一種柔性全橋式電阻應變片的制作方法

本發明屬于應變片制造相關技術領域，更具體地，涉及一種柔性全橋式電阻應變片。

背景技術：

電阻應變片作為一種高精度測量元件，是利用與被測構件一起變形來測量構件的真實應變。在不同的工況下，電阻應變片的測量方法不同。對于幾何形狀規則的被測構件，傳統測量方法通常是將四個單獨的電阻應變片兩兩對稱粘貼在被測構件的上下表面組成惠斯通全橋電路進行測量，使用該方法能夠實現電阻應變片溫度補償，同時使輸出電壓的靈敏度最大。然而，此方法需要粘貼四次電阻應變片，這將給測量結果帶來極大的誤差，同時也增加了人力成本，降低了測量的效率。當被測構件幾何形狀不規則時，傳統應變片無法在被測構件上形成有效的惠斯通全橋電路，只能采用單個電阻應變片測量，但單臂測量存在溫度漂移誤差，將會導致測量結構不準確，且影響輸出電壓的靈敏度。

另外，在一些特殊工況中，通常需要對一些曲率變化較大的曲面或者結構較為復雜的薄壁構件進行測量，這些零件發生變形時，不僅有拉伸應變同時還有彎曲應變，而目前市面上在售的電阻應變片測量范圍太小且不適合由曲率變化導致的應變測量的情形，無法滿足工業需求。針對上述問題，本領域相關技術人員已經做了一些研究，如專利CN104142118記載了在柔性基底上用碳納米管(CNT)纖維結構的CNT薄膜作為敏感柵，使得電阻應變片能夠檢測大于80％的應變；又如專利CN104880206記載了采用橡膠作為柔性基底，具有微米或者納米間隙的金屬薄膜作為敏感柵，制備了可以測量最大200％的應變的電阻應變片。以上所述兩個專利都采用柔性材料作為基底材料，能夠使應變片具有一定延展性，適合于大拉伸應變的情形，但由于敏感柵的結構中含有微米或者納米間隙，當應變片被彎曲時，應變片的穩定性和可靠性不確定，影響測量的精確性，而且也不適合曲率變化導致的曲面應變。相應地，本領域存在著發展一種能夠適用于曲面應變測量的電阻應變片。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種柔性全橋式電阻應變片，其基于電阻應變片的工作特點，針對柔性全橋式電阻應變片的結構及部件之間的連接關系進行了設計。所述柔性全橋式電阻應變片自身構造有惠斯通全橋電路，既實現了應變片溫度補償，又保證了輸出電壓的靈敏度，同時降低了成本，提高了測量效率。此外，中間絕緣層對應第一電阻應變傳感單元及第二電阻應變傳感單元的區域分別形成有凸臺，使得所述柔性全橋式電阻應變片僅受平面拉伸應變時，也能夠保證所述柔性全橋式電阻應變片全橋輸出。

為實現上述目的，本發明提供了一種柔性全橋式電阻應變片，其包括柔性基底、電阻應變傳感單元、中間絕緣層及覆蓋層，其特征在于：

所述電阻應變傳感單元包括第一電阻應變傳感單元、與所述第一電阻應變傳感單元間隔設置的第二電阻應變傳感單元、與所述第二電阻應變傳感單元間隔設置的第三電阻應變傳感單元及與所述第三電阻應變傳感單元間隔設置的第四電阻應變傳感單元；

所述第三電阻應變傳感單元及所述第四電阻應變傳感單元均貼附在所述柔性基底上；所述中間絕緣層設置在所述柔性基底上且覆蓋所述第三電阻應變傳感單元及所述第四電阻應變傳感單元；所述第一電阻應變傳感單元及所述第二電阻應變傳感單元貼附在所述中間絕緣層上；所述覆蓋層設置在所述中間絕緣層上且覆蓋所述第一電阻應變傳感單元及所述第二電阻應變傳感單元；所述第一電阻應變傳感單元、所述第二電阻應變傳感單元、所述第三電阻應變傳感單元及所述第四電阻應變傳感單元構成惠斯通全橋電路。

進一步的，所述電阻應變單元的柵極為自相似結構。

進一步的，所述柵極為箔式片。

進一步的，所述電極包括第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極、第六電極、第七電極及第八電極，所述第一電極及所述第二電極分別連接于所述第一電阻應變傳感單元的兩端；所述第三電極及所述第四電極分別連接于所述第二電阻應變傳感單元的兩端；所述第五電極及所述第六電極分別連接于所述第三電阻應變傳感單元的兩端；所述第七電極及所述第八電極分別連接于所述第四電阻應變傳感單元的兩端。

進一步的，所述中間絕緣層開設有間隔設置的第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，所述第一電極及所述第八電極通過所述第一通孔相連，所述第二電極及所述第六電極通過所述第二通孔相連，所述第三電極及所述第七電極通過所述第三通孔相連，所述第四電極及所述第五電極通過所述第四通孔相連。

進一步的，所述中間絕緣層對應所述第一電阻應變傳感單元及所述第二電阻應變傳感單元的區域分別形成有凸臺，即所述第一電阻應變傳感單元及所述第二電阻應變傳感單元分別設置在所述凸臺上。

進一步的，兩個所述凸臺的形狀及大小相同；所述凸臺沿垂直于所述柔性基底的方向具有預定高度。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，本發明提供的柔性全橋式電阻應變片，其自身構造有惠斯通全橋電路，既實現了應變片溫度補償，又保證了輸出電壓的靈敏度，同時降低了成本，提高了測量效率。此外，中間絕緣層對應第一電阻應變傳感單元及第二電阻應變傳感單元的區域分別形成有凸臺，使得所述柔性全橋式電阻應變片僅受平面拉伸應變時，也能夠保證所述柔性全橋式電阻應變片全橋輸出。

附圖說明

圖1是本發明第一實施方式提供的柔性全橋式電阻應變片的結構示意圖。

圖2是圖1中的柔性全橋式電阻應變片沿A-A方向的剖視圖。

圖3是圖1中的柔性全橋式電阻應變片的電阻應變傳感單元聯接成的惠斯通全橋電路的示意圖。

圖4是圖1中的柔性全橋式電阻應變片的電阻應變傳感單元的柵極的示意圖。

圖5是圖1中的柔性全橋式電阻應變片作用于第一被測件時的使用狀態示意圖。

圖6是圖5中的柔性全橋式電阻應變片發生應變時的狀態示意圖。

圖7是圖1中的柔性全橋式電阻應變片作用于第二被測件時的使用狀態示意圖。

圖8是本發明第二實施方式提供的柔性全橋式電阻應變片的結構示意圖。

圖9是圖8中的柔性全橋式電阻應變片沿B-B方向的剖視圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-第一電極，2-第一電阻應變傳感單元，3-第二電極，4-第三電極，5-第二電阻應變傳感單元，6-第四電極，7-覆蓋層，8-中間絕緣層，9-柔性基底，10-第五電極，11-第三電阻應變傳感單元，12-第六電極，13-第七電極，14-第四電阻應變傳感單元，15-第八電極，16-柔性全橋式電阻應變片，17-第一被測件，18-第二被測件。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

請參閱圖1、圖2及圖5，本發明第一實施方式提供的柔性全橋式電阻應變片16，所述柔性全橋式電阻應變片16為全橋結構。所述柔性全橋式電阻應變片16不僅適合測量拉伸應變，還適合測量彎曲應變。

所述柔性全橋式電阻應變片16包括柔性基底9、電阻應變傳感單元、電極、中間絕緣層8及覆蓋層7。所述中間絕緣層8位于所述柔性基底9及所述覆蓋層7之間。

所述電阻應變傳感單元包括第一電阻應變傳感單元2、與所述第一電阻應變傳感單元2間隔設置的第二電阻應變傳感單元5、與所述第二電阻應變傳感單元5相對設置的第三電阻應變傳感單元11及與所述第三電阻應變傳感單元11間隔設置的第四電阻應變傳感單元14，所述第一電阻應變傳感單元2、所述第二電阻應變傳感單元5、所述第三電阻應變傳感單元11及所述第四電阻應變傳感單元14之間連接形成惠斯通全橋電路。

請參閱圖3及圖4，本實施方式中，所述電阻應變傳感單元的柵極為箔式片，所述柵極為自相似結構，當電阻應變傳感單元拉伸或者彎曲發生大變形時，所述柵極也能被延展，如此將不會破壞所述電阻應變傳感單元的穩定性，有利于曲面結構的大應變測量。

所述電極包括第一電極1、第二電極3、第三電極4、第四電極6、第五電極10、第六電極12、第七電極13及第八電極15，所述第一電極1及所述第二電極3分別連接于所述第一電阻應變傳感單元的兩端。所述第三電極4及所述第四電極6分別連接于所述第二電阻應變傳感單元5的兩端，所述第五電極10及所述第六電極12分別連接于所述第三電阻應變傳感單元11的兩端，所述第七電極13及所述第八電極15分別連接于所述第四電阻應變傳感單元14的兩端。

所述第三電阻應變傳感單元11、連接于所述第三電阻應變傳感單元11的第五電極10及第六電極12、第四電阻應變傳感單元14、以及連接于所述第四電阻應變傳感單元14的第七電極13及第八電極15均設置在所述柔性基底9上，其中所述第三電阻應變傳感單元11及所述第四電阻應變傳感單元14分別貼附在所述柔性基底9上。

所述中間絕緣層8覆蓋所述第三電阻應變傳感單元11、第四電阻應變傳感單元14及所述柔性基底9朝向所述覆蓋層7的表面未被所述第三電阻應變傳感單元11及所述第四電阻應變傳感單元14覆蓋的區域。本實施方式中，所述柔性基底9與所述中間絕緣層8之間相對的表面的形狀及面積相同；所述第三電阻應變傳感單元11及所述第四電阻應變傳感單元14內嵌于所述中間絕緣層8內。

所述第一電阻應變傳感單元2、連接于所述第一電阻應變傳感單元2的所述第一電極1及所述第二電極3、所述第二電阻應變傳感單元5、以及連接于所述第二電阻應變傳感單元5的第三電極4及第四電極6均設置在所述中間絕緣層8遠離所述柔性基底9的一個表面上，其中所述第一電阻應變傳感單元2及所述第二電阻應變傳感單元5均貼附在所述中間絕緣層8上。

所述覆蓋層7覆蓋所第一電阻應變傳感單元2及所述第二電阻應變傳感單元5，以對所述第一電阻應變傳感單元2及所述第二電阻應變傳感單元5進行密封保護。

本實施方式中，所述中間絕緣層8開設有間隔設置的第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，所述第一電極1及所述第八電極15通過所述第一通孔相連，所述第二電極3及所述第六電極12通過所述第二通孔相連，所述第三電極4及所述第七電極13通過所述第三通孔相連，所述第四電極6及所述第五電極10通過所述第四通孔相連。測量時，所述第二電極3及所述第三電極4通過引線與外部輸入電壓U₁相連，所述第一電極1及所述第四電極6通過引線與外部輸出電壓U₀相連。

請參閱圖6，所述柔性全橋式電阻應變片16粘貼在所述第一被測件17上，所述第一被測件17為飛機機翼，飛機機翼的表面屬于復雜曲面。當所述第一被測件17發生彎曲應變時，所述柔性全橋式電阻應變片16也會隨之發生形變，對應的電阻值發生改變，從而測出所述第一被測件17的應變情況。

所述第一被測件17發生變形時，所述第一電阻應變傳感單元2(R1)和所述第二電阻應變傳感單元5(R2)將受壓，所述第三電阻應變傳感單元11(R3)和所述第四電阻應變傳感單元14(R4)將受拉，但四個電阻應變傳感單元的電阻值變化量相同，故此時輸出電壓為全橋輸出電壓，電壓靈敏度為單臂輸出時的四倍。以下從理論上解釋本實施方式的全橋測量：

所述柔性全橋式電阻應變片16未發生應變時：

由于R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，故此時U_O＝0，電橋保持平衡。

所述柔性全橋式電阻應變片16發生應變時：

由于四個電阻應變傳感單元的初始電阻值相同，并且變化的電阻值相同，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R且ΔR₁＝ΔR，所以公式(2)可以化簡為：

從公式(3)式可以看出，所述柔性全橋式電阻應變片16在進行曲面測量時，始終保持全橋輸出，輸出電壓靈敏度為單臂輸出時的四倍。本實施方式中，全橋電路構造于所述柔性全橋式電阻應變片16上，能夠實現應變片溫度補償，避免了單臂測量時的溫漂誤差。

請參閱圖7，所述柔性全橋式電阻應變片16設置在第二被測件18上，所述第二被測件18為人造血管，人造血管是一種非常復雜的曲面結構，管徑變化大，目前醫學上并沒有合適的檢測方法檢測其工作狀態，但人造血管有一個特性，隨著血管老化其會松弛導致表面曲率發生改變。因此可以利用本實施方式的所述柔性全橋式電阻應變片16適合檢查曲面應變的特性來檢驗。所述柔性全橋式電阻應變片16通過測得人造血管表面應變導致的曲率變化來檢測血管是否可以繼續工作。

請參閱圖8及圖9，本發明第二實施方式提供的柔性全橋式電阻應變片與本發明第一實施方式提供的柔性全橋式電阻應變片16基本相同，不同點在于所述中間絕緣層8對應所述第一電阻應變傳感單元2及所述第二電阻應變傳感單元5的區域分別設置有凸臺，即所述第一電阻應變傳感單元2及所述第二電阻應變傳感單元5分別設置在所述凸臺上，兩個所述凸臺的形狀及尺寸相同。所述凸臺凸出于所述中間絕緣層遠離所述柔性基底9的表面，其具有沿垂直于所述柔性基底9的方向的預定高度。本發明第二實施方式提供的柔性全橋式電阻應變片適合僅受平面拉伸應變時應變的測量，當所述柔性全橋式電阻應變片粘貼在表面平整的被測樣件上且受到拉伸應變時，由于所述凸臺的存在以及所述中間絕緣層8的材料的性質，兩個所述凸臺上的所述第一電阻應變傳感單元2及所述第二電阻應變傳感單元5將向中間收縮受壓，所述第三電阻應變傳感單元11及所述第四電阻應變傳感單元14將受拉，當所述凸臺的高度一定時，四個電阻應變傳感單元的電阻值的變化量相同，故此時輸出電壓為全橋輸出電壓，電壓靈敏度為單臂輸出時的四倍。

本實施方式中，所述柔性全橋式電阻應變片的厚度為35微米左右；所述柔性基底9是由柔性材料PDMS制成的；所述柔性全橋式電阻應變片是經旋涂、光刻和蒸鍍工藝制成的。

本發明提供的柔性全橋式電阻應變片，其自身構造有惠斯通全橋電路，既實現了應變片溫度補償，又保證了輸出電壓的靈敏度，同時降低了成本，提高了測量效率。此外，中間絕緣層對應第一電阻應變傳感單元及第二電阻應變傳感單元的區域分別形成有凸臺，使得所述柔性全橋式電阻應變片僅受平面拉伸應變時，也能夠保證所述柔性全橋式電阻應變片全橋輸出。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。