一種微結構陣列光學應變傳感器設計及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于測量技術領域，具體屬于微小形變的檢測，涉及一種微結構陣列光學應變傳感器設計及其制造方法，其適用于檢測物體表面所產生的微小形變。
【背景技術】
[0002]傳統的應變傳感器是將材料的應變量轉化為電信號。例如中國專利申請第2012103802359號中公開了一種電容式超大應變傳感器，屬于電子元器件領域，包括位于頂部的外殼、位于側部的拖動架、位于中部的電路組件、位于下部的電容動極板、位于下部的電容定極板、位于外殼上的滑道以及引線板，位于超大應變傳感器中部位置的電路組件板，用焊接方式固定在引線板上，再用膠粘接固定在外殼的內壁上；位于下部位置的電容動極板與拖動架用膠固定，拖動架再與外殼的滑道形成滑動連接；介于兩片電容動極板間的電容定極板，采用焊接方式固定在引線板上，最后將引線板與外殼連接固定。采用電容變面積方式實現超大應變測量，用抽拉式感知結構實現曲面被測物測量，用雙電容增敏實現狹小空間內的結構設計。
[0003]但是上述傳感器在使用時，容易受到環境的影響，如環境濕度大、高溫等情況下會引起器件失效等問題。
【發明內容】
[0004]為了解決上述技術問題，本發明提供一種微結構陣列光學應變傳感器設計及其制造方法。
[0005]依據本發明的技術方案，一種基于微結構陣列的光學應變傳感器設計及制造方法，其通過以下步驟實現:
[0006](I)選擇適合的基底材料，并對基底材料進行鍍膜處理；
[0007](2)設計待加工微結構圖形，并在鍍膜后的基底材料表面經行微結構加工；
[0008](3)將加工后的微結構傳感器固定在被測物體表面；
[0009](4)測量傳感器形變前后以及變形過程中的光譜，獲得光譜的特征曲線；
[0010](5)利用光譜的特征曲線變化計算被測物體的形變量。
[0011]其中，步驟(I)所述的基底材料需要保證表面光滑并具有彈性。步驟(I)對基底材料進行鍍膜的材質包括金、銀、鋁等可以產生光學效應的材料。步驟(I)鍍膜的工藝包括熱蒸鍍，磁控濺射等鍍膜方法，鍍膜的厚度1nm?lOOnm。
[0012]進一步地，步驟(2)設計加工結構圖形包括矩形、正方形、圓形以及各種多邊形等可以產生特征光譜的微結構，微結構周期10nm?10um，結構總體尺寸大于5um。步驟(2)中的微納結構加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、電火花加工、機械加工等傳統和特種加工方法。
[0013]更近一步地，步驟(4)中所使用的測量設備為光譜儀，波長大于400nm。
[0014]相比以應變-電量為基礎的傳統應變傳感器，微結構光學應變傳感器具有反應靈敏度高，結構簡單，可測量小范圍內應變量的優勢，可廣泛應用于民用工程結構、航空航天、醫學、核工業等行業。本發明的目的在于，提供一種精確檢測物體表面微小形變的方法。本發明提出的檢測方法能顯著提高小尺寸下應變的檢測靈敏度和精度。
【附圖說明】
[0015]圖1為材料鍍膜結構示意圖；
[0016]圖2為依據本發明的第一微結構示意圖；
[0017]圖3為依據本發明的第一微結構受力后結構變化示意圖；
[0018]圖4為檢測結果分析示意圖；
[0019]圖5為材料鍛I旲結構不意圖；
[0020]圖6為依據本發明的第二微結構示意圖；
[0021]圖7為依據本發明的第二微結構受力后結構變化示意圖；
[0022]圖8為檢測結果分析示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。另外地，不應當將本發明的保護范圍僅僅限制至下述具體結構或部件或具體參數。
[0024]研宄發現，當金屬薄膜材料表面的微結構發生改變時，其光譜特征峰的位置會發生改變，通過測定光譜特征峰的位置的變化，即可以倒推出材料的應變變化，從而可以構成一種新型的微結構光學應變傳感器。
[0025]基于上述研宄，本發明公開了一種基于微結構陣列的光學應變傳感器設計及制造方法，首先在彈性體基底材料表面進行鍍膜，利用微納米加工方法在基底材料上制備具有光譜特征峰的微結構陣列；將制備好的器件固定在被測樣品表面，利用光譜儀測量樣品在形變前后及形變過程中的光譜，最終利用光譜特征峰的變化計算樣品的形變量。本發明的微結構陣列光學應變傳感器可以測量微小區域內形變量，且具有測量靈敏度高、檢測速度快的優勢。
[0026]依據本發明的基于微結構陣列的光學應變傳感器設計及制造方法，其通過以下步驟實現:
[0027](I)選擇適合的基底材料，并對基底材料進行鍍膜處理；
[0028](2)設計待加工微結構圖形，并在鍍膜后的基底材料表面經行微結構加工；
[0029](3)將加工后的微結構傳感器固定在被測物體表面；
[0030](4)測量傳感器形變前后以及變形過程中的光譜，獲得光譜的特征曲線；
[0031](5)利用光譜的特征曲線變化計算被測物體的形變量。
[0032]其中，步驟(I)所述的基底材料需要保證表面光滑并具有彈性；對基底材料進行鍍膜的材質包括金、銀、鋁等可以產生光學效應的材料；鍍膜的工藝包括熱蒸鍍，磁控濺射等鍍膜方法，鍍膜的厚度1nm?lOOnm。步驟(2)設計加工結構圖形包括矩形、正方形、圓形以及各種多邊形等可以產生特征光譜的微結構，微結構周期10nm?10um，結構總體尺寸大于5um ;微納結構加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、電火花加工、機械加工等傳統和特種加工方法。步驟(4)中所使用的測量設備為光譜儀，波長大于400nm。
[0033]更近一步地，本發明所提供的微結構陣列光學應變傳感器設計及其制造方法也可以包括以下步驟:步驟(一)，制備用于加工微結構的基底材料；步驟(二)，在基底材料上制備微結構陣列；步驟(三)，將加工好的基底材料固定于被測樣品表面并利用光譜儀檢測應變量；
[0034]其中，步驟(一)包括:
[0035]步驟11，選擇適合加工的基底材料，基底材料選擇具有一定彈性的光滑平整材料，包括PDMS，LDPE等；將其制備成邊長大于