【摘 要】
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利用传感器监测地震动在诸多领域具有广泛应用。应变传感器具有制造成本低、器件集成方便等优点,然而传统的应变传感器灵敏度较低,难以用于地震动监测。近年来提出的基于纳米裂纹的应变传感器具有超高灵敏度,有望实现对地震动的监测。本文研究了两种纳米裂纹的图案化方法,设计制造了一种用于地震动监测的悬臂梁式纳米裂纹应变传感器,并对其性能进行了测试。提出了一种基于V型沟槽的纳米裂纹图案化方法,利用聚二甲基硅氧烷(p
【基金项目】
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国家重点研发计划项目(2020YFB2008502); 国家自然科学基金(51875083); 大连市科技创新基金项目(2020JJ25CY018);
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利用传感器监测地震动在诸多领域具有广泛应用。应变传感器具有制造成本低、器件集成方便等优点,然而传统的应变传感器灵敏度较低,难以用于地震动监测。近年来提出的基于纳米裂纹的应变传感器具有超高灵敏度,有望实现对地震动的监测。本文研究了两种纳米裂纹的图案化方法,设计制造了一种用于地震动监测的悬臂梁式纳米裂纹应变传感器,并对其性能进行了测试。提出了一种基于V型沟槽的纳米裂纹图案化方法,利用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)基底表面的V型沟槽作为应力集中结构,当对PDMS基底进行弯曲时,沉积在PDMS表面的金薄膜便会在V型沟槽底部产生长直的纳米裂纹。提出了另一种光刻辅助的纳米裂纹图案化方法,利用光刻工艺在金薄膜表面制作出光刻胶条纹,当对PDMS基底进行弯曲时,由于光刻胶的保护作用,金薄膜只会在相邻两条光刻胶条纹的中间区域产生一条长直的纳米裂纹。分别利用这两种方法,制作出了薄膜式结构的纳米裂纹应变传感器,并对其灵敏度进行了测试。在0-1.2%的应变范围内,利用V型沟槽制作出的传感器应变灵敏系数为4814,而利用光刻工艺制作出的传感器应变灵敏系数为19883。对地震动信号的特征进行了分析,得出地震动传感器需要采集垂直地面方向的低频振动(<100 Hz)信号。据此,设计了一种由玻璃底座、PDMS悬臂梁基底和带有纳米裂纹的金薄膜组成的地震动传感器。首先对该传感器的结构进行了理论分析,结果表明PDMS悬臂梁应当具有较低的固有频率,而且自重产生的悬臂梁上表面最大应变应小于传感器能承受的最大应变。其次,对悬臂梁结构进行了数值仿真分析,最终确定悬臂梁的结构参数为:宽2 mm、长10 mm、厚0.5 mm,此时悬臂梁固有频率为22 Hz,受自重产生的悬臂梁上表面最大应变为1%,满足传感器设计要求。首先利用浇注成型工艺制作出PDMS悬臂梁基底,接着利用光刻工艺在PDMS悬臂梁表面制作出带有纳米裂纹的金薄膜,最后将PDMS与玻璃底座键合到一起,制作出基于纳米裂纹的地震动传感器。利用激振器为地震动传感器提供了正弦激振,验证了其在50-100 Hz频段内的幅频响应性能。结果表明,该地震动传感器在测试频段内具有良好的频率分辨能力和稳定的幅频响应特性。使用地震动传感器对人的跳跃和拍球动作产生的地震动进行了监测,验证了将该传感器应用于地震动监测的可行性。
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