一种电流路径调控型应力探测装置

1.本实用新型涉及应力探测技术领域，具体涉及一种电流路径调控型应力探测装置。


背景技术：

2.在外因作用下，物体内部各部分之间会产生相互作用的内力。应力和应力的集中分布是压力容器、管道、叶片、飞行机构等承载结构失效的主要原因之一。研究材料或结构的应力分布及应力状态下材料的物理、化学方面的性质，能够预防工程应用中的损坏或失效。
3.应变贴片是常见的应力探测装置。应用时，将应变贴片贴在被探测的物体上，应变贴片随着被探测的物体一起伸缩，应变贴片中敏感金属随之产生伸长或收缩，导致敏感金属的导电特性变化，通过导体特性变化实现应变探测。
4.现有应变贴片的尺寸大、灵敏度低，难以准确测量微米级区域的应力。实用新型专利cn209166685u公开了一种应力探测装置：电极置于硅衬底上凹槽的两侧，二维层状材料片设置在电极上，二维层状材料片贴附在柔性衬底上。由于电极设置在硅衬底上，硅衬底的导电特性严重地依赖于其温度，被测物体的温度将严重影响应力探测的准确性；另外，由于二维层状材料片贴附在柔性衬底上，二维层状材料片的应变较小，二维层状材料片电阻的改变也较小，导致应力探测的灵敏度低。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本实用新型提供了一种电流路径调控型应力探测装置，包括基底、弹性层、二维材料层、电极，基底的表面设有凹槽，弹性层固定在基底的表面上，弹性层覆盖凹槽，二维材料层设置在弹性层上，二维材料层的宽度大于凹槽的长度。电极有两个，两个电极设置在二维材料层上凹槽的相对两侧。在凹槽的顶部，弹性层和二维材料层中设有贯穿的孔洞。应用时，将基底粘附在待测物体上。当待测物体产生应变时，基底拉动弹性层和二维材料层产生应变，改变了二维材料层的导电特性。通过二维材料层导电特性的变化确定待测物体产生的应力。在本实用新型中，由于孔洞的存在，不仅改变了二维材料层中的应力，而且改变了孔洞附近的形貌及介电分布，从而实现更高灵敏度的应力探测。
6.更进一步地，基底的材料为硅。硅材料具有很好的弹性，用以传递待测物体产生的应变。
7.更进一步地，二维材料层为过渡金属硫属化合物。更进一步地，过渡金属硫属化合物为二硫化钼、二硫化钨、二硫化锆、二硫化铪、二硫化铼。过渡金属硫属化合物的导电特性严重地依赖于自身的应力，所以可以通过过渡金属硫属化合物导电特性的变化实现待测物体应力探测。
8.更进一步地，孔洞为矩形，即孔洞为各向异性。将孔洞设置为各向异性，在待测物体应力作用下，孔洞附近的形貌产生更多的变化，从而更大程度地调控孔洞附近的电流路
径，从而实现更高灵敏度的应力探测。
9.更进一步地，孔洞周期排布，以便于更多地改变二维材料层中电流路径，实现更高灵敏度的应力探测。
10.更进一步地，弹性层为绝缘弹性材料。在待测物体应力作用下，弹性层产生形变。具体地，弹性层的材料为高分子有机聚合物。高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇。
11.更进一步地，弹性层的厚度小于20微米，以便于弹性层能够产生更多的形变，也带动二维材料层产生更多的形变，更多地改变二维材料层的导电特性，实现更高灵敏度的应力探测。
12.更进一步地，在基底的表面弹性层厚；在凹槽的顶部弹性层薄。这样一来，在凹槽的顶部，弹性层能够产生更多的形变，带动二维材料层产生更多的形变，从而更多地改变二维材料层的导电特性，实现更高灵敏度的应力探测。
13.本实用新型的有益效果：本实用新型提供了一种电流路径调控型应力探测装置，包括基底、弹性层、二维材料层、电极等。应用时，将基底粘附在待测物体上，待测物体中的应力通过基底、弹性层，带动二维材料层产生形变，改变二维材料层的导电特性，通过二维材料层导电特性的变化实现应力探测。在本实用新型中，二维材料层粘附在弹性层上，而弹性层为绝缘弹性材料，因此二维材料层导电特性较少地受到基底温度的影响，测量结果准确。另外，本实用新型在二维材料层和弹性层中设置贯穿的孔洞，待测物体应力不仅改变了二维材料层中的应力，而且改变了孔洞附近的介电分布，导致孔洞附近的电流路径发生变化，从而更多地改变了二维材料层的导电特性。因此，本实用新型能够实现更高灵敏度的应力探测，在应力探测领域具有良好的应用前景。
14.以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
附图说明
15.图1是一种电流路径调控型应力探测装置的示意图。
16.图2是一种电流路径调控型应力探测装置的俯视图。
17.图3是又一种电流路径调控型应力探测装置的俯视图。
18.图4是再一种电流路径调控型应力探测装置的俯视图。
19.图中：10、基底；11、凹槽；20、弹性层；25、孔洞；30、二维材料层；40、电极。
具体实施方式
20.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术作进一步详细说明。
21.本实用新型提供了一种电流路径调控型应力探测装置。图1为该电流路径调控型应力探测装置的示意图。图2为一种电流路径调控型应力探测装置的俯视图。如图1和图2所示，该电流路径调控型应力探测装置包括基底10、弹性层20、二维材料层30、电极40。基底10的材料为硅。应用时，将基底10粘附在待测物体上，由于硅材料具有很好的弹性，用以传递待测物体产生的应变。基底10的表面设有凹槽11。凹槽11的深度大于10微米、小于20微米，凹槽11外基底10的厚度大于40微米，以便于保证基底10的强度。凹槽11的长度大于40微米、
小于100微米。弹性层20固定在基底10的表面上，弹性层20覆盖凹槽11。弹性层20为绝缘弹性材料。在待测物体应力作用下，弹性层20产生形变。具体地，弹性层20的材料为高分子有机聚合物。高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇。弹性层20的厚度小于20微米，以便于弹性层20能够产生更多的形变，也带动二维材料层30产生更多的形变，更多地改变二维材料层30的导电特性，实现更高灵敏度的应力探测。弹性层20悬空设置在凹槽11上。在凹槽11外，弹性层20固定在基底10的表面。当待测物体中产生应变时，待测物体将通过基底10带动弹性层20伸缩。二维材料层30设置在弹性层20上。二维材料层30为过渡金属硫属化合物。更进一步地，过渡金属硫属化合物为二硫化钼、二硫化钨、二硫化锆、二硫化铪、二硫化铼。二维材料层30的材料还可以为二硒化钼、二硒化锆、二硒化钨、二碲化钨、二碲化钼、二硒化铪。过渡金属硫属化合物的导电特性严重地依赖于自身的应力，所以可以通过过渡金属硫属化合物导电特性的变化实现待测物体应力探测。二维材料层30为少层，以便于在应力作用下，二维材料层30的导电特性能够产生更大程度的变化，实现更高灵敏度的应力探测。二维材料层30的宽度大于凹槽11的长度，即二维材料层30延伸至凹槽11的两侧。如图1和图2所示所示，电极40有两个，电极40的材料为石墨烯、金或铂。两个电极40设置在二维材料层30上凹槽11的相对两侧。在凹槽11的顶部，弹性层20和二维材料层30中设有贯穿的孔洞25。孔洞25的形状为矩形。矩形的长边大于1微米、小于10微米；矩形的短边大于10纳米、小于1微米；更进一步地，矩形的短边大于10纳米、小于100纳米，以便于在应力作用下，矩形周边的二维材料更多地改变介电分布，实现更明显的电流路径改变，最终实现更高灵敏度的应力探测。制备时，应用离子束刻蚀方法在弹性层20和二维材料层30中制备贯穿的孔洞25。
22.应用时，将基底10粘附在待测物体上，待测物体中的应力通过基底10、弹性层20，带动二维材料层30产生形变，改变二维材料层30的导电特性，通过二维材料层30导电特性的变化实现应力探测。在本实用新型中，二维材料层30粘附在弹性层20上，而弹性层20为绝缘弹性材料，因此二维材料层30的导电特性较少地受到基底10温度的影响，测量结果准确。另外，本实用新型在二维材料层30和弹性层20中设置贯穿的孔洞25，待测物体应力不仅改变了二维材料层30中的应力，而且改变了孔洞25附近的介电分布，导致孔洞25附近的电流路径发生变化，从而更多地改变了二维材料层30的导电特性。因此，本实用新型能够实现更高灵敏度的应力探测，在应力探测领域具有良好的应用前景。
23.更进一步地，如图3所示，孔洞25周期排布，相邻孔洞25之间的距离小于10微米，在相邻孔洞25之间形成电流路径。在待测物体应力作用下，二维材料层30中的电流路径发生更明显的改变，实现更高灵敏度的应力探测。
24.更进一步地，如图4所示，相对于两电极40的连线方向，孔洞25为倾斜分布。倾斜的角度不做限制。优选地，倾斜的角度大于30度、小于60度。在待测物体应力作用下，孔洞25附近的形貌和孔洞25的倾斜角度发生变化，从而更大程度地调控孔洞25附近的电流路径，从而实现更高灵敏度的应力探测。
25.更进一步地，在基底10的表面弹性层20厚；在凹槽11的顶部弹性层薄20。例如，在基底10的表面弹性层20的厚度为18微米，在凹槽11的顶部弹性层20的厚度为10微米。这样一来，在凹槽11的顶部，弹性层20能够产生更多的形变，带动凹槽11顶部的二维材料层30产生更多的形变，从而更多地改变二维材料层30的导电特性，实现更高灵敏度的应力探测。
26.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。