气压检测设备及其制作方法、气压检测方法技术

本发明专利技术涉及一种气压检测设备及其制作方法、气压检测方法，该气压检测设备包括进气机构以及压敏膜片，进气机构具有进气腔室，进气腔室设有进气口以及与进气口连通的检测口，压敏膜片包括弹性衬底和金属应变层，弹性衬底覆盖检测口，金属应变层设置在弹性衬底的背向进气腔室的一侧，且金属应变层的位置与检测口对应。上述气压检测设备测试时灵敏度高、有效使用次数多、寿命长、响应速度快，操作简单且制作成本较低。

Pneumatic Pressure Detection Equipment and Its Fabrication Method and Pneumatic Pressure Detection Method

【技术实现步骤摘要】
气压检测设备及其制作方法、气压检测方法
本专利技术涉及气体压强检测领域，特别是涉及一种气压检测设备及其制作方法、气压检测方法。
技术介绍
气压传感器的主要作用是把气体信号转化为可读出的电信号或者其它物理信号，进而实现对压力的检测。气压传感器在工业过程监控、环境检测、航空、医疗及健康监测上有着非常重要的应用。传统的气压传感器是基于电学检测的，如压电式气压传感器、陶瓷气压传感器、扩散硅气压传感器、蓝宝石气压传感器等。这类气压传感器的原理在于：当检测环境中存在气体压强时，由于压阻或者压电效应，压敏膜片的电阻或电容随气体压强的变化而发生变化，通过配套电路可将电阻或电容变化量转换为气体压强的大小，从而实现气体压强的测量。电学气压传感器有响应速度快、探测极限低、可探测压强范围大等优点，但其存在测试电路较为复杂、温度敏感性高的缺点。近年来，光纤气压传感器成为一个研究热点。例如，利用Fabry–Pérot(FP)干涉，研究者在中空的光子带隙光纤中实现了灵敏度为4.24nm/MPa的气压传感，其原理在于外部压力会使压敏膜片发生位置和形状的改变，从而改变FP腔的腔长和谐振波长，通过监控FP腔的腔长或谐振波长的变化，即可确定施加的气体压强大小。此外，利用光纤布拉格光栅和Mach-Zehnder干涉也可以实现气压的检测。光纤气压传感器结构相对简单，制备和使用方便，而且不受电磁干扰。但是，这类传感器存在以下问题：压敏膜片往往杨氏模量较大，且利用传统的加工方法难以把膜片加工得很薄，因此对于压力造成位移或者形变较小，导致灵敏度较低。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种能够提高灵敏度的气压检测设备及其制作方法、气压检测方法。一种气压检测设备，包括进气机构以及压敏膜片，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，所述压敏膜片包括弹性衬底和金属应变层，所述弹性衬底覆盖所述检测口，所述金属应变层设置在所述弹性衬底的背向所述进气腔室的一侧，且所述金属应变层的位置与所述检测口对应。在其中一个实施例中，所述金属应变层为自然状态下平坦的金属薄膜。在其中一个实施例中，所述金属应变层的厚度为50nm～10000nm。在其中一个实施例中，所述金属应变层为周期性金属纳米阵列。在其中一个实施例中，所述金属应变层的周期尺寸为300nm～100000nm。在其中一个实施例中，所述金属应变层设有多个凹槽，多个所述凹槽呈阵列分布。在其中一个实施例中，所述凹槽的深度为50nm～1000nm；和/或所述凹槽的开口宽度为150nm～400nm。在其中一个实施例中，所述弹性衬底的材质为橡胶；和/或所述金属应变层的材质为金、银或铝。在其中一个实施例中，所述进气机构还包括进气管，所述进气管与所述进气口连通。一种气压检测设备的制作方法，包括以下步骤：在弹性衬底上形成金属应变层；获取进气机构，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，将所述弹性衬底的远离所述金属应变层的一侧覆盖所述检测口，并使所述金属应变层的位置与所述检测口对应。在其中一个实施例中，在所述弹性衬底上形成所述金属应变层的方法为溅射或蒸镀。一种气压检测方法，采用上述任一实施例的气压检测设备，所述气压检测方法包括以下步骤：将所述进气机构的进气口与待测环境连通；检测连通前后所述金属应变层表面的光学参数的变化以得到所述待测环境的气压。在其中一个实施例中，所述金属应变层为自然状态下平坦的金属薄膜，所述光学参数为光反射率。在其中一个实施例中，所述金属应变层为周期性金属纳米阵列，所述光学参数为光反射率或谐振波长。在其中一个实施例中，所述光反射率为所述金属应变层在波长为550nm～750nm的光照下的反射率。与现有方案相比，本专利技术具有以下有益效果：采用上述气压检测设备测试时，进气腔室通过进气口与待测环境连通。在一定的气压环境下，弹性衬底受到单边气体压强，会发生形变，形成一个凸起的弧面，弹性衬底上的金属应变层的表面形貌将发生较大的形变，而使得其表面光学参数发生变化，通过检测连通前后光学参数的变化，即可推出待测环境的气压。上述气压检测设备创造性地引入了弹性衬底，利用弹性衬底上金属薄膜光滑度的(“镜面-粗糙面”)转变，或者弹性衬底上的周期性金属纳米阵列的几何形变，把微小的气体压强变化转化为金属薄膜或周期性金属纳米阵列的谐振波长的移动量和反射率的变化，从而实现施加气体压强的测量。由于弹性衬底具有一定的形变能力，金属应变层与弹性衬底之间的应力将大大减少，这样减少了金属应变层在形变过程中从弹性衬底的脱落几率，增加了检测设备的有效使用次数(>200次)和寿命。上述气压检测设备具有非常高的灵敏度，灵敏度可以达到0.43nm/KPa，比基于FP腔的光纤气压传感器高2-3个数量级。同时，上述气压检测设备具有较快的响应速度，操作简单，相对较低的制作成本，可以广泛应用到实际的气压检测中。附图说明图1为一实施例的气压检测设备的结构示意图；图2为图1所示气压检测设备中进气机构的竖向剖视图；图3为图1所示气压检测设备中进气机构的横向剖视图；图4为图1所示气压检测设备中压敏膜片在通气前后的形貌变化示意图；图5为另一实施例的气压检测设备的结构示意图；图6为图5所示气压检测设备中压敏膜片在通气前后的形貌变化示意图；图7为实施例1中气压检测设备在通入20KPa的氮气和卸载气体后，金属应变层的光发射谱图；图8为实施例1中气压检测设备在通入20KPa的氮气和卸载气体后，金属应变层的光学反差示意图；图9为实施例1中气压检测设备在通入20KPa的氮气和卸掉氮气200个循环内，金属应变层的反射率变化示意图；图10为实施例2中在设有周期性纳米凹槽阵列的硅片上成型弹性衬底的示意图；图11为在图9形成的弹性衬底上成型金属应变层的示意图；图12为实施例2中气压检测设备在通入1～20KPa的氮气和卸载气体后，金属应变层的光发射谱图；图13为实施例2中金属应变层的谐振波长和施加气体压强的关系曲线图；图14为实施例2中金属应变层的光学反差和施加气体压强的关系曲线图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。如图1和图5所示，本专利技术一实施例的气压检测设备100，包括进气机构120以及压敏膜片140。其中，进气机构120具有进气腔室122，进气腔室122设有进气口124以及与进气口124连通的检测口126。压敏膜片140包括弹性衬底142和金属应变层144，弹性衬底1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气压检测设备，其特征在于，包括进气机构以及压敏膜片，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，所述压敏膜片包括弹性衬底和金属应变层，所述弹性衬底覆盖所述检测口，所述金属应变层设置在所述弹性衬底的背向所述进气腔室的一侧，且所述金属应变层的位置与所述检测口对应。

【技术特征摘要】
1.一种气压检测设备，其特征在于，包括进气机构以及压敏膜片，所述进气机构具有进气腔室，所述进气腔室设有进气口以及与所述进气口连通的检测口，所述压敏膜片包括弹性衬底和金属应变层，所述弹性衬底覆盖所述检测口，所述金属应变层设置在所述弹性衬底的背向所述进气腔室的一侧，且所述金属应变层的位置与所述检测口对应。2.如权利要求1所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层为自然状态下平坦的金属薄膜。3.如权利要求1所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层为周期性金属纳米阵列。4.如权利要求3所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层的周期尺寸为300nm～100000nm。5.如权利要求3所述的气压检测设备，其特征在于，所述金属应变层设有多个凹槽，多个所述凹槽呈阵列分布。6.如权利要求1～5任一项所述的气压检测设备，其特征在于，所述进气机构还包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：金崇君，万博，沈杨，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44