柔性电阻式应变传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性电阻式应变传感器，包括：绝缘的柔性衬底；以及金属玻璃薄膜，作为应变敏感材料，沉积在所述柔性衬底上。本发明专利技术的柔性电阻式应变传感器因利用了金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，故具有灵敏度高、测量应变范围大、电阻温度系数小、制备方法简单等优点，可以作为电子皮肤的基本单元，同样也在应力应变分析及其它领域有重要应用。

【技术实现步骤摘要】
柔性电阻式应变传感器
本专利技术涉及一种应变传感器，具体来说是涉及一种以金属玻璃薄膜为应变传感材料的柔性电阻式应变传感器。
技术介绍
从20世纪70年代开始，电子皮肤的概念就已经出现在很多科幻作品里，与此同时，科学家们也开始了对电子皮肤的不断探索，因为电子皮肤在智能机器人和医疗修复等领域的巨大作用前景[文献1：B.C-K.Teel,C.Wang,R.AllenandZ.N.Bao,Nat.Nanotechnol.2012,Vol.7,825.]。电子皮肤的基本单元就是柔性应变传感器。在现有的研发中，科学家们将石墨烯、碳纳米管、金属或半导体纳米线、金属纳米颗粒、有机高分子聚合物等视为未来电子皮肤的候选材料。但是，已经了解，这些材料都存在有或多或少的缺点，强烈地限制了电子皮肤的实际应用。举例来说，用化学气相沉积方法生长的石墨烯往往会存在很多杂质和缺陷，并且，由于温度的限制，这种材料不能直接生长在柔性衬底上[文献2：J.Zhao,G.L.Wang,R.Yang,X.B.Lu,M.Cheng,C.L.He,G.B.Xie,J.L.Meng,D.X.Shi,andG.Y.Zhang,ACSNano2015,Vol.9,1622.]。而基于量子隧穿效应的金属纳米颗粒，在其初始位置的电阻值很大，因而会造成严重的能源浪费。金属或半导体纳米线价格昂贵而且很难大面积集成。有机聚合物导电性比较差。所以，寻找合适的用做柔性应变传感器的材料迫在眉睫。金属材料具有好的导电性，但是金属材料的弹性极限较低，制作的应变片测量范围比较小，这是金属材料在柔性应变传感器上的短板。而金属玻璃作为非晶态物质，因为没有晶界、位错等缺陷，弹性极限往往可以比金属材料大10倍[文献3：W.L.Johnson,MRS.Bulletin.1992,Vol.24,42.]。与此同时，金属玻璃的电阻温度系数小，不用通过惠斯通电桥等方法进行温度补偿。金属玻璃薄膜的电阻变化与应变之间具有好的线性关系，灵敏度因子较高，是好的应变传感材料。此外，金属玻璃薄膜还有一定的抗菌性，在医疗等领域具有应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种柔性电阻式应变传感器，利用金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，以克服现有技术中采用其它材料作为应变敏感材料时的诸多不足之处。为实现上述目的，本专利技术提供一种柔性电阻式应变传感器，包括：-绝缘的柔性衬底；-金属玻璃薄膜，作为应变敏感材料，沉积在所述柔性衬底上。在本专利技术的实施方式中，金属玻璃薄膜为由锆基非晶合金、钯基非晶合金、镍基非晶合金、或钯镍基非晶合金制得。在本专利技术的实施方式中，所述锆基非晶合金可以是ZraCubNicAld,30≤a≤80,10≤b≤50,0≤c≤20,0≤d≤30,a+b+c+d＝100。在本专利技术的实施方式中，所述锆基非晶合金可以是CuaZrb,30≤a≤70,30≤b≤70,a+b＝100。在本专利技术的实施方式中，所述锆基非晶合金可以是CuaZrbAlc,30≤a≤70,30≤b≤70,0≤c≤30,a+b+c＝100。在本专利技术的实施方式中，所述钯基非晶合金可以是PdaSib,50≤a≤90,10≤b≤50,a+b＝100。在本专利技术的实施方式中，所述钯镍基非晶合金可以是PdaNibCucPd,20≤a≤60,0≤b≤20,10≤c≤50,5≤d≤35,a+b+c+d＝100。在本专利技术的实施方式中，所述镍基非晶合金可以是NiaNbb,40≤a≤80,20≤a≤60,a+b＝100。在本专利技术的实施方式中，所述金属玻璃薄膜是通过离子束溅射、磁控溅射、脉冲激光沉积、物理气相沉积等方法沉积在柔性衬底上。在本专利技术的实施方式中，所述金属玻璃薄膜的厚度在10nm和10μm之间。在本专利技术的实施方式中，所述柔性衬底是由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷制得。在本专利技术的实施方式中，所述衬底的厚度优选小于1mm。本专利技术的柔性电阻式应变传感器，还包括：-引线，由所述金属玻璃薄膜的两端引出，并连接至电阻测量装置上。在本专利技术的实施方式中，当用两线法时，焊上两根引线；当用四线法时焊上四根引线。所述引线是直径介于2μm-2mm的铜导线、金导线、银导线或铂导线。在本专利技术的实施方式中，所述引线可以直接通过导电胶粘到所述金属玻璃薄膜上；或者通过导电焊料或是沉积金属的方式接到所述金属玻璃薄膜上。与现有技术中的柔性应变传感器相比，本专利技术的柔性电阻式应变传感器因利用了金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，故具有如下的优点：1)测量应变范围大，性能稳定性好，可重复性好，灵敏度高，电阻变化率和应变之间的有很好的线性关系；2)弹性极限大，是普通金属或者合金的5-10倍；3)热稳定性好，电阻温度系数低，可适用的温度范围广；4)制备方法简单，成本低，能耗低，可以大面积集成；并且，产率高，可以做成“透明”传感器；5)具有一定的抑制细菌生长的能力；6)测试精度高，信号好，信噪比高；7)除作为电子皮肤的基本单元(即，柔性应变传感器)，在应力应变分析等领域有广泛应用价值以外，还可以作为距离传感器等使用，应用领域更为广泛。附图说明图1是本专利技术制备例1中以Zr55Cu30Ni5Al10金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的光学照片；图2是用于测试本专利技术的柔性电阻式应变传感器的性能的装置示意图；图3是用于给本专利技术的柔性电阻式应变传感器施加应变装置的实物照片；图4是制备例1的以Zr55Cu30Ni5Al10金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器对可见光的透过率随离子束沉积时间的变化规律；图5是实施例2测试手指指关节弯曲程度的示意图；图6是制备例1的以Zr55Cu30Ni5Al10金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随应变的变化规律；图7是制备例1的以Zr55Cu30Ni5Al10金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随样品弯曲程度的变化规律；图8是制备例1的以Zr55Cu30Ni5Al10金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随两个滑块间距离的变化规律；图9是制备例1的以Zr55Cu30Ni5Al10金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻随温度的变化规律；图10是制备例2的以Zr50Cu50金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随应变的变化规律；图11是制备例3的以Pd40Cu30Ni10P20金属玻璃薄膜为应变敏感材料的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随应变的变化规律。具体实施方式本专利技术的柔性电阻式应变传感器是利用金属玻璃薄膜作为应变敏感材料，其可通过如下的示例性方法制备：对于玻璃形成能力较好的非晶体系，以Zr55Cu30Ni5Al10为例，将纯度为99.99％的Zr、Cu、Ni、Al金属单质按照11:6:1:2(原子百分比)的比例用铜模吸铸的方法制作非晶合金。然后，用离子束溅射的方法将该铜模吸铸的非晶合金作为沉积靶材，通过控制沉积速率和沉积时间，将不同厚度的金属玻璃薄膜直接沉积在绝缘的柔性衬底上。对于玻璃形成能力不好的体系，以Cu50Zr50为例，用铜模吸铸后得到原子百分比为1:1的Cu50Zr50合金。然后，用离子束溅射的方法将该铜模吸铸的合金作为沉积靶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性电阻式应变传感器，包括：‑绝缘的柔性衬底；‑金属玻璃薄膜，作为应变敏感材料，沉积在所述柔性衬底上。

【技术特征摘要】
1.一种柔性电阻式应变传感器，包括：-绝缘的柔性衬底；-金属玻璃薄膜，作为应变敏感材料，沉积在所述柔性衬底上。2.如权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃薄膜为由锆基非晶合金、钯基非晶合金、镍基非晶合金、或钯镍基非晶合金制得。3.如权利要求2所述的柔性电阻式应变传感器，其中，所述锆基非晶合金为ZraCubNicAld,30≤a≤80,10≤b≤50,0≤c≤20,0≤d≤30,a+b+c+d＝100；CuaZrb,30≤a≤70,30≤b≤70,a+b＝100；或CuaZrbAlc,30≤a≤70,30≤b≤70,0≤c≤30,a+b+c＝100；所述钯基非晶合金为PdaSib,50≤a≤90,10≤b≤50,a+b＝100；所述钯镍基非晶合金为PdaNibCucPd,20≤a≤60,0≤b≤20,10≤c≤50,5≤d≤35,a+b+c+d＝100；所述镍基非晶合金为NiaNbb,40≤a≤80,20≤a≤6...

【专利技术属性】
技术研发人员：咸海杰，曹乘榕，赵德乾，丁大伟，潘明祥，白海洋，汪卫华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11