物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器及制作方法
阅读说明：本技术 物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器及制作方法 (High-sensitivity thin film sensor for measuring object surface shock wave and manufacturing method thereof ) 是由 范志强 何天明 张冰冰 郑航 胡敬坤 谭晓丽 于 2021-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于实验力学测试技术领域,具体是一种物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器及制作方法。包括压电膜元件和绝缘垫平层,绝缘垫平层中心位置设置有嵌入孔,压电膜元件嵌在嵌入孔内并与绝缘垫平层形成传感器芯层,传感器芯层的上下两侧为纤维聚合物电极,纤维聚合物电极与压电膜元件及绝缘垫平层通过纤维聚合物电极的表面粘性进行粘结固定,纤维聚合物电极的外侧设置绝缘保护层,上述结构共同构成薄膜结构,薄膜结构周向对称开设若干个法兰固定孔,薄膜结构通过法兰固定孔与法兰固定连接,法兰中部开设的法兰孔为压力加载区,法兰上设置有连接点封装端,连接点封装端内封装有引线连接点。(The invention belongs to the technical field of experimental mechanics testing, and particularly relates to a high-sensitivity thin film sensor for measuring surface shock waves of an object and a manufacturing method thereof. Including piezoelectric film element and insulating bedding level, insulating bedding level central point puts and is provided with the embedding hole, piezoelectric film element inlays in the embedding hole and forms the sensor sandwich layer with insulating bedding level, the upper and lower both sides of sensor sandwich layer are the fiber polymer electrode, the fiber polymer electrode bonds fixedly through the surface viscidity of fiber polymer electrode with piezoelectric film element and insulating bedding level, the outside of fiber polymer electrode sets up insulating protective layer, above-mentioned structure constitutes the film structure jointly, a plurality of flange fixed orifices is seted up to film structure circumference symmetry, the film structure passes through flange fixed orifices and flange fixed connection, the flange hole that the flange middle part was seted up is pressure loading district, be provided with tie point encapsulation end on the flange, the interior encapsulation of tie point encapsulation end is equipped with the lead wire tie point.)
技术领域
本发明属于实验力学测试
技术领域
，具体是一种物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器及制作方法。背景技术
以PVDF及其复合材料压电薄膜（以下简称压电薄膜）为敏感元件的薄膜式压力传感器具有频响宽、动态压力测试范围大、力电转换系数高、柔性和生物界面相容性好等优点，被广泛应用于结构表面、材料内部界面、生物体体表等位置的冲击压力测量。目前压电薄膜类压力计的制作主要采用夹芯式结构，即压电元件位于两片电极之间，两侧电极之间采用胶黏等方式进行粘合。设压电薄膜面内两个正交方向为1和2，面外法线为3方向，目前薄膜型压力计的主要测量原理是利用传感器面外受压应力f 33 与面外3方向电荷输出量q 3 之间的线性关系，通过检测面外3方向的输出电荷量对所受压力进行测量计算。当前研究表明，压电薄膜仅在101~103MPa压力范围内具有良好的力-电线性特征，在过高（≥103MPa）和过低（≤101MPa）的压力范围内则具有明显的非线性特性，不利于准确测量。
市面已存在压电薄膜型压力传感器主要用于幅值较高的动态应力波、冲击波的测量，而空中爆炸作用于柔软生物体表面或单兵装备上的冲击波压力一般为10-1~101MPa，作用时间仅为10-3~101ms，具有幅值低、加载速率高、非线性强等特征；利用传统压力计面外受冲击波压力测量，而对于空气冲击波等低压力，仅靠压电膜面外压缩产生电荷量过小，传感器灵敏度过小，信噪比和测量精确度过低。另外，空气冲击波在界面上入射/反射时存在空气可压缩等强非线性过程，反射规律较为复杂，结构表面的响应会在一定程度上影响与其粘连在一起的薄膜传感器的力-电响应，从而引入非测量的电荷输出，增大了输出的杂信比，且导致传感器灵敏度不稳定，力电响应线性度差。因此，当前该类压力传感器并不适用于背部柔软支撑、受压下快速变形结构表面的压力测量。如生物体表面的爆炸冲击波测量，背部支撑的迅速变形导致压电元件应力状态的变化和柔性挠曲将使得测量结果与真实情况产生较大偏差。因此，亟需改善薄膜压力计的结构和测量形式，提高传感器的力电响应灵敏度和测量信噪比。
发明内容
本发明为了解决传统压电薄膜压力计在低幅值（10-1~101MPa）爆炸冲击波测量时存在的灵敏度偏低、灵敏度不稳定、杂信比高等问题，提供一种适用于物体表面冲击波测量的薄膜传感器及制作方法。
本发明采取以下技术方案：一种物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器，包括压电膜元件和绝缘垫平层，绝缘垫平层中心位置设置有嵌入孔，压电膜元件嵌在嵌入孔内并与绝缘垫平层形成传感器芯层，传感器芯层的上下两侧为纤维聚合物电极，纤维聚合物电极与压电膜元件及绝缘垫平层通过纤维聚合物电极的表面粘性进行粘结固定，纤维聚合物电极的外侧设置绝缘保护层，上述结构共同构成薄膜结构，薄膜结构周向对称开设若干个法兰固定孔，薄膜结构通过法兰固定孔与法兰固定连接，法兰中部开设的法兰孔为压力加载区，法兰上设置有连接点封装端，连接点封装端内封装有引线连接点。
进一步的，法兰为橡胶类、树脂类柔性材料通过模具浇筑法制作，制作时先浇筑一定高度的底部法兰，待材料半固化时，将封装后的薄膜结构轻微粘贴于法兰表面，然后继续浇筑顶部法兰，待法兰全部固化，法兰的底面上涂覆有高粘性粘结层。
进一步的，薄膜结构位于法兰孔内的部分将法兰孔分为上下两部分，其中下方部分的法兰孔的高度不小于法兰孔半径的三分之一，传感器主要依靠法兰孔内薄膜结构的挠曲变形产生应力场和输出电荷量。不同于传统压力计仅通过面外受压使压电膜产生电荷量输出，经法兰架空、周向固支的薄膜结构在承受面外压力时，背部无支撑的薄膜结构产生显著的面外挠曲变形，压电膜面内两个正交方向产生较大的拉应力（一般比面外压力高一个数量级），导致更高的电荷量输出，且将压电膜内应力提升至该材料的力-电线性度较高的工作应力范围内。因此该结构能够在较低的面外压力作用下产生较多的电荷量，大大提高传感器的灵敏度以及力-电关系的线性度。另外，根据弹性理论可知，周向固支的薄膜结构在弹性小变形范围内，可通过调整薄膜材质、厚度、变形区域半径等参数调控薄膜结构的相应特性，从而调控传感器的力-电响应灵敏度。
进一步的，所述的纤维聚合物电极包括绝缘层、聚酯纤维和导电粘性聚合物，聚酯纤维上镀有导电性良好的金属镍和铜薄层，导电粘性聚合物具有较好的导电性能和自粘性，且浸润在聚酯纤维层内组成具有较强的粘结性和导电性的组合体，电极正面为聚酯纤维和粘性聚合物构成的复合体，背面为聚酰亚胺绝缘薄膜，纤维聚合物电极的表面电阻不大于0.1Ω/m2，在100MHz~3GHz范围内电磁屏蔽效能不低于80db。
进一步的，压电膜元件为压电高聚物及其复合材料薄膜。
进一步的，绝缘垫平层与压电膜元件材质和厚度相同但未经极化，不具有压电性质，绝缘垫平层上开设有与压电膜元件几何形状相同、尺寸略大的嵌入孔以供安装压电膜元件。
一种物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器的制作方法，包括以下步骤。
S1～提供极化后的PVDF及其复合材料压电薄膜，采用激光切割或冲孔的方式自整张压电薄膜上切割出圆形压电膜元件，边缘去除毛刺和氧化层，并采用酒精/丙酮浸泡清洗，去除杂质和因切割可能产生的短路区域。
S2～提供未极化的PVDF薄膜，切割出传感器形状，然后通过激光切割的方式开设嵌入孔，并在嵌入孔周边开设若干法兰安装小孔，裁剪开孔处理后的绝缘薄膜作为绝缘垫平层备用。
S3～提供导电性和电磁屏蔽效果良好的纤维聚合物电极，通过激光切割制作出传感器外形，在周向均匀开设小孔为后期安装至法兰中做准备，此法兰安装小孔的直径不小于绝缘垫平层上开设的小孔直径，将切割后边缘去除毛刺，去除杂质和因切割可能产生的短路区域，在纤维聚合物电极端部预留引线连接位置，纤维聚合物电极正面为裸露的纤维和粘性聚合物的复合体，该表面具有较强的粘结性和导电性，电极的背面为聚酰亚胺绝缘薄膜。
S4～将步骤S2所得绝缘垫平层与S3所得纤维聚合物电极完全粘合，绝缘垫平层和纤维聚合物电极上的法兰固定孔的圆心一一对齐，纤维聚合物电极上的电极区域通过芯层绝缘垫平层上所开的嵌入孔暴露出来，然后将步骤S1所得压电膜元件安装到嵌入孔，压电膜元件的下表面与底部电极直接接触实现粘性和电性连接，获得薄膜传感器芯层和底部电极的组合体。
S5～提供步骤S3获得的电极作为传感器的顶部电极层，将其与步骤S4获得的芯层和底部电极组合体转移至真空环境中，将顶部电极的正面与组合体的芯层面粘合，获得厚度方向结构对称的薄膜型传感器结构，通过一定的压制压力预压一段时间，促使传感器内部结构平整、紧密牢固压合，切割多余区域、连接外接引线，以形成薄膜结构的外形。
S6～提供法兰体的浇注模具，在真空环境下将橡胶或高聚物柔性封装材料浇注到模具中形成一定厚度的底部法兰备用，待底部法兰体固化时间达到完全固化时间的1/2时，将S5所得薄膜结构轻微黏贴于半固化法兰的上表面并调节位置。
S7～在S6获得的组合体表面安装顶部法兰体的浇注模具，继续在半固化的底部法兰表面浇注厚度柔性封装材料，形成顶部法兰，带柔性封装材料完全固化后，拆除模具，修饰传感器内外边缘获得传感器。
步骤S4和S5中，电极与绝缘垫平层粘合时，需控制双侧电极和芯层上的法兰安装小孔位置一一对应，电极上的安装小孔孔径略大于芯层小孔，保证安装后的薄膜结构在安装孔附近不存在短路连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.元件力-电耦合关系与传统方法不同，利用薄膜受压挠曲变形导致的较高的面内拉力使压电元件产生电荷量，提高了低压力作用下压电元件的电荷输出量，提高信噪比和灵敏度；设压电薄膜面内两个正交方向分别为1和2，面外方向3，实际测量时主要检测3方向的电荷量密度q 3 ，该电荷产生与三个方向的受力均有关系，三个方向作用力对应产生的电荷量密度呈线性关系，力电转换系数分别为d 31 、d 32 和d 33 ，设f 1 、f 2 和f 3 分别是三个方向承受的正应力，则压电膜元件在厚度方向上的电荷输出可表示为：q 3 =d 31 f 1 + d 32 f 2 + d 33 f 3 ，传统测量时仅考虑3方向的压力，因此输出电荷量为q 3 = d 33 f 3 。将薄膜结构采用法兰架空为周边固支的薄膜，受面外3方向上压力的作用导致薄膜弹性挠曲变形，考虑受力和变形区域是半径为r、厚度为h的均值圆形薄膜，则径向和切向的应力分别为：
其中μ为叠层传感器的等效泊松比，x为薄膜上的点到圆心的距离。因此可以计算，在薄膜中心处，面内应力与面外压力比值为，计算中取泊松比为0.3。一般薄膜结构的径厚比不小于10，因此面内应力为面外压力的101~102倍。此时传感器的输出为q 3 =d 31 f 1 + d 32 f 2 + d 33 f 3 ，其中f 1 ，f 2 在数值上至少高于f 3 一个数量级，因此产生的电荷量远远大于传统的仅采用面外受压产生的电荷量，传感器的灵敏度也必然显著提高。
2.本发明提供压力计内部结构平整，芯层厚度和材质均匀一致，消除了局部应力集中、芯层变形失谐导致的灵敏度不稳定问题；压力计在真空环境下压合，消除了内部封装间隙空气对低压力测量的影响。
3.本发明提供传感器所使用的所有材料均为柔性材料，体积和质量较小，可通过直接粘贴的方式安装于结构表面，与传统硬质传感器在结构表面的打孔安装不同，柔性安装的惯性小、对结构响应的影响可忽略不计，安装简便，应用范围广泛。
4.本发明采用纤维聚合物粘性电极，既能保证压电膜元件两侧电荷的顺利导出，又能够提高内部层间的粘合强度；电极内部采用纵横编织的聚酯纤维作为承受拉伸载荷的主体，具有线弹性好、强度高的优点，相比于金属电极层更适用于以面内拉伸变形为主的传感器结构。另外，纤维聚合物电极层能够提高传感器对压电元件的电磁屏蔽性能，提高信噪比。
5.本发明提供所有部件的构形和尺寸一致性较高，便于批量制作，从而保证传感器材质、工艺参数和力电性能的统一，减小传感器的个体差异性。
附图说明
图1是传感器剖视图；
图2是实施例1中所用绝缘垫平层结构示意图；
图3是实施例1中所用电极结构示意图；
图4是实施例1所获得传感器外形示意图；
图5是实施例1所获得传感器测量冲击波曲线与标准曲线对比图；
图6是实施例1所获得传感器灵敏度系数的标定图；
其中图1是图4中A-A截面剖视图。
图中1-压电膜元件，2-纤维聚合物电极导电层，3-绝缘保护层，4-绝缘垫平层，5-法兰，6-法兰固定孔，7-嵌入孔，8-引线连接点，9-连接点封装端，10-压力加载区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种适用于物体表面冲击波测量的薄膜传感器，包括压电膜元件1和绝缘垫平层4，绝缘垫平层4中心位置设置有嵌入孔7，压电膜元件1嵌在嵌入孔内并与绝缘垫平层4形成传感器芯层，传感器芯层的上下两侧为纤维聚合物电极2，纤维聚合物电极2与压电膜元件1及绝缘垫平层4通过纤维聚合物电极的表面粘性进行粘结固定，纤维聚合物电极2的外侧设置绝缘保护层3，上述结构共同构成薄膜结构，薄膜结构周向对称开设若干个法兰固定孔6，薄膜结构通过法兰固定孔6与法兰5固定，法兰5中部开设的法兰孔为薄膜结构的压力加载区10，法兰5上设置有连接点封装端10，连接点封装端10内封装有引线连接点8。
本实施例中压电膜元件为极化后的、具有压电特性的PVDF、PZT/PVDF、PVDF-TrFE等压电高聚物及其复合材料薄膜。
图2为芯层绝缘垫平层4的示意图，材质为未极化的PVDF薄膜，不具有压电性质，包括周边六个法兰固定孔6和中心一个压电膜元件的嵌入孔7，嵌入孔7的直径略大于压电膜元件直径。
纤维聚合物电极的结构示意图见图3，包括聚酯纤维和导电粘性聚合物组成的电极导电层2和外覆的绝缘层3，周向的六个法兰固定孔6以及尾部的引线连接点8。电极上的法兰固定孔略大于绝缘垫平层4上的法兰固定孔直径，但各圆孔中心对齐。其中聚酯纤维上镀有导电性良好的金属镍和铜薄层，导电粘性聚合物具有较好的导电性能和自粘性，且浸润在聚酯纤维层内组成具有较强的粘结性和导电性的组合体，电极正面为聚酯纤维和粘性聚合物构成的复合体，背面为聚酰亚胺绝缘薄膜，纤维聚合物电极的表面电阻不大于0.1Ω/m2，在100MHz~3GHz范围内电磁屏蔽效能不低于80db。
柔性法兰体材质为橡胶、树脂、聚氨酯类可分体连续浇筑的材料，如图4所示，包括引线连接点的封装端9和中心圆形压力加载区域10。
封装后的薄膜结构周向对称开设4至6个通孔，使法兰的上下两部分材料能够通过该通孔形成一体，提高薄膜结构的周向固支强度。为提高传感器结构强度，电极和外接引线的焊接点均封装于柔性法兰体中。
封装后的传感器中，薄膜层下方的法兰孔为传感器薄膜提供面外受压后的变形空间，下方法兰孔的高度不小于法兰孔半径的三分之一。
设压电薄膜面内两个正交方向分别为1和2，面外方向3，不同于传统压力计仅通过面外受压使得压电膜产生电荷量输出，经法兰架空、周向固支的薄膜结构在承受面外压力时，面外3方向产生压缩变形，同时薄膜受压向下挠曲，压电膜面内的1和2方向产生较大的拉应力（一般比面外压力高一个数量级），将压电膜内应力提升至该材料的力-电线性度较高的工作应力范围内，因此该结构能够在较低的面外压力作用下产生较多的电荷量，大大提高传感器的灵敏度以及力-电关系的线性度。另外，根据弹性理论可知，周向固支的薄膜结构在弹性小变形范围内，可通过调整薄膜材质、厚度、变形区域半径等参数调控薄膜结构的相应特性，从而调控传感器的力-电响应灵敏度。
纤维聚合物电极因自身具有导电性质因此可直接将压电膜3方向两侧的电荷的输出，电极的外表面为聚酰亚胺（PI）薄膜绝缘层。基于连续浇注法利用橡胶或高聚物类柔性材料将封装后的夹芯式薄膜结构周向固定，形成具有一定的受力和变形圆形区域、周向固支的膜式压力传感器。
本发明实施例提供的一种适用于物体表面冲击波测量的薄膜传感器的制作方法，包括如下具体步骤：
S1：提供极化后的PVDF压电薄膜，PVDF为聚偏氟乙烯，经极化后具有压电性能。采用激光切割自整张压电薄膜上切割出圆形压电膜元件，厚度52μm、直径6mm的圆形，边缘去除毛刺和氧化层，并采用酒精/丙酮浸泡清洗，去除杂质和因切割可能产生的短路区域。压电膜力电灵敏度系数分别为d31=12pC/N，d32=7pC/N，d33=21pC/N。
S2：提供未极化的PVDF薄膜，该薄膜不具有压电性能，为绝缘材料。薄膜厚度52μm，在薄膜上采用激光切割的方式开孔处理，形成直径6.1mm的嵌入孔7，在周边对称开设直径1.5mm的法兰固定孔6，将垫平层4切割出传感器外形，圆形轮廓外径26mm。
S3：提供具有极佳的导电性和良好的电磁屏蔽效果的纤维聚合物电极，纤维聚合物电极采用28μm厚的聚酰亚胺薄膜为绝缘层3，聚酯纤维和导电粘性聚合物组成的粘性导电层2，厚120μm，尾端设置约3*5mm的外接引线连接点8，周边设置六个法兰固定孔6，直径2mm，圆形轮廓外径24mm，法兰固定孔的各孔中心与S2中法兰固定孔一致。
S4：将步骤S2所得垫平层4与S3所得的底部纤维聚合物电极的导电层2完全粘合，绝缘垫平层4上的嵌入孔7内安装S1所得的压电膜元件1，压电膜元件1的下表面与底部纤维聚合物电极的导电层2压接实现电性和粘性连接；
S5：提供步骤S3获得的电极作为传感器的顶部电极层，将其与步骤S4获得的芯层和底部电极组合体转移至真空环境中，将顶部电极的正面与组合体的芯层面粘合，获得厚度方向结构对称的薄膜型传感器结构，通过一定的压制压力预压一段时间，促使传感器内部结构平整、紧密牢固压合。切割多余区域、连接外接引线，以形成薄膜结构的外形。其中，纤维高聚物电极不能直接锡焊，可在其表面粘贴厚50μm，长宽3mm*3mm的铜皮作为焊接点。电极与绝缘垫平层粘合时，需控制双侧电极和芯层上的法兰安装小孔位置一一对应，法兰固定孔内边缘和电极外边缘处，上下两层电极均通过突出的绝缘芯层边缘进行绝缘。
S6～提供法兰体的浇注模具，在真空环境下将硬度20度、完全固化时间24h的硅橡胶浇注到模具中形成3mm厚度的底部法兰，法兰圆形区域直径30mm，法兰孔直径r=10mm，备用。待底部法兰体固化12h且表面仍具有轻微粘性和流动性时，将S5所得薄膜结构轻微黏贴于半固化法兰的上表面并调节其位于传感器中心位置，夹芯式薄膜结构尾部电线连接点位于法兰体的突出尾部。
S7～在S6获得的组合体表面安装顶部法兰体的浇注模具，继续在半固化的底部法兰表面浇注1mm厚度的硅橡胶材料，形成顶部封装法兰。带封装材料完全固化24h后，拆除模具，修饰内外边缘，获得中心10mm直径加载区域的、周边固支的、架空式的薄膜式压力传感器。
传感器在使用时采用粘贴方式将法兰直接安装于被测物体表面，在传感器靠近被测物体一侧，∅10mm的法兰内孔为传感器提供了足够的面外变形空间，实验结果表明3mm的间隙足以适应传感器在0.7MPa范围内的面外变形。顶部法兰厚度1mm足以为夹芯式薄膜结构提供固支边界条件，且较薄的顶部固定层对加载区域上的压力传递干扰较小。
夹芯式薄膜结构浇筑于法兰中，通过周边贯通的法兰固定小孔和外边缘实现上下法兰材料的一体化连接，提高了周边固支强度；纤维聚合物电极的外接引线焊接点也通过浇筑封装于法兰体内部，提高了传感器结构强度。
本实施例中，压力计为夹芯式结构，芯层的绝缘垫平层材质厚度均与压电膜相同，即保证了压力计初始构形的厚度均匀性，也保证了在受压过程中芯层材质整体受压变形的均匀性，消除了芯层因材质和厚度问题导致的变形失谐和局部应力集中，提高灵敏度系数的稳定性；另外，采用厚度均匀、抗拉强度高的纤维聚合物电极，提高传感器面内拉伸强度，电极的粘性连接使传感器内部结构更加紧密，在夹芯式薄膜结构变形时整体性、一致性更高。
在本实施例中，压力计内部结构的最后封装阶段在真空环境下进行，从而保证了压力计在大气压及更高压力环境测试过程中压电膜两侧粘性连接良好，在与大气压同量级的压力测试时保证了其测量的准确性和对压力的高分辨率。
本实施例中，绝缘垫平层和纤维聚合物电极均可采用阵列式模板批量制作，从而批量制作相同材质、封装工艺和压制压力的压力计，便于减小压力计的个体差异性。
对传感器进行冲击波测量和灵敏度系数标定实验，基于激波管实验装置产生加载冲击波，通过标准PCB 113B24标准压力传感器对加载冲击波进行测量，并将自制传感器安装至盲板迎波面，将自制传感器测量结果与标准PCB传感器进行对比，如图5所示。可以看出本发明提供的自制压力传感器能够准确测量冲击波陡峭的上升沿和较为缓慢的下降沿特征，与标准压力传感器测量结果在脉宽上有所减小，但是在峰值上吻合较好。另外，通过对本发明提供的一组压力传感器进行不同强度的冲击波加载，对比传感器产生的电荷量密度与面外压力之间的关系，通过拟合可以得到q=Q/A=kp，其中q(pC/mm2)为单位面积压电元件产生的电荷量，Q(pC)为传感器所产电荷量，A(mm2)为传感器内部压电元件敏感面积，k (pC/N)为传感器标称灵敏度系数，p (MPa)为传感器所受应力。采用本发明提供方法，同批次制作的7个传感器进行冲击波压力标定，结果如图6所示，经拟合标称灵敏度系数约为334.1pC/N，而本发明使用的压电薄膜面外压缩的标称灵敏度d 33 =21pC/N，对比可知，通过本发明提供的传感器封装技术，在一定压力范围内传感器具有高灵敏度的显著特征。通过图6可知，任一传感器电荷输出量随压力线性增长，不同传感器间的测量结果较为接近，说明批量化制作的传感器个体差异性小，传感器灵敏度较为稳定。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。