一种基于长余辉发光材料力的冲击传感器

陈　辉，李　鹤，沈冬冬，席俊华，季振国

(杭州电子科技大学电子材料与器件实验室，浙江 杭州 310018)



一种基于长余辉发光材料力的冲击传感器

陈辉，李鹤，沈冬冬，席俊华，季振国

(杭州电子科技大学电子材料与器件实验室，浙江 杭州 310018)

摘要：长余辉发光材料的力致发光现象是近年来相关领域的研究热点之一，在力传感器特别是冲击力传感器领域有重要的应用前景。但是，力致发光现象的强度很弱，一般需高灵敏度的光电倍增管进行测量。为了解决这个问题，该文以共掺Dy和Eu的Al2SrO4长余辉片材为冲击敏感单元，以一个APD雪崩光电二极管为光检测与放大元件，加上自行设计的弱电流检测模块与高压偏置电源，成功地观测到了小球冲击引起的长余辉发光材料的力致发光现象。装置体积小、重量轻、成本低，可以实现冲击力检测设备的小型化。

关键词：长余辉发光材料；力致发光；冲击传感器

0引言

力致发光是一种很早就被人类认识的光学现象，即某些材料能在应力、摩擦、断裂、超声波震荡等影响下发出肉眼可见光的物理现象，这种现象称为力致发光现象。但是，由于普通材料的力致发光的强度很低，持续时间很短，加上以前的弱光检测技术水平不高，因此材料的力致发光现象一直没有得到实际应用。20世纪90年代末，研究人员在长余辉材料中发现了较强的力致发光现象，引起了传感器领域研究人员的极大兴趣，有关利用力致发光现象作为应力或冲击力传感器的报道迅速增加[1-5]。然而，从测量的角度看，即使是长余辉发光材料，其力致发光的强度仍然很低，实验装置大多采用光电倍增管及高灵敏度的弱电流检测设备，成本高、体积大，而且重量重、工作电压高，不利于实现传感器的小型化和小功率化。众所周知，雪崩光电二极管是具有内部增益的光电转换器，与PIN光电二极管相比，光生电流在内部就进行了放大，具有更高的灵敏度。综合比较而言，本文在检测系统中选择了雪崩光电二极管作为探测器。本文以APD雪崩光电二极管为基础，设计了弱电流检测模块与APD偏置电源，成功地测量到SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)长余辉发光膜产生的力致发光现象。

1实验

有关SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)长余辉发光材料的制备及发光膜的制备已经另文报道，不再在本文陈述[6-7]。力致发光特性通过小球下落冲击法测量。图1为测试装置的示意图。一个10 g的不锈钢小球放置在涂敷了SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)长余辉发光膜的石英玻璃上方，发光膜面朝上。在石英玻璃的下方放置了一个雪崩二极管(AD500-8)收集发光膜发出的光信号，并把光信号转换为电信号。工作时雪崩二极管两端施加一个反向偏置电压。实验时，小球、样品和雪崩二极管等部件均放置在不透光的暗箱中。

长余辉力致发光检测装置的结构主要由APD光电探测器、可调高压源、弱电流检测模块以及光学聚焦模块构成，为了减少环境光的干扰，探测部分被安放在暗盒中，样品支架的下部，用一定高度落下的钢球对样品进行冲击，通过示波器观察波形变化，保存分析所测数据。图1中，1为不锈钢小球，2为铝酸锶发光膜，3为石英玻璃，4为雪崩二极管，5为测量电路，6为数字显示器。

本文采用的是美国PaciFic silicon sensor公司的AD500-8-TO52-S1型雪崩二极管，其特性曲线如图2所示，实际测量时偏压设定为140 V时就可以观测到明显的力致发光现象。图3为光电流测试电路，其中运放为Intersil公司的斩波稳零式高精度放大器ICL7650，输入偏置电流仅为10 pA，非常适合在I/V转换电路中使用。

图1　力致发光测量装置结构示意图

图2　APD增益随偏压变化曲线

图3　光电流测试电路

图4为提供偏压的偏置电源电路，主要元件采用LINEAR公司的LT1533电源专用集成电路，是一种低传导和低辐射噪声的开关调节器，可调节驱动波形的边沿斜率，从而可以大幅度减少输出尖峰。

图4　高压偏置电源原理图

2实验结果

实验结果表明，力致发光的产生与冲击力有关，与恒定力无关。当小球在力致发光膜上静止不同时，观测不到力致发光现象的产生，但当小球从高处落下时，可以观测到力致发光现象。图5为实测的小球从不同高度落下时引起的力致发光曲线。可见，随着小球高度的增加，力致发光对应的尖峰的强度也增加。或者说，随着冲击力的增加，力致发光强度也随着增加。另外，力致发光有一个呈指数衰减的拖尾，这一特征可以用来区分电路噪声与力致发光信号。

图5　不同高度落下的小球出击引起的力致发光强度曲线

3结束语

本文利用长余辉发光材料为冲击传感元件，一个普通的雪崩二极管为光接收和放大器，设计开发了一种尺寸小、灵敏度高、能耗小、成本低的力致发光冲击力检测装置，并成功地检测到了Al2SrO4:(Dy，Eu)长余辉材料因小球冲击发出的力致发光现象。实验结果表明，基于长余辉发光材料的力致发光传感器在冲击力检测、应力检测等与冲击力相关的领域方面具有很大的应用潜力，是一种新颖的冲击力传感器。

参考文献

[1]Jeong S M，Song S，Lee S，et al.Color Manipulation oF Mechanoluminescence From Stress-Activated Composite Films[J].Advanced Materials,2013,25(43):6194-6200.

[2]Timilsina S，Lee K H，Jang I Y，et al.Mechanoluminescent determination oF the mode I stress intensity Factor in SrAl2O4: Eu2+，Dy3+[J].Acta Materialia,2013,61(19):7197-7206.

[3]Kim W J，Lee J M，Kim J S，et al.Measuring high speed crack propagation in concrete Fracture test using mechanoluminescent material[J].Smart Structures and Systems,2012,10(6):547-555.

[4]Chandra V K，Chandra B P.Dynamics oF the mechanoluminescence induced by elastic deFormation oF persistent luminescent crystals[J].Journal oF Luminescence,2012,132(3):858-869.

[5]Fontenot R S，Hollerman W A，Bhat K N，et al.EFFects oF Added Uranium on the Triboluminescent Properties oF Europium Dibenzoylmethide Triethylammonium[J].Journal oF Luminescence,2013,134:477-482.

[6]Li C S，Xu C N，Zhang L，et al.Dynamic Visualization oF Stress Distribution on Metal by Mechanoluminescence Images[J].Journal oF Visualization,2008,11(4):329-335.

[7]Jha P，Chandra B P.Impulsive excitation oF mechano luminescence SrAl2O4: Eu，Dy phosphors prepared by solid state reaction technique in reduction atmosphere[J].Journal oF Luminescence,2013,143(6):280-287.

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

中图分类号：S591.4

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2015)03-0018-04

通信作者：

作者简介：陈辉(1991-)，男，山东泰安人，在读研究生，电子信息材料与器件.季振国教授，E-mail：jizg@hdu.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61372025)

收稿日期：2014-11-25

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.03.002