一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术还公开了相应的制备方法。通过本发明专利技术，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。

【技术实现步骤摘要】
一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法
本专利技术属于柔性电子与传感器相关
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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。相应地，按照本专利技术，提供了一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列，其特征在于，该柔性压力传感器阵列的整体厚度不超过50μm，它从外到内依次包括封装层、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：所述顶电极、底电极均被设计为蜿蜒的导线互联结构，它们分别布置在所述PZT压电薄膜层的外、内两侧，并且当压力作用于所述柔性压力传感器阵列的表面进行测量时，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，同时通过导线引出形成测量电压；所述封装层、PI基底则分别用于将所述顶电极、底电极予以包裹封装；所述微流道空腔基底为在硅片上加工出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所述PI基底相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域，其中该微流道结构用于将多个所述空腔结构彼此连通起来，然后通过微流道入口处的阀门与外部气源可控相连；以此方式，可为整个柔性压力传感器阵列在整个压力测量过程中提供一个稳定的参考压力，进而提高测量灵敏度和可靠性，同时通过所述阀门来自由调节所述微流道空腔基底所提供的参考压力值。作为进一步优选地，对于所述顶电极和底电极而言，其优选设计为自相似蜿蜒结构和岛桥结构。作为进一步优选地，对于所述顶电极和底电极而言，其优选设计为n﹡n的行列扫描式电极结构，并且仅通过两根引线和选通芯片电路来完成所有的信号采集。作为进一步优选地，对于所述微流道结构和多个空腔而言，其优选采用软光刻工艺在所述硅片上制成模具，再采用PI材料旋涂浇筑而成。作为进一步优选地，所述顶电极和底电极优选采用其晶格常数与PZT接近的材料制成，进一步优选为Pt电极。作为进一步优选地，所述PZT压电薄膜层优选采用650℃以上的高温退火处理以形成钙钛矿相结晶，然后利用其D31工作模式来输出电压。作为进一步优选地，上述柔性压力传感器阵列可直接贴附于复杂曲面的表面，并且不用打孔和布线。作为进一步优选地，上述柔性压力传感器阵列优选作为飞行器柔性智能蒙皮用于飞行器模型表面空气压力的测量用途。按照本专利技术的另一方面，还提供了相应的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)PZT前驱体凝胶溶液的制备步骤按照金属离子摩尔浓度比为Pb：Zr：Ti＝1.15～1.2：0.52：0.48的配比，称取溶质三水醋酸铅、五水硝酸锆和钛酸四丁酯，溶于乙二醇甲醚或乙酰丙酮溶剂中，通过水解反应和聚合反应形成PZT的前驱体溶液；接着通过调节pH和定容mol/L0.4～0.6mol/L，经自然冷却，静置密封，在自然条件下老化40～80个小时，形成PZT前驱体凝胶溶液；(b)PZT牺牲层的制备步骤将蓝宝石基底清洗干净，在其上旋涂所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT牺牲层；(c)底电极的制备步骤通过光刻技术，在所述PZT牺牲层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成底电极；(d)PZT功能层的制备步骤在底层电极上继续旋涂所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT功能层；(e)顶电极的制备步骤通过光刻技术，在所述PZT功能层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成顶电极；(f)PI基底的制备步骤在所述底电极上旋涂PI溶液，固化坚膜后进行亚胺化，由此形成PI基底；(g)微流道空腔基底的制备步骤在硅片上，采用软光刻技术制备出含有微流道和空腔的柔性基底，经过表面改性技术处理后，该柔性基底与所述PI基底通过键合胶水热压键合，并构成包含微流道和空腔的密封柔性基底；(h)封装层的制备步骤去除所述PZT牺牲层，然后对所述顶电极进行旋涂PI封装，再通过RIE刻蚀技术或者湿法刻蚀技术露出器件的引脚；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列，其特征在于，该柔性压力传感器阵列的整体厚度不超过50μm，它从外到内依次包括封装层(1)、顶电极(2)、PZT压电薄膜层(3)、底电极(4)、PI基底(5)和微流道空腔基底(6)，其中：所述顶电极(2)、底电极(4)均被设计为蜿蜒的导线互联结构，它们分别布置在所述PZT压电薄膜层(3)的外、内两侧，并且当压力作用于所述柔性压力传感器阵列的表面进行测量时，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，同时通过导线引出形成测量电压；所述封装层(1)、PI基底(5)则分别用于将所述顶电极、底电极予以包裹封装；所述微流道空腔基底(6)为在硅片上加工出含有微流道结构(7)和多个空腔(8)的柔性层状构造，并通过键合处理与其相邻一侧的所述PI基底(5)相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域，其中该微流道结构(7)用于将多个所述空腔结构彼此连通起来，然后通过微流道入口处的阀门(9)与外部气源可控相连；以此方式，可为整个柔性压力传感器阵列在整个压力测量过程中提供一个稳定的参考压力，进而提高测量灵敏度和可靠性，同时通过所述阀门来自由调节所述微流道空腔基底所提供的参考压力值。...

【技术特征摘要】
1.一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列，其特征在于，该柔性压力传感器阵列的整体厚度不超过50μm，它从外到内依次包括封装层(1)、顶电极(2)、PZT压电薄膜层(3)、底电极(4)、PI基底(5)和微流道空腔基底(6)，其中：所述顶电极(2)、底电极(4)均被设计为蜿蜒的导线互联结构，它们分别布置在所述PZT压电薄膜层(3)的外、内两侧，并且当压力作用于所述柔性压力传感器阵列的表面进行测量时，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，同时通过导线引出形成测量电压；所述封装层(1)、PI基底(5)则分别用于将所述顶电极、底电极予以包裹封装；所述微流道空腔基底(6)为在硅片上加工出含有微流道结构(7)和多个空腔(8)的柔性层状构造，并通过键合处理与其相邻一侧的所述PI基底(5)相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域，其中该微流道结构(7)用于将多个所述空腔结构彼此连通起来，然后通过微流道入口处的阀门(9)与外部气源可控相连；以此方式，可为整个柔性压力传感器阵列在整个压力测量过程中提供一个稳定的参考压力，进而提高测量灵敏度和可靠性，同时通过所述阀门来自由调节所述微流道空腔基底所提供的参考压力值。2.如权利要求1所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，对于所述顶电极和底电极而言，其优选设计为自相似蜿蜒结构和岛桥结构。3.如权利要求2所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，对于所述顶电极和底电极而言，其优选设计为n﹡n的行列扫描式电极结构，并且仅通过两根引线和选通芯片电路来完成所有的信号采集。4.如权利要求1-3任意一项所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，对于所述微流道结构(7)和多个空腔(8)而言，其优选采用软光刻工艺在所述硅片上制成模具，再采用PI材料旋涂浇筑而成。5.如权利要求1-4任意一项所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，上述柔性压力传感器阵列可直接贴附于复杂曲面的表面，并且不用打孔和布线。6.如权利要求1-5...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永安，朱臣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42