杜 志，賀建波

(1.阿壩師范學(xué)院，四川汶川 623002；2.重慶市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 401120)

0 引言

在巖土工程中，巖土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析對于研究工程中安全，災(zāi)害防控問題具有重要的意義[1-2]。而壓力傳感器可以作為一種直接獲取巖土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的常用手段[3]，其中電阻式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)、制作簡單和信號輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于實際工程中[4]。傳統(tǒng)的電阻式壓力傳感器的核心組成部分為電阻應(yīng)變計[5]，其缺點是：隨著時間、外界環(huán)境的變化，容易產(chǎn)生較大的時間漂移[6]和溫度漂移[7]；同時其基質(zhì)材料為剛性材料，容易產(chǎn)生機(jī)械性破壞[8]。為此本文設(shè)計了一種新型電阻式壓力傳感器，采用高彈性體材料PDMS和導(dǎo)電性好、無毒的新型液態(tài)金屬材料eGaIn[9]，使得傳感器的適用性更廣，重復(fù)性更好。

1 壓力傳感器的主要組成部分

1.1 壓力傳感器彈簧鋼外殼

壓力傳感器的三維效果如圖1所示，具體的實物圖如圖2所示，新型電阻式壓力傳感器主要由3部分組成：彈簧鋼(50CrVA)外殼，硅膠過渡區(qū)，PDMS核心區(qū)。對于彈簧鋼外殼，不僅可以作為壓力傳感器承擔(dān)壓力主要的結(jié)構(gòu)，有利于減小壓力傳感器的尺寸，在實際對巖土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布監(jiān)測時，有效減小對巖土體體的擾動；同時在長期監(jiān)測過程中，彈簧鋼外殼可以減小外部環(huán)境因素(如溫度和濕度等)對內(nèi)部PDMS材料性能的影響，有利于保證壓力傳感器在長時間的實時監(jiān)測過程中性能的穩(wěn)定性。

選擇硅膠材料作為壓力傳感器的緩沖材料，主要用于調(diào)節(jié)彈簧鋼外殼傳遞的壓力，使得施加在內(nèi)部PDMS核心區(qū)的壓力趨于均勻分布，傳感器的電阻輸出信號更加穩(wěn)定，不會產(chǎn)生突變。

圖1 壓力傳感器的三維效果圖

圖2 壓力傳感器的實物圖

1.2 壓力傳感器核心區(qū)域介紹

基于液態(tài)金屬新型電阻式壓力傳感器核心部分的實物圖和三維效果圖分別如圖3(a)、圖3(b)所示，選用的主要組成材料為高彈性體材料聚二甲基硅氧烷PDMS，該彈性體最顯著的特點是具有良好的機(jī)械耐久性，其延展性可以達(dá)到1000%[10]。

(a) 壓力傳感器核心區(qū)實物圖

(b) 壓力傳感器核心區(qū)三維效果圖圖3 壓力傳感器核心部分

在本實驗中，壓力傳感器的PDMS核心區(qū)采用了分層式的布置方式。從圖3(b)可以看出壓力傳感器核心區(qū)主要分為3層：上層區(qū)域為填充液態(tài)水的緩沖帶；中間區(qū)域為PDMS薄膜層；底層區(qū)域為填充液態(tài)金屬eGaIn的微流孔層。

1.3 壓力傳感器核心區(qū)制作流程

由于軟光刻技術(shù)已經(jīng)成熟，其制作流程只做簡要介紹。如圖4所示，首先將微流孔圖形通過高分辨率打印而得到掩膜，然后通過光刻的方法將將該掩模的微流孔圖形轉(zhuǎn)移到涂有光膠的基底上，以Su-8負(fù)性光膠為例，曝光的部分發(fā)生聚合反應(yīng)而得以保留，未曝光的部分被顯影液溶解洗去，留下的圖形就作為芯片復(fù)制的剛性模。然后，將PDMS聚合物傾倒在剛性模上，進(jìn)行烘烤使得PDMS預(yù)聚體交聯(lián)固化形成澆鑄的圖形，從圖形的四周切下PDMS芯片并從彈性模上剝離起來，此時芯片管道已經(jīng)在PDMS上形成凹槽。最后，在適當(dāng)?shù)牡胤酱蚩仔纬扇芤旱倪M(jìn)出口，將帶有圖形的PDMS基片與另一片平面結(jié)合，進(jìn)行可逆或者不可逆的封接，完成芯片的制作。

圖4 傳感器核心區(qū)微流孔制作流程示意圖

1.4 壓力傳感器工作原理

基于液態(tài)金屬新型電阻式壓力傳感器工作原理如圖5所示，施加壓力后壓力傳感器核心區(qū)的具體變化示意圖如圖6所示。當(dāng)壓力施加在壓力傳感器的表面即彈簧鋼外殼時，壓力經(jīng)過彈簧鋼材料50CrVA以及中間過渡區(qū)硅膠材料的傳遞，應(yīng)力經(jīng)過一定的折減施加在壓力傳感器核心區(qū)彈性體材料PDMS表面。由于壓力傳感器核心區(qū)底部為固定支撐以及上部加壓設(shè)備為固定約束，引起彈性體兩側(cè)面橫向變形和垂直方向的受壓變形。經(jīng)過上層PDMS材料的傳遞，壓力間接施加在上層填充液態(tài)水的緩沖區(qū)，導(dǎo)致緩沖帶內(nèi)產(chǎn)生孔隙水壓力，同時對上部的應(yīng)力有一定的調(diào)整，使應(yīng)力趨于均勻分布。通過中間薄膜層的傳遞，壓力施加壓力傳感器核心區(qū)底部的微流孔層，引起填充在微流孔內(nèi)部的液態(tài)金屬電阻值的變化。

當(dāng)壓力p釋放以后，由于高分子彈性體PDMS材料、硅膠材料以及彈簧鋼材料接近于理想彈性材料，壓力釋放后無殘余變形的積累，彈性體材料能恢復(fù)到原有的性能，即壓力傳感器在壓力釋放后能恢復(fù)到最初狀態(tài)。

圖5 電阻式壓力傳感器工作原理圖

圖6 壓力傳感器核心區(qū)變化示意圖

2 實驗加載及結(jié)果分析

2.1 實驗布置及加載

試驗過程中采用單軸壓縮儀器(CMT 5504)施加壓力，如圖7所示。壓力從0到60 kN逐漸增大；壓力傳感器輸出信號電阻的變化值，通過傳感器末端連接的直流低電阻測試儀(分辨率和基本精度分別為10 和0.1%)測量。試驗重復(fù)加載卸載循環(huán)測量10次，每次測量的持續(xù)時間大約為2～3 min。

圖7 壓力傳感器的試驗加載裝置示意圖

2.2 分段式統(tǒng)計標(biāo)定分析

通常壓力傳感器的輸入信號輸出信號之間并非呈完全的線性關(guān)系，而是非線性變化關(guān)系，如圖8所示。而在實際工作中為了得到刻度均勻的壓力傳感器設(shè)備，通常采用擬合曲線近似地代表實際曲線，兩者之間的偏差通過線性度衡量，傳統(tǒng)上壓力傳感器的線性度可以定義為傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差(ΔRmax)與滿量程輸出(R)的百分比。然而這種評價方式容易受到個別奇異數(shù)據(jù)的影響，同時線性擬合度不高，因此在本文中采用分段統(tǒng)計學(xué)的擬合方式。

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)中相關(guān)理論，假定存在測試點集G=G{g(xk,yk)|k=1,2,…,n},xk是壓力的平均輸入值，yk是電阻的平均輸出值，并做如下假設(shè)：

x1

(1)

從統(tǒng)計學(xué)的角度，輸入值是可控制的量而輸出值為不確定的變量，因此yk與xk線性關(guān)系可以表示為

yk=a+bxk+εk

(2)

根據(jù)一元線性回歸方程的理論，回歸直線可以表示如下：

(3)

同時做出如下假設(shè)：

H0∶b=0H1∶b≠0

采用t檢驗法進(jìn)行檢測，顯著性水平取α=0.05；

(4)

(5)

如圖8壓力傳感器的壓力電阻試驗曲線分段式擬合結(jié)果所示，壓力傳感器在10次加載卸載循環(huán)試驗中壓力電阻之間的對應(yīng)關(guān)系是非線性關(guān)系，然而壓力傳感器在實際工作過程必須具備均勻刻度。因此采用了三段式線性擬合曲線代替實際輸出的非線性曲線，相對于傳統(tǒng)的一段式擬合方式，三段式擬合曲線能獲取更好的線性度及擬合度，同時最大程度地保留了壓力傳感器的固有特性。最終的擬合曲線方程和顯著性分析結(jié)果如表1所示，注意到在第一階段，當(dāng)壓力小于5.5 MPa時，壓力值從0 MPa變化至5.5 MPa的過程中，壓力傳感器的輸出信號電阻變化較小，因此在這個階段可以得到高精度和靈敏度的擬合曲線，應(yīng)用于低量程高精度領(lǐng)域。而在后2階段，隨著施加壓力逐漸增大，壓力傳感器的輸出信號電阻變化值越來越顯著，這主要是由于隨著壓力的增加，微流孔的截面積急劇減小，內(nèi)部填充的液態(tài)金屬電阻急劇增大所致。

圖8 傳感器壓力電阻試驗曲線分段式擬合結(jié)果 (箭頭方向分別表示加載、卸載方向)

表1 傳感器3個階段擬合方程和r值

3 結(jié)論

本文設(shè)計一種基于液態(tài)金屬新型電阻式壓力傳感器，其原理是通過采用微流控軟光刻技術(shù)在高彈性體PDMS中嵌入微流孔，同時填充新型液態(tài)金屬eGaIn作為壓力傳感器的核心部分，在表面施加壓力時彈性體會產(chǎn)生形變，引起微流層中電阻的變化；最終通過三段式統(tǒng)計學(xué)的標(biāo)定方式獲取壓力傳感器擬合曲線及擬合方程，主要結(jié)論如下：

(1)采用高彈性體PDMS和無毒、導(dǎo)電性良好的液態(tài)金屬作為壓力傳感器的主要材料，壓力傳感器重復(fù)性、穩(wěn)定更好，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。

(2)壓力傳感器的核心區(qū)采用三層式布置方式：上部緩沖帶，中間PDMS薄膜層，底部微流孔層，其中上層緩沖帶的設(shè)計有效消除了底部微流孔周邊的應(yīng)力集中效應(yīng)，同時對微流孔層的應(yīng)力產(chǎn)生一定的折減效應(yīng)。

(3)采用分段式統(tǒng)計學(xué)的標(biāo)定方法，獲得了擬合度和線性度更好的擬合曲線，同時更好地保持了壓力傳感器的固有特性。