電阻應變片及電阻應變式傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種實現大尺度應變測量范圍的電阻應變式傳感器，具體來說就是一種電阻應變片及電阻應變式傳感器。
【背景技術】
[0002]傳統應變片和應變式傳感器通常用來研宄或驗證機械、橋梁、建筑等某些構件在工作狀態下的應力、變形情況。隨著電子、信息技術的發展，應變式傳感器應用已逐漸拓展到方方面面，相應的也對應變式傳感技術提出了更高的要求。特別是應用于人體的生物醫療器械、可穿戴式電子等裝置，對于傳感器的柔軟性和大尺度測量范圍等性能指標提出了更高的要求。應變傳感器主要包括光纖應變式傳感器、壓電材料應變式傳感器、電阻應變式傳感器等幾種類型。
[0003]其中，光纖應變式傳感器的最大問題在于其需要大量設備與之相輔助，布置較困難，且成本很高，制約了其在小型化、低成本、便攜式設備中的應用；而壓電材料應變式傳感器由于受到其材料的機械電學性能和界面粘結等方面的制約，很難滿足對于傳感器柔軟性和大尺度測量范圍的需求。
[0004]目前較常采用的應變式傳感元件是電阻應變式傳感器，基于電阻應變效應，即被測構件受到所測量的物理量作用而產生變形，并使附著其上的電阻應變片一起變形，電阻應變片再將變形轉換為電阻值的變化，從而可以測量拉力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。現有的電阻應變片的功能層材料主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。由于金屬材料柔軟性較差，其最大缺點是靈敏度低、測量范圍小，通常只能測量約百分之幾的應變值，例如，鉑的應變值為±8%，鎢具有約±0.3%的應變范圍，銅鎳合金具有±5%的應變值范圍。半導體應變計最主要的缺點是受溫度影響大，制備工藝復雜，制備成本高，且其能夠可逆伸縮的變形量也只有約百分之幾的應變值。因此，傳統的金屬和半導體材料在用于應變傳感器的用途上時受到很大限制，特別是很難實現大尺度應變的測量。
[0005]為了實現柔軟性和大尺度應變測量，人們試圖采用新興材料作為電阻應變片的功能層，例如中國專利公開號CN101598529公布了一種涂敷有導電顆粒或纖維與彈性體基體的混合物的彈性織物制作的應變式傳感器，其有50%的最大應變值。但其僅用于測量面內單方向應變，且其加工工藝較復雜，如需清潔、干燥彈性織物基底，需固化導電顆粒或纖維以除去其中存在的水或其它溶劑等處理工藝。特別是很難實現微米、納米尺度的精細加工(針對傳感器的小型、微型化)，可集成性(與其他電子器件和系統集成)和可拓展性較差。
[0006]又如中國專利公開號CN104142118公開了一種以多條所述碳納米管(CNT)纖維構成的CNT膜作為功能層材料的電阻應變傳感器，其具有大于80%的應變值。但當在沿非CNT纖維的取向方向進行形變時，傳感器所測得的電阻變化的線性度不高。同樣的，也很難實現微米、納米尺度的精細加工(傳感器的小型、微型化)，可集成性(與其他電子器件和系統集成)和可拓展性較差。
[0007]為此，本領域亟需開發一種能夠進行微米、納米尺度的精細加工，且可集成性和拓展性好的電阻應變式傳感器。
【發明內容】
[0008]本發明提供一種電阻應變片及電阻應變式傳感器，通過在柔性基底貼附一層具有微米和納米間隙的導電薄膜(即電阻應變傳感層)，形成電阻應變片，再將電阻應變片附著在被測構件上，當被測構件發生物理形變時，導電薄膜的電阻值會改變，從而獲得被測構件的物理量變化，解決了現有技術中電阻應變片所測量時的最大應變量小，集成度低、拓展性差的冋題。
[0009]本發明的電阻應變片，包括柔性基底和電阻應變傳感單元，其中，電阻應變傳感單元附著于所述柔性基底上。所述電阻應變傳感單元進一步包括:電阻應變傳感層，用于根據產生形變的大小改變其對應的電阻值；第一電極，與所述電阻應變傳感層的一端電連接；第二電極，與所述電阻應變傳感層的另一端電連接。
[0010]本發明的電阻應變式傳感器，包括電阻應變片和被測構件，將所述電阻應變片貼附在所述被測構件表面，與所述被測構件在物理量的作用下一起產生形變，通過測量形變過程中所述電阻應變片的電阻值變化量來測量作用于所述被測構件上的物理量。
[0011]本發明提供一種電阻應變片及電阻應變式傳感器，通過在柔性基底貼附一層具有微米和納米間隙的導電薄膜(亦即電阻應變傳感層)，從而形成電阻應變片，再將電阻應變片粘附在被測構件上，當被測構件發生物理形變時，電阻應變片會隨著被測構件一起發生形變，即導電薄膜會被拉伸，此時導電薄膜的電阻值會發生改變，通過導電薄膜的電阻值改變量，可以獲得被測構件的物理量(包括拉力、壓力、扭矩、位移、加速度或者溫度等)變化；由于導電薄膜是由表面具有微米和納米間隙結構的可拉伸金膜制成，最大應變量可達200% ;此外可以在被測構件上貼附多個電阻應變片，可同時監測不同方向和不同部位的應變。此外，本發明的電阻應變片結構簡單，具有集成度高、可拓展性好等優點。
[0012]應了解的是，上述一般描述及以下【具體實施方式】僅為示例性及闡釋性的，其并不能限制本發明所欲主張的范圍。
【附圖說明】
[0013]下面的所附附圖是本發明的說明書的一部分，其繪示了本發明的示例實施例，所附附圖與說明書的描述一起用來說明本發明的原理。
[0014]圖1為本發明實施例提供的一種電阻應變片的實施方式一的俯視圖；
[0015]圖2為本發明實施例提供的一種電阻應變片的實施方式二的俯視圖；
[0016]圖3為圖1中所示的電阻應變片沿A-A方向的剖視圖；
[0017]圖4為圖1中所示的電阻應變片沿B-B方向的剖視圖；
[0018]圖5為圖2中所示的電阻應變片沿C-C方向的剖視圖；
[0019]圖6為圖2中所示的電阻應變片沿D-D方向的剖視圖；
[0020]圖7為本發明實施例提供的一種電阻應變片的實施方式三的俯視圖；
[0021]圖8為本發明實施例提供的一種電阻應變片的實施方式四的俯視圖；
[0022]圖9為圖7中所示的電阻應變片沿E-E方向的剖視圖；
[0023]圖10為圖8中所示的電阻應變片沿F-F方向的剖視圖；
[0024]圖11為本發明實施例提供的一種電阻應變式傳感器的實施方式一的俯視圖；
[0025]圖12為本發明實施例提供的一種電阻應變式傳感器的實施方式二的俯視圖；
[0026]圖13為本發明實施例提供的一種電阻應變式傳感器的實施方式三的俯視圖；
[0027]圖14為本發明實施例提供的一種電阻應變式傳感器的實施方式四的俯視圖；
[0028]圖15為本發明實施例提供的一種電阻應變式傳感器的實施方式五的俯視圖；
[0029]圖16為本發明實施例提供的一種電阻應變式傳感器與其它傳感器集成應用示意圖；
[0030]圖17為本發明實施例提供的一種電阻應變片的電阻應變傳感層的拉伸前的表面形貌圖；
[0031]圖18為圖17所示的一種電阻應變片的電阻應變傳感層的拉伸中的表面形貌圖；
[0032]圖19為本發明實施例提供的一種電阻應變片的電阻應變傳感層的電阻變化和應變的關系圖；
[0033]圖20為本發明實施例提供的一種電阻應變片的電阻應變傳感層拉伸前納米裂紋間隙分布示意圖；
[0034]圖21為本發明實施例提供的一種電阻應變片的電阻應變傳感層拉伸時微米-納米裂紋間隙分布示意圖；
[0035]圖22為本發明實施例提供的一種具備平鋪狀基底的電阻應變片的具體應用實施例；
[0036]圖23為本發明實施例提供的一種具備柱狀結構基底的電阻應變片的具體應用實施例。
[0037]附圖符號說明:
[0038]10 柔性基底20 第一電阻應變傳感單元
[0039]21 電阻應變傳感層22 第一電極
[0040]23 第二電極
[0041]30 保護層
[0042]40 第二電阻應變傳感單元50 第三電阻應變傳感單元
[0043]60 第四電阻應變傳感單元70 第五電阻應變傳感單元
[0044]80 第六電阻應變傳感單元90 第七電阻應變傳感單元
[0045]α 第一角度β 第二角度
[0046]γ 第三角度δ 第四角度
[0047]1000電阻應變片2000被測構件
【具體實施方式】
[0048]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面將以附圖及詳細敘述清楚說明本發明所揭示內容的精神，任何所屬技術領域技術人員在了解本
【發明內容】
的實施例后，當可由本
【發明內容】
所教示的技術，加以改變及修飾，其并不脫離本
【發明內容】
的精神與范圍。
[0049]本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。另外，在附圖及實施方