一種基于長余輝發(fā)光材料力的沖擊傳感器

陳　輝，李　鶴，沈冬冬，席俊華，季振國

(杭州電子科技大學(xué)電子材料與器件實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

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一種基于長余輝發(fā)光材料力的沖擊傳感器

陳輝，李鶴，沈冬冬，席俊華，季振國

(杭州電子科技大學(xué)電子材料與器件實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

摘要：長余輝發(fā)光材料的力致發(fā)光現(xiàn)象是近年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，在力傳感器特別是沖擊力傳感器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。但是，力致發(fā)光現(xiàn)象的強(qiáng)度很弱，一般需高靈敏度的光電倍增管進(jìn)行測量。為了解決這個(gè)問題，該文以共摻Dy和Eu的Al2SrO4長余輝片材為沖擊敏感單元，以一個(gè)APD雪崩光電二極管為光檢測與放大元件，加上自行設(shè)計(jì)的弱電流檢測模塊與高壓偏置電源，成功地觀測到了小球沖擊引起的長余輝發(fā)光材料的力致發(fā)光現(xiàn)象。裝置體積小、重量輕、成本低，可以實(shí)現(xiàn)沖擊力檢測設(shè)備的小型化。

關(guān)鍵詞：長余輝發(fā)光材料；力致發(fā)光；沖擊傳感器

0引言

力致發(fā)光是一種很早就被人類認(rèn)識的光學(xué)現(xiàn)象，即某些材料能在應(yīng)力、摩擦、斷裂、超聲波震蕩等影響下發(fā)出肉眼可見光的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為力致發(fā)光現(xiàn)象。但是，由于普通材料的力致發(fā)光的強(qiáng)度很低，持續(xù)時(shí)間很短，加上以前的弱光檢測技術(shù)水平不高，因此材料的力致發(fā)光現(xiàn)象一直沒有得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)90年代末，研究人員在長余輝材料中發(fā)現(xiàn)了較強(qiáng)的力致發(fā)光現(xiàn)象，引起了傳感器領(lǐng)域研究人員的極大興趣，有關(guān)利用力致發(fā)光現(xiàn)象作為應(yīng)力或沖擊力傳感器的報(bào)道迅速增加[1-5]。然而，從測量的角度看，即使是長余輝發(fā)光材料，其力致發(fā)光的強(qiáng)度仍然很低，實(shí)驗(yàn)裝置大多采用光電倍增管及高靈敏度的弱電流檢測設(shè)備，成本高、體積大，而且重量重、工作電壓高，不利于實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化和小功率化。眾所周知，雪崩光電二極管是具有內(nèi)部增益的光電轉(zhuǎn)換器，與PIN光電二極管相比，光生電流在內(nèi)部就進(jìn)行了放大，具有更高的靈敏度。綜合比較而言，本文在檢測系統(tǒng)中選擇了雪崩光電二極管作為探測器。本文以APD雪崩光電二極管為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了弱電流檢測模塊與APD偏置電源，成功地測量到SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝發(fā)光膜產(chǎn)生的力致發(fā)光現(xiàn)象。

1實(shí)驗(yàn)

有關(guān)SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝發(fā)光材料的制備及發(fā)光膜的制備已經(jīng)另文報(bào)道，不再在本文陳述[6-7]。力致發(fā)光特性通過小球下落沖擊法測量。圖1為測試裝置的示意圖。一個(gè)10 g的不銹鋼小球放置在涂敷了SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝發(fā)光膜的石英玻璃上方，發(fā)光膜面朝上。在石英玻璃的下方放置了一個(gè)雪崩二極管(AD500-8)收集發(fā)光膜發(fā)出的光信號，并把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。工作時(shí)雪崩二極管兩端施加一個(gè)反向偏置電壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)，小球、樣品和雪崩二極管等部件均放置在不透光的暗箱中。

長余輝力致發(fā)光檢測裝置的結(jié)構(gòu)主要由APD光電探測器、可調(diào)高壓源、弱電流檢測模塊以及光學(xué)聚焦模塊構(gòu)成，為了減少環(huán)境光的干擾，探測部分被安放在暗盒中，樣品支架的下部，用一定高度落下的鋼球?qū)悠愤M(jìn)行沖擊，通過示波器觀察波形變化，保存分析所測數(shù)據(jù)。圖1中，1為不銹鋼小球，2為鋁酸鍶發(fā)光膜，3為石英玻璃，4為雪崩二極管，5為測量電路，6為數(shù)字顯示器。

本文采用的是美國PaciFic silicon sensor公司的AD500-8-TO52-S1型雪崩二極管，其特性曲線如圖2所示，實(shí)際測量時(shí)偏壓設(shè)定為140 V時(shí)就可以觀測到明顯的力致發(fā)光現(xiàn)象。圖3為光電流測試電路，其中運(yùn)放為Intersil公司的斬波穩(wěn)零式高精度放大器ICL7650，輸入偏置電流僅為10 pA，非常適合在I/V轉(zhuǎn)換電路中使用。

圖1　力致發(fā)光測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　APD增益隨偏壓變化曲線

圖3　光電流測試電路

圖4為提供偏壓的偏置電源電路，主要元件采用LINEAR公司的LT1533電源專用集成電路，是一種低傳導(dǎo)和低輻射噪聲的開關(guān)調(diào)節(jié)器，可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)波形的邊沿斜率，從而可以大幅度減少輸出尖峰。

圖4　高壓偏置電源原理圖

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，力致發(fā)光的產(chǎn)生與沖擊力有關(guān)，與恒定力無關(guān)。當(dāng)小球在力致發(fā)光膜上靜止不同時(shí)，觀測不到力致發(fā)光現(xiàn)象的產(chǎn)生，但當(dāng)小球從高處落下時(shí)，可以觀測到力致發(fā)光現(xiàn)象。圖5為實(shí)測的小球從不同高度落下時(shí)引起的力致發(fā)光曲線?？梢姡S著小球高度的增加，力致發(fā)光對應(yīng)的尖峰的強(qiáng)度也增加?；蛘哒f，隨著沖擊力的增加，力致發(fā)光強(qiáng)度也隨著增加。另外，力致發(fā)光有一個(gè)呈指數(shù)衰減的拖尾，這一特征可以用來區(qū)分電路噪聲與力致發(fā)光信號。

圖5　不同高度落下的小球出擊引起的力致發(fā)光強(qiáng)度曲線

3結(jié)束語

本文利用長余輝發(fā)光材料為沖擊傳感元件，一個(gè)普通的雪崩二極管為光接收和放大器，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種尺寸小、靈敏度高、能耗小、成本低的力致發(fā)光沖擊力檢測裝置，并成功地檢測到了Al2SrO4:(Dy，Eu)長余輝材料因小球沖擊發(fā)出的力致發(fā)光現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于長余輝發(fā)光材料的力致發(fā)光傳感器在沖擊力檢測、應(yīng)力檢測等與沖擊力相關(guān)的領(lǐng)域方面具有很大的應(yīng)用潛力，是一種新穎的沖擊力傳感器。

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An Impact Detector Based on the Mechanoluminescence Property oF

Long-persistent Luminescent Materials

Chen Hui， Li He， Shen Dongdong， Xi Junhua， Ji Zhenguo

(LaboFElectronicMaterialsandDevices，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:In recent years， mechanoluminescence oF long-persistent luminescent materials is attracting more and more attentions For its potential applications in impact sensors. Since the weak intensity oF mechanoluminescence， high sensitivity PMT are Frequently used to detect it， which is usually expensive and heavy in weight. In this paper， a low-cost mechanoluminescence detecting system was presented， in which long persistent Al2SrO4:(Dy， Eu) is used as the sensing element， and an avalanche photodiode(APD) is used as the optical detecting and ampliFication unit. By this unit， the mechanoluminescence From Al2SrO4:(Dy， Eu) caused by a Falling ball was successFully observed. The detecting device has the advantages oF small size， light weight， low cost， and high sensitivity．

Key words:long persistent luminescent materials; mechanoluminescence; impact sensor

中圖分類號：S591.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9146(2015)03-0018-04

通信作者：

作者簡介：陳輝(1991-)，男，山東泰安人，在讀研究生，電子信息材料與器件.季振國教授，E-mail：jizg@hdu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372025)

收稿日期：2014-11-25

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.03.002