CN105910737A - 一种应力定位传感器及其制作方法、应力定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应力定位传感器及其制作方法、应力定位方法，无需使用集成技术就可实现应力的实时定位。所述应力定位传感器包括：相对设置的两个基底、导电层和电极，且每个电极覆盖与其对应的导电层的一端；两个基底上设置的所述电极之间设置有绝缘胶。所述制作方法包括：提供两个基底；在每个基底上均形成导电层；在每个基底上的导电层上形成电极，每个电极覆盖与其对应的导电层的一端；将两个基底相对设置，并使用绝缘胶将两个电极粘合。所述应力定位方法包括：获取待测试应力作用所述应力定位传感器后，测得的电流；查询预设的距离与电流之间的映射关系表，获取所述待测试应力的作用位置。本发明适用于力电传感技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及力电传感技术领域，特别是指一种应力定位传感器及其制作方法、应力定位方法。
背景技术
应力传感器是目前工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天等众多行业。
传统的应力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示应力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体应力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。然而这些应力传感器均只能反馈应力的大小幅值，并不能同时反馈应力作用的位置，这使得应力传感器的应用前景受到极大的限制。
近年来，随着新材料与新原理的涌现，具有定位功能的应力传感器受到广泛重视并取得初步研究结果。现有技术中，具有定位功能的应力传感器为采用PVDF(Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯)和铜质小球形成的组合系统，其利用二者摩擦发电的原理实现铜质小球的二维定位。或者，采用横竖交错的上下液态金属电极板，也可实现二维应力定位的功能。但发明人发现，这些研究工作都建立在多个器件集成的原理上，而集成就无法避免得需要考虑复杂的外接线路以及相应的信号问题，非常不利于实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应力定位传感器及其制作方法、应力定位方法，以解决现有技术所存在的需要使用集成技术实现应力的实时定位、外接电路复杂问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种应力定位传感器，包括：
相对设置的两个基底；
每个基底的朝向另一个基底的一面上依次层叠设置有导电层和电极，且每个电极覆盖与其对应的导电层的一端；
两个基底上设置的所述电极之间设置有绝缘胶。
进一步地，所述导电层为石墨烯薄膜；
所述基底为PET薄膜；
所述电极为铜电极；
所述绝缘胶为透明绝缘胶。
进一步地，所述石墨烯薄膜具有一个原子层。
进一步地，所述基底的厚度为100μm～180μm；
所述导电层2的厚度为0.4nm～1nm；
所述电极3和绝缘胶4的厚度之和为120μm～200μm。
本发明实施例还提供一种应力定位传感器的制作方法，用于制作权利要求上述任一项所述的应力定位传感器，所述制作方法包括：
提供两个基底；
在每个基底上均形成导电层；
在每个基底上的导电层上形成电极，每个电极覆盖与其对应的导电层的一端；
将两个基底相对设置，并使用绝缘胶将两个电极粘合。
进一步地，所述导电层为石墨烯薄膜，石墨烯薄膜具有一个原子层；
所述在每个基底上形成导电层包括：
采用化学气相沉积法在预备的铜箔上生长所述石墨烯薄膜；
将所述石墨烯薄膜转移至基底上，作为导电层。
进一步地，所述采用化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯薄膜包括：
步骤一、将预备的铜箔清洗吹干后水平放置在管式炉中的石英管中；
步骤二、将所述石英管中的气压抽至预设气压；
步骤三、向所述石英管中通入氢气；
步骤四、将所述铜箔加热至其热退火温度，并保温；
步骤五、向所述石英管中通入甲烷；
步骤六、使所述石英管保温；
步骤七、将所述石英管冷却至室温，通入氩气至常压，取出附着有所述石墨烯薄膜的所述铜箔。
进一步地，所述将所述石墨烯薄膜转移至基底上包括：
在附着有所述石墨烯薄膜的铜箔上涂覆PMMA胶，在所述PMMA胶固化后，得到PMMA胶/石墨烯薄膜/铜箔的多层结构；
使用过硫酸铵溶液刻蚀所述铜箔，得到表面附着有所述PMMA胶的所述石墨烯薄膜；
利用PET薄膜对表面附着有所述PMMA胶的所述石墨烯薄膜进行打捞，得到PMMA胶/石墨烯薄膜/PET薄膜的多层结构；
利用丙酮溶液去除所述PMMA胶，得到石墨烯薄膜/PET薄膜的双层结构。
本发明实施例还提供一种应力定位方法，应用权利要求上述任一项所述的应力定位传感器，所述应力定位方法包括：
获取待测试应力作用所述应力定位传感器后，通过所述应力定位传感器的电流；
查询预设的距离与电流之间的映射关系表，获取所述待测试应力的作用位置；
其中，所述映射关系表中的电流为应力作用所述应力定位传感器后，通过所述应力定位传感器的电流，所述映射关系表中的距离为应力作用位置与电极之间的距离。
进一步地，所述查询预设的距离与电流之间的映射关系表之前，包括：
将电极所在位置设定为原点；
选取与所述原点之间距离不同的多个采样点；
在两个电极之间施加固定电压，获取在各采样点上施加相同大小的应力时，通过所述应力定位传感器的电流；
根据各采样点与所述原点之间的距离，并结合获取的在各采样点上施加相同大小的应力时，通过所述应力定位传感器的电流，建立所述距离与电流之间的映射关系表。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过应力定位传感器测试应力时，应力作用位置的不同会使得通过所述应力定位传感器的电流的大小不同，进而可以依据所述电流的大小即可确定应力的作用位置，实现应力的实时定位，因此，能够达到不需要使用集成技术就可以对应力进行实时定位，且所述应力定位传感器的结构简单、工艺精简、定位精确高，适于可穿戴电子设备中的应力作用位置的探测，具有重大的应用价值和现实意义。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的应力定位传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的应力定位传感器的制作方法的流程示意图；
图3为本发明实施例二提供的石墨烯薄膜的Raman图；
图4为本发明实施例三提供的应力定位传感器的电阻与位移的响应特性曲线示意图；
图5为本发明实施例三提供的应力定位传感器的电阻与时间的响应特性曲线示意图；
图6为本发明实施例四提供的应力定位方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的需要使用集成技术实现应力的实时定位、外接电路复杂的问题，提供一种应力定位传感器及其制作方法、应力定位方法。
实施例一
如图1所示为本发明实施例提供的应力定位传感器，包括：
相对设置的两个基底1；
每个基底1的朝向另一个基底1的一面上依次层叠设置有导电层2和电极3，且每个电极3仅覆盖与其对应的导电层2的一端；
两个基底上设置的所述电极3之间设置有绝缘胶4。
本发明实施例中，使用所述应力定位传感器测量应力时的连接方式如下：以石墨烯薄膜作为导电层2，以导电层2中间的空气薄层作为绝缘介质层，从两个电极3各引出一个外电路金属引线，构成的应力定位传感器可以将施加于基底1上的应力作用位置与电极间的距离转换成因有效长度变化而引起的电阻变化，具体为，应力定位传感器在非工作状态时(即未受到应力作用时)为断路模式，电阻接近无穷大，在一个基底上施加一定应力后，在应力作用下，上下两导电层彼此接触，两个电极之间导通，形成回路，随着施加应力的位置逐渐远离电极，应力定位传感器的电阻值线性增大，从而使得在使用所述应力定位传感器测试应力的过程中，应力作用位置的不同会使得所述应力定位传感器的电阻不同，进而使得在固定电压的作用下，通过所述应力定位传感器的电流的大小不同，进而可以依据所述电流的大小确定应力的作用位置，实现应力的实时定位，因此，能够达到不需要使用集成技术就可以实现对应力的实时定位的目的。
本发明实施例中，为了更好地说明有效长度的含义，将两个基底1分别用第一基底和第二基底表示；所述有效长度指第一基底上应力的作用点、第一基底上的电极处、第二基底上的电极处与第二基底上应力的作用点的各段长度之和，这段总长度是所述应力定位传感器工作状态时电流流过的有效路径，即有效长度，所述有效长度等于所述应力定位传感器工作时接入电路的真正起电阻作用的导电层长度。在理论上，所述有效路径的长度≤第一基底与第二基底上导电层(石墨烯薄膜)的长度和，且所述有效长度的数值随着应力作用点的改变而改变。
本发明实施例中，由于石墨烯薄膜作为导电性优异的柔性电子材料，可以实现单轴应力定位；且石墨烯薄膜具有较强的机械强度，优异的导电性以及透明超薄的特性。因此，作为一可选实施例，所述导电层3可以为石墨烯薄膜。
本发明实施例中，所述石墨烯薄膜可以具有一个原子层，也可以具有多个原子层，当石墨烯薄膜具有一个原子层时，不同位置的石墨烯薄膜的厚度较为均一，当石墨烯薄膜具有多个原子层时，不同位置的石墨烯薄膜的厚度之间的存在一定的差别，因此，本发明实施例中，作为又一可选实施例，可以选用具有一个原子层的石墨烯薄膜，以使得应力定位传感器具有最佳的性能。
本发明实施例中，具体的，具有一个原子层的石墨烯薄膜的载流子迁移率为2×105cm2·V-1·s-1，透光率为97.7％，石墨烯的机械强度达到130GPa，是已测试材料中最高的，且平面的石墨烯晶体更容易使用常规加工技术，为制作各种纳米器件带来了极大的灵活性。并且，石墨烯的大量制备也取得了重要进展，直接用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法合成单层和若干层的石墨烯薄膜(例如，石墨烯透明导电薄膜)技术已经十分成熟。
本发明实施例中，作为再一可选实施例，所述基底1可以为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜，电极3可以为铜电极，绝缘胶4可以为透明绝缘胶，从而使得应力定位传感器为柔性透明应力定位传感器，更有利于该应力定位传感器的集成和应用。
本发明实施例中，作为又一可选实施例，所述基底1的厚度为100μm～180μm，导电层2的厚度为0.4nm～1nm，电极3和绝缘胶4的厚度之和为120μm～200μm。
由于本发明实施例中的应力定位传感器具有如上所述的结构，从而使得使用该应力定位传感器测试应力的过程中，应力作用位置的不同会使得所述应力定位传感器的电阻不同，进而使得在固定电压的作用下，通过所述应力定位传感器的电流的大小不同，进而可以依据所述电流的大小即可确定应力的作用位置，实现应力的实时定位，因此，达到不需要使用集成技术就可以实现对应力的实时定位的目的，且所述应力定位传感器的结构简单、工艺精简、定位精确高，适于可穿戴电子设备中的应力作用位置的探测，具有重大的应用价值和现实意义。
另外，本发明实施例中的应力定位传感器还具有低成本、高灵敏度且专一传感的功能，扩大了碳纳米材料在传感器件领域的应用。
实施例二
本发明实施例提供一种应力定位传感器的制作方法，用于制作以上所述的应力定位传感器，如图2所示，所述应力定位传感器的制作方法包括：
S11、提供两个基底。
S12、在每个基底上均形成导电层；
本发明实施例中，作为一可选实施例，所述导电层为石墨烯薄膜，石墨烯薄膜具有一个原子层；
本发明实施例中，作为又一可选实施例，所述在每个基底上形成导电层具体可以包括：
采用化学气相沉积法在预备的铜箔上生长所述石墨烯薄膜；
将所述石墨烯薄膜转移至基底上，所述石墨烯薄膜作为导电层。
本发明实施例中，作为再一可选实施例，所述采用化学气相沉积法在铜箔上生长所述石墨烯薄膜具体可以包括：
步骤一、将预备的铜箔清洗吹干后水平放置在管式炉中的石英管中；
步骤二、将所述石英管中的气压抽至预设气压；
步骤三、向所述石英管中通入氢气；
步骤四、将所述铜箔加热至其热退火温度，并保温；
步骤五、向所述石英管中通入甲烷；
步骤六、使所述石英管保温；
步骤七、将所述石英管冷却至室温，通入氩气至常压，取出附着有所述石墨烯薄膜的所述铜箔。
本发明实施例中，可选地，所述铜箔的长度可以为4cm、宽度可以为2cm、厚度可以为25μm，所述预设气压可以为20Pa，所述氢气的流量可以为20sccm，所述铜箔的热退火温度可以为1000℃，所述铜箔在其热退火温度的保温时间可以为15min，所述甲烷的流量可以为5sccm，所述石英管的保温温度可以为1000℃，所述石英管的保温时间可以为30min，所述氩气的流量可以为500sccm。所述参数可以制作具有一个原子层的石墨烯薄膜，其对应的Raman曲线如图3所示。
本发明实施例中，可选地，所述甲烷气体的纯度可以为99.99％，所述铜箔的纯度可以为99.8％。
本发明实施例中，作为又一可选实施例，所述将所述石墨烯薄膜转移至基底上的具体步骤可以包括：
在附着有所述石墨烯薄膜的铜箔上涂覆PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)胶，在所述PMMA胶固化后，得到PMMA胶/石墨烯薄膜/铜箔的多层结构；其中，PMMA的固化方式可以为：在65℃常压下烘干25分钟。
使用过硫酸铵溶液刻蚀所述铜箔，得到表面附着有所述PMMA胶的所述石墨烯薄膜；
利用PET薄膜对表面附着有所述PMMA胶的所述石墨烯薄膜进行打捞，得到PMMA胶/石墨烯薄膜/PET薄膜的多层结构；
利用丙酮溶液去除所述PMMA胶，得到石墨烯薄膜/PET薄膜的双层结构，实现所述石墨烯薄膜的转移；其中，丙酮溶液的浓度为99.5％。
本发明实施例中，进一步地，可对以上得到的石墨烯薄膜/PET薄膜的双层结构进行剪裁，得到合适的尺寸。
S13、在每个基底上的导电层上均形成电极，每个电极仅覆盖与其对应的导电层的一端。
S14、将两个基底相对设置，并使用绝缘胶将两个电极粘合。
需要说明的是，在本发明实施例中的其他细节，可以参照实施例一。
本发明实施例中的应力定位传感器的制作方法的有益效果与上述应力定位传感器的有益效果相同，此处不再进行赘述。
实施例三
为了便于进一步理解实施例二，本发明实施例还提供一种具体的应力定位传感器的制作过程，该制作过程包括：
1)将25μm厚的铜箔剪裁成2×4cm2的方形，分别用冰醋酸、去离子水和乙醇冲洗后烘干。将准备好的方形铜箔作为化学气相沉积的催化剂放入管式炉中，在20Pa低压下，氢气流量20sccm，升温至1000℃，还原15分钟后，通入甲烷，流量为5sccm，反应时间30分钟，停止甲烷，在氢气和氩气保护下降温，冷却至室温后取出样品。
2)将PMMA胶旋涂于长有石墨烯薄膜的铜箔上，得PMMA/石墨烯/铜箔的多层结构，并置于65℃烘箱中烘干25分钟。
3)将烘干冷却后的多层结构漂浮于0.5M的过硫酸铵溶液，待下表面铜箔刻蚀完毕后用PET薄膜捞起并放置于65℃恒温箱中烘干。
4)刻蚀后得PMMA/石墨烯/PET三明治层状结构，放入丙酮溶液浸泡8小时后去除上层PMMA胶，将得到的样品用乙醇洗净后烘干裁剪备用。
5)用直流溅射的铜为电极，制作完成该应力定位传感器。
本发明实施例中，进一步地，可以在两个电极上通过导线连接到外电路，利用SCS-4200半导体性能测试仪和循环加力装置对该应力定位传感器进行应力、位移等电学性能的测试。上述应力定位传感器在非工作状态时(即未受到应力作用时)为断路模式，电阻接近无穷大，在一个基底上施加一定应力后，传感器上下两层石墨烯彼此接触，两个电极之间导通，电阻减小至数量级为103～104Ω，随着施加应力的位置逐渐远离电极，应力定位传感器的电阻值线性增大，当施加应力的作用位置与电极处的距离增加到25mm时，应力定位传感器的电阻增大4倍，由图4和图5可知，此应力定位传感器对应力作用位置的分辨率为455.09Ω·mm-1，响应时间为0.3ms，定位精度高，响应速度快。
实施例四
如图6所示，本发明实施例提供一种应力定位方法，在该应力定位方法中应用如上所述的应力定位传感器，具体地，所述应力定位方法包括：
S21，获取待测试应力作用所述应力定位传感器后，通过所述应力定位传感器的电流；
S22，查询预设的距离与电流之间的映射关系表，获取所述待测试应力的作用位置，从而实现所述待测试应力的实时定位；
其中，所述映射关系表中的电流为应力作用所述应力定位传感器后，通过所述应力定位传感器的电流，所述映射关系表中的距离为应力作用位置与电极之间的距离。
本发明实施例中，作为一可选实施例，所述查询预设的距离与电流之间的映射关系表之前，包括：
将电极所在位置设定为原点；
选取与所述原点之间距离不同的多个采样点；
在两个电极之间施加固定电压，获取在各采样点上施加相同大小的应力时，通过所述应力定位传感器的电流；
根据各采样点与所述原点之间的距离，并结合获取的在各采样点上施加相同大小的应力时，通过所述应力定位传感器的电流，建立所述距离与电流之间的映射关系表。
本发明实施例中的应力定位方法的有益效果与上述应力定位传感器的有益效果相同，此处不再进行赘述。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种应力定位传感器，其特征在于，包括：
相对设置的两个基底；
每个基底的朝向另一个基底的一面上依次层叠设置有导电层和电极，且每个电极覆盖与其对应的导电层的一端；
两个基底上设置的所述电极之间设置有绝缘胶。
2.根据权利要求1所述的应力定位传感器，其特征在于，所述导电层为石墨烯薄膜；
所述基底为PET薄膜；
所述电极为铜电极；
所述绝缘胶为透明绝缘胶。
3.根据权利要求2所述的应力定位传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜具有一个原子层。
4.根据权利要求2所述的应力定位传感器，其特征在于，所述基底的厚度为100μm～180μm；
所述导电层2的厚度为0.4nm～1nm；
所述电极3和绝缘胶4的厚度之和为120μm～200μm。
5.一种应力定位传感器的制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1～4任一项所述的应力定位传感器，所述制作方法包括：
提供两个基底；
在每个基底上均形成导电层；
在每个基底上的导电层上形成电极，每个电极覆盖与其对应的导电层的一端；
将两个基底相对设置，并使用绝缘胶将两个电极粘合。
6.根据权利要求5所述的应力定位传感器的制作方法，其特征在于，所述导电层为石墨烯薄膜，石墨烯薄膜具有一个原子层；
所述在每个基底上形成导电层包括：
采用化学气相沉积法在预备的铜箔上生长所述石墨烯薄膜；
将所述石墨烯薄膜转移至基底上，作为导电层。
7.根据权利要求6所述的应力定位传感器的制作方法，其特征在于，所述采用化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯薄膜包括：
步骤一、将预备的铜箔清洗吹干后水平放置在管式炉中的石英管中；
步骤二、将所述石英管中的气压抽至预设气压；
步骤三、向所述石英管中通入氢气；
步骤四、将所述铜箔加热至其热退火温度，并保温；
步骤五、向所述石英管中通入甲烷；
步骤六、使所述石英管保温；
步骤七、将所述石英管冷却至室温，通入氩气至常压，取出附着有所述石墨烯薄膜的所述铜箔。
8.根据权利要求6所述的应力定位传感器的制作方法，其特征在于，所述将所述石墨烯薄膜转移至基底上包括：
在附着有所述石墨烯薄膜的铜箔上涂覆PMMA胶，在所述PMMA胶固化后，得到PMMA胶/石墨烯薄膜/铜箔的多层结构；
使用过硫酸铵溶液刻蚀所述铜箔，得到表面附着有所述PMMA胶的所述石墨烯薄膜；
利用PET薄膜对表面附着有所述PMMA胶的所述石墨烯薄膜进行打捞，得到PMMA胶/石墨烯薄膜/PET薄膜的多层结构；
利用丙酮溶液去除所述PMMA胶，得到石墨烯薄膜/PET薄膜的双层结构。
9.一种应力定位方法，其特征在于，应用权利要求1～4任一项所述的应力定位传感器，所述应力定位方法包括：
获取待测试应力作用所述应力定位传感器后，通过所述应力定位传感器的电流；
查询预设的距离与电流之间的映射关系表，获取所述待测试应力的作用位置；
其中，所述映射关系表中的电流为应力作用所述应力定位传感器后，通过所述应力定位传感器的电流，所述映射关系表中的距离为应力作用位置与电极之间的距离。
10.根据权利要求9所述的应力定位方法，其特征在于，所述查询预设的距离与电流之间的映射关系表之前，包括：
将电极所在位置设定为原点；
选取与所述原点之间距离不同的多个采样点；
在两个电极之间施加固定电压，获取在各采样点上施加相同大小的应力时，通过所述应力定位传感器的电流；
根据各采样点与所述原点之间的距离，并结合获取的在各采样点上施加相同大小的应力时，通过所述应力定位传感器的电流，建立所述距离与电流之间的映射关系表。
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