一种电阻应变栅传感器制备方法与流程

1.本发明属于应变传感器技术领域，具体涉及一种电阻应变栅传感器制备方法。


背景技术：

2.大型建筑结构和基础设施以及机械装备在使用过程中会因自然、人为、老化等各种因素产生不同程度的损伤，损伤不断积累会导致失效，造成严重的灾害事故。因此，需对这些设施结构在实际使用过程中的受力状态进行实时监测。物联网技术的快速发展，对获取重要基础设施的实时状态信息提供了良好的契机。基于物联网技术的监测系统主要依靠传感设备将信息传递、交换，通过多种类型传感器实时采集目标设施的动态数据，再通过无线多级网络将感知数据汇聚传输至监测云平台进行分析和处理，从而实现对设施安全状况的实时监测和预警。所以，合理设计传感器的结构、有效采集必要的结构受力信息成为对目标设施进行健康安全监测的前提。
3.现有的应力应变传感器多是将预制好的应变片通过粘胶贴合在工件表面，如：cn105424238b(应力应变传感器)，其技术方案公开了“所述保护包层和所述工作包层之间通过粘接剂粘结”；
4.cn103471733b(一种用于深水海洋工程结构应力长期测量的传感器结构)，其技术方案公开了“电阻应变片粘接于所述温度补偿板上”5.cn206862545u(一种支撑体系应力实施监测系统)，其技术方案公开了“所述应力应变片粘贴于实验段外壁上与开启门相对应位置”；
6.由此可知，被监测构件受力发生形变后敏感栅也会随之发生协同形变，从而引起敏感栅电信号(电阻等)的变化，影响外部电桥输出电压或者电流。尽管这类含粘结层结构的传感器已被广泛应用，但由于敏感栅与工件表面通过粘胶贴合，粘胶传递形变存在一定的滞后性，敏感栅和基底不能达到很好的协同变形；长期在外界环境中，粘胶易老化蠕变，粘胶传递形变会出现误差，导致测量不准确；而且由于传感器制作方法的局限性，在一些特定形状的小工件上贴片困难，生产效率低下。
7.因此，针对上述问题，予以进一步改进。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种电阻应变栅传感器制备方法，用以克服现有含粘结层结构的传感器存在的敏感栅和弹性体协同变形不佳、粘胶变形老化以及在一些复杂结构形状和微小尺寸的工件上贴片困难等缺点。
9.为达到以上目的，本发明提供一种电阻应变栅传感器制备方法，用于制备高精度电阻应变栅传感器，包括以下步骤：
10.步骤s1：在金属基层的表面进行第一处理，实现原位制备覆盖金属基层的绝缘层(金属基层具有一定的弹性，可在力的作用下产生微小形变，绝缘层具有高绝缘性能并且绝缘层的形状和面积与金属基层的形状和面积进行匹配，绝缘层的厚度与金属基层的表面粗
糙度匹配，并且绝缘层的厚度尽可能薄然后覆盖金属基层)；
11.步骤s2：在绝缘层远离金属基层的一侧表面进行第二处理，实现在绝缘层上原位制备金属敏感栅，金属敏感栅与金属基层的形变联动，使金属敏感栅随金属基层的形变而产生协同形变(金属敏感栅能够具有良好的延展性)；
12.步骤s3：在绝缘层和金属敏感栅远离金属基层的一侧表面进行第三处理，实现在绝缘层和金属敏感栅上原位制备封装层(封装层的形状、面积和厚度根据实际需求进行确定)；
13.步骤s4：金属敏感栅通过焊接的导线(具有低电阻率，材料为电阻率低的金属或合金，如铜或铜镍合金)与外部信号放大电路电性连接，实现将金属敏感栅产生的电信号传输到对应的信号放大电路。
14.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一处理包括磁控溅射、电子束蒸发和等离子体喷涂(其中的一种技术进行处理)。
15.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第二处理包括磁控溅射、电子束蒸发和真空热蒸发镀膜(其中的一种技术进行处理)。
16.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第三处理包括真空热蒸发镀膜。
17.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，金属基层包括合结构钢、不锈钢、弹簧钢、工具钢、铍青铜、钛合金和铝合金(其中的一种材料)。
18.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，绝缘层包括氧化铝、氧化硅、氧化铬、氮化硅、氮化铝和碳化硅(其中的一种材料)。
19.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，金属敏感栅包括铜、镍、铜镍合金、铬镍合金、铬镍改良型合金、镍钼合金、铁基合金、铂基合金、金基合金和钯基合金(其中的一种材料)。
20.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，封装层包括聚氨酯(pu)、聚烯烃(poe)和聚醋酸乙烯酯(其中的一种材料)。
21.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s1之前还包括步骤s0：在金属基层的表面进行预处理，实现在金属基层表面原位制备镍镀层。
22.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，预处理包括电镀镍和化学镀镍。
23.本发明的有益效果在于：本发明采用所述物理气相沉积技术原位制备的电阻应变栅传感器，由于敏感栅和金属基底之间没有粘结层，敏感栅更易随基底受力发生协同形变，敏感栅阻值也随之发生改变，可即时实现将力学信号转变成电信号。本发明的传感器无应变传递失真、机械滞后和蠕变更小。
附图说明
24.图1是本发明的一种电阻应变栅传感器制备方法的流程示意图。
25.图2是本发明的一种电阻应变栅传感器制备方法的性能对比图。
26.附图标记包括：1、金属基层；2、绝缘层；3、金属敏感栅；4、封装层；5、导线；6、外部信号放大电路。
具体实施方式
27.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
28.在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的导线和外部信号放大电路等可被视为现有技术。
29.优选实施例。
30.本发明公开了一种电阻应变栅传感器制备方法，用于制备高精度电阻应变栅传感器，包括以下步骤：
31.步骤s1：在金属基层1的表面进行第一处理，实现原位制备覆盖金属基层1的绝缘层2(金属基层具有一定的弹性，可在力的作用下产生微小形变，绝缘层具有高绝缘性能并且绝缘层的形状和面积与金属基层的形状和面积进行匹配，绝缘层的厚度与金属基层的表面粗糙度匹配，并且绝缘层的厚度尽可能薄然后覆盖金属基层)；
32.步骤s2：在绝缘层2远离金属基层1的一侧表面进行第二处理，实现在绝缘层2上原位制备金属敏感栅3，金属敏感栅3与金属基层1的形变联动，使金属敏感栅2随金属基层1的形变而产生协同形变(金属敏感栅能够具有良好的延展性)；
33.步骤s3：在绝缘层2和金属敏感栅3远离金属基层1的一侧表面进行第三处理，实现在绝缘层2和金属敏感栅3上原位制备封装层4(封装层的形状、面积和厚度根据实际需求进行确定)；
34.步骤s4：金属敏感栅3通过焊接的导线5(具有低电阻率，材料为电阻率低的金属或合金，如铜或铜镍合金)与外部信号放大电路6电性连接，实现将金属敏感栅3产生的电信号传输到对应的信号放大电路6。
35.具体的是，所述第一处理包括磁控溅射、电子束蒸发和等离子体喷涂(其中的一种技术进行处理)。
36.更具体的是，所述第二处理包括磁控溅射、电子束蒸发和真空热蒸发镀膜(其中的一种技术进行处理)。
37.进一步的是，所述第三处理包括真空热蒸发镀膜。
38.更进一步的是，金属基层包括合金结构钢、不锈钢、弹簧钢、工具钢、铍青铜、钛合金和铝合金(其中的一种材料)。
39.优选地，金属基层为以下任一种材料：
40.1)合结构钢，如40crnimoa；
41.2)不锈钢，如0cr17ni4cu4nb；
42.3)弹簧钢，如50crva、65mn；
43.4)工具钢，如9crwmn；
44.5)铍青铜，如qbe2；
45.6)钛合金，如tc4、tc9；和
46.7)铝合金，如ly12。
47.优选地，绝缘层包括氧化铝、氧化硅、氧化铬、氮化硅、氮化铝和碳化硅。
48.优选地，金属敏感栅包括铜、镍、铜镍合金、铬镍合金、铬镍改良型合金、镍钼合金、铁基合金、铂基合金、金基合金和钯基合金(其中的一种材料)。
49.优选地，封装层包括聚氨酯(pu)、聚烯烃(poe)和聚醋酸乙烯酯(其中的一种材料)。
50.优选地，步骤s1之前还包括步骤s0：在金属基层的表面进行预处理，实现在金属基层表面原位制备镍镀层(在镍镀层的基础上再进行绝缘层、金属敏感栅和封装层的制备，镍镀层的左右为：1、对金属基层起到防护作用；2、提高相邻层的粘结能力；3、表面平整光洁，有利于制备后续的膜层)。
51.优选地，预处理包括电镀镍和化学镀镍(其中的一种)。
52.优选地，如图2所示为本发明制备的高精度电阻应变栅传感器和传统贴应变片技术制备的传感器性能对比，由此可知，本发明制备的高精度电阻应变栅传感器精度更高、蠕变更小。
53.优选地，本发明还公开了一种高精度电阻应变栅传感器，包括金属基层1、绝缘层2、金属敏感栅3、封装层4、导线5和外部信号放大电路6。
54.值得一提的是，本发明专利申请涉及的导线和外部信号放大电路等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
55.对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。