一种裂纹尖端应变场传感器及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种裂纹尖端应变场传感器及其测量方法，该传感器为一种阵列型传感器，采用了高灵敏度的半导体各向异性薄膜材料，利用材料的压阻效应或压电电荷对界面电阻的调制效应实现应变传感。本发明专利技术摒弃了传统应变片的平面式电极布置结构，选用三维立体正交的顶底电极布置结构。从而实现了传感器单元的小型化、高灵敏化。利用半导体薄膜传感材料的电阻各向异性实现了传感单元对单一薄膜的共享，从而大大简化阵列器件结构设计及微加工工艺，提高阵列集成度。该器件结构显著提高了传感器的空间分辨率、应变灵敏度并实现场应变测量以适应裂纹尖端非均匀应变场测量的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及应变传感领域中的场应变测量
，尤其是以接触式应变测量方式实现裂纹尖端应变场随裂纹开裂过程的实时测量。
技术介绍
应变传感技术被广泛的应用于工程和科研领域，如工程结构分析、材料力学等。其中场应变测量尤其是裂纹尖端应变场的测量一直是测量的难点。目前可实现场应变测量的方法主要是通过非接触的光学测量方法来实现的，如光弹、云纹干涉、散斑干涉和数字图像相关等方法。这些方法的共同特点是以非接触的形式来实现裂纹尖端应变场的测量，但测量过程需对材料表面作特殊的处理，如制备光栅、喷涂散斑等，同时测量还需搭建光路系统，测试过程需要较大空间，有较大的不便性。并且采用上述方法测量得到的大多是平面内的二维应变在笛卡尔坐标系中的坐标分量，并不能直接测得表面的主应变分布。采用接触式应变传感是解决空间问题、简化测量步骤的一种较理想的方式，但是目前所使用的贴片式应变传感，即应变片，所利用的是金属薄膜的欧姆定律来实现应变传感，其特点是灵活度高，精度好。但缺点是金属薄膜需有一定的长度来满足器件电阻的需求，一般应变片的几何尺寸在毫米级，而且其电极引线布置与传感材料本身在同一个平面，这两方面原因导致其空间分辨率有限，测量精度也相对有限，难以进行高分辨率的阵列化集成使用。常用的应变片灵敏度:Gauge Factor = 2。
技术实现思路
本专利技术的技术目的是针对上述现有技术的不足以及应变测量需求，提出一种全新的解决方案，将各向异性半导体薄膜材料应用于裂纹尖端应变场的测量，制作出一种结构简单可靠的高空间分辨率、高灵敏度的非均匀应变场传感器，以及其应变测量方法，从而实现裂纹尖端非均匀应变场的全接触式实时测量。本专利技术提供的裂纹尖端应变场传感器，包括若干个应变传感单元，每个应变传感单元包括五层结构，分别为柔性高分子衬底层、电阻率各向异性应变传感薄膜层、布置于电阻率各向异性应变传感薄膜层上下的正交式底电极层和顶电极层，以及表面保护层。所述的若干个应变传感单元组成梯度阵列式结构；所有的应变传感单元共用一层连续的各向异性传感薄膜的结构。本专利技术所述的应变场传感器具有C字型结构，用于包络待测样品的裂纹尖端，实现裂纹尖端应变场的全方位测量。所述的柔性高分子衬底层，为具有一定变形能力的高分子薄膜材料，耐温不低于150°C，厚度尽量薄，一般不超过125 μ m，选材无其他特殊要求。所述的电阻率各向异性应变传感薄膜层，选取具有压阻效应的半导体或者为具有压电性的半导体材料。所述的电阻率各向异性应变传感薄膜层，其电阻率在沿电阻率各向异性应变传感薄膜平面内方向和沿厚度方向具有明显的各向异性特性，在沿电阻率各向异性应变传感薄膜平面内方向具有超高电阻率甚至绝缘，在沿厚度方向具有较小电阻率。这样有利于将阵列式的电极布置于同一薄膜上下表面形成阵列式传感单元而不发生传感单元之间的电流串扰问题。所述的电阻率各向异性应变传感薄膜层，其厚度应不小于I μπι。所述应变场传感器的电极结构为上下式立体结构，即在电阻率各向异性应变传感薄膜层的上下表面分别布置顶电极层和底电极层，这种结构为依据电阻率各向异性传感薄膜的应变测量特点而设计，有利于减少电极引线数量，提高传感单元的布置密度，提高应变场传感器的空间分辨率。所述布置于电阻率各向异性应变传感薄膜层上下表面的顶电极和底电极为阵列正交结构，上下电极导线各自汇聚并平行引出，并在端部形成符合标准FFC接口的排线式结构，以方便与阵列器件电学性能测试系统的多路复用开关的FFC接口插接。所述的应变传感单元的梯度阵列式结构，是指在应变场传感器上围绕C字形缺口布置高密度的应变传感单元，在距离C字形缺口较远的区域布置低密度应变传感单元，从高密度(如10个每平方毫米)至低密度(如0.3个每平方毫米)区域的应变传感单元的密度呈梯度变化布置。所述应变场传感器的电阻率各向异性应变传感薄膜层，为一层连续的薄膜，所有应变传感单元共用该连续的薄膜。该结构可避免电阻率各向异性应变传感薄膜的紫外光刻工艺，有利于简化制作步骤，提高电阻率各向异性应变传感薄膜厚度，提高应变测量灵敏度。所述应变场传感器的表面保护层，为一层高分子包覆薄膜，覆盖于顶电极之上，起到电绝缘、防水、防气体吸附的作用。厚度一般为I至3μπι。应用所述的应变场传感器的应变测量方法，具体步骤如下:步骤1:将带有预置裂纹的待测试样表面的裂纹前端表面使用无水乙醇、丙酮依次进行清洗；步骤2:用瞬干胶将裂纹尖端应变场传感器粘附于待测试样裂纹前端无裂纹开裂的区域；步骤3:裂纹尖端应变场传感器的顶电极、底电极导线接入阵列器件电学性能测试系统的多路复用开关；开启多路复用开关以固定电压切换接入不同传感单元的顶电极和底电极，从而逐点扫描裂纹尖端应变场传感器的应变传感单元，测量并记录其电流，作为初始电流值；步骤4:对裂纹实施机械拉伸加载，使裂纹逐渐缓慢张开；步骤5:在步骤4拉伸加载的同时，使用阵列器件电学性能测试系统连续不断的扫描裂纹尖端应变场传感器的应变传感单元，测量并记录其在加载过程中的电流变化；步骤6:处理测量得到的电流数据，依据裂纹尖端应变场传感器的电流-应变数据库得到裂纹前端应变的场分布情况。本专利技术的优点在于:(I)本专利技术提供的非均匀应变场传感器，结构简单可靠，具有高空间分辨率和高灵敏度；(2)本专利技术以接触方式测量表面应变场，测量信号不受材料表面状态影响；(3)本专利技术的测量灵敏度Gauge Factor在2_200之间可调。【附图说明】图1A为本专利技术的裂纹尖端应变场传感器示意图，其中每一个黑色点为一个传感单元;图1B为本专利技术的裂纹尖端应变场传感器的传感单元结构示意图；图2为本专利技术裂纹尖端应变场测量示意图；图3为本专利技术逐点扫描测量方法示意图；图4为本专利技术实施例中采用应变传感薄膜测量得到的裂纹尖端应变场云图。图中:1.柔性高分子衬底；2.底电极；3.电阻率各向异性应变传感薄膜；4.顶电极；5.表面保护层。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述。图1A和IB为本专利技术实施例的应变传感器结构示意图，本专利技术提供的裂纹尖端应变场传感器自下而上包括柔性高分子衬底1、底电极2、电阻率各向异性应变传感薄膜3、顶电极4和表面保护层5。所述的柔性高分子衬底I不必在材料方面受限制，只要具有柔性并能耐受150°C以上的高温即可。用于柔性高分子衬底的材料，可以使用合成树脂类薄膜，如聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)等。如图1B，底电极2结构包括两部分:一部分是用于覆盖应变传感单元的圆形点，另一部分是用于将底电极2引出的导线。圆形点的直径远远大于导线的宽度，一般圆形点的直径与导线的宽度的比例可控制在10:1。圆形点和导线在空间结构上为同一连续的金属薄膜。如图1B，顶电极4结构包括两部分:一部分是用于覆盖应变传感单元的圆形点，另一部分是用于将顶电极4引出的导线。圆形点的直径远远大于导线的宽度，一般可控制在10:1的比例。圆形点和导线在空间结构上为同一连续的金属薄膜。如图1B，底电极2和顶电极4的圆形点部分在空间上为上下重叠的结构，顶电极4和底电极2之间为电阻率各向异性应变传感薄膜3，底电极2和顶电极4的导线部分在空间上为相互垂直的正交结构。所述的裂纹尖端应变场传感器通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种裂纹尖端应变场传感器，其特征在于：所述传感器包括多个应变传感单元，每个应变传感单元具有五层结构，包括柔性高分子衬底层、底电极层、电阻率各向异性应变传感薄膜层、顶电极层和表面保护层，所有的应变传感单元共用一层连续的电阻率各向异性传感薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋明，徐彤，
申请(专利权)人：中国特种设备检测研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11