一種裂紋尖端應(yīng)變場傳感器及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)變傳感領(lǐng)域中的場應(yīng)變測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是以接觸式應(yīng)變測量方式實(shí)現(xiàn)裂紋尖端應(yīng)變場隨裂紋開裂過程的實(shí)時(shí)測量。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)變傳感技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于工程和科研領(lǐng)域，如工程結(jié)構(gòu)分析、材料力學(xué)等。其中場應(yīng)變測量尤其是裂紋尖端應(yīng)變場的測量一直是測量的難點(diǎn)。目前可實(shí)現(xiàn)場應(yīng)變測量的方法主要是通過非接觸的光學(xué)測量方法來實(shí)現(xiàn)的，如光彈、云紋干涉、散斑干涉和數(shù)字圖像相關(guān)等方法。這些方法的共同特點(diǎn)是以非接觸的形式來實(shí)現(xiàn)裂紋尖端應(yīng)變場的測量，但測量過程需對材料表面作特殊的處理，如制備光柵、噴涂散斑等，同時(shí)測量還需搭建光路系統(tǒng)，測試過程需要較大空間，有較大的不便性。并且采用上述方法測量得到的大多是平面內(nèi)的二維應(yīng)變在笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量，并不能直接測得表面的主應(yīng)變分布。
[0003]采用接觸式應(yīng)變傳感是解決空間問題、簡化測量步驟的一種較理想的方式，但是目前所使用的貼片式應(yīng)變傳感，即應(yīng)變片，所利用的是金屬薄膜的歐姆定律來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感，其特點(diǎn)是靈活度高，精度好。但缺點(diǎn)是金屬薄膜需有一定的長度來滿足器件電阻的需求，一般應(yīng)變片的幾何尺寸在毫米級，而且其電極引線布置與傳感材料本身在同一個(gè)平面，這兩方面原因?qū)е缕淇臻g分辨率有限，測量精度也相對有限，難以進(jìn)行高分辨率的陣列化集成使用。常用的應(yīng)變片靈敏度:Gauge Factor = 2。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足以及應(yīng)變測量需求，提出一種全新的解決方案，將各向異性半導(dǎo)體薄膜材料應(yīng)用于裂紋尖端應(yīng)變場的測量，制作出一種結(jié)構(gòu)簡單可靠的高空間分辨率、高靈敏度的非均勻應(yīng)變場傳感器，以及其應(yīng)變測量方法，從而實(shí)現(xiàn)裂紋尖端非均勻應(yīng)變場的全接觸式實(shí)時(shí)測量。
[0005]本發(fā)明提供的裂紋尖端應(yīng)變場傳感器，包括若干個(gè)應(yīng)變傳感單元，每個(gè)應(yīng)變傳感單元包括五層結(jié)構(gòu)，分別為柔性高分子襯底層、電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層、布置于電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層上下的正交式底電極層和頂電極層，以及表面保護(hù)層。所述的若干個(gè)應(yīng)變傳感單元組成梯度陣列式結(jié)構(gòu)；所有的應(yīng)變傳感單元共用一層連續(xù)的各向異性傳感薄膜的結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明所述的應(yīng)變場傳感器具有C字型結(jié)構(gòu)，用于包絡(luò)待測樣品的裂紋尖端，實(shí)現(xiàn)裂紋尖端應(yīng)變場的全方位測量。
[0007]所述的柔性高分子襯底層，為具有一定變形能力的高分子薄膜材料，耐溫不低于150°C，厚度盡量薄，一般不超過125 μ m，選材無其他特殊要求。
[0008]所述的電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層，選取具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體或者為具有壓電性的半導(dǎo)體材料。
[0009]所述的電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層，其電阻率在沿電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜平面內(nèi)方向和沿厚度方向具有明顯的各向異性特性，在沿電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜平面內(nèi)方向具有超高電阻率甚至絕緣，在沿厚度方向具有較小電阻率。這樣有利于將陣列式的電極布置于同一薄膜上下表面形成陣列式傳感單元而不發(fā)生傳感單元之間的電流串?dāng)_問題。
[0010]所述的電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層，其厚度應(yīng)不小于I μπι。
[0011]所述應(yīng)變場傳感器的電極結(jié)構(gòu)為上下式立體結(jié)構(gòu)，即在電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層的上下表面分別布置頂電極層和底電極層，這種結(jié)構(gòu)為依據(jù)電阻率各向異性傳感薄膜的應(yīng)變測量特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，有利于減少電極引線數(shù)量，提高傳感單元的布置密度，提高應(yīng)變場傳感器的空間分辨率。
[0012]所述布置于電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層上下表面的頂電極和底電極為陣列正交結(jié)構(gòu)，上下電極導(dǎo)線各自匯聚并平行引出，并在端部形成符合標(biāo)準(zhǔn)FFC接口的排線式結(jié)構(gòu)，以方便與陣列器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)的多路復(fù)用開關(guān)的FFC接口插接。
[0013]所述的應(yīng)變傳感單元的梯度陣列式結(jié)構(gòu)，是指在應(yīng)變場傳感器上圍繞C字形缺口布置高密度的應(yīng)變傳感單元，在距離C字形缺口較遠(yuǎn)的區(qū)域布置低密度應(yīng)變傳感單元，從高密度(如10個(gè)每平方毫米)至低密度(如0.3個(gè)每平方毫米)區(qū)域的應(yīng)變傳感單元的密度呈梯度變化布置。
[0014]所述應(yīng)變場傳感器的電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜層，為一層連續(xù)的薄膜，所有應(yīng)變傳感單元共用該連續(xù)的薄膜。該結(jié)構(gòu)可避免電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜的紫外光刻工藝，有利于簡化制作步驟，提高電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜厚度，提高應(yīng)變測量靈敏度。
[0015]所述應(yīng)變場傳感器的表面保護(hù)層，為一層高分子包覆薄膜，覆蓋于頂電極之上，起到電絕緣、防水、防氣體吸附的作用。厚度一般為I至3μπι。
[0016]應(yīng)用所述的應(yīng)變場傳感器的應(yīng)變測量方法，具體步驟如下:
[0017]步驟1:將帶有預(yù)置裂紋的待測試樣表面的裂紋前端表面使用無水乙醇、丙酮依次進(jìn)行清洗；
[0018]步驟2:用瞬干膠將裂紋尖端應(yīng)變場傳感器粘附于待測試樣裂紋前端無裂紋開裂的區(qū)域；
[0019]步驟3:裂紋尖端應(yīng)變場傳感器的頂電極、底電極導(dǎo)線接入陣列器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)的多路復(fù)用開關(guān)；開啟多路復(fù)用開關(guān)以固定電壓切換接入不同傳感單元的頂電極和底電極，從而逐點(diǎn)掃描裂紋尖端應(yīng)變場傳感器的應(yīng)變傳感單元，測量并記錄其電流，作為初始電流值；
[0020]步驟4:對裂紋實(shí)施機(jī)械拉伸加載，使裂紋逐漸緩慢張開；
[0021]步驟5:在步驟4拉伸加載的同時(shí)，使用陣列器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)連續(xù)不斷的掃描裂紋尖端應(yīng)變場傳感器的應(yīng)變傳感單元，測量并記錄其在加載過程中的電流變化；
[0022]步驟6:處理測量得到的電流數(shù)據(jù)，依據(jù)裂紋尖端應(yīng)變場傳感器的電流-應(yīng)變數(shù)據(jù)庫得到裂紋前端應(yīng)變的場分布情況。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0024](I)本發(fā)明提供的非均勻應(yīng)變場傳感器，結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有高空間分辨率和高靈敏度；
[0025](2)本發(fā)明以接觸方式測量表面應(yīng)變場，測量信號不受材料表面狀態(tài)影響；
[0026](3)本發(fā)明的測量靈敏度Gauge Factor在2_200之間可調(diào)。
【附圖說明】
[0027]圖1A為本發(fā)明的裂紋尖端應(yīng)變場傳感器示意圖，其中每一個(gè)黑色點(diǎn)為一個(gè)傳感單元;
[0028]圖1B為本發(fā)明的裂紋尖端應(yīng)變場傳感器的傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明裂紋尖端應(yīng)變場測量示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明逐點(diǎn)掃描測量方法示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中采用應(yīng)變傳感薄膜測量得到的裂紋尖端應(yīng)變場云圖。
[0032]圖中:
[0033]1.柔性高分子襯底；2.底電極；3.電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜；4.頂電極；5.表面保護(hù)層。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0035]圖1A和IB為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明提供的裂紋尖端應(yīng)變場傳感器自下而上包括柔性高分子襯底1、底電極2、電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3、頂電極4和表面保護(hù)層5。
[0036]所述的柔性高分子襯底I不必在材料方面受限制，只要具有柔性并能耐受150°C以上的高溫即可。用于柔性高分子襯底的材料，可以使用合成樹脂類薄膜，如聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)等。
[0037]如圖1B，底電極2結(jié)構(gòu)包括兩部分:一部分是用于覆蓋應(yīng)變傳感單元的圓形點(diǎn)，另一部分是用于將底電極2引出的導(dǎo)線。圓形點(diǎn)的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的寬度，一般圓形點(diǎn)的直徑與導(dǎo)線的寬度的比例可控制在10:1。圓形點(diǎn)和導(dǎo)線在空間結(jié)構(gòu)上為同一連續(xù)的金屬薄膜。
[0038]如圖1B，頂電極4結(jié)構(gòu)包括兩部分:一部分是用于覆蓋應(yīng)變傳感單元的圓形點(diǎn)，另一部分是用于將頂電極4引出的導(dǎo)線。圓形點(diǎn)的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的寬度，一般可控制在10:1的比例。圓形點(diǎn)和導(dǎo)線在空間結(jié)構(gòu)上為同一連續(xù)的金屬薄膜。
[0039]如圖1B，底電極2和頂電極4的圓形點(diǎn)部分在空間上為上下重疊的結(jié)構(gòu)，頂電極4和底電極2之間為電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3，底電極2和頂電極4的導(dǎo)線部分在空間上為相互垂直的正交結(jié)構(gòu)。
[0040]所述的裂紋尖端應(yīng)變場傳感器通過如下方法制備得到:
[0041]第一步，底電極2的制備；
[0042]底電極2和頂電極4可選材料為金、銀、鉑、銅等低電阻率金屬，均可通過紫外光刻和磁控濺射方法制作，具體步驟如下:
[0043](I)紫外光刻:在柔性高分子襯底1(對于頂電極4的制備，是在已經(jīng)制備好的電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3的表面)上用勻膠機(jī)以5000RPM的速度均勻涂布NR9-1500PY型負(fù)性光刻膠，以150°C在烘膠臺(tái)上烘烤60s，然后將柔性高分子襯底I置于紫外曝光機(jī)上以底電極(或頂電極)掩膜板曝光，再將柔性高分子襯底I置于烘膠臺(tái)以100°c烘烤90s，以RD6顯影液顯影、定影。
[0044](2)磁控濺射:使用氬氣等離子體和氧氣等離子體對紫外光刻后的柔性高分子襯底I進(jìn)行清洗，開啟直流濺射電源濺射金屬金作為底電極，直至金膜厚度達(dá)到100至200nm，關(guān)閉濺射電源。將柔性高分子襯底I浸泡于丙酮中超聲處理。第二步，電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3的制備；
[0045]所述的電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3為一層連續(xù)的半導(dǎo)體薄膜，該電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3完全覆蓋底電極2?？蛇x的半導(dǎo)體薄膜材料為氧化鋅、氮化鎵等。電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3的制作可選擇電子束蒸發(fā)沉積或者射頻測控濺射鍍膜。優(yōu)選的鍍膜方案為:在制作好底電極2的柔性高分子襯底I表面用帶方孔的遮板覆蓋，方孔區(qū)域?yàn)樾枰兡さ膮^(qū)域，使用射頻磁控濺射，以高純氧化鋅或高純氮化鎵為靶材進(jìn)行濺射鍍膜。如果選擇氧化鋅靶材，還需在濺射過程中通入適量的氧氣。鍍膜厚度控制在I ym至2 μπι。
[0046]第三步，頂電極4的制備；
[0047](I)紫外光刻:在電阻率各向異性應(yīng)變傳感薄膜3的表面，用勻膠機(jī)以