一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法.pdf

本发明公开了一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，首先在弹性体基底材料表面进行镀膜，利用微纳米加工方法在基底材料上制备具有光谱特征峰的微结构阵列；将制备好的器件固定在被测样品表面，利用光谱仪测量样品在形变前后及形变过程中的光谱，最终利用光谱特征峰的变化计算样品的形变量。本发明的微结构阵列光学应变传感器可以测量微小区域内形变量，且具有测量灵敏度高、检测速度快的优势。

1.  一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，通过以下步骤实现：
(1)选择适合的基底材料，并对基底材料进行镀膜处理；
(2)设计待加工微结构图形，并在镀膜后的基底材料表面经行微结构加工；
(3)将加工后的微结构传感器固定在被测物体表面；
(4)测量传感器形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；
(5)利用光谱的特征曲线变化计算被测物体的形变量。

2.  根据权利要求1所述的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其特征在于步骤(1)所述的基底材料需要保证表面光滑并具有弹性。

3.  根据权利要求1所述的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其特征在于步骤(1)对基底材料进行镀膜的材质包括金、银、铝等可以产生光学效应的材料。

4.  根据权利要求1所述的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其特征在于步骤(1)镀膜的工艺包括热蒸镀，磁控溅射等镀膜方法，镀膜的厚度10nm～100nm。

5.  根据权利要求1所述的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其特征在于步骤(2)设计加工结构图形包括矩形、正方形、圆形以及各种多边形等可以产生特征光谱的微结构，微结构周期100nm～10um，结构总体尺寸大于5um。

6.  根据权利要求1所述的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其特征在于步骤(2)微纳结构加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、电火花加工、机械加工等传统和特种加工方法。

7.  根据权利要求1所述的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其特征在于步骤(4)测量设备为光谱仪，波长大于400nm。

一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体属于微小形变的检测，涉及一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法，其适用于检测物体表面所产生的微小形变。
背景技术
传统的应变传感器是将材料的应变量转化为电信号。例如中国专利申请第2012103802359号中公开了一种电容式超大应变传感器，属于电子元器件领域，包括位于顶部的外壳、位于侧部的拖动架、位于中部的电路组件、位于下部的电容动极板、位于下部的电容定极板、位于外壳上的滑道以及引线板，位于超大应变传感器中部位置的电路组件板，用焊接方式固定在引线板上，再用胶粘接固定在外壳的内壁上；位于下部位置的电容动极板与拖动架用胶固定，拖动架再与外壳的滑道形成滑动连接；介于两片电容动极板间的电容定极板，采用焊接方式固定在引线板上，最后将引线板与外壳连接固定。采用电容变面积方式实现超大应变测量，用抽拉式感知结构实现曲面被测物测量，用双电容增敏实现狭小空间内的结构设计。
但是上述传感器在使用时，容易受到环境的影响，如环境湿度大、高温等情况下会引起器件失效等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法。
依据本发明的技术方案，一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其通过以下步骤实现：
(1)选择适合的基底材料，并对基底材料进行镀膜处理；
(2)设计待加工微结构图形，并在镀膜后的基底材料表面经行微结构加工；
(3)将加工后的微结构传感器固定在被测物体表面；
(4)测量传感器形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；
(5)利用光谱的特征曲线变化计算被测物体的形变量。
其中，步骤(1)所述的基底材料需要保证表面光滑并具有弹性。步骤(1)对基底材料进行镀膜的材质包括金、银、铝等可以产生光学效应的材料。步骤(1)镀膜的工艺包括热蒸镀，磁控溅射等镀膜方法，镀膜的厚度10nm～100nm。
进一步地，步骤(2)设计加工结构图形包括矩形、正方形、圆形以及各种多边形等可以产生特征光谱的微结构，微结构周期100nm～10um，结构总体尺寸大于5um。步骤(2)中的微纳结构加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、电火花加工、机械加工等传统和特种加工方法。
更近一步地，步骤(4)中所使用的测量设备为光谱仪，波长大于400nm。
相比以应变-电量为基础的传统应变传感器，微结构光学应变传感器具有反应灵敏度高，结构简单，可测量小范围内应变量的优势，可广泛应用于民用工程结构、航空航天、医学、核工业等行业。本发明的目的在于，提供一种精确检测物体表面微小形变的方法。本发明提出的检测方法能显著提高小尺寸下应变的检测灵敏度和精度。
附图说明
图1为材料镀膜结构示意图；
图2为依据本发明的第一微结构示意图；
图3为依据本发明的第一微结构受力后结构变化示意图；
图4为检测结果分析示意图；
图5为材料镀膜结构示意图；
图6为依据本发明的第二微结构示意图；
图7为依据本发明的第二微结构受力后结构变化示意图；
图8为检测结果分析示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
研究发现，当金属薄膜材料表面的微结构发生改变时，其光谱特征峰的位置会发生改变，通过测定光谱特征峰的位置的变化，即可以倒推出材料的应变变化，从而可以构成一种新型的微结构光学应变传感器。
基于上述研究，本发明公开了一种基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，首先在弹性体基底材料表面进行镀膜，利用微纳米加工方法在基底材料上制备具有光谱特征峰的微结构阵列；将制备好的器件固定在被测样品表面，利用光谱仪测量样品在形变前后及形变过程中的光谱，最终利用光谱特征峰的变化计算样品的形变量。本发明的微结构阵列光学应变传感器可以测量微小区域内形变量，且具有测量灵敏度高、检测速度快的优势。
依据本发明的基于微结构阵列的光学应变传感器设计及制造方法，其通过以下步骤实现：
(1)选择适合的基底材料，并对基底材料进行镀膜处理；
(2)设计待加工微结构图形，并在镀膜后的基底材料表面经行微结构加工；
(3)将加工后的微结构传感器固定在被测物体表面；
(4)测量传感器形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；
(5)利用光谱的特征曲线变化计算被测物体的形变量。
其中，步骤(1)所述的基底材料需要保证表面光滑并具有弹性；对基底材料进行镀膜的材质包括金、银、铝等可以产生光学效应的材料；镀膜的工艺包括热蒸镀，磁控溅射等镀膜方法，镀膜的厚度10nm～100nm。步骤(2)设计加工结构图形包括矩形、正方形、圆形以及各种多边形等可以产生特征光谱的微结构，微结构周期100nm～10um，结构总体尺寸大于5um；微纳结构加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、电火花加工、机械加工等传统和特种加工方法。步骤(4)中所使用的测量设备为光谱仪，波长大于400nm。
更近一步地，本发明所提供的微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法也可以包括以下步骤：步骤(一)，制备用于加工微结构的基底材料；步骤(二)，在基底材料上制备微结构阵列；步骤(三)，将加工好的基底材料固定于被测样品表面并利用光谱仪检测应变量；
其中，步骤(一)包括：
步骤11，选择适合加工的基底材料，基底材料选择具有一定弹性的光滑平整材料，包括PDMS，LDPE等；将其制备成边长大于1mm的正方形或矩形；
步骤12，对材料进行镀膜，镀膜的靶材包括金、银、铝等可以产生光学效应的材料，镀膜的工艺包括热蒸镀，磁控溅射等镀膜方法，镀膜的厚度10nm～100nm，如附图1所示；
步骤(二)包括：
步骤21，设计加工结构图形包括矩形，正方形，圆形以及各种多边形等结构，如附图2所示，周期100nm～10um，结构总体尺寸大于5um(满足测量精度即可)；
步骤22，将镀膜后材料放置于微纳结构加工设备中对其进行加工，加工方式包括激光加工、高能粒子束加工、电火花加工、机械加工传统和特种加工方式等；
步骤(三)包括：
步骤31，将加上后样品固定于被测物体表面；
步骤32，分别测量物体形变前后以及变形过程中的光谱，获得光谱的特征曲线；
步骤33，通过光谱特征峰位置的移动推算材料的形变量。
下面结合附图，对本发明给予进一步说明。图1为材料镀膜结构示意图，其包括镀层1和基底材料2。图2为依据本发明的第一微结构示意图，L表示特征结构初始长度。图3为依据本发明的第一微结构受力后结构变化示意图，L’为特征结构变形后长度。图4为检测结果分析示意图，1为变形前光谱曲线，2为变形后光谱曲线。图5为材料镀膜结构示意图，其包括镀层1和基底材料SiO₂，镀层1厚度50nm(金)。图6为依据本发明的第二微结构示意图，其中g＝25nm，w＝25nm，T₁＝180nm，T₂＝230nm；T＝230nm。图7为依据本发明的第二微结构受力后结构变化示意图，g变为g’，w变为w’，T₁变为T₁’，T₂变为T₂’，T变为T’。图8为检测结果分析示意图，1为变形前光谱曲线，2为变形后光谱曲线。
更具体地，图1为材料镀膜结构示意图。其中1镀层其厚度10nm～100nm，2为基底材料，主要指具有一定弹性的光滑平整材料，包括PDMS，LDPE等。图2为微结构示意图。Lx、Ly特征结构初始尺寸，Lx、Ly范围10nm～1000nm，周期T 100nm～10um，结构总体尺寸大于5um。图3为微结构受力后结构变化示意图。Lx’特征结构变形后长度，T’为变化后的周期。图4为检测结果分析示意图。1为变形前光谱曲线，2为变形后光谱曲线。
在本发明所提供的微结构阵列光学应变传感器设计及其制造方法中，一般首先制备适合加工的基底材料，厚度为0.5mm的LDPE材料，并将其制备成边长为9.2mm的正方形；
对材料进行磁控溅射镀膜，镀膜的靶材选用纯度为99.999％的金材料，镀膜厚度为50nm，如附图5所示。设计加工结构图形，结构如图6所示，单元结构中g＝25nm，w＝25nm，T₁＝180nm，T₂＝230nm；T＝230nm；总体加工结构为46um边长正方形；将镀膜后材料置于聚焦离子束纳米加工设备中，按照设计要求加工图形。将加工后材料固定在被测物体表面，物体形变过程中或变化前后微结构产生微量变化，如附图7所示，并对其进行光谱测量获得特征光谱；
如附图8所示，通过特征光谱变化计算形变量，对于特征峰从850nm移动至815nm，其对应的结构单元变形量为Δw＝w’-w＝12nm，被测区域为边长30um的矩形样品周期数N＝130，则根据比例关系可以推定此范围内材料形变量为Δ＝12×130＝1560nm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。