專利名稱：基于干涉光學(xué)測量的薄膜應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚合物/半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變計。
背景技術(shù)：
許多民用工程構(gòu)造在暴露于自然數(shù)年后，會呈現(xiàn)出疲勞，偶爾會失效。有時，失效是災(zāi)害造成的，如地震、龍卷風(fēng)或暴風(fēng)雨等。這樣，就要求有一種不受季節(jié)環(huán)境變化影響的廉價、耐用和靈敏的應(yīng)變計，此外，這類傳感器應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝且容易集成到現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)內(nèi)。
這里揭示的傳感器系統(tǒng)能監(jiān)視構(gòu)造的完整性，以保證公共安全與維護(hù)。特寫的應(yīng)用場合包括大樓、道路與橋梁的完整性。作為敏感元件，本系統(tǒng)采用了多個廉價的光學(xué)應(yīng)變計，它們對自然環(huán)境呈惰性，物理結(jié)構(gòu)牢固。與自動數(shù)據(jù)采集和診斷分析程序相結(jié)合，還可把這類傳感器及其光纖數(shù)據(jù)鏈路裝在上層建筑與橋梁基礎(chǔ)上，裝在大樓支承件中，或嵌入道路與人行天橋的表面。只用最少的人工可自動地監(jiān)視和評估此類結(jié)構(gòu)與表面的“健康”狀況。在評估日常維護(hù)要求或潛在災(zāi)害性負(fù)載后修復(fù)要求方面，詳盡的應(yīng)用信息也具有一定價值。
發(fā)明概述傳感器的靈敏度與無源性和源有技術(shù)不同。目前的電阻應(yīng)變傳感器，其應(yīng)變系數(shù)(靈敏度的量度)約為1～3，而揭示的傳感器的應(yīng)變系數(shù)為200～800量級。難以相信原有技術(shù)揭示的無源傳感器傳感器會配備不依賴于電源的存儲器。
通常用半導(dǎo)體或聚合物薄膜測量應(yīng)變。薄膜為分層結(jié)構(gòu)，每層由不同析射率的材料組成。由于每層的折射率不同，所以引入復(fù)合結(jié)構(gòu)的光可在每個界面上反射或通過，使通過和反射的入射光發(fā)生干涉而導(dǎo)致可測量的吸收變化。干涉度對每層的折射率與厚度是敏感的，而厚度隨施加的外應(yīng)力變化，結(jié)果光吸收變化與應(yīng)變有關(guān)，因而吸收變化可用來測量應(yīng)變。
這里揭示兩類干涉?zhèn)鞲衅?，即有源型與無源型。有源傳感器對應(yīng)變的響應(yīng)是可逆的，即隨著應(yīng)力的變化，吸收以可逆與可預(yù)測的方式變化。這類傳感器用于測量結(jié)構(gòu)上存在的應(yīng)變。
無源傳感器有一結(jié)構(gòu)所經(jīng)受過的最大應(yīng)變的存儲器。例如，若結(jié)構(gòu)經(jīng)受大的形變(大應(yīng)變)后松弛為小的剩余值，則該大形變是不可逆的。有源傳感器只有在連續(xù)監(jiān)視時才能測量應(yīng)變事件，而無源傳感器僅測量經(jīng)歷過的最大應(yīng)力。若在出現(xiàn)最大應(yīng)變時有源傳感器不作監(jiān)視，將觀察不出大應(yīng)變偏移。無源傳感器可解決該問題。
從廣義上講，本發(fā)明包括最好應(yīng)用于同一結(jié)構(gòu)的有源與無源兩類傳感器，它們用不同折射率的半導(dǎo)體或聚合物分層材料構(gòu)制。當(dāng)折射率最大且層數(shù)增多時，靈敏度就變高。構(gòu)制無源傳感器時要對一組分層加上小顆粒。
附圖簡述

圖1示出無源傳感器；圖2a與2b示出圖1的另一個實施例；圖3是有源傳感器的光學(xué)響應(yīng)曲線圖；圖4是無源傳感器的光學(xué)響應(yīng)曲線圖；及圖5是無源傳感器的光學(xué)響應(yīng)曲線圖。
較佳實施例的描述可通過用反射度或透射度測量入射光而確定應(yīng)變。
參照圖1的反射模式，來自分光儀10(如Perkin Elmer Lambda2)的可見光被射到薄膜無源傳感器12上。傳感器12上包括透明玻璃基片14和從基片14開始連續(xù)的層迭結(jié)構(gòu)，層迭結(jié)構(gòu)包括聚酰亞胺層18a、裝填氧化鋁顆粒的聚硅氧烷層16a、聚酰亞胺層18b和裝填氧化鋁顆粒的聚硅氧烷層16b。入射光束垂直于傳感器表面。光沿分光儀10中光電倍增管檢測器20內(nèi)的入射束路徑被收集。各層的厚度范圍為1～20微米。制作無源傳感器時，將50nm的氧化鋁顆?；烊刖酃柩跬閷?，其重量占聚硅氧烷總重量的0.5～10％。制作，小顆粒聚集到某種(目前未知)程度。在應(yīng)力下，聚集的某些顆粒分開，在新分開的氧化鋁顆粒之間裝填聚合物。應(yīng)力消除后，由于聚合物的介入，顆粒就無法再聚集。這種情況可用光學(xué)方法檢測到，因為聚集的規(guī)模確定了從樣品散射的光量；隨著聚集規(guī)模因應(yīng)力而發(fā)生變化，由于檢測器只對很小的空間容積采樣，所以射向檢測器的光量發(fā)生變化。無源傳感器無需能源可實現(xiàn)其記憶效果。
參照圖2a的透射模式，有源傳感器用毛細(xì)管30(如內(nèi)徑0.5mm，外徑0.7mm)作為光導(dǎo)管，將薄膜32(如聚硅氧烷/聚酰亞胺)淀積到其外壁，然后將這些膜涂上鋁34。鋁34用作反射鏡，用于保持約束在管30內(nèi)的全部光，并保護(hù)整個結(jié)構(gòu)免受周圍環(huán)境的影響。纖維光源36將波長范圍為500～1000的光平行于毛細(xì)管縱軸送入毛細(xì)管30的一端，檢測器38在另一端收集光。
在毛細(xì)管結(jié)構(gòu)中，管30起著波導(dǎo)與傳感器雙重作用。無應(yīng)力時，大部分光沿管通過，與管壁無相互作用。加應(yīng)力后，毛細(xì)管30彎曲，見圖26，使大量光沿管壁導(dǎo)入薄膜涂層。有兩種效應(yīng)引起輸出光強(qiáng)的調(diào)制。首先，路徑長度變了，增大了發(fā)生的任何吸收作用，增大程度依賴于管壁材料的吸收度和行進(jìn)光的彈跳次數(shù)。其次，光通過薄膜層時的干涉效應(yīng)仍然有效，且由相長或相消干涉造成光強(qiáng)調(diào)制，具體取決于各層的折射率與厚度以及使用的光波長。
膜厚度32為1～20微米的量級，較薄為佳。最大響應(yīng)波長取決于層厚度，不過可把波長選成與薄膜結(jié)構(gòu)相匹配。鋁涂層厚度為400～800nm。
各交替的層必須具有不同的折射率，差異越大，傳感器響應(yīng)特性越佳。聚酰亞胺的n=1.6～1.7(取決于使用的具體聚酰亞胺、固化特性與供貨窗)；聚硅氧烷的n=1.44。其它常有市售的透明聚合物有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酯等等，折射率約1.4，可以替代聚硅氧烷層。聚酯等等，折射率約1.4，可以替代聚硅氧烷層。聚碳酸酯等高折射率聚合物的折射率與聚酰亞胺相近。
較佳的傳感器系統(tǒng)要求靠近安置的無源與有源兩種傳感器。無源傳感器測量經(jīng)歷的但不是短暫歷史的最大應(yīng)變偏移，即測得的應(yīng)變可以是當(dāng)前的或以前的。因此，有源傳感器的作用是測出在測量時出現(xiàn)的應(yīng)變。
可以用當(dāng)代應(yīng)變傳感器使用的結(jié)合技術(shù)將傳感器安置到某一結(jié)構(gòu)。因傳感器很小，故能可靠地測量片狀材料的應(yīng)力。光源與檢測器不必與傳感器嵌裝。利用合適的光纖連接，將手持式分光儀接至傳感器的輸入與輸出端，可定期作光學(xué)測量。這樣，例如在地震過后在過了幾天或幾周后仍可確定大樓內(nèi)每個構(gòu)件所經(jīng)歷的最大應(yīng)變，以確立該樓的安全性，因為無源傳感器即便在失去能源的情況下仍保留著這一信息?；蛘?，可以用連接至大數(shù)每個傳感器的光行網(wǎng)自動地遙感應(yīng)變。然而，在災(zāi)害事故中，光纖網(wǎng)可能斷裂，阻礙了這種操作模式。傳感器中使用的材料即便宜又耐用。例如，聚硅氧烷是一種市場有售的填密封閉料。毛細(xì)結(jié)構(gòu)尤其適合長期應(yīng)用，因為必要時可以封閉整個傳感器。于是，例如若準(zhǔn)備將傳感器應(yīng)用于橋梁等苛刻的環(huán)境，整個傳感器就能與風(fēng)雨、鹽霧等隔開，因為加在鋁層外面的任何涂料對傳感器性能不產(chǎn)生影響。
舉例圖3、4和5列舉了傳感器的響應(yīng)特性。光源是鎢燈，通過四點彎曲施加應(yīng)力(見ASTM C-1341-97)。
圖3示于兩個不同的有源應(yīng)變傳感器的響應(yīng)特性，其中一個有12層(6個交替的聚硅氧烷與聚酰亞胺層)，另一個有26個交替層。層厚度約10微米。在600nm處監(jiān)視與施加的應(yīng)變有關(guān)的吸收度，結(jié)果如圖所示。應(yīng)變系數(shù)是層數(shù)的函數(shù)，說明響應(yīng)特性的干涉特性。再者，應(yīng)變系數(shù)很大，比一般電阻應(yīng)變計的兩個量極以上。最后，響應(yīng)特性為線性，且在高達(dá)約2000μstrain(這是構(gòu)造應(yīng)用所需的極限，因為在2000μstrain處，大多數(shù)材料超出其塑性形變極限)的整個范圍內(nèi)是可逆的。
圖4示出有26個交替層的無源應(yīng)變計的響應(yīng)特性。原厚度約10微米。加上應(yīng)力后，響應(yīng)特性類似于有源應(yīng)變計。在600nm處監(jiān)視吸收度。然而，當(dāng)取消應(yīng)力時，響應(yīng)不再可逆，即0strain吸收度依賴于樣品的歷史。對于若干不同應(yīng)變偏移，這種狀況示于圖4。新的應(yīng)變計在60nm處的吸收值A(chǔ)=0.73。加上300μstrain后，變成A=0.83。一旦將應(yīng)力釋放回0μutrain，吸收度就返A(chǔ)=0.78，如圖4中短劃線所示。施加任何小于300μstrain的應(yīng)力，可逆地跟隨虛線路徑。然而，若應(yīng)力超過300μstrain，路徑就回復(fù)到圖4中對600μstrain點所示的實線。當(dāng)現(xiàn)在取消應(yīng)力時，就取新的路徑，如點線所示，直到0μstrain處的新的吸收度。
連續(xù)應(yīng)力偏移間的增量隨應(yīng)力增大而減少(即無源響應(yīng)為非性線)，如圖5所示。12層應(yīng)變計的應(yīng)變系數(shù)小，但具有較大接近或線性的響應(yīng)范圍。26層的應(yīng)變計具有較大的應(yīng)變系數(shù)，但在小得多的最大應(yīng)力處變成十足的非線性。
上述描述一直限于本發(fā)明的特定實施例，但是顯然可對本發(fā)明作變更與修改，并得到本發(fā)明的部分或全部優(yōu)點。因此，附屬的權(quán)項旨在包羅符合本發(fā)明的實際精神和范圍的所有這類變更與修改。
權(quán)利要求
1．一種干涉應(yīng)變計傳感器，包括支承件；具有第一折射率的第一層聚合材料；具有不同于第一折射率的第二折射率的第二層聚合材料，傳感器的應(yīng)變系數(shù)至少為100，光能與傳感器有聯(lián)系，當(dāng)對傳感器加應(yīng)力時，光能被部分吸收，且光能變化與施加的應(yīng)力相關(guān)。
2．如權(quán)利要求1所述的傳感器，包括多個交替的第一層與第二層。
3．如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中第一層的折射率約為1.6～1.7，且選自聚酰亞胺與聚碳酸酯。
4．如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中第一層是聚酰亞胺。
5．如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中第二層的折射率約為1.4，且選自聚硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯與聚酯。
6．如權(quán)利要求5所述的傳感器，其中第二層是聚硅氧烷。
7．如權(quán)利要求4或6所述的傳感器，其中層的厚度約為1～20微米。
8．如權(quán)利要求1所述的傳感器，包括使傳感器與光能接觸的裝置；及測量光能變化的裝置。
9．如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中傳感器是一種無源傳感器，所述層之一裝有顆粒。
10．如權(quán)利要求9所述的傳感器，其中有多個成交替關(guān)系的第一與第二層，第一層選自聚酰亞胺與聚碳酸酯，第二層選自聚硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯與聚酯。
11．如權(quán)利要求10所述的傳感器，其中第一層是聚酰亞胺，第二層是裝有氧化鋁顆粒的聚硅氧烷。
12．如權(quán)利要求9所述的傳感器，包括使傳感器與光能接觸的裝置；及測量光能變化的裝置。
13．如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中傳感器是一種有源應(yīng)變計，且包括第一層第二層的管狀支承。
14．如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中第一層的折射率約為1.6～1.7，且選自聚酰亞胺與聚碳酸酯，其中第二層的折射率約為1.4，且選自聚硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯與聚酯。
15．如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中最外層涂鋁。
16．如權(quán)利要求15所述的傳感器，包括使傳感器與光能接觸的裝置；及測量光能量變化的裝置。
全文摘要
一種聚合物/半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變計,包括來自分光儀(10)且射到薄膜無源傳感器(12)的可見光,所述傳感器(12)有一透明玻璃基片(14)和從該基片開始連續(xù)的層迭結(jié)構(gòu),層迭結(jié)構(gòu)包括聚酰亞胺層(18a)、裝填氧化鋁顆粒的聚硅氧烷層(16a)、聚酰亞胺層(18b)和裝有氧化鋁顆粒的聚硅氧烷層(16b)。
文檔編號G01B11/16GK1314990SQ99810062
公開日2001年9月26日 申請日期1999年8月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月26日
發(fā)明者W·B·尤勒, O·J·格雷戈里, G·C·赫斯頓 申請人:羅得島及普羅維登斯屬地高等教育管理委員會