水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法。该电子感知皮肤包括柔性压电复合材料、电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层以及防水透声层；采用切割‑灌注工艺制备大尺寸柔性压电复合材料，利用压电相的纵向伸缩模态实现振动能量和电能之间的高效率转化，从而提高接收灵敏度；利用聚合物相来实现感知皮肤的柔性，其贴附于水下无人航行器的外表面可有效节省航行器内部空间；通过压电相与聚合物相的比例可降低复合材料密度；在边缘设计柔性拉链连接结构可以便利地拼接，实现对航行器表面的全覆盖，达到全方位探测的目的；压电复合材料所具有的有源特性使得感知皮肤在无外部供电的条件下即可感知外界信息，满足了低能耗甚至零能耗的需求。

Electronic sensing skin of underwater vehicle acoustic information and its preparation

The invention relates to an underwater vehicle acoustic information electronic sensing skin and a preparation method thereof. The electronic sensing skin includes flexible piezoelectric composite, electrode, flexible film circuit, flexible matching layer and waterproof and sound permeable layer; the large-scale flexible piezoelectric composite is prepared by cutting \u2011 pouring process, and the high-efficiency conversion between vibration energy and electric energy is realized by using the longitudinal expansion mode of piezoelectric phase, so as to improve the receiving sensitivity; the sensing skin is realized by using polymer phase The skin's flexibility, which is attached to the outer surface of the AUV, can effectively save the internal space of the AUV; the density of composite materials can be reduced by the proportion of piezoelectric phase and polymer phase; the flexible zipper connection structure designed at the edge can be easily spliced to realize the full coverage of the surface of the AUV and achieve the purpose of all-round detection; the active characteristics of piezoelectric composite materials make The sensing skin can perceive external information without external power supply, which meets the needs of low energy consumption or even zero energy consumption.

【技术实现步骤摘要】
水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法
本专利技术属于水声换能器技术、压电器件
，具体涉及一种水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法。
技术介绍
电子皮肤是一种可以让机器人产生触觉的系统，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。比如美国麻省理工学院的技术人员研发而成了一种电子皮肤，该项技术关键在于使用了一种QCT的复合材料。其它类似专利技术还有日本和飞利浦公司研制的电子皮肤，国内清华大学使用石墨烯材料制备了电子皮肤，可探测呼吸心率等生理信号。这种概念的电子皮肤尚未涉及到水下声信息感知领域。水下声信息的“感知皮肤”目前国内外并未见相关报道。针对水下无人航行器对水下声探测的需求，研制具有质量轻、体积小(节省空间)、全方位探测以及低功耗能力的“感知皮肤”，从而研制出新型的水声换能器，具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种水下航行器声信息电子感知皮肤，包括柔性压电复合材料层；所述柔性压电复合材料层的两侧分别依次设有电极、柔性薄膜电路以及防水透声层；所述柔性薄膜电路作为所述电极的引线结构，所述柔性压电复合材料层的至少一侧的柔性薄膜电路和防水透声层之间设有柔性匹配层。进一步地，所述柔性压电复合材料包括压电相和聚合物相。进一步地，所述电极采用丝网印刷低温固化银胶的工艺制备，所述银胶的主要成分包括：a)树脂基底的分子结构，其分子两端含有活性很高的环氧基；b)乙二胺；c)四乙烯五胺，其分子结构含有伯胺，伯胺中的活泼氢与树脂基底的环氧基按加成聚合的方式进行反应，形成固化结构；d)三乙醇胺，在固化反应中起催化作用。进一步地，所述柔性薄膜电路包括高弹性的基材薄膜和位于所述基材薄膜上的导电线路，所述导电线路上设有周期性排列的导电触盘，所述导电触盘之间的连接线采用可伸缩的弹性结构；所述导电触盘与电极面牢固粘接。进一步地，所述柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式。进一步地，在所述水下航行器声信息电子感知皮肤的边缘设置柔性拉链连接结构，以便于拼接。一种制备上述水下航行器声信息感知皮肤的方法，包括以下步骤：1)采用切割-灌注工艺制备柔性压电复合材料；2)在柔性压电复合材料上，采用丝网印刷低温固化银胶的工艺制备柔性复合材料电极；3)制备引线结构即柔性薄膜电路，并将其对位固定在柔性压电复合材料的电极上；4)制备柔性匹配层，并将其对位固定在柔性薄膜电路上；5)在柔性压电复合材料、电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层的外部制备防水透声层。进一步地，步骤3)将柔性薄膜电路贴覆于柔性压电复合材料的正负电极面；所述柔性薄膜电路包括高弹性的基材薄膜和位于所述基材薄膜上的导电线路，所述导电线路上设有周期性排列的导电触盘，所述导电触盘之间的连接线采用可伸缩的弹性结构；所述导电触盘与电极面牢固粘接。进一步地，步骤4)所述柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式，其制备步骤包括：a)采用环氧树脂和铝粉的混合物，固化成型后得到匹配层基体；b)沿纵横切割匹配层基体，形成阵列，同时保留部分基底；c)在切割形成的缝隙中填充柔性聚合物并固化成型；d)在反面切割匹配层基体，形成由柔性聚合物连接的梯形匹配层阵列。。一种水下航行器，其包含贴附于表面的上面所述的水下航行器声信息电子感知皮肤。本专利技术的主要创新点及有益效果如下：1.突破传统压电换能器厚、重、大的限制，“感知皮肤”换能器采用全柔性设计，最终实现了换能器整体的柔性。2.在复合材料中引入柔性梯形匹配层。即能通过类似1-3型复合材料的结构设计实现了柔性，又能应用梯形匹配层的应力放大效应提高换能器接收电压灵敏度。3.创新性的在换能器结构中引入拉链结构，实现换能器间的简易柔性连接。为换能器阵列排布方式提供了新思路。附图说明图1是电子感知皮肤的结构示意图。图2是实施例的总体研究方案示意图。图3是柔性复合材料制备工艺流程图。图4是银胶主要成分分子图。图5是柔性薄膜电路结构图。图6是梯形匹配层柔性阵列制备工艺流程图。图7是电子感知皮肤的整体制备流程图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术首次提出了水下声信息“感知皮肤”这一概念，目前国内外并未见相关报道。该概念是从“电子皮肤”概念引申到水下应用的。本专利技术研制的“感知皮肤”将质量轻、节省空间、可全方位探测和能耗低作为研究方向，研制新型水声换能器。本专利技术针对水下无人航行器对水下声探测的需求，研制具有质量轻、体积小、全方位探测以及低功耗能力的“感知皮肤”。基于柔性压电复合材料制备工艺研制具有大面积、轻薄且柔软特性的“感知皮肤”敏感材料。突破现有换能器的限制，针对柔性换能器结构设计、柔性压电复合材料成型及柔性电极引出工艺的关键技术开展攻关，完成大面积柔性换能器的研发。本专利技术研制的“感知皮肤”如图1所示，以柔性压电复合材料作为核心敏感元件，主要包括柔性压电复合材料、电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层以及防水透声层五部分。采用切割-灌注工艺制备大尺寸柔性压电复合材料，实现“感知皮肤”质量轻、节省空间、可全方位探测和能耗低的优点。利用压电复合材料中压电柱的纵向伸缩模态实现振动能量和电能之间的高效率转化，从而提高“感知皮肤”的接收灵敏度；利用压电复合材料中聚合物相的柔性来实现皮肤的柔性，其贴附于水下无人航行器的外表面可有效节省航行器内部空间；通过调控压电复合材料中压电相与聚合物相的比例，可降低复合材料密度，实现质量轻的特点；在“感知皮肤”边缘设计柔性拉链连接结构，使其可以便利的拼接，实现对航行器表面的全覆盖，进而达到全方位探测的目的；另外，压电复合材料所具有的有源特性(压电特性)，可使感知皮肤在无外部供电的条件下即可感知外界信息，满足了低能耗，甚至零能耗的需求。图1中，柔性压电复合材料的两侧可以是对称结构，即柔性压电复合材料层的两侧分别依次设有电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层以及防水透声层。也可以是单独一侧有柔性匹配层，另一侧没有柔性匹配层。本专利技术的总体研究方案如图2所示，包括五部分：柔性压电复合材料设计与制备，柔性电极引线设计与制备，柔性匹配层设计与制备以及柔性“感知皮肤”研制，最后进行“感知皮肤”性能测试。首先，设计柔性压电复合材料的结构，通过理论分析建立复合材料的振动频率方程及机电耦合系数等参数随体积百分比、材料参数的计算模型，计算复合材料的性能参数，并应用有限元方法仿真优化结构；研究柔性压电复合材料的制备工艺流程，按照优化的结构参数制备复合材料。其次，根据“感知皮肤”对柔性的要求，设计电极引线方案，采用改进的柔性印刷电路方式引出正负电极。再次，突破现行硬性匹配层制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，包括柔性压电复合材料层；所述柔性压电复合材料层的两侧分别依次设有电极、柔性薄膜电路以及防水透声层；所述柔性薄膜电路作为所述电极的引线结构，所述柔性压电复合材料层的至少一侧的柔性薄膜电路和防水透声层之间设有柔性匹配层。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，包括柔性压电复合材料层；所述柔性压电复合材料层的两侧分别依次设有电极、柔性薄膜电路以及防水透声层；所述柔性薄膜电路作为所述电极的引线结构，所述柔性压电复合材料层的至少一侧的柔性薄膜电路和防水透声层之间设有柔性匹配层。


2.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述柔性压电复合材料包括压电相和聚合物相。


3.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述电极采用丝网印刷低温固化银胶的工艺制备，所述银胶的主要成分包括：a)树脂基底的分子结构，其分子两端含有活性很高的环氧基；b)乙二胺；c)四乙烯五胺，其分子结构含有伯胺，伯胺中的活泼氢与树脂基底的环氧基按加成聚合的方式进行反应，形成固化结构；d)三乙醇胺，在固化反应中起催化作用。


4.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述柔性薄膜电路包括高弹性的基材薄膜和位于所述基材薄膜上的导电线路，所述导电线路上设有周期性排列的导电触盘，所述导电触盘之间的连接线采用可伸缩的弹性结构；所述导电触盘与电极面牢固粘接。


5.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式。


6.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，在边缘设置柔性拉链连接结构，以便于拼接。...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦雷，仲超，王丽坤，谷传欣，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11