基于干涉光学测量的薄膜应变传感器 【发明领域】
本发明涉及聚合物/半导体薄膜应变计。
背景技术
许多民用工程构造在暴露于自然数年后，会呈现出疲劳，偶尔会失效。有时，失效是灾害造成的，如地震、龙卷风或暴风雨等。这样，就要求有一种不受季节环境变化影响的廉价、耐用和灵敏的应变计，此外，这类传感器应该结构简单、便于安装且容易集成到现代数据通信系统内。
这里揭示的传感器系统能监视构造的完整性，以保证公共安全与维护。特写的应用场合包括大楼、道路与桥梁的完整性。作为敏感元件，本系统采用了多个廉价的光学应变计，它们对自然环境呈惰性，物理结构牢固。与自动数据采集和诊断分析程序相结合，还可把这类传感器及其光纤数据链路装在上层建筑与桥梁基础上，装在大楼支承件中，或嵌入道路与人行天桥的表面。只用最少的人工可自动地监视和评估此类结构与表面的“健康”状况。在评估日常维护要求或潜在灾害性负载后修复要求方面，详尽的应用信息也具有一定价值。
发明概述
传感器的灵敏度与无源性和源有技术不同。目前的电阻应变传感器，其应变系数(灵敏度的量度)约为1～3，而揭示的传感器的应变系数为200～800量级。难以相信原有技术揭示的无源传感器传感器会配备不依赖于电源的存储器。
通常用半导体或聚合物薄膜测量应变。薄膜为分层结构，每层由不同析射率的材料组成。由于每层的折射率不同，所以引入复合结构地光可在每个界面上反射或通过，使通过和反射的入射光发生干涉而导致可测量的吸收变化。干涉度对每层的折射率与厚度是敏感的，而厚度随施加的外应力变化，结果光吸收变化与应变有关，因而吸收变化可用来测量应变。
这里揭示两类干涉传感器，即有源型与无源型。有源传感器对应变的响应是可逆的，即随着应力的变化，吸收以可逆与可预测的方式变化。这类传感器用于测量结构上存在的应变。
无源传感器有一结构所经受过的最大应变的存储器。例如，若结构经受大的形变(大应变)后松弛为小的剩余值，则该大形变是不可逆的。有源传感器只有在连续监视时才能测量应变事件，而无源传感器仅测量经历过的最大应力。若在出现最大应变时有源传感器不作监视，将观察不出大应变偏移。无源传感器可解决该问题。
从广义上讲，本发明包括最好应用于同一结构的有源与无源两类传感器，它们用不同折射率的半导体或聚合物分层材料构制。当折射率最大且层数增多时，灵敏度就变高。构制无源传感器时要对一组分层加上小颗粒。
附图简述
图1示出无源传感器；
图2a与2b示出图1的另一个实施例；
图3是有源传感器的光学响应曲线图；
图4是无源传感器的光学响应曲线图；及
图5是无源传感器的光学响应曲线图。
较佳实施例的描述
可通过用反射度或透射度测量入射光而确定应变。
参照图1的反射模式，来自分光仪10(如Perkin Elmer Lambda2)的可见光被射到薄膜无源传感器12上。传感器12上包括透明玻璃基片14和从基片14开始连续的层迭结构，层迭结构包括聚酰亚胺层18a、装填氧化铝颗粒的聚硅氧烷层16a、聚酰亚胺层18b和装填氧化铝颗粒的聚硅氧烷层16b。入射光束垂直于传感器表面。光沿分光仪10中光电倍增管检测器20内的入射束路径被收集。各层的厚度范围为1～20微米。制作无源传感器时，将50nm的氧化铝颗粒混入聚硅氧烷层，其重量占聚硅氧烷总重量的0.5～10％。制作，小颗粒聚集到某种(目前未知)程度。在应力下，聚集的某些颗粒分开，在新分开的氧化铝颗粒之间装填聚合物。应力消除后，由于聚合物的介入，颗粒就无法再聚集。这种情况可用光学方法检测到，因为聚集的规模确定了从样品散射的光量；随着聚集规模因应力而发生变化，由于检测器只对很小的空间容积采样，所以射向检测器的光量发生变化。无源传感器无需能源可实现其记忆效果。
参照图2a的透射模式，有源传感器用毛细管30(如内径0.5mm，外径0.7mm)作为光导管，将薄膜32(如聚硅氧烷/聚酰亚胺)淀积到其外壁，然后将这些膜涂上铝34。铝34用作反射镜，用于保持约束在管30内的全部光，并保护整个结构免受周围环境的影响。纤维光源36将波长范围为500～1000的光平行于毛细管纵轴送入毛细管30的一端，检测器38在另一端收集光。
在毛细管结构中，管30起着波导与传感器双重作用。无应力时，大部分光沿管通过，与管壁无相互作用。加应力后，毛细管30弯曲，见图26，使大量光沿管壁导入薄膜涂层。有两种效应引起输出光强的调制。首先，路径长度变了，增大了发生的任何吸收作用，增大程度依赖于管壁材料的吸收度和行进光的弹跳次数。其次，光通过薄膜层时的干涉效应仍然有效，且由相长或相消干涉造成光强调制，具体取决于各层的折射率与厚度以及使用的光波长。
膜厚度32为1～20微米的量级，较薄为佳。最大响应波长取决于层厚度，不过可把波长选成与薄膜结构相匹配。铝涂层厚度为400～800nm。
各交替的层必须具有不同的折射率，差异越大，传感器响应特性越佳。聚酰亚胺的n=1.6～1.7(取决于使用的具体聚酰亚胺、固化特性与供货窗)；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，折射率约1.4，可以替代聚硅氧烷层。聚酯等等，折射率约1.4，可以替代聚硅氧烷层。聚碳酸酯等高折射率聚合物的折射率与聚酰亚胺相近。
较佳的传感器系统要求靠近安置的无源与有源两种传感器。无源传感器测量经历的但不是短暂历史的最大应变偏移，即测得的应变可以是当前的或以前的。因此，有源传感器的作用是测出在测量时出现的应变。
可以用当代应变传感器使用的结合技术将传感器安置到某一结构。因传感器很小，故能可靠地测量片状材料的应力。光源与检测器不必与传感器嵌装。利用合适的光纤连接，将手持式分光仪接至传感器的输入与输出端，可定期作光学测量。这样，例如在地震过后在过了几天或几周后仍可确定大楼内每个构件所经历的最大应变，以确立该楼的安全性，因为无源传感器即便在失去能源的情况下仍保留着这一信息。或者，可以用连接至大数每个传感器的光行网自动地遥感应变。然而，在灾害事故中，光纤网可能断裂，阻碍了这种操作模式。传感器中使用的材料即便宜又耐用。例如，聚硅氧烷是一种市场有售的填密封闭料。毛细结构尤其适合长期应用，因为必要时可以封闭整个传感器。于是，例如若准备将传感器应用于桥梁等苛刻的环境，整个传感器就能与风雨、盐雾等隔开，因为加在铝层外面的任何涂料对传感器性能不产生影响。
举例
图3、4和5列举了传感器的响应特性。光源是钨灯，通过四点弯曲施加应力(见ASTM C-1341-97)。
图3示于两个不同的有源应变传感器的响应特性，其中一个有12层(6个交替的聚硅氧烷与聚酰亚胺层)，另一个有26个交替层。层厚度约10微米。在600nm处监视与施加的应变有关的吸收度，结果如图所示。应变系数是层数的函数，说明响应特性的干涉特性。再者，应变系数很大，比一般电阻应变计的两个量极以上。最后，响应特性为线性，且在高达约2000μstrain(这是构造应用所需的极限，因为在2000μstrain处，大多数材料超出其塑性形变极限)的整个范围内是可逆的。
图4示出有26个交替层的无源应变计的响应特性。原厚度约10微米。加上应力后，响应特性类似于有源应变计。在600nm处监视吸收度。然而，当取消应力时，响应不再可逆，即0strain吸收度依赖于样品的历史。对于若干不同应变偏移，这种状况示于图4。新的应变计在60nm处的吸收值A=0.73。加上300μstrain后，变成A=0.83。一旦将应力释放回0μutrain，吸收度就返A=0.78，如图4中短划线所示。施加任何小于300μstrain的应力，可逆地跟随虚线路径。然而，若应力超过300μstrain，路径就回复到图4中对600μstrain点所示的实线。当现在取消应力时，就取新的路径，如点线所示，直到0μstrain处的新的吸收度。
连续应力偏移间的增量随应力增大而减少(即无源响应为非性线)，如图5所示。12层应变计的应变系数小，但具有较大接近或线性的响应范围。26层的应变计具有较大的应变系数，但在小得多的最大应力处变成十足的非线性。
上述描述一直限于本发明的特定实施例，但是显然可对本发明作变更与修改，并得到本发明的部分或全部优点。因此，附属的权项旨在包罗符合本发明的实际精神和范围的所有这类变更与修改。