一种柔性薄膜微波应变传感器制造技术

本发明专利技术属于应变测量技术领域，涉及一种柔性薄膜微波应变传感器，包括衬底、传感器主体以及正极和负极，所述的衬底包括塑料层和用于粘合ＰＥＴ塑料层和传感器主体的ＳＵ８材料层，所述的传感器主体为一层单晶硅薄膜，该层薄膜由Ｐ型掺杂区、未掺杂区、和Ｎ型掺杂区构成，未掺杂区位于Ｐ型掺杂区和Ｎ型掺杂区之间，形成ＰＩＮ结，Ｐ型单晶硅区与正极相连，Ｎ型单晶硅区与负极相连，测量时，所述的柔性薄膜微波应变传感器被固定在待测物体上。本发明专利技术能够用于测量高频动态应变，并且精度能够大大提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于应变测量
，具体涉及一种应变传感器。
技术介绍
动态应变测量一般是研究工作频率在几十KHz或几百KHz的形变监测，不仅要检 测机械形变的产生，而且要实时检测机械形变的变化。传统的动态应变测量方式基本上是 利用电阻应变片组成测量电桥形式，结合相应的外围电路，采用调频的方式形成动态应变 测量系统。在已公开动态应变测量专利中，例如专利CN201096560公开了一种冲压模具动 态应力应变测量装置，包括应变花、电阻式应变片、电桥盒、动态应变仪、位移传感器、工业 计算机等；专利CN2577235公开了一种由直流应变电桥提供输入，带有差动仪表放大器、自 动平衡电路及状态监视电路的可调动态应变仪；专利CN101034037公开了一种智能化动态 测试仪，主要由单片机、四个应变模块、两个脉冲信号模块、数据存贮模块、输出设备、系统 电源组成；专利CN2182389公开了一种测量高频应变的超动态应变仪器，其特点是具有超 低噪声宽频带0 300kHz并可消除50Hz及其高频信号的干扰；专利CN101435747公开了 一种基于应变动态量测的裂缝计设计方法，其特征是从裂缝侧立面引出两个嵌套的弧型金 属应变载片，以载片上的应变片作为唯一测值来分析裂缝的动态变化。以上这些专利申请都是基于电阻应变片这一基本敏感元件所组成的动态应变测 量系统。然而，由于电阻应变片本身的机械滞后特性以及外围电路的设计方式，都会影响动 态测量的精度和范围。在已公开较少的柔性应变测量专利中，测量方式基本包括两类薄膜电阻式和纤 维式(光学纤维或导电纤维)，但都存在着问题和局限。薄膜电阻式柔性应变测量，例如专 利CN1924564公开了一种柔性基板上金属薄膜若干临界应变值；专利CN1313949公开一种 柔性硅应变计，采用一个参杂硅材料的应变感应电阻柔性元件以及一个支撑感应元件的柔 性基体。这一类电阻式的柔性应变测量，基本上是通过柔性导体的形变导致其电阻率的变 化，进而实现对材料应变的测量。然而，电阻式应变测量的最大问题在于无机械应变或固定 机械应变长时间作用下，传感器自身变化所导致的零漂或蠕变，由此每次测量之前必须先 进行校准。另一类纤维式柔性应变测量，例如专利CN101050948公开一种通过分布植入在帆 板结构表面的离散布拉格光纤光栅传感网络，来实现太空柔性帆板结构形态的感知；专利 CN1299247公开一种用于生物医学测量的平面压力传感器，通过测量植入压力极板内光纤 中光强的变化来实现平面柔性形变的感知。这一类纤维式的柔性应变测量，基本上是通过 纤维材料本身的柔性特征，植入被测物中形成传感网络，进而实现柔性应变的测量。但是， 纤维式的柔性应变测量受限于其结构布置的差异和信号的特征，特别是光纤器件需要光源 和光电转换等额外器件，成本较高。此外，外界环境因素引起的信号漂移也会导致校准和定 标等问题。以上这些专利申请都是通过单信号输入输出的时域测量来实现的，这就无法避免测量过程中环境因素等非测量信号所导致的漂移等问题，每次测量必须进行相应的校准。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足，提供一种精度高，可能够 测量高频动态应变测量的一种应变传感器。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案 是一种柔性薄膜微波应变传感器，包括衬底、传感器主体以及正极和负极，所述的衬 底包括塑料层和用于粘合PET塑料层和传感器主体的SU8材料层，所述的传感器主体为一 层单晶硅薄膜，该层薄膜由P型掺杂区、未掺杂区、和N型掺杂区构成，未掺杂区位于P型掺 杂区和N型掺杂区之间，形成PIN结，P型单晶硅区与正极相连，N型单晶硅区与负极相连， 测量时，所述的柔性薄膜微波应变传感器被固定在待测物体上。本专利技术采用单晶硅薄膜二极管作为柔性应变传感器件，利用该种传感器，再加上 网络分析仪和动态载荷测量仪，能够建立动态应变测量装置，通过扫频实时输入的方法，实 现不同载荷条件下，薄膜二极管传感器的S参数输出，建立应变-S参数模型，实现柔性应变 的测量。由于本专利技术本身属于高频器件，工作频率在兆赫兹(MHz)至吉赫兹(GHz)，因此足 可以适用于千赫兹(KHz)的动态应变测量。由于在不同频率测试下，外加载荷引起的应变 与传感器自身形变所对应的S参数输出不同，因此该种测量装置能够实现自校准功能，可 以有效的解决了传统应变传感器零漂和蠕变等问题。附图说明附图1为本专利技术采用的单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器的结构图，附 图标记说明如下1 PET塑料衬底2 SU8材料粘合层3单晶硅薄膜(P型掺杂区域)4单晶硅薄膜(未掺杂区域)5单晶硅薄膜(N型掺杂区域)6金属互联7输入极(交流信号输入端，高电平直流偏置端)8输出极(交流信号输出端，低电平直流偏置端)附图2为该种单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器的等效电路图。附图3为本专利技术的动态应变测量装置结构示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详述。附图1为单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器的结构图。衬底包含PET塑 料1和粘合层2，用来支撑微波二极管动态应变传感器的主体部分。单晶硅薄膜柔性微波二 极管在PET塑料衬底1 (其他类型普通塑料或柔性材料都可以作为衬底基材)上，PET塑料 表面有一层SU8材料层2，作为粘合层。薄膜柔性微波二极管应变传感器的工作主体部分为由对单晶硅掺杂制成的薄膜PIN二极管，图中，3、4、5分别表示单晶硅薄膜的P型掺杂区、未 掺杂区、和N型掺杂区。P型单晶硅区3通过互联金属6连接微波二极管传感器的正极7，N 型单晶硅区5通过互联金属6连接微波二极管传感器的负极，互联由钛金层式金属6构成。 薄膜PIN 二极管正极7为微波信号输入端，薄膜PIN 二极管负极8为微波信号输出端。附图2为单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器等效电路图。10为等效电 感，11为等效电阻，12为等效电容。附图3为单晶硅薄膜柔性微波二极管传感器动态应变测量示意图。将柔性微波二 极管传感器14固定在待测物体(即图中的测试用柔性基材13)上，应用动态载荷测量仪16 对柔性基材13进行动态加载。柔性微波二极管传感器的输入输出测试端口分别通过微波 电缆17与网络分析仪15连接。下面结合附图实例对本专利技术做进一步说明。测试方法采用输入与输出两个探针(实施例=Cascade GSG探针)分别与信号输入端7和信 号输出端8相连接。输入输出探针通过两根微波线缆17分别连接网络分析仪15 (Network Analyer,实施例安捷伦E8364A网络分析仪)的输入与输出端口。由网络分析仪15为柔 性微波二极管动态应变传感器提供直流偏置，使微波二极管正向导通工作。网络分析仪包 括微波交流信号的输入端和输出端。在校准网络分析仪15后，实时产生从45兆赫兹(MHz) 到20吉赫兹(GHz)的交流微波信号，从输出端输出，接到微波二极管的正电极7。同时从网 络分析仪15的输入端接收柔性微波二极管的负电极8输出的微波信号，并以散射参数(S 参数)的形式显示。将柔性微波二极管传感器安装于柔性基材13上，通过动态加载使柔性基材13产 生形变。网络分析仪15向柔性微波二极管传感器输入实时交流扫频信号，柔性微波二极管 传感器的S参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性薄膜微波应变传感器，包括衬底、传感器主体以及正极和负极，所述的衬底包括塑料层和用于粘合ＰＥＴ塑料层和传感器主体的ＳＵ８材料层，所述的传感器主体为一层单晶硅薄膜，该层薄膜由Ｐ型掺杂区、未掺杂区、和Ｎ型掺杂区构成，未掺杂区位于Ｐ型掺杂区和Ｎ型掺杂区之间，形成ＰＩＮ结，Ｐ型单晶硅区与正极相连，Ｎ型单晶硅区与负极相连，测量时，所述的柔性薄膜微波应变传感器被固定在待测物体上。

【技术特征摘要】
一种柔性薄膜微波应变传感器，包括衬底、传感器主体以及正极和负极，所述的衬底包括塑料层和用于粘合PET塑料层和传感器主体的SU8材料层，所述的传感器主体为一层单晶硅薄膜，该层薄膜由P型掺杂区...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦国轩，吕辰刚，邹强，张瑞峰，姬中凯，马建国，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[]