CN103682080B - 一种局部极化压电薄膜传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种局部极化压电薄膜传感器的制备方法，属于结构健康监测技术领域。本方法首先制备PZT/PVDF压电薄膜，然后对压电薄膜进行局部极化，最后进行压电薄膜传感器的封装。在局部极化时，先对所制压电薄膜进行单轴拉伸，再在压电薄膜上涂覆电极阵列，各电极通过在压电薄膜的正反两面涂覆银薄膜得到，然后采用油浴极化法进行极化，极化时仅在各电极处施加电场。采用本发明所提供的制备方法，能够降低传感器重量，不会改变飞行器自身气动外形，消除手工粘贴和导线布置存在的问题，便于与基体集成。

Description

一种局部极化压电薄膜传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种局部极化的压电薄膜传感器的制备方法，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

Lamb波是在具有两个平行表面的结构（如板）中，由横波和纵波相互耦合而成的一种弹性波。Lamb波具有良好的导波特性，而且对微小损伤比较敏感。基于主动Lamb波的损伤监测方法是结构健康监测中一种非常有效的监测方法。Lamb波在结构中传播时，结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，这会引起在结构中传播的Lamb波信号的散射和能量的吸收，通过在损伤附近布置传感器阵列，对接收的Lamb波信号进行分析处理，便可以提取损伤特征参数。基于主动Lamb波的损伤监测通常可分为四个过程：Lamb波的激励，Lamb波的传播，Lamb波的接收和对接收信号的分析处理。其中Lamb波的激励和接收都是利用压电元件来实现的。

飞行器随着服役时间的延长，结构内部会出现裂纹等损伤，导致性能退化，影响使用安全。基于主动Lamb波的损伤监测方法，在原理上可以对飞行器结构损伤进行实时监测。这对保证飞行器安全，延长飞行器寿命以及减少飞行器定期维修费用具有重大意义。传感器作为飞行器结构健康监测***的核心元件，通常处于非常苛刻的服役环境，如高低温、振动、噪声等，而且传感器必须轻质，不能改变飞行器的气动外形。但是传统的压电元件重量较大，手工粘贴和导线布置都很不方便，不能满足飞行器对传感器质轻且不能改变自身气动外形的要求，不便于与结构基体集成。

发明内容

本发明为了解决现有压电传感器不能满足飞行器应用要求的问题，提供了一种新型的局部极化压电薄膜传感器的制备方法。

本发明的一种局部极化压电薄膜传感器的制备方法，包括压电薄膜的制备、压电薄膜的局部极化和压电薄膜传感器的封装。

其中，压电薄膜为PZT/PVDF压电薄膜；

压电薄膜的局部极化具体是：将制备的PZT/PVDF压电薄膜进行单轴拉伸后，在压电薄膜上涂覆电极阵列，各电极通过在压电薄膜的正反两面涂覆银薄膜得到，并采用油浴极化法进行极化，在进行极化时，仅在各电极处施加电场；

压电薄膜传感器的封装具体是：将压电薄膜的电极边缘处钻孔，并用导电胶填充孔，将底部电极引至顶部；通过印制电路将底部电极和顶部电极连接，电路终端通过焊盘引出；在压电薄膜两侧均匀涂抹环氧树脂作为保护层。

采用本发明所提供的制备方法，能够降低传感器重量，不会改变飞行器自身气动外形，消除手工粘贴和导线布置存在的问题，便于与基体集成。

附图说明

图1是本发明的局部极化压电薄膜传感器制备方法的示意图；

图2是压电薄膜制备流程图；

图3是压电薄膜局部极化流程图；

图4是压电薄膜封装工艺流程示意图；

图5是线性阵列电极示意图；

图6是矩形阵列电极示意图；

图7是电极反引局部剖面图；

图8是压电阵列电路连接示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的局部极化压电薄膜传感器的制备方法，主要包括压电薄膜的制备、压电薄膜的局部极化和压电薄膜传感器的封装。

如图2所示，本发明选用流延法制备压电薄膜，包括步骤1.1～步骤1.4。薄膜制备材料选用PZT（锆钛酸铅）粉和PVDF（聚偏氟乙烯）粉，其中PZT颗粒粒径为3μm左右，PVDF颗粒粒径为5μm左右。

步骤1.1，将PZT粉和PVDF粉按体积比1:1混合，溶于NMP（N-甲基吡咯烷酮）；

步骤1.2，通过磁力搅拌器，将混合物在80℃下搅拌60min，得到均匀混合溶液；

步骤1.3，将均匀混合溶液在真空静置30min，去除溶液中的气泡，将溶液倒入流延皿；

步骤1.4，将流延皿调整水平后放入烘箱中，在120℃下烘干60min制得所需PZT/PVDF压电薄膜。所得到的压电薄膜的厚度为80～100μm。

上述制备的压电薄膜不具备压电特性，只有在极化处理后才能用作压电传感器。

通常压电薄膜的极化都是对其整个薄膜进行的，传感器的整个压电薄膜都具有压电特性，而基于lamb波的结构健康监测技术需要布置压电阵列实现，即需要多个压电元件。本发明为了在薄膜上预置压电阵列，只对薄膜进行局部极化处理，具体极化流程如图3所示，包括步骤2.1～步骤2.2。

步骤2.1，对PZT/PVDF压电薄膜进行单轴拉伸，以提高PVDF中β相的含量，本发明实施例中选取拉伸温度为80℃，拉伸比为4，拉伸速率为100mm/min。

步骤2.2，选用油浴极化法对压电薄膜进行极化，按照具体需求在压电薄膜上涂覆线性、矩形或椭圆形等电极阵列，如图5所示为线性电极阵列，如图6所示为矩形电极阵列。各电极通过在压电薄膜的正反两面涂覆银薄膜得到。上、下银薄膜形成电极的顶部银电极和底部银电极。银薄膜的平均厚度为10μm。

将涂覆银薄膜后的压电薄膜在硅油中加热到120℃，然后在各电极处施加电场，电场强度为10kV/mm，持续极化40min，最后得到具有局部极化压电阵列的压电薄膜。电场仅施加在各局部电极处，而不是整个压电薄膜，如图5和6所标记出的极化部位和未极化部位。

PZT/PVDF压电薄膜具有体积小、质量轻、柔性和加工性能好等优异性能，但是其厚度较小，抗剪切能力差，因此需要对PZT/PVDF压电薄膜进行封装来提高它的耐久性和稳定性。压电薄膜的封装流程如图4所示，包括步骤3.1～步骤3.4。

步骤3.1，将压电薄膜切割成所需形状，如圆形、矩形等。

步骤3.2，在电极边缘处钻孔，并用导电胶填充，将底部电极引至顶部，如图7所示，以便于在压电薄膜同侧连接各压电阵列。

步骤3.3，考虑到具体工程需求，压电阵列之间的连接通过印制电路的方式实现，电路终端通过焊盘引出，其连接示意图如图8所示；将引至顶部的底部电极称为底部反引电极，通过印制电路将每个电极的顶部电极和底部反引电极连接至焊盘。

步骤3.4，为避免电极破损，防止外界噪声干扰，需要在压电薄膜两侧涂覆保护层，环氧树脂具有很好的弹性和绝缘性，便于加工，因此本发明选用环氧树脂作为保护层，均匀涂抹于压电薄膜两侧，在室温下固化而成。

Claims (2)

1.一种局部极化压电薄膜传感器的制备方法，其特征在于，包括：压电薄膜的制备、压电薄膜的局部极化和压电薄膜传感器的封装；

其中，制备PZT/PVDF压电薄膜，PZT为锆钛酸铅，PVDF为聚偏氟乙烯；制备PZT/PVDF压电薄膜的步骤为：步骤1.1，将PZT粉和PVDF粉按体积比1:1混合，溶于NMP；NMP为N-甲基吡咯烷酮；步骤1.2，通过磁力搅拌器，将混合物在80℃下搅拌60min，得到均匀混合溶液；步骤1.3，将均匀混合溶液在真空静置30min，去除溶液中的气泡，将溶液倒入流延皿；步骤1.4，将流延皿调整水平后放入烘箱中，在120℃下烘干60min，制得所需PZT/PVDF压电薄膜；

压电薄膜的局部极化具体包括如下步骤：步骤2.1，对PZT/PVDF压电薄膜进行单轴拉伸，以提高PVDF中β相的含量；其中，拉伸温度为80℃，拉伸比为4，拉伸速率为100mm/min；步骤2.2，在PZT/PVDF压电薄膜上涂覆电极阵列，各电极通过在压电薄膜的正反两面涂覆银薄膜得到，将涂覆银薄膜后的压电薄膜在硅油中加热到120℃，然后在各电极处施加电场，电场强度为10kV/mm，持续极化40min，最后得到具有局部极化压电阵列的压电薄膜；正面、反面银薄膜形成电极的顶部银电极和底部银电极，银薄膜的平均厚度为10μm；

压电薄膜传感器的封装具体是：将压电薄膜的电极边缘处钻孔，并用导电胶填充孔，将底部电极引至顶部；通过印制电路将底部电极和顶部电极连接，电路终端通过焊盘引出；在压电薄膜两侧均匀涂抹环氧树脂作为保护层。

2.根据权利要求1所述的一种局部极化压电薄膜传感器的制备方法，其特征在于，所述的PZT/PVDF压电薄膜的厚度为80～100μm。