CN206362301U - 一种基于溅射薄膜的薄膜应变计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于溅射薄膜的薄膜应变计，有基底、薄膜应变计敏感栅、覆盖物保护膜及导引电信号的引出线组成。基底是一层厚度在100μm之内的聚酰亚胺薄膜，起到绝缘作用和传递应变作用；用于感知结构应变的敏感栅是一层金属薄膜镍铬合金，通过溅射薄膜制备工艺制成，可大大降低应变计的使用功耗；引出线通过焊接方式焊接在敏感栅的焊接栅处；覆盖物保护膜是一层Si₃N₄防护层，可以起到对敏感栅的热、腐蚀、水、电等外界条件的防护作用，防止敏感栅过早、过快氧化，防止受到外界环境的化学破坏。本实用新型能够应用于无线应变测量，具有功耗低、高分辨率、高可靠性、高测量精度等优点。

Description

一种基于溅射薄膜的薄膜应变计

技术领域

本实用新型属于应变传感器技术领域，具体涉及一种用于结构应变测量的低功耗薄膜应变计。

背景技术

基于工程塑料、柔性材料、粘弹性复合材料等材料的大型结构在贮存及其服役期间，其结构由于自身重量的影响会产生局部变形，为了监测结构的变形情况并及时地反映结构的健康状态，需要研制相应的应变计安装在结构表面以对结构健康状态进行监检测，而应变计则需要满足高可靠、低功耗、长寿命的要求。为了使应变计能够承受长期间的恶劣、复杂的力学环境以及外部腐蚀等环境因素的影响，应变计需要采用化学性能稳定、绝缘性能好的材料作为覆盖物。在现有的应变计技术中，市场上的应变计由于其阻值1500±5Ω，功耗比较大，而且长期稳定性、蠕变等方面尚还都不能满足大型结构测量的需求，这就使得研制可满足高分辨率、高精度、低功耗要求的薄膜应变计具有非常重要的现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种还具有功耗低、高分辨率、高可靠性、高测量精度等特点的基于溅射薄膜的薄膜应变计。

用于实现本实用新型目的的技术解决方案如下所述。

一种基于溅射薄膜的薄膜应变计，由自下而上依次设置的基底、薄膜应变计敏感栅和覆盖物保护膜组成，所述的薄膜应变计敏感栅包括一个由两侧边栅、多段纵向测量栅以及多段横向测量栅一体连通的呈蛇形排布的栅体，其中在两侧边珊的末端沿伸有过渡段和焊接栅，在焊接栅上连接有导引电信号的引出线。

上述基于溅射薄膜的薄膜应变计中，薄膜应变计敏感栅为首先通过金属溅射薄膜工艺将金属镀在基底上形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在基底上的金属膜刻蚀形成的敏感栅。

上述基于溅射薄膜的薄膜应变计中，薄膜应变计敏感栅采用镍铬合金(Ni₈₀Cr₂₀)材料制成，阻值为1500±5Ω、厚度为1μm。

上述基于溅射薄膜的薄膜应变计中，覆盖物保护膜是在薄膜应变计敏感栅的表面通过金属溅射薄膜工艺镀有的一层厚度1～2μm的氮化硅(Si₃N₄)保护膜

上述基于溅射薄膜的薄膜应变计中，基底材料为厚度小于100μm的聚酰亚胺薄膜。

本实用新型的技术解决方案还包括，在焊接栅上面通过溅射薄膜工艺镀有一层用于焊接引出线的纯铜(99％Cu)，由导体材料制成的引出线通过焊接的方式焊接在焊接栅上。

本实用新型的技术解决方案还包括，基底由绝缘材料制成，在基底表面制设有纵轴线标记、45°方向定位标记、横轴线标记和裁剪标记。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

一、本实用新型为一种基于溅射薄膜工艺的应变计，该薄膜应变计的敏感栅通过溅射薄膜制备工艺将金属靶材镍铬合金(Ni₈₀Cr₂₀)溅射到聚酰亚胺薄膜基底的表面，然后将氮化硅(Si₃N₄)溅射到敏感栅表面，可以起到对敏感栅的热、腐蚀、水、电等外界条件的防护的作用，防止敏感栅过早、过快氧化，防止敏感栅受到外界环境的化学破坏，这种通过镀膜工艺制备的敏感栅和防护层具有高可靠、低功耗、长寿命等优点；

二、本实用新型通过金属溅射薄膜技术将敏感栅做到100μm以内的厚度，大大提高应变计的长期可靠性、分辨率及测量精度；

三、本实用新型所述薄膜应变计的电阻值大，在相同的电压下，大大减小了使用功耗，能够应用于无线应变监检测系统，满足低功耗要求，同时也为解决无源无线应变监测技术问题提供了参考。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实施例的结构示意图。

图2是本实用新型的薄膜应变计敏感栅的结构示意图。

图3是本实用新型的基底的结构示意图。

图中各数字标号的名称分别是：1－覆盖物保护膜；2－薄膜应变计敏感栅，2a－横向测量栅，2b－纵向测量栅，2c－边栅，2d－过渡段，2e－焊接栅；3－基底，3a－纵轴线标记，3b－45°方向定位标记，3c－横轴线标记，3d－裁剪标记；4－引出线。

具体实施方式

参见附图，本实用新型所述的基于金属溅射薄膜的薄膜应变计包括外层起到防护作用的覆盖物保护膜1、感知结构应变的薄膜应变计敏感栅2、起到绝缘作用和传递应变的基底3以及导引电信号的引出线4。基底3是一层聚酰亚胺薄膜，厚度在100μm之内，使得结构变形能够有效地将应变信息传递到薄膜应变计敏感栅2，在基底3表面制设有纵轴线标记3a、45°方向定位标记3b、横轴线标记3c和裁剪标记3d(图3)。薄膜应变计敏感栅2设置在基底3上，包括一个由两侧边栅2c、n段(附图中n＝12)纵向测量栅2b以及n+1段(附图中n＝12)横向测量栅2a一体连通的呈蛇形排布的栅体，在敏感栅两侧边珊的末端沿伸有过渡段2d和焊接栅2e(图2)。薄膜应变计敏感栅2是一层金属薄膜镍铬合金(Ni80Cr20)，通过溅射薄膜制备工艺制成，由于镍铬合金(Ni80Cr20)材料的电阻率大，使得薄膜应变计的电阻大，降低了使用功耗。引出线4是通过焊接的方式将其焊接在焊接栅2e处，由于镍铬合金不易于与焊锡结合，所以在焊接栅2e处溅射一层铜膜，然后再将引出线4焊接在焊接栅2e处。覆盖物保护膜1是一层氮化硅(Si₃N₄)防护层，通过溅射制备工艺将化学性能稳定的氮化硅(Si₃N₄)溅射到薄膜应变计的整体表面，可以起到对敏感栅的热、腐蚀、水、电等外界条件的防护作用，防止敏感栅过早、过快氧化，防止受到外界环境的化学破坏。

本实用新型的制作过程是：将基底材料置于溅射平台上，在高真空的状态下通过离子束中的高能粒子轰击金属靶材镍铬合金(Ni80Cr20)，使其溅射出金属原子，并在一定的能量下沿特定的角度沉积在聚酰亚胺薄膜基底材料上，再通过光刻的工艺将电阻敏感栅形成掩膜，最终通过干法刻蚀得出薄膜应变计敏感栅2；然后再通过相同的方式将金属靶材纯铜(99％Cu)溅射得到焊接栅2e，以利于焊接牢固，将引出线4的一端焊接在焊接栅2e上(引出线4的另一端外连接至数据采集系统)，最后通过溅射薄膜制备工艺将靶材氮化硅(Si₃N₄)溅射到薄膜应变计的表面，即完成薄膜应变计的制备。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型专利原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于溅射薄膜的薄膜应变计，其特征在于：由自下而上依次设置的基底(3)、薄膜应变计敏感栅(2)和覆盖物保护膜(1)组成，所述的薄膜应变计敏感栅(2)包括一个由两侧边栅(2c)、多段纵向测量栅(2b)以及多段横向测量栅(2a)一体连通的呈蛇形排布的栅体，其中在两侧边珊的末端沿伸有过渡段(2d)和焊接栅(2e)，在焊接栅(2e)上连接有导引电信号的引出线(4)。

2.根据权利要求1所述的基于溅射薄膜的薄膜应变计，其特征在于：所述的薄膜应变计敏感栅(2)为首先通过金属溅射薄膜工艺将金属镀在基底(3)上形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在基底(3)上的金属膜刻蚀形成的敏感栅。

3.根据权利要求1或2所述的基于溅射薄膜的薄膜应变计，其特征在于：所述的薄膜应变计敏感栅(2)采用镍铬合金材料制成，阻值为1500±5Ω、厚度为1μm。

4.根据权利要求1所述的基于溅射薄膜的薄膜应变计，其特征在于：所述的覆盖物保护膜(1)是在薄膜应变计敏感栅(2)的表面通过金属溅射薄膜工艺镀有的一层厚度1～2μm的氮化硅保护膜。

5.根据权利要求1所述的基于溅射薄膜的薄膜应变计，其特征在于：所述的基底(3)材料为厚度小于100μm的聚酰亚胺薄膜。

6.根据权利要求1所述的基于溅射薄膜的薄膜应变计，其特征在于：在焊接栅(2e)上面通过溅射薄膜工艺镀有一层用于焊接引出线(4)的纯铜，由导体材料制成的引出线(4)通过焊接的方式焊接在焊接栅(2e)上。

7.根据权利要求1所述的基于溅射薄膜的薄膜应变计，其特征在于：基底(3)由绝缘材料制成，在基底(3)表面制设有纵轴线标记(3a)、45°方向定位标记(3b)、横轴线标记(3c)和裁剪标记(3d)。