一种监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器及其制备方法。本发明专利技术压电薄膜传感器，包括：螺栓基底，沉积在螺栓基底的头部上的绝缘层薄膜，沉积在绝缘层薄膜上的第一电极薄膜，沉积在第一电极薄膜上的压电薄膜，沉积在压电薄膜上的第二电极薄膜，沉积在第二电极薄膜上的保护层薄膜。本发明专利技术将压电薄膜材料通过磁控溅射技术集成到监测基底上，为了防止压电材料产生的电荷泄露，在基底上沉积绝缘薄膜，并且在传感器制备完成后，再在外表面沉积保护薄膜，延长传感器的使用寿命。本发明专利技术压电薄膜传感器具有耐高温、耐腐蚀、灵敏度高、动态响应快等优点，采用直流脉冲磁控溅射技术加工效率高，可应用于多种场合，解决实时螺栓应力监测的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及压电传感器
，具体而言，尤其涉及一种监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在航空、航天及高端装备制造领域，作为主要连接件的螺栓，其工作状况和使用寿命是保障设备正常运行的关键因素之一，螺栓松动直接会影响设备的健康运转。例如：在航空涡轮发动机制造领域，螺栓松动会造成发动机振动增大，严重时会导致发动机损坏，造成空难事故。因此，快速、准确反应螺栓应力变化，时刻监测螺栓工作状态具有重要意义。
[0003]目前常见的螺栓应力监测的方法有：基于模态参数的方法，基于压电材料的方法，图像识别技术等。但这些监测方法或多或少都无法满足复杂的环境和使用需求，例如：基于模态参数的方法在结构动力参数的识别和提取过程往往基于线性化，难于精准识别和定位单个螺栓的松动位置和松动程度等损伤信息。基于压电材料的方法是将压电元件粘贴于结构表面或埋置于结构内部后，阻抗分析方法获取耦合结构的阻抗函数，但是由于粘贴结构表面，在振动或者高温环境下，容易脱落造成监测失效或者设备损坏。图像识别技术能根据螺栓角度变化识别螺栓松动或者螺栓的颜色变化识别腐蚀信息，难以识别结构荷载信息，环境因素如光线、振动等对采集图像过程的造成的干扰问题也限制了其实际应用。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的技术问题，提供一种监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器及其制备方法。本专利技术将压电薄膜材料通过磁控溅射技术集成到监测基底上，为了防止压电材料产生的电荷泄露，在基底上沉积绝缘薄膜，并且在传感器制备完成后，再在外表面沉积保护薄膜，延长传感器的使用寿命。本专利技术压电薄膜传感器具有耐高温、耐腐蚀、灵敏度高、动态响应快等优点。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，包括：螺栓基底，沉积在所述螺栓基底的头部上的绝缘层薄膜，沉积在所述绝缘层薄膜上的第一电极薄膜，沉积在所述第一电极薄膜上的压电薄膜，沉积在所述压电薄膜上的第二电极薄膜，沉积在所述第二电极薄膜上的保护层薄膜。
[0007]进一步地，所述螺栓基底采用GH4169高温合金螺栓，且表面经过抛光处理为镜面。
[0008]进一步地，所述绝缘层薄膜和所述保护层薄膜均采用SiO2薄膜。
[0009]进一步地，所述第一电极薄膜和所述第二电极薄膜均采用NiSi薄膜。
[0010]进一步地，所述压电薄膜采用ZnO薄膜。
[0011]本专利技术还提供了一种基于上述监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的制作方法，包括如下步骤：
[0012]S1、加工螺栓定位夹具：将焊接完成后的螺栓定位夹具放置在数控铣床上，加工定
位孔和螺栓孔；
[0013]S2、抛光处理：对螺栓基底的螺栓头部进行打磨并抛光；
[0014]S3、清洗处理：将抛光后的螺栓基底置于超声波清洗机内进行清洗；
[0015]S4、制备绝缘层薄膜：将螺栓基底安装在螺栓定位夹具上，并一同放入真空多功能复合镀膜机的真空溅射室内，沉积绝缘层薄膜，随炉冷却后取出样品；
[0016]S5、制备第一电极薄膜：将第一电极薄膜机械掩膜板安装在螺栓定位夹具上，采用螺母固定，放入真空多功能复合镀膜机的真空溅射室内，沉积第一电极薄膜；
[0017]S6、制备积压电薄膜：将压电薄膜机械掩膜板安装在螺栓定位夹具上，采用螺母固定，放入真空多功能复合镀膜机的真空溅射室内，沉积压电薄膜；
[0018]S7、制备第二电极薄膜：将第二电极薄膜机械掩膜板安装在螺栓定位夹具上，采用螺母固定，放入真空多功能复合镀膜机的真空溅射室内，沉积第二电极薄膜；
[0019]S8、检测电阻值：测量第一电极薄膜和第二电极薄膜之间电阻值是否满足要求，满足要求后制备保护层薄膜；
[0020]S9、制备保护层薄膜：将制备好的绝缘层薄膜、第一电极薄膜、压电薄膜和第二电极薄膜放置在真空多功能复合镀膜机的真空溅射室内，沉积保护层薄膜，随炉冷却后取出样品。
[0021]进一步地，所述步骤S2中，依次选用400目、800目、1000目、2000目、5000目、7000目的砂纸打磨，在抛光机上依次用W1.0、W0.5的抛光膏抛光。
[0022]进一步地，所述步骤S3中，分别采用丙酮、酒精和去离子水对抛光后的螺栓基底进行清洗，清洗完毕后用氮气吹干。
[0023]进一步地，所述步骤S4、S5、S6、S7以及S9中，制备绝缘层薄膜、第一电极薄膜、压电薄膜、第二电极薄膜以及保护层薄膜均采用直流脉冲磁控溅射技术。
[0024]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0025]1、本专利技术提供的监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，具有耐高温、耐腐蚀、灵敏度高、动态响应快等优点。采用直流脉冲磁控溅射技术加工效率高，可应用于多种场合，解决实时螺栓应力监测的问题。
[0026]2、本专利技术提供的监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，选用SiO2作为绝缘层和保护层，能够很好的防止ZnO压电薄膜产生的电荷泄露，并且能很好的保护ZnO压电层不被污染。电极材料选择NiSi除了导电功能外，还能与SiO2和ZnO薄膜有更好的吸合力，保证传感器的稳定性。
[0027]3、本专利技术提供的监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，采用直接在螺栓基底上溅射压电薄膜传感的方法，避免了传统方法易脱落的弊端。
[0028]基于上述理由本专利技术可在压电传感器等领域广泛推广。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的爆炸示意图。
[0031]图2为本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的剖视图。
[0032]图3为本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的电极细节图。
[0033]图4为本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的SiO2绝缘层制备图。
[0034]图5为本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的NiSi底电极层制备图。
[0035]图6为本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的ZnO压电层制备图。
[0036]图7是本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的NiSi顶电极层制备图。
[0037]图8为本专利技术监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的SiO2保护层制备图。
[0038]图中：1、螺栓基底；2、绝缘层薄膜；3、第一电极薄膜；4、压电薄膜；5、第二电极薄膜；6、保护层薄膜；7、螺栓定位夹具；8、第一电极薄膜机械掩膜板；9、压电薄膜机械掩膜板；10、第二电极薄膜机械掩膜板；11、保护层薄膜机械掩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，其特征在于，包括：螺栓基底(1)，沉积在所述螺栓基底(1)的头部上的绝缘层薄膜(2)，沉积在所述绝缘层薄膜(2)上的第一电极薄膜(3)，沉积在所述第一电极薄膜(3)上的压电薄膜(4)，沉积在所述压电薄膜(4)上的第二电极薄膜(5)，沉积在所述第二电极薄膜(5)上的保护层薄膜(6)。2.根据权利要求1所述的监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，其特征在于，所述螺栓基底(1)采用GH4169高温合金螺栓，且表面经过抛光处理为镜面。3.根据权利要求1所述的监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，其特征在于，所述绝缘层薄膜(2)和所述保护层薄膜(6)均采用SiO2薄膜。4.根据权利要求1所述的监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，其特征在于，所述第一电极薄膜(3)和所述第二电极薄膜(5)均采用NiSi薄膜。5.根据权利要求1所述的监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器，其特征在于，所述压电薄膜(4)采用ZnO薄膜。6.一种基于权利要求1
‑
5中任意一项权利要求所述监测螺栓应力用ZnO压电薄膜传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、加工螺栓定位夹具(7)：将焊接完成后的螺栓定位夹具(7)放置在数控铣床上，加工定位孔和螺栓孔；S2、抛光处理：对螺栓基底(1)的螺栓头部进行打磨并抛光；S3、清洗处理：将抛光后的螺栓基底(1)置于超声波清洗机内进行清洗；S4、制备绝缘层薄膜(2)：将螺栓基底(1)安装在螺栓定位夹具(7)上，并一同放入真空多功能复合镀膜机的真空溅射室内，沉积绝缘层薄膜(2)，随炉冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔云先，莫国伟，高鹏飞，殷俊伟，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：