和密封圈；
柔性玻璃封盖包括有底端开口的柔性罩壳和环形粘接层，柔性罩壳的纵向截面形状为倒梯形，环形粘接层的内圈与柔性罩壳的底端为一体化连接结构，柔性罩壳的顶面与透明柔性薄膜层的底面密封粘接固定，光子晶体微结构层设置于柔性罩壳内且光子晶体微结构层的底面与力敏传感器薄膜层的顶面密封粘接固定，密封圈密封粘接于环形粘接层和力敏传感器薄膜层之间，光子晶体微结构层的高度不大于柔性罩壳内顶面和力敏传感器薄膜层顶面之间的最小垂直距离；
柔性支撑环包括有锥形环、上环形粘接层和下环形粘接层，锥形环从顶端至底端其口径逐渐增大，上环形粘接层与锥形环的顶端为一体化连接结构，下环形粘接层与锥形环的底端为一体化连接结构，上环形粘接层的顶面与透明柔性薄膜层的底面密封粘接固定，光子晶体微结构层设置于锥形环内且光子晶体微结构层的底面与力敏传感器薄膜层的顶面密封粘接固定，密封圈密封粘接于下环形粘接层和力敏传感器薄膜层之间，光子晶体微结构层的高度不大于上环形粘接层顶面和力敏传感器薄膜层顶面之间的最小垂直距离。
2.根据权利要求1所述的一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：所述的光子晶体微结构层包括有上光子晶体微结构层和下光子晶体微结构层，透明柔性薄膜层包括有上透明柔性薄膜层和下透明柔性薄膜层，下透明柔性薄膜层、下光子晶体微结构层、力敏传感器薄膜层、上光子晶体微结构层和上透明柔性薄膜层从下往上顺次粘接固定，且力敏传感器薄膜层和下透明柔性薄膜层之间、力敏传感器薄膜层和上透明柔性薄膜层之间均设置有柔性封装支撑结构，所述的下光子晶体微结构层或上光子晶体微结构层设置于对应柔性封装支撑结构的内腔中。
3.根据权利要求2所述的一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：所述的下透明柔性薄膜层、下光子晶体微结构层、力敏传感器薄膜层、上光子晶体微结构层和上透明柔性薄膜层从下往上顺次粘接固定后，封装于柔性封装层内。
4.根据权利要求1所述的一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：所述的力敏传感器薄膜层选用薄膜弯曲传感器、薄膜压阻式压力传感器或薄膜压电式压力传感器。
5.根据权利要求1所述的一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：所述的光子晶体微结构层选用聚二甲基硅氧烷薄膜层、氧化硅薄膜层、聚苯乙烯薄膜层、氧化铟锡薄膜层、聚乙烯薄膜层或氧化铝薄膜层，光子晶体微结构层顶面的光子晶体图案为采用热压印方法获得的矩阵式排列结构的纳米图案，每个纳米图案对应一个凸起结构，光子晶体微结构层顶面上的所有凸起结构形状一致，相邻凸起结构之间的间距相等。
6.根据权利要求5所述的一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：所述的光子晶体微结构层是由基材和黑色有机硅颜料制成的黑色透明薄膜，基材选用聚二甲基硅氧烷、氧化硅、聚苯乙烯、氧化铟锡、聚乙烯或氧化铝，黑色有机硅颜料占基材总重量的3.67-8.43%。
7.根据权利要求1所述的一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：所述的透明柔性薄膜层选用无色透明的聚酰亚胺薄膜层、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜层或聚碳酸酯薄膜层。
8.根据权利要求3所述的一种柔性无源光学式压力传感器，其特征在于：所述的柔性封装层选用无色透明的聚酰亚胺封装层、聚对苯二甲酸乙二醇酯封装层、聚碳酸酯封装层、聚乙烯醇封装层或聚萘二甲酯乙二醇酯封装层。
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