本發(fā)明涉及航空航天飛行器氣壓傳感器，并且更具體地，涉及一種柔性氣壓傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在飛行器表面實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵氣壓信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)于確保飛行器正常工作的安全性與可靠性至關(guān)重要。飛行器表面壓力信號(hào)是飛行控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要輸入保障，是充分發(fā)揮飛行器機(jī)動(dòng)性能、確保飛行安全的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的壓力信號(hào)監(jiān)測具有重要意義。柔性氣壓傳感器是采用傳感電路共形集成技術(shù)，將傳統(tǒng)的硬質(zhì)壓力芯片支持電路在復(fù)雜幾何型面實(shí)現(xiàn)共形貼附，并保持原有型面的新型傳感器，可以在保持傳感器原有高性能的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。

2、目前較為通用的柔性氣壓傳感器類型為壓阻型壓力傳感器，具有靈敏度高、測量范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。壓阻型傳感器主要由三部分組成，分別為真空腔體、壓敏電阻和應(yīng)力薄膜，可以將外界壓力刺激下應(yīng)力薄膜變形帶來的電壓變化，計(jì)算得到壓敏電阻的阻值變化，進(jìn)而測得外界壓力刺激信號(hào)的數(shù)值。

3、目前大多數(shù)柔性壓阻壓力傳感器，多采用旋轉(zhuǎn)涂層、光刻、真空沉積和干/濕蝕刻等工藝制備形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，依賴于昂貴且復(fù)雜的制造工藝。并且柔性壓阻壓力傳感器目前多采用聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷以及聚酯等材料作為襯底或封裝層部分，這些結(jié)構(gòu)組份多為水凝膠類結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差且散熱性能不良，無法適用于飛行器監(jiān)測時(shí)所處的惡劣工作環(huán)境。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種柔性氣壓傳感器及其制備方法和應(yīng)用。解決用于飛行器壓力信號(hào)監(jiān)測的柔性氣壓傳感器制備工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差以及散熱困難等問題。

2、在本發(fā)明的第一方面，提供了一種柔性氣壓傳感器，該柔性氣壓傳感器在襯底層之上依次設(shè)置了叉指電極、導(dǎo)電層和封裝層；所述襯底層和封裝層為石蠟/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料制備而成。

3、進(jìn)一步，所述叉指電極為叉指鉑電極、叉指銀電極或叉指鐵電極。

4、進(jìn)一步，所述導(dǎo)電層為mxene多孔纖維、石墨烯或金屬。

5、在本發(fā)明的第二方面，提供了一種如上述第一方面的柔性氣壓傳感器的制備方法。該方法包括：

6、s1、將聚二甲基硅氧烷和石蠟在50℃～90℃下充分混合，再加硅烷偶聯(lián)劑攪拌混合均勻，得到石蠟/聚二甲基硅氧烷混合物，再將其倒在平面上，干燥后制備成石蠟/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料；

7、s2、將石蠟/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料在-40℃至-50℃低溫放置約0.5h-1h后，再在導(dǎo)電材質(zhì)分散液中浸泡10s-20s后，置于真空干燥室中退火，使水分完全蒸發(fā)，得到導(dǎo)電層和封裝層；

8、s3、以石蠟/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料為襯底層，在上面制備叉指電極，兩個(gè)銅箔通過鉑膏附著在電極的兩端；

9、s4、最后將步驟s2的導(dǎo)電層和封裝層放置在叉指電極的中心后，封裝整個(gè)結(jié)構(gòu)，得到柔性氣壓傳感器。

10、進(jìn)一步，所述導(dǎo)電材質(zhì)分散液為mxene多孔纖維電解質(zhì)、石墨烯或金屬。

11、進(jìn)一步，所述叉指電極的材質(zhì)為鉑、銀或鐵。進(jìn)一步，所述硅烷偶聯(lián)劑選自乙烯基硅烷、氨基硅烷、環(huán)氧基硅烷、巰基硅烷或甲基丙烯酰氧基硅烷中的一種或多種。

12、進(jìn)一步所述的制備方法，石蠟和聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量比不低于1：9，硅烷偶聯(lián)劑加入的量與聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量比不低于1：10。

13、進(jìn)一步所述的制備方法，石蠟和聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量比為3：7。

14、進(jìn)一步，導(dǎo)電材質(zhì)分散液濃度為0.5mg/ml-1.0mg/ml。

15、進(jìn)一步，導(dǎo)電材質(zhì)分散液濃度為0.6mg/ml。

16、進(jìn)一步，所述導(dǎo)電材質(zhì)為mxene多孔纖維電解質(zhì)，mxene多孔纖維電解質(zhì)的制備方法為：

17、(1)將lif加入9m?hcl中攪拌，再加入ti3alc2，在35℃下連續(xù)攪拌24h以上；將最終反應(yīng)混合物用去離子水洗滌多次，離心，直到上清液ph值6-7；

18、(2)然后將ti3c2tx與未蝕刻的ti3alc2分離，隨后進(jìn)行真空過濾，得到最終的ti3c2tx粉末；再將ti3c2tx粉末加入到去離子水中，超聲，得脫層ti3c2tx分散液。

19、進(jìn)一步，還包括將脫層ti3c2tx分散液離心，去除多層聚集體，得到上清液為mxene分散液。

20、進(jìn)一步，s2退火具體為在30℃-50℃真空干燥室中退火40-60分鐘。

21、進(jìn)一步，s3中叉指電極的寬度為0.8mm±0.1mm，間距為0.6mm±0.1mm。

22、在本發(fā)明的第三方面，提供了一種柔性陣列氣壓傳感器，包括若干個(gè)按陣列布局的如上述第一方面所述的柔性氣壓傳感器；所述按陣列布局為將若干個(gè)柔性氣壓傳感器按矩形陣列、蜂窩或不規(guī)則多邊形布局。

23、在本發(fā)明的第四方面，提供了一種如上述第一方面的柔性氣壓傳感器在監(jiān)測飛行器中的應(yīng)用。

24、本申請(qǐng)中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

25、本發(fā)明提供的柔性氣壓傳感器采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以研究的石蠟/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料作為柔性氣壓傳感器的封裝層和襯底層結(jié)構(gòu)，并在其間夾入多孔纖維結(jié)構(gòu)的mxene作為導(dǎo)電介質(zhì)，叉指電極通過絲網(wǎng)印刷制備在襯底層上，制備方法簡單。相比于傳統(tǒng)的柔性水凝膠襯底具有更佳的穩(wěn)定性和散熱性能，從而使得測量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。通過石蠟硬質(zhì)顆粒的加入實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷材料的力學(xué)強(qiáng)度提升，拉伸率達(dá)到30％-50％。當(dāng)溫度升高達(dá)到石蠟的熔點(diǎn)時(shí)，復(fù)合材料中的石蠟顆粒會(huì)發(fā)生相變吸熱從而調(diào)控器件的整體散熱性能。將叉指電極夾于封裝層和襯底層之間的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得柔性氣壓傳感器具有高靈敏度、寬壓力范圍和快速響應(yīng)/恢復(fù)能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示本發(fā)明提供的柔性氣壓傳感器在被測目標(biāo)的特殊部位實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的壓力測量，具有509.5kpa-1-600kpa-1的靈敏度指標(biāo)、最小檢測限度為1pa以及0kpa～100kpa的測量范圍，經(jīng)測試，在10000次的裝卸循環(huán)中穩(wěn)定性達(dá)到90％以上。應(yīng)當(dāng)理解，
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
部分中所描述的內(nèi)容并非旨在限定本發(fā)明的實(shí)施例的關(guān)鍵或重要特征，亦非用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的其它特征將通過以下的描述變得容易理解。

技術(shù)特征：

1.一種柔性氣壓傳感器，包括襯底層(1)，其特征在于，在所述襯底層(1)之上依次設(shè)置叉指電極(2)、導(dǎo)電層(4)和封裝層(5)；所述襯底層(1)和封裝層(5)為石蠟/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料制備而成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性氣壓傳感器，其特征在于：石蠟和聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量比不低于1：9。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性氣壓傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)電層為mxene多孔纖維、石墨烯或金屬。

4.一種柔性氣壓傳感器的制備方法，用于制備如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的柔性氣壓傳感器，其特征在于，所述制備方法包括:

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，導(dǎo)電材質(zhì)分散液濃度為0.5mg/ml-1.0mg/ml。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電材質(zhì)分散液為mxene多孔纖維電解質(zhì)，其制備方法為：

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述退火包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述叉指電極的寬度為0.8mm±0.1mm，間距為0.6mm±0.1mm。

9.一種柔性陣列氣壓傳感器，其特征在于，包括若干個(gè)按陣列布局的如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的柔性氣壓傳感器；所述按陣列布局為將若干個(gè)柔性氣壓傳感器按矩形陣列、蜂窩或不規(guī)則多邊形布局。

10.一種如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的柔性氣壓傳感器在監(jiān)測飛行器中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種柔性氣壓傳感器及其制備方法和應(yīng)用，涉及航空航天飛行器氣壓傳感器領(lǐng)域。所述柔性氣壓傳感器的制備方法包括采用石蠟/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料作為柔性氣壓傳感器的封裝層和襯底層結(jié)構(gòu)，并在其間夾入多孔纖維結(jié)構(gòu)的Mxene作為導(dǎo)電介質(zhì)。通過石蠟硬質(zhì)顆粒適當(dāng)?shù)谋壤尤雽?shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷材料的力學(xué)強(qiáng)度提升，同時(shí)，復(fù)合材料中的石蠟顆粒會(huì)發(fā)生相變吸熱從而調(diào)控器件的整體散熱性能。以此方式制備的柔性氣壓傳感器，可以在被測目標(biāo)的特殊部位實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的壓力測量，具有509.5kPa<supgt;?1</supgt;的靈敏度指標(biāo)、最小檢測限度為1Pa以及100kPa的測量范圍，經(jīng)測試，在10000次的裝卸循環(huán)中仍然具有較高的穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：李宇航,沈玉慶,李秀艷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：遼寧材料實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17