[发明专利]薄膜传感器阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜传感器阵列及其制备方法，具体涉及一种用于金属结构件疲劳裂纹定量监测的薄膜传感器阵列及其制备方法，属于金属结构健康监测技术领域。

背景技术

1979年，美国国家航空和航天管理局(NASA)开始了一项光纤机敏结构与蒙皮(Fiber Optic Smart Structures and Skins)计划，首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中，用以监控复合材料应变与温度。主要内容是在飞机等空间飞行器的结构部件蒙皮埋入各种光纤传感器和信号处理器，通过埋置的光纤链路将光纤传感器和信号处理器与计算机相连，从而赋予飞行器结构件和整个飞行器的自检测、自诊断、自监控、自矫正、自适应以及记忆、思维、判断和采取对抗措施的功能，该计划开创了飞机结构健康监控研究的先河。

在国内，健康监控研究大量集中在传统机械学科对机械设备(大部分为旋转机械)的故障诊断上和建筑(桥梁)结构损伤状况的监控。在航空航天领域，对健康监控开展的研究较晚。近年来，在国家自然科学基金委员会、攀登计划项目等方面的大力支持与资助下，取得了阶段性成果。

中国专利《一种微米传感元及其制备方法和应用》(专利号：ZL200910248773.0，公开日：2011.06.29)提出了一种微米传感元的简单设计概念及其制备方法，并验证了微米传感元与金属结构基体形成结构功能一体化的可行性，但是，该微米传感元未能实现结构疲劳裂纹的定量监测。

实现结构裂纹定量监测，可以在裂纹早期加以控制并实时监测其扩展情况，以消除安全隐患或监控安全隐患的发展，从而保证结构安全的同时，减少周期检测和维修导致的停机时间，降低维护保障费用，预防灾难性的结构故障发生。

目前，结构疲劳裂纹的定量监测是本领域的一个亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于现代表面技术与电位监测原理的、能够实现对结构疲劳裂纹扩展的全过程进行定量和实时监测的薄膜传感器阵列，以及该薄膜传感器阵列的制备方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种薄膜传感器阵列，其特征在于，由若干个同心的环状薄膜传感器组成，组成的薄膜传感器阵列覆盖整个监测区域，

前述环状薄膜传感器主要包括三层结构，从下至上依次为：采用绝缘支撑材料制备而成的绝缘支撑层、采用导电传感材料制备而成的导电传感层、以及采用封装保护材料制备而成的封装保护层，前述绝缘支撑层、导电传感层和封装保护层的厚度均在微米量级，

其中，前述绝缘支撑层形成于基体表面并与基体呈一体化结构，前述导电传感层呈环形，环形的宽度即为对应的环状薄膜传感器的宽度。

前述的薄膜传感器阵列，其特征在于，单个环状薄膜传感器的宽度值与监测精度值相等，相邻的环状薄膜传感器之间的距离与监测精度值相等。

前述的薄膜传感器阵列，其特征在于，前述绝缘支撑层为AlN绝缘薄膜、Al₂O₃绝缘层或磷化膜。

前述的薄膜传感器阵列，其特征在于，制备前述导电传感层所用的导电传感材料为金属、金属合金或金属化合物。

前述的薄膜传感器阵列，其特征在于，前述导电传感层的厚度为1μm-10μm。

前述的薄膜传感器阵列，其特征在于，前述封装保护层为704有机硅胶薄层或AlN薄膜。

一种制备前述的薄膜传感器阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)、对基体表面进行绝缘化处理制得绝缘支撑层；然后，依次采用丙酮、清水和去离子水对制备了绝缘支撑层的基体进行超声清洗，然后烘干；

(二)、在绝缘支撑层上利用离子镀膜技术沉积金属、金属合金或金属化合物，形成呈环状的、厚度为1μm-10μm的导电传感层；

(三)、在导电传感层上制备704有机硅胶薄层，或者利用离子镀膜技术沉积AlN绝缘薄膜，从而形成封装保护层。

前述的制备薄膜传感器阵列的方法，其特征在于，在步骤(一)中，对基体表面进行绝缘化处理制得绝缘支撑层的工艺为：

采用离子镀膜技术在基体表面沉积AlN绝缘薄膜，或者采用常规的硫酸阳极氧化工艺在基体表面上制备10μm-30μm厚的Al₂O₃绝缘层，或者采用磷化工艺在基体表面制备磷化膜。

前述的制备薄膜传感器阵列的方法，其特征在于，在步骤(二)中，在绝缘支撑层上利用离子镀膜技术沉积形成导电传感层的工艺为：