本發(fā)明涉及柔性薄膜壓力傳感器，具體是一種適用于超重力離心環(huán)境下的柔性薄膜壓力傳感器。

背景技術(shù)：

1、超重力增大了物質(zhì)的體積力和多項介質(zhì)相間相對運動的驅(qū)動力，因此超重力離心模擬實驗技術(shù)成為研究多相介質(zhì)相互演變的革命性手段，進(jìn)而利用超重力技術(shù)可以聚焦巖體、土體、地質(zhì)體、合金熔體、生命體、化工材料等多相介質(zhì)為研究對象的多學(xué)科交叉融合領(lǐng)域。使用超重力場開展模型試驗可以提升人類觀測常重力大時空尺度多項介質(zhì)運動過程的能力同時提供加速度多項介質(zhì)相間分離的極端物理條件。超重力離心機(jī)利用高速旋轉(zhuǎn)在實驗艙室內(nèi)部產(chǎn)生ng的超重力場，利用縮尺作用(n1)、縮時作用(n2)以及強(qiáng)化能量作用(n3)，通過開展建設(shè)小型縮尺模型去反演大型重大工程的可靠性。

2、傳感器作為超重力模型實驗中的數(shù)據(jù)獲取的重要來源，高g值超重力環(huán)境下會引起傳感器敏感元件變形、高分子聚合物粘結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變或增大元件間的相互作用，進(jìn)而影響器件力電響應(yīng)過程，造成引起傳感器反饋數(shù)值產(chǎn)生較大誤差，最終導(dǎo)致超重力模型實驗不能很好的反映出真實的多相介質(zhì)演變的狀態(tài)。傳感器讀數(shù)失誤可能造成被測量物理量產(chǎn)生偏差，處于超重力環(huán)境下的航空航天設(shè)備因傳感器數(shù)值產(chǎn)生偏差嚴(yán)重時會發(fā)生爆炸等重大安全事故。

3、現(xiàn)有的柔性薄膜壓力傳感器大多采用聚偏氟乙烯(pvdf)材料制備壓電薄膜,pvdf薄膜在經(jīng)過極化后，或在使用過程中會出現(xiàn)因應(yīng)力釋放(超重力效應(yīng)會加速應(yīng)力釋放的進(jìn)程)，造成敏感單元發(fā)生褶皺的現(xiàn)象，影響柔性薄膜壓力傳感器的靈敏度，進(jìn)而造成不同環(huán)境下的靈敏度產(chǎn)生較大的差異，最終會導(dǎo)致柔性薄膜壓力傳感器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度大幅下降。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于超重力離心環(huán)境下的柔性薄膜壓力傳感器，通過設(shè)置聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜和柔性復(fù)合封裝層，有效的解決了壓電薄膜在超重力環(huán)境下出現(xiàn)褶皺的問題，保證柔性薄膜壓力傳感器測量的靈敏度和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種適用于超重力離心環(huán)境下的柔性薄膜壓力傳感器，包括有聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜、兩個金屬電極和柔性復(fù)合封裝層；

4、所述的聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜包括有聚偏氟乙烯基體和填充于聚偏氟乙烯基體內(nèi)呈網(wǎng)格線排列的多根碳納米線，聚偏氟乙烯基體包括有位于碳納米線正下方的下聚偏氟乙烯層和完全填充于碳納米線網(wǎng)格內(nèi)且位于碳納米線正上方的上聚偏氟乙烯層，所述的碳納米線的直徑和聚偏氟乙烯基體厚度的比值為0.1-0.15，下聚偏氟乙烯層和上聚偏氟乙烯層的厚度比值為1-1.5；

5、所述的兩個金屬電極分別固定于聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的兩面且相互重疊，聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜位于兩個金屬電極之間的區(qū)域為極化區(qū)域；

6、所述的柔性復(fù)合封裝層為雙層結(jié)構(gòu)，雙層柔性復(fù)合封裝層分別粘接于聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的兩面，且雙層柔性復(fù)合封裝層的邊緣部均伸出到聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜外且相互粘接固定，使得聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜完全包覆于雙層的柔性復(fù)合封裝層中；

7、每層柔性復(fù)合封裝層均是由從上至下疊置的上二甲基硅氧烷層、氮化硅薄膜、鍺銻碲薄膜、下聚二甲基硅氧烷層復(fù)合而成，所述的鍺銻碲薄膜為雙層結(jié)構(gòu)，上層鍺銻碲薄膜和下層鍺銻碲薄膜均是由多個鍺銻碲塊組成，上層鍺銻碲薄膜和下層鍺銻碲薄膜形成網(wǎng)格狀交叉分布結(jié)構(gòu)，即上層鍺銻碲薄膜中任意相鄰的兩個鍺銻碲塊之間的區(qū)域與下層鍺銻碲薄膜中的一個鍺銻碲塊完全重疊，下層鍺銻碲薄膜延伸并包覆于下聚二甲基硅氧烷層中，使得下層鍺銻碲薄膜中任意相鄰的兩個鍺銻碲塊之間填充有聚二甲基硅氧烷，上層鍺銻碲薄膜中任意相鄰的兩個鍺銻碲塊之間的區(qū)域為中空結(jié)構(gòu)，每層柔性復(fù)合封裝層中下聚二甲基硅氧烷層的底面粘接于聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的表面上，雙層的柔性復(fù)合封裝層中下聚二甲基硅氧烷層底面的邊緣部相互粘接固定。

8、所述的聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的制備方法具體包括有以下步驟：

9、s11、稱取聚偏氟乙烯粉末，并將其倒入容器中，同時加入n-甲基吡咯烷酮溶劑混合均勻，配置得到聚偏氟乙烯鑄膜溶液；

10、s12、將潔凈的底板放入溶液槽的槽底處，將配置好的聚偏氟乙烯鑄膜溶液倒入底板上，并使其均勻附著在底板的頂面上，然后將溶液槽放入低溫恒溫環(huán)境中靜置一定時間后，取出并置于蒸發(fā)臺上，在室溫22-28℃的環(huán)境下靜止若干小時后，使得聚偏氟乙烯鑄膜溶液充分凝固于底板上，形成聚偏氟乙烯薄膜，最后將底板連同其上的聚偏氟乙烯薄膜從溶液槽中取出；

11、s13、將底板上凝固的聚偏氟乙烯薄膜進(jìn)行激光切割，使得底板上形成多個呈矩陣排列的聚偏氟乙烯塊，每個聚偏氟乙烯塊的橫截面均為正方形，邊長為l1，聚偏氟乙烯塊的厚度為m1，金屬電極的直徑為d，l1的長度滿足下式(1)：

12、l1＝k1×d????(1)；

13、式(1)中，k1的取值范圍為0.0021-0.0045；

14、s14、將多根橫縱延伸的碳納米線拉直后均勻地粘貼在多個聚偏氟乙烯塊上，使得多個碳納米線形成網(wǎng)格線排布結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格線的每個交叉點位于對應(yīng)的一個聚偏氟乙烯塊上；

15、s15、將粘貼完碳納米線的底板再次放入溶液槽中，將新的聚偏氟乙烯鑄膜溶液再次倒入溶液槽中，使其完全覆蓋碳納米線和多個聚偏氟乙烯塊，然后將溶液槽放入低溫恒溫環(huán)境中靜置一定時間后，取出并置于蒸發(fā)臺上，在室溫22-28℃的環(huán)境下靜止若干小時后，使得聚偏氟乙烯鑄膜溶液充分凝固于底板上，形成聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜，聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜中碳納米線正下方的下聚偏氟乙烯層與聚偏氟乙烯塊厚度一致，均為m1，碳納米線的直徑為m2,完全填充于碳納米線網(wǎng)格內(nèi)且位于碳納米線正上方的上聚偏氟乙烯層其厚度為m3，聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的厚度m4為10-50μm，m1、m2和m3三者的比值為10-25:4:15-30。

16、所述的金屬電極是先在聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜表面的極化區(qū)域鍍鉻膜，然后在鉻膜上濺射金屬層，制得金屬電極，然后將兩個極化壓頭分別朝向兩個金屬電極，對兩個金屬電極之間聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的極化區(qū)域進(jìn)行極化處理，極化完成后，再采用兩個去極化壓頭進(jìn)行反向低壓極化，即兩個去極化壓頭分別沿著金屬電極的輪廓線進(jìn)行移動實現(xiàn)去極化處理，來消除邊緣光暈；其中，去極化壓頭與極化壓頭的結(jié)構(gòu)和材料一致，極化壓頭的直徑與金屬電極直徑d的比值為1.05-1.2，去極化壓頭與金屬電極直徑d的比值為0.1-0.2。

17、所述的聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的極化區(qū)域其壓電系數(shù)d33滿足下式(2)：

18、

19、式(2)中，di表示在i方向上產(chǎn)生的電位移，i取值為1-3的整數(shù)；tj表示j方向作用力受到的應(yīng)力，j取值為1-6的整數(shù)；dij為壓電系數(shù)，i表示電荷產(chǎn)生的方向，j表示作用力的方向；n為超重力環(huán)目標(biāo)數(shù)值，為無量綱參數(shù)；εj為產(chǎn)生電荷方向的調(diào)節(jié)系數(shù)，為無量綱參數(shù)。

20、所述的極化后的聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜進(jìn)行切割處理，使得聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的矩形環(huán)邊緣部僅保留碳納米線部分，兩個金屬電極上分別引出第一電極線和第二電極線，第一電極線和第二電極線從偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的其中一寬邊引出，并將偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜引出電極線的一寬邊邊緣部上的碳納米線部分去除，然后粘接雙層的柔性復(fù)合封裝層，聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜另外三個邊邊緣部的碳納米線完全包覆粘接于雙層的柔性復(fù)合封裝層中，聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜除去邊緣部的碳納米線部分后，剩余的聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜其縱向中軸線與柔性復(fù)合封裝層的縱向中軸線重疊，剩余的聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜其寬度為l2，柔性復(fù)合封裝層的寬度為l3，l2和l3的取值滿足下式(3)和式(4)；

21、l2＝k2×d????(3)；

22、l3＝k3×l2????(4)；

23、式(3)和式(4)中，d表示金屬電極的直徑，k2的取值為2.15-4.65；

24、k3的取值為1.02-1.05。

25、所述的柔性復(fù)合封裝層的制備方法，具體包括有以下步驟：

26、s31、首先在鍺銻碲薄膜的底面上制作下聚二甲基硅氧烷層，鍺銻碲薄膜和下聚二甲基硅氧烷層的厚度一致；

27、s32、對鍺銻碲薄膜的頂面進(jìn)行多次的壓痕處理，使得下聚二甲基硅氧烷層的底面形成多個網(wǎng)格狀排列的凹槽，放置一段時間后，下聚二甲基硅氧烷層的底面重新回彈至平面結(jié)構(gòu)，鍺銻碲薄膜形成雙層結(jié)構(gòu)；

28、s33、在鍺銻碲薄膜的頂面粘接一層氮化硅薄膜，然后在氮化硅薄膜的頂面粘接一層上聚二甲基硅氧烷層，即得到柔性復(fù)合封裝層。

29、所述的上層鍺銻碲薄膜中任意相鄰兩個鍺銻碲塊之間的距離均為k5,下層鍺銻碲薄膜任意相鄰兩個鍺銻碲塊之間的距離均為k4,k4的取值滿足下式(5)，k5的取值滿足下式(6)：

30、l4＝k4×d????(5)；

31、l5＝k5×l4????(6)；

32、式(5)和式(6)中，d表示金屬電極的直徑，超重力離心機(jī)目標(biāo)加速度數(shù)值為100g的情況下，k4的取值為0.721-0.956，k5的取值為0.921-1.123。

33、所述的雙層的柔性復(fù)合封裝層的外表面上均粘接固定有超表面介質(zhì)層，兩個超表面介質(zhì)均與聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的極化區(qū)域同圓心，兩個超表面介質(zhì)均完全覆蓋聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的極化區(qū)域且相互重疊，兩個超表面介質(zhì)的直徑均為d2，兩個超表面介質(zhì)的厚度均為m5，d2和m4的取值分別滿足下式(7)和式(8)：

34、d2＝k6×d????(7)；

35、m5＝k7×m4????(8)；

36、式(7)和式(8)中，d表示金屬電極的直徑，m4為聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜的厚度，k6的取值為1.45-1.67，k7的取值為1.25-1.41。

37、當(dāng)所述的柔性薄膜壓力傳感器置于非連續(xù)介質(zhì)中使用時，所述的超表面介質(zhì)為親水材料制成。

38、當(dāng)所述的柔性薄膜壓力傳感器置于連續(xù)介質(zhì)中使用時，所述的超表面介質(zhì)為超疏水材料制成。

39、本發(fā)明的優(yōu)點：

40、(1)、本發(fā)明的聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜中復(fù)合有呈網(wǎng)格線排列的碳納米線，碳納米線是由碳納米管組成的宏觀組裝體，碳納米線的強(qiáng)度高于8.8gpa模量，拉伸模量可以大于300gpa，因此通過在pvdf薄膜中增加碳納米線，可以有效的提升pvdf薄膜的強(qiáng)度，有效的解決pvdf薄膜在經(jīng)過極化后出現(xiàn)殘余應(yīng)力釋放的問題，進(jìn)一步的提升了pvdf薄膜抗褶皺的能力，提升了柔性薄膜壓力傳感器測量的精準(zhǔn)度。

41、(2)、超重力環(huán)境下的尺寸放大效應(yīng)，100g環(huán)境下土工試驗，傳感器的直徑相當(dāng)于放大了100倍，因此本發(fā)明僅對聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜金屬電極之間的部分進(jìn)行局部極化處理，同時為了獲得具有清晰邊界的壓電單元，并結(jié)合交流極化下壓電常數(shù)為零的方法，使用去極化壓頭引入反向低壓極化來消除邊緣光暈，使得壓電薄膜(聚偏氟乙烯納米線復(fù)合薄膜)的測量更加精準(zhǔn)。

42、(3)、本發(fā)明通過融合超重力環(huán)目標(biāo)數(shù)值和產(chǎn)生電荷方向的調(diào)節(jié)系數(shù)來計算壓電系數(shù)d33，使得柔性薄膜壓力傳感器可在常重力環(huán)境下完成超重力環(huán)境下的測試，評價壓電薄膜的極化程度，通過計算超重力環(huán)境下的壓電系數(shù)d33的最小數(shù)值，根據(jù)這個數(shù)值來控制極化過程中的電場強(qiáng)度、溫度和時間，確保極化后的壓電薄膜達(dá)到最低設(shè)計d33數(shù)值。

43、(4)、pvdf材料制成的傳感器靈敏度會受到溫度場的顯著影響，當(dāng)應(yīng)用在超重力試驗中，會受到兩方面的影響：一方面是離心機(jī)機(jī)器高速旋轉(zhuǎn)造成離心機(jī)艙室內(nèi)部環(huán)境溫度無差異化升高，另一方面是實驗中某種變量造成環(huán)境溫度瞬間上升，比如超重力爆炸試驗，爆炸瞬間產(chǎn)生高溫造成傳感器靈敏度系數(shù)產(chǎn)生漂移，所以本發(fā)明公開的柔性復(fù)合封裝層是由上二甲基硅氧烷層、氮化硅薄膜、鍺銻碲薄膜、下聚二甲基硅氧烷層復(fù)合而成，且鍺銻碲薄膜中形成中空結(jié)構(gòu)，由于氮化硅薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)較高，因此氮化硅薄膜可吸收測量介質(zhì)環(huán)境內(nèi)部的溫度，并迅速在氮化硅薄膜內(nèi)部擴(kuò)散，避免升溫點集中，鍺銻碲薄膜中的中空空腔可用于存儲并阻攔一定的熱能量，且鍺銻碲薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)極低，避免熱量進(jìn)一步傳輸給pvdf薄膜，使得柔性復(fù)合封裝層具有很好的隔熱效果，柔性薄膜壓力傳感器不會受到超重力離心機(jī)器自身運轉(zhuǎn)以及涉及熱量變化較大試驗的影響，保證測量的靈敏度和準(zhǔn)確度。

44、(5)、本發(fā)明在柔性復(fù)合封裝層外表面上的敏感單元(覆蓋極化區(qū)域)處粘接固定有超表面介質(zhì)層，且根據(jù)在非連續(xù)介質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)中使用的兩種情況，選用不用的材料制成超表面介質(zhì)層，當(dāng)性薄膜傳感器置于非連續(xù)介質(zhì)中使用時，超表面介質(zhì)為親水材料制成，是由于親水材料可吸附非連續(xù)介質(zhì)(砂土)中的水分，將其吸附在超表面介質(zhì)層的表面，進(jìn)而可以使得傳感器在承受砂土的沖擊荷載時，受力面積更加均勻，使得測量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；當(dāng)柔性薄膜壓力傳感器置于連續(xù)介質(zhì)中使用時，超表面介質(zhì)為超疏水材料制成，是由于在連續(xù)介質(zhì)(水)中，爆炸試驗中產(chǎn)生的氣泡會沖擊到傳感器表面上，超疏水材料的表面可以迅速吸附氣泡，從而將傳感器表面上的水向四周擠壓，因此可以很好的獲得氣泡沖擊傳感器的響應(yīng)情況。