[发明专利]一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法

说明书

本发明属于柔性电子与传感器相关技术领域，并公开了一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列，它包括封装层、顶电极、PZT压电薄膜层、底电极、PI基底和微流道空腔基底，其中顶电极和底电极分别布置在压电薄膜层的两侧，并且当压力作用于传感器阵列时，压力使得该PZT压电薄膜层发生应变，由此在该顶电极和底电极上极化出电荷形成测量电压；微流道空腔基底为含有微流道结构和多个空腔的柔性层状构造，并通过键合处理与其相邻一侧的PI基底相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域。本发明还公开了相应的制备方法。通过本发明，能够为传感器提供一个稳定的参考压力，显著提高了整体灵敏度和准确度，同时可直接贴附于各类复杂曲面的表面。

技术领域

本发明属于柔性电子与传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法，其与现有产品相比具备更高的压力测量灵敏度和准确度，并尤其适用于飞行器柔性智能蒙皮之类的复杂曲面表面气体压力测试场合。

背景技术

对飞行器、机器人、高铁、潜艇、风洞、航天器等设备而言，针对其表面的压力测量具有十分重要的意义。例如，飞行器的气动参数对其飞行速度、操作机动性、环境感知和安全维护能力至关重要。其中飞行器表面的压力分布数据起到多方面的指导作用，其不仅可为飞行器及其各部件结构强度计算提供气动载荷分布的原始数据，并且还能为研究飞行器及其各部件的性能、研究绕模型的流动特性提供依据。通过压力分布测量可以确定机翼上最小压力点位置，气流分离特性以及作用在模型上的升力、压差阻力和压力中心的位置等。

具体而言，目前风洞测试中飞行器测压实验最常用的技术主要还是采用空速管与测压孔的测量方式，来进行飞行器表面的压力测量。该方法需要先在机翼表面加工几百甚至上千个测压孔，再把测压管前端安装到测压孔处，长长的测压管通过模型内部走出来，到后端与压力扫描阀相连，压力扫描阀上连接有硅压力传感器，用于测量测压管传来的气流压力。测压孔法不仅成本高昂，而且加工测量繁琐，对流场也有一定的影响。针对此问题，近年来已经提出一种新型的测压技术光学压敏涂料测压技术，包括先在模型表面涂一层约几十微米厚度的压敏漆，在光的激励下，压敏漆会对不同氧分压发出不一样的颜色，而气流中不同压力处的氧分压不同，所以压敏漆的颜色就反映了该处模型表面的压力分布，可通过CCD相机捕捉到模型表面压敏漆的颜色，与开机前的颜色进行对比处理，就可以计算出模型表面的压力分布。该方法分辨率较测压孔高，可以连续地测量模型表面的压力分布，且对流场干扰小，成本较低。但是该技术受环境影响较大，测量量也相对单一，精度不高。

又如，飞行器柔性智能蒙皮是一种利用柔性电子技术制备超薄柔软可共形的传感器阵列，可直接贴附于飞行器模型表面进行物理量的测量的先进智能材料结构。现有技术中已经提出了一些相关方案。例如，CN108195491A提出可利用胶体通过浇筑制备具有微球阵列的PDMS结构，结合碳纳米管导电薄膜，制成柔性压力传感器，但是其厚度较厚，柔性不强，对流场影响大，因而在实践中并不适合贴在飞行器表面进行压力测量；CN108225625A提出了通过倒模的方式制备具有微阵列的PDMS-碳纳米管薄膜-PDMS三明治结构的柔性压力传感器，然而其厚度较厚，而且没有参考压力，因此同样不适用于气体压力之类的精确测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法，其中通过紧密结合复杂曲面气体压力测量场合的实际工况特征及具体需求，充分利用压电材料的d₃₁工作模式的传感原理，同时在传感器柔性基底上设计出包含有空腔和微流道的新型构造，相应不仅可为顶部和底部的传感器提供一个稳定的参考压力，而且还能依靠阀门来直接调节传感器的参考压力，由此显著提高了整体传感器的灵敏度和准确度；特别是，与常规技术相比不再必需打孔和布线等操作，可直接贴附于各类复杂曲面的表面，因而尤其适用于飞行器柔性智能蒙皮之类的应用场合。