专利名称：以金属玻璃纤维为应变敏感材料的电阻式应变传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于材料科学和微机电系统领域，具体来说是一种以金属玻璃纤维为应变传感材料的电阻式应变传感器。
背景技术：
虽然应变电阻效应早在1856被科学家发现，直到1938年Simmons和Ruge分别发明了金属丝应变传感器之后，这种效应才得到人们的重视并在工程中得到应用。1940年第一个商业化金属丝应变传感器诞生了。由于金属丝材料的电阻率较低，塑性成型能力差而不能制备成很细的丝，这种金属丝应变传感器长达200mm。它主要应用于静态应变分析。尺寸很小的单股应变传感材料(以这种材料为应变传感材料的应变传感器叫做理想应变传感器)无法实现。由于这种应变传感器尺寸过长而不能满足其他工程应用的需求。为了减小这种应变传感器的尺寸，1944年Gall发明了一种机器，这种机器能将拉拔出来的金 属丝在基底材料上缠绕成栅格状，从而发明了线绕式应变传感器。受到印刷电路工艺的启示，Jackson发明了箔式应变传感器。这两种应变传感器都能有效的减小应变传感器的尺寸。但同时也带来了不少问题由循环末端引起的剪滞和电阻的变化；较大的横向尺寸使得横向应变引起较大的电阻变化；高密度应变敏感材料使电阻热难以消散[A. L. Window,in Strain Gauge Technology,2nd Edition,Elsevier Applied Science，London and NewYork, 1992.]。继箔式应变传感器发展成熟之后，电阻式应变传感器的发展几乎处于停滞状态。其原因主要是没有新的高性能的应变敏感材料的发现和开发。微纳米尺度金属玻璃纤维克服了块体金属玻璃的脆性这一制约其应用的致命缺点[J. Yi, X. X. Xia, D. Q. Zhao, Μ. X. Pan, H. Y. Bai, W. H. Wang, Adv. Eng. Mater. 2010，Vol. 12，1117.]。微纳米尺度金属玻璃在微纳米机电系统中的应用引起了人们的广泛兴趣并成为了研究热点[G. Kumar, A. Desai, J. Schroers, Adv. Mater. 2011, Vol. 23,461.]。金属玻璃的电阻率比晶态金属材料要高出两个数量级。这一突出特点由于使得金属玻璃在电路连线和电极应用上无任何优势而被认为是金属玻璃无用的缺点[E. W. Cowell 111, N. Alimardani,C. C. Knutson, J. F. Conley Jr. , D. A. Keszler, B. J. Gibbons, J. F. Wager, Adv. Mater. 2011,Vol. 23，74.]。基于高电阻率有利于减小电阻式应变传感器的尺寸这一原理，金属玻璃纤维很小的直径也有利于大大减小电阻式应变传感器的尺寸。金属玻璃纤维的电阻变化和应变之间的关系符合很好的线性关系，它将是可观的应变传感材料。

发明内容
本发明的目的在于提供一种电阻式应变传感器，利用金属玻璃纤维作为应变敏感材料以克服商业化的线绕式应变传感器和箔式应变传感器的缺陷，实现理想电阻式应变传感器。为实现上述目的，本发明提供的以金属玻璃纤维为应变敏感元件的电阻式应变传感器，包括
一金属玻璃纤维，该金属玻璃纤维两端的引线连接至电阻测量装置上。所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维与所测应变方向平行地设置于待测试的拉伸试样表面，在金属玻璃纤维与待测试的拉伸试样表面之间设置有基底材料，使金属玻璃纤维与拉伸试样表面绝缘。所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维的上下两面设置有基底材料。所述的电阻式应变传感器，其中，所述基底材料是树脂、聚酰亚胺、陶瓷、塑料或纸。所述的电阻式应变传感器，其中，所述基底材料的厚度小于50μπι。所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维的长度为IOOnm 500mm。所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维的直径为70nm 50μπι。所述的电阻式应变传感器，其中，所述引线材料是直径25μ m 2mm的铜导线、银导线或钼导线。所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维与引线之间是通过导电胶、导电焊料或是沉积金属方式连接。本发明具有如下的优点I)制备方法简单、效率高、成本和能耗都很低；2)可不需要任何基底材料，由安装引起的性能弱化极小；3)其性能参数、可靠性明显优于商业化电阻式应变传感器；4)其弹性极限是商业化电阻式应变传感器的4至8. 5倍；5)测试样品准备方法简单、测试效率高、测试费用低；6)测试精度高，性好强，信噪比高。


图I是本发明实施例I和实施例2的测试应变电阻效应的装置示意图；图2是本发明实施例3制备的以Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器；图3是实施例5制备的裸式Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器；其中a是裸式Pd4tlCu3ciNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器全貌图；b是裸式Pd4tlCu3ciNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器的表面形貌图；图4是金属玻璃纤维应变传感器性能测试样品的制备方法示意图；其中a是将基底材料即AB胶涂于拉伸试样上；b是将金属玻璃纤维沿着加载方向放在基底材料上并用导电银胶将电极粘在金属玻璃纤维上；c是在金属玻璃纤维上再涂上一层AB胶；图5是金属玻璃纤维应变传感器性能测试样品的光学照片；图6是金属玻璃纤维应变传感器性能测试方法示意图；图7是金属玻璃纤维应变传感器的电阻变化率随其应变的变化规律。
具体实施例方式本发明提供一种以金属玻璃纤维为应变敏感材料的电阻式应变传感器，包括一金属玻璃纤维应变敏感材料，其长度为长约IOOnm 500mm，直径为70nm 50 μ m0引线，引线材料是直径为25 μ m 2mm的铜导线、银导线或钼导线。当用两线法时焊上两根引线；当用四线法时焊上四根引线(关于两线法和四线法是本领域公知技术)。其作用是连接电阻测量装置和金属玻璃纤维应变敏感材料。引线焊接材料，引线焊接材料的作用是将引线与金属玻璃纤维应变敏感材料焊接起来，以便测量金属玻璃纤维应变敏感材料的电阻。基底材料，基底材料是树脂、聚酰亚胺、陶瓷、塑料和纸。本发明的以金属玻璃纤维为应变敏感材料的电阻式应变传感器，其制备方法具体包括如下的步骤I)把一长约IOOnm 500mm,直径为70nm 50 μ m的金属玻璃纤维置于一厚度小 于30 μ m的绝缘基底材料上。该绝缘材料是树脂、聚酰亚胺、陶瓷、塑料或纸。2)将测电阻用的引线焊到金属玻璃纤维上。测电阻的方法包括两线法和四电极法。当用两线法时焊上两根引线；当用四线法时焊上四根引线。引线可用铜导线、银导线或钼导线。焊电极的方法可以直接用导电胶粘上或用锡焊焊上。3)在金属玻璃纤维上覆盖上另一层绝缘材料。该绝缘材料可以是树脂粘结剂、聚酰亚胺胶和陶瓷胶等。当测试该应变传感器的性能参数或用其测定应变时都需要将其安装到待测试的拉伸试样的表面上去，其安装的具体步骤如下I)将一层厚度小于30 μ m的绝缘胶涂在待测试的拉伸试样表面，该绝缘胶可以是树脂粘结剂、聚酰亚胺胶和陶瓷胶等；2)将本发明提供的应变传感器放在步骤I中的绝缘胶上，并使该应变传感器中的金属玻璃纤维与所测应变方向平行。3)将测电阻用的引线焊到该应变传感器中的金属玻璃纤维上。测电阻的方法包括两线法和四电极法。当用两线法时焊上两根引线；当用四线法时焊上四根引线。引线可用铜导线、银导线或钼导线。焊电极的方法可以直接用导电胶粘上或用锡焊焊上。4)在该应变传感器上覆盖上另一层绝缘材料。该绝缘材料可以是树脂粘结剂、聚酰亚胺胶和陶瓷胶等。以下结合附图作详细说明。请结合图I所示，为本发明实施例I和实施例2的测试应变电阻效应的装置示意图。实施例I :以Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器的制备I)选取直径为6. 5 μ m的Pd4tlCu3ciNiiciP2ci金属玻璃纤维，截取长度为2. 5mm的一段。2)将步骤I中的长为2. 5mm的Pd4tlCu3ciNiiciP2ci金属玻璃纤维沿着放在一聚酰亚胺薄膜胶带上。3)用银导电胶将两个距离为2mm的钼电极粘在步骤2中的Pd4tlCu3ciNiiciP2ci金属玻璃纤维上，将另两个钼电极用银导电胶粘在接近其端部的地方。4)用另一聚酰亚胺薄膜胶带上覆盖在步骤三中的Pd4tlCu3ciNiiciP2ci金属玻璃纤维上。实施例2 以Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器的制备I)选取直径为10 μ m的Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维，截取长度为3mm的一段。2)将步骤I中的长为3mm的Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维沿着放在一薄纸片上。3)用银导电胶将两个 距离为2. 5mm的钼电极粘在步骤2中的Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维上，将另两个钼电极用银导电胶粘在接近其端部的地方。4)用一层厚度为20 μ m的环氧胶覆盖在步骤3中的Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维上。实施例3 :裸式Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器选取直径为6. 5 μ m的Pd4tlCu3ciNiiciP2ci金属玻璃纤维，截取长度为2. 5mm的一段即为裸式Pd4tlCu3ciNiiciP2ci金属玻璃纤维应变传感器(如图2所示)。实施例4 :裸式Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维应变传感器选取直径为8 μ m的Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维，截取长度为3mm的一段即为裸式Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维应变传感器。实施例5 :安装以Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器I)将所需安装应变传感器的样品放到烧杯的丙酮中，用超声清洗器把样品的表面清洗干净。2)在样品表面涂上一层厚度为20 μ m的环氧胶。3)将实施例I中的以Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器粘在步骤2中环氧胶上，使Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维沿着所需测试的应变的方向上。用手指压平该应变传感器。实施例5制备的裸式Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器如图3所示；其中a是裸式Pd4tlCu3ciNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器全貌图；b是裸式Pd4tlCu3ciNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器的表面形貌图。实施例6 :安装以Zr35Ti3(lBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器I)将所需安装应变传感器的样品放到烧杯的丙酮中，用超声清洗器把样品的表面清洗干净。2)在样品表面涂上一层厚度为20 μ m的陶瓷胶。3)将实施例2中的以Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器粘在步骤2中陶瓷胶上，使Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维沿着所需测试的应变的方向上。用手指压平该应变传感器。实施例7 :安装裸式Pd4tlCu3tlNiiciP2tl金属玻璃纤维应变传感器I)将所需安装应变传感器的拉伸试样放到烧杯的丙酮中，用超声清洗器把样品的表面清洗干净。2)在样品表面涂上一层厚度为20 μ m的AB胶。3)将直径为6. 5 μ m，长度为2. 5mm的装裸式Pd4tlCu3ciNiiciP2ci金属玻璃纤维应变传感器沿着拉伸应力方向平放在步骤2中的AB胶上。4)用银导电胶将两个距离为2mm的钼电极粘在步骤3中的Pd4ciCu3tlNiltlP2tl金属玻璃纤维上，将另两个钼电极用银导电胶粘在接近其端部的地方。5)用一层厚度为20 μ m的环氧胶覆盖在步骤4中的Pd4ciCu3tlNiltlP2tl金属玻璃纤维上。实施例8 :安装裸式Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维应变传感器I)将所需安装应变传感器的拉伸样品放到烧杯的丙酮中，用超声清洗器把拉伸试样的表面清洗干净。2)在拉伸试样表面涂上一层厚度为20 μ m的AB胶。3)将直径为10 μ m，长度为3mm的裸式Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维应变传感器沿着拉伸应力方向平放在步骤2中的AB胶上。4)用银导电胶将两个距离为2. 5mm的钼电极粘在步骤3中的Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维上，将另两个钼电极用银导电胶粘在接近其端部的地方。 5)用一层厚度为20 μ m的环氧胶覆盖在步骤4中的Zr35Ti3tlBe27.5Cu7.5金属玻璃纤维上。性能测试下面测试以金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器的性能参数。其测试样品的准备方法如图4所示，测试样品如图5所示。测试方法如图6所示，应变用引伸计测量，电阻用四电极法测量。应变传感器的电阻变化率与应变之间的关系是在进行拉伸的同时测试其电阻的变化而确定的。测试的具体过程如下I)打开Instron 3384万能试验机的主机电源,然后打开Instron 3384万能试验机的控制软件。2)将如图5所示的待测试的拉伸样品安装在Instron 3384的夹头上，将内侧两电极与吉时利2000相连以测量电压，将外侧两电极与吉时利2400相连以提供恒定电流。3)打开吉时利2000和吉时利2400电源，将吉时利2400的输出电流值设为100 μ A.4)打开数据采集器的电源。5)将应变速率设为2Χ ΙΟΛ—1，开始拉伸实验。6)当应变传感器中的应变传感元件断裂时停止拉伸。依次关闭数据采集系统，吉时利2000的电源，吉时利2400的电源，Instron 5848的电源。测试所得电阻变化率和应变之间的关系如图7所示，性能参数如表I。本发明所提供的金属玻璃纤维应变传感器的敏感系数为2. 22，其贡献几乎完全来自于变形所引起的几何尺寸的变化，而电阻率在变形的过程中变化很小，所以其电阻变化率和应变的关系曲线是一条近乎完美的直线。金属玻璃纤维应变传感器弹性极限是商业化箔式应变传感器的4至8. 5倍。弹性极限的提高会使以应变传感器为传感元件的机电传感器的量程大大提高。3到12倍于箔式应变传感器的电阻变化率使得金属玻璃纤维应变传感器的信噪比大大提高。金属玻璃纤维的高电阻率和微小的直径使金属玻璃纤维应变传感器的长度大大减小，金属玻璃纤维没有必要缠绕成栅格状，单根纤维就可以做成应变传感器。这种单纤维应变传感器贴在曲面的直母线上，而箔式应变传感器只能贴在平面上，这样就大大拓宽了应变传感器在应力分析中的应用。
表I是金属玻璃纤维应变传感器与商业化的箔式应变传感其性能参数比较。表I中的F、ee、K、ARyi^L和N分别指灵敏系数、弹性极限、电阻温度系数、弹性极限电阻变化率、标距和栅格数目。表I

权利要求
1.一种以金属玻璃纤维为应变敏感兀件的电阻式应变传感器,包括 一金属玻璃纤维，该金属玻璃纤维两端的引线连接至电阻测量装置上。
2.根据权利要求I所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维与所测应变方向平行地设置于待测试拉伸试样表面，在金属玻璃纤维与待测试的拉伸试样表面之间设置有基底材料，使金属玻璃纤维与待测试的拉伸试样表面绝缘并传递被测试样的应变到金属玻璃纤维上。
3.根据权利要求I或2所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维的上下两面设置有基底材料。
4.根据权利要求3所述的电阻式应变传感器，其中，所述基底材料是树脂、聚酰亚胺、陶瓷、塑料或纸。
5.根据权利要求3所述的电阻式应变传感器，其中，所述基底材料的厚度小于50μ m。
6.根据权利要求I所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维的长度为IOOnm 500mm。
7.根据权利要求I或6所述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维的直径为70nm 50 μ m0
8.根据权利要求I所述的电阻式应变传感器，其中，所述引线材料是直径25μ m 2_的铜导线、银导线或钼导线。
9.根据权利要求I或8述的电阻式应变传感器，其中，所述金属玻璃纤维与引线之间是通过导电胶、导电焊料或是沉积金属方式连接。
全文摘要
一种以金属玻璃纤维为应变敏感元件的电阻式应变传感器，包括一金属玻璃纤维，该金属玻璃纤维两端的引线连接至电阻测量装置上。本发明以金属玻璃纤维为应变传感元件的电阻式应变传感器的应变电阻效应性能参数均优于或大大优于商业化电阻式应变传感器，在应力分析和机电器件中将有广泛的应用。
文档编号G01B11/16GK102914272SQ20111021895
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者易军, 赵德乾, 丁大伟, 潘明祥, 白海洋, 汪卫华 申请人:中国科学院物理研究所