一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，首先在弹性体基底材料表面进行镀膜，利用微纳米加工方法在基底材料上制备具有光谱特征峰的微结构阵列；将制备好的器件固定在被测样品表面，利用光谱仪测量样品在形变前后及形变过程中的光谱，最终利用光谱特征峰的变化计算样品的形变量。本发明专利技术的微结构阵列光学应变传感器可以测量微小区域内形变量，且具有测量灵敏度高、检测速度快的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法
本专利技术属于测量
，具体属于微小形变的检测，涉及一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法，其适用于检测物体表面所产生的微小形变。
技术介绍
传统的应变传感器是将材料的应变量转化为电信号。例如中国专利申请第2012103802359号中公开了一种电容式超大应变传感器，属于电子元器件领域，包括位于顶部的外壳、位于侧部的拖动架、位于中部的电路组件、位于下部的电容动极板、位于下部的电容定极板、位于外壳上的滑道以及引线板，位于超大应变传感器中部位置的电路组件板，用焊接方式固定在引线板上，再用胶粘接固定在外壳的内壁上；位于下部位置的电容动极板与拖动架用胶固定，拖动架再与外壳的滑道形成滑动连接；介于两片电容动极板间的电容定极板，采用焊接方式固定在引线板上，最后将引线板与外壳连接固定。采用电容变面积方式实现超大应变测量，用抽拉式感知结构实现曲面被测物测量，用双电容增敏实现狭小空间内的结构设计。但是上述传感器在使用时，容易受到环境的影响，如环境湿度大、高温等情况下会引起器件失效等问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法。依据本专利技术的技术方案，一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其通过以下步骤实现：(1)选择适合的基底材料，并对基底材料进行镀膜处理；(2)设计待加工微结构图形，并在镀膜后的基底材料表面经行微结构加工；(3)将加工后的微结构传感器固定在被测物体表面；(4)测量传感器形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；(5)利用光谱的特征曲线变化计算被测物体的形变量。其中，步骤(1)所述的基底材料需要保证表面光滑并具有弹性。步骤(1)对基底材料进行镀膜的材质包括金、银、铝等可以产生光学效应的材料。步骤(1)镀膜的工艺包括热蒸镀，磁控溅射等镀膜方法，镀膜的厚度10nm～100nm。进一步地，步骤(2)设计加工结构图形包括矩形、正方形、圆形以及各种多边形等可以产生特征光谱的微结构，微结构周期100nm～10um，结构总体尺寸大于5um。步骤(2)中的微纳结构加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、电火花加工、机械加工等传统和特种加工方法。更近一步地，步骤(4)中所使用的测量设备为光谱仪，波长大于400nm。相比以应变-电量为基础的传统应变传感器，微结构光学应变传感器具有反应灵敏度高，结构简单，可测量小范围内应变量的优势，可广泛应用于民用工程结构、航空航天、医学、核工业等行业。本专利技术的目的在于，提供一种精确检测物体表面微小形变的方法。本专利技术提出的检测方法能显著提高小尺寸下应变的检测灵敏度和精度。附图说明图1为材料镀膜结构示意图；图2为依据本专利技术的第一微结构示意图；图3为依据本专利技术的第一微结构受力后结构变化示意图；图4为检测结果分析示意图；图5为材料镀膜结构示意图；图6为依据本专利技术的第二微结构示意图；图7为依据本专利技术的第二微结构受力后结构变化示意图；图8为检测结果分析示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外地，不应当将本专利技术的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。研究发现，当金属薄膜材料表面的微结构发生改变时，其光谱特征峰的位置会发生改变，通过测定光谱特征峰的位置的变化，即可以倒推出材料的应变变化，从而可以构成一种新型的微结构光学应变传感器。基于上述研究，本专利技术公开了一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，首先在弹性体基底材料表面进行镀膜，利用微纳米加工方法在基底材料上制备具有光谱特征峰的微结构阵列；将制备好的器件固定在被测样品表面，利用光谱仪测量样品在形变前后及形变过程中的光谱，最终利用光谱特征峰的变化计算样品的形变量。本专利技术的微结构阵列光学应变传感器可以测量微小区域内形变量，且具有测量灵敏度高、检测速度快的优势。依据本专利技术的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其通过以下步骤实现：(1)选择适合的基底材料，并对基底材料进行镀膜处理；(2)设计待加工微结构图形，并在镀膜后的基底材料表面经行微结构加工；(3)将加工后的微结构传感器固定在被测物体表面；(4)测量传感器形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；(5)利用光谱的特征曲线变化计算被测物体的形变量。其中，步骤(1)所述的基底材料需要保证表面光滑并具有弹性；对基底材料进行镀膜的材质包括金、银、铝等可以产生光学效应的材料；镀膜的工艺包括热蒸镀，磁控溅射等镀膜方法，镀膜的厚度10nm～100nm。步骤(2)设计加工结构图形包括矩形、正方形、圆形以及各种多边形等可以产生特征光谱的微结构，微结构周期100nm～10um，结构总体尺寸大于5um；微纳结构加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、电火花加工、机械加工等传统和特种加工方法。步骤(4)中所使用的测量设备为光谱仪，波长大于400nm。更近一步地，本专利技术所提供的微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法也可以包括以下步骤：步骤(一)，制备用于加工微结构的基底材料；步骤(二)，在基底材料上制备微结构阵列；步骤(三)，将加工好的基底材料固定于被测样品表面并利用光谱仪检测应变量；其中，步骤(一)包括：步骤11，选择适合加工的基底材料，基底材料选择具有一定弹性的光滑平整材料，包括PDMS，LDPE等；将其制备成边长大于1mm的正方形或矩形；步骤12，对材料进行镀膜，镀膜的靶材包括金、银、铝等可以产生光学效应的材料，镀膜的工艺包括热蒸镀，磁控溅射等镀膜方法，镀膜的厚度10nm～100nm，如附图1所示；步骤(二)包括：步骤21，设计加工结构图形包括矩形，正方形，圆形以及各种多边形等结构，如附图2所示，周期100nm～10um，结构总体尺寸大于5um(满足测量精度即可)；步骤22，将镀膜后材料放置于微纳结构加工设备中对其进行加工，加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、电火花加工、机械加工传统和特种加工方式等；步骤(三)包括：步骤31，将加上后样品固定于被测物体表面；步骤32，分别测量物体形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；步骤33，通过光谱特征峰位置的移动推算材料的形变量。下面结合附图，对本专利技术给予进一步说明。图1为材料镀膜结构示意图，其包括镀层1和基底材料2。图2为依据本专利技术的第一微结构示意图，L表示特征结构初始长度。图3为依据本专利技术的第一微结构受力后结构变化示意图，L’为特征结构变形后长度。图4为检测结果分析示意图，1为变形前光谱曲线，2为变形后光谱曲线。图5为材料镀膜结构示意图，其包括镀层1和基底材料SiO2，镀层1厚度50nm(金)。图6为依据本专利技术的第二微结构示意图，其中g＝25nm，w＝25nm，T1＝180nm，T2＝230nm；T＝230nm。图7为依据本专利技术的第二微结构受力后结构变化示意图，g变为g’，w变为w’，T1变为T1’，T2变为T2’，T变为T’。图8为检测结果分析示意图，1为变形前光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，通过以下步骤实现：(1)选择适合的基底材料，并对基底材料进行镀膜处理；(2)设计待加工微结构图形，并在镀膜后的基底材料表面经行微结构加工；(3)将加工后的微结构传感器固定在被测物体表面；(4)测量传感器形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；(5)利用光谱的特征曲线变化计算被测物体的形变量。

【技术特征摘要】
1.一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，通过以下步骤实现：(1)选择适合的基底材料，并对基底材料进行镀膜处理；(2)设计待加工微结构图形，并在镀膜后的基底材料表面进行微结构加工；(3)将加工后的微结构传感器固定在被测物体表面；(4)测量传感器形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；(5)利用光谱的特征曲线变化计算被测物体的形变量；其中，步骤(1)所述的基底材料需要保证表面光滑并具有弹性；对基底材料进行镀膜的材质包括金、银或铝中之任一种可以产生光学效应的材料；镀...

【专利技术属性】
技术研发人员：兀伟，任梦昕，皮彪，蔡卫，张心正，许京军，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12