CN113267289B - 面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器及其制备方法，包括：设置于衬底上的聚合物绝缘层，用于隔离衬底和上电极层；设置于衬底上的压电敏感层，压电敏感层包括呈阵列式排布的若干压电敏感单元，若干压电敏感单元相互分离，用于采集叶尖间隙高频气体脉冲压力信号，并将采集的信号的变化转换为电压或电荷的变化；设置于聚合物绝缘层上的上电极层，且上电极层的电极点的下表面分别与压电敏感单元的上表面相贴；上电极层用于与外部电荷放大电路或测试电路导通，以实时监测传感器的电压或电荷变化；设置于上电极层上方用于密封和保护器件的封装层。本发明结构设计及加工工艺简单，具有超薄的器件厚度、宽频响应、高灵敏度以及高分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及基于微纳加工技术的传感器领域，具体地，涉及一种面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器及其制备方法。
背景技术
自20世纪50年代以来，我国航空工业从无到有，从小到大，逐步实现跨越式发展，极大地推进了国防现代化建设进程，为国民经济发展和科技进步做出了重要贡献。然而，冠以“工业皇冠上的明珠”之称的航空发动机仍与世界一流水平存在明显差距。轴流压气机作为航空发动机的核心部件之一，其自身的压比、效率及稳定性等性能指标严重影响着航空发动机的性能。在实际运行中，压气机内部通常存在旋转不稳定性、旋转失速和喘振等气动不稳定性现象，难以维持航空发动机的高效、稳定地运行。近期研究表明，轴流式压气机中的叶尖间隙流是压气机失速的根源，并与叶片非同步振动的发生密切相关。叶尖间隙流是由叶尖与机匣相对运动引起的不可避免的流动，容易造成压力损失、噪声和内壁堵塞，同时对压气机的气动力稳定性具有极大的影响。因此，叶尖间隙流的研究对提高压气机的性能，扩大压气机的运行范围至关重要。
目前对叶尖间隙附近不稳定流动的实验研究主要是测量流场的瞬时速度和瞬时压力。对于瞬态压力的测量，通常采用高频动态压力传感器测量***，该***通常由高频响应压力传感器、信号放大器以及信号采集***等组成。国内外的相关研究主要局限于美国Kulite压力传感器，多个压力传感器在转子叶尖上的套管壁上成线或阵列排列。但由于传感器的尺寸和结构限制，一方面，很难以较小的间距安装，以精确捕捉到套管壁压力的变化；另一方面，其安装方式会对压气机的内部压力场和机械结构产生影响。因此，有必要开发一种用于高频动态压力场测量的压力传感器，需要满足以下要求：高分辨率、高灵敏度、宽频响应、安装方便、低成本、对压气机内部流场和机械结构影响小。
由于叶尖间隙的几何尺寸非常小(通常约为叶片跨度的0.5-5％)，传感器的尺寸和安装空间受到限制，若将传统的刚性传感器安装于叶尖间隙，不仅会破坏压气机的机械结构，还可能影响流场分布。柔性压力传感器具有易变形、轻薄、集成度高、易于安装等特点，可贴附于机匣内壁而不对压气机机械结构造成破坏。
近年来，柔性压电传感器在材料、结构设计和制造工艺上均有所较大突破，在生物医疗、可穿戴电子设备、健康监测、智能交互等领域具有广泛的应用前景。
同时微纳加工技术的发展为柔性压电传感器的制备提供了便利条件，结合光刻技术，微纳加工技术可以加工独特地三维结构，如倒金字塔状的孔腔、高深宽比的沟道、穿透衬底的孔、悬臂梁和薄膜等，然而，采用传统的机械加工不能重复、高效、低成本地加工这些微结构。
经对现有技术文献的检索发现，Jiqing Cong在《Sensors》19,1404(2019)中撰文“Development of a PVDF Sensor Array for Measurement of the Dynamic PressureField of the Blade Tip in an Axial Flow Compressor”(“测量轴流压气机叶尖动态压力场的聚偏氟乙烯传感器阵列的研究”)。该文中公开了一种采用聚偏氟乙烯PVDF这种压电材料作为敏感层的柔性阵列式压电传感器，用于测量轴流压气机叶尖动态压力场。但存在以下不足：首先，聚偏氟乙烯材料对温度敏感，在校准时必须考虑温度的影响，且压电性能不稳定，容易退化；其次，该传感器因受器件结构和制造工艺的影响，无法有效提高灵敏度，导致其灵敏度欠缺，无法适应于航空领域的检测。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器及其制备方法。
本发明第一个方面，提供一种面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器，所述传感器设置于航空发动机的叶尖间隙之间，包括衬底、聚合物绝缘层、压电敏感层、上电极层和封装层，其中，
所述衬底采用导电薄膜，作为地电极；
所述聚合物绝缘层设置于所述衬底上，所述聚合物绝缘层设有与所述压电敏感层形状相匹配的呈阵列式排布的若干通孔，所述聚合物绝缘层用于隔离所述衬底和所述上电极层；
所述压电敏感层设置于所述衬底上，所述压电敏感层包括呈阵列式排布的若干压电敏感单元，其中每个所述压电敏感单元嵌入所述聚合物绝缘层相对应的通孔中，使若干所述压电敏感单元之间相互分离，所述压电敏感单元用于采集叶尖间隙高频气体脉冲压力信号，并将采集的压力信号的变化转换为电压或电荷的变化；所述压电敏感层的材料采用锆钛酸铅压电陶瓷；
所述上电极层设置于所述聚合物绝缘层和所述压电敏感层上，且所述上电极层的电极点的下表面分别与对应的所述压电敏感单元的上表面相贴；所述上电极层用于与外部电荷放大电路或测试电路的导通，以实时监测传感器的电压或电荷变化；
所述封装层设置于所述上电极层上方，所述封装层的形状、尺寸大小与所述衬底相匹配，用于密封和保护器件。
优选地，所述导电薄膜的材料采用不锈钢或铍青铜。
优选地，所述导电薄膜的厚度为20um-80um。
优选地，所述压电敏感单元面积为3mm2-9mm2,所述压电敏感单元的厚度为10um-200um。
较为优选地，所述压电敏感单元的形状为圆形、矩形等。
优选地，所述聚合物绝缘层的材料采用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)或聚对二甲苯(Parylene)的任一种柔性材料。
优选地，所述上电极为柔性金电极；所述柔性金电极的结构采用波浪形、蛇形、线状或网状。
优选地，所述封装层采用绝缘聚合物薄膜；
所述绝缘聚合物薄膜的材料采用PET、PDMS或PI的任一种。
优选地，所述封装层的厚度为15um-200um。
本发明第二个方面，提供一种上述的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，基于微纳加工进行，包括：
制备若干压电敏感单元；
在衬底上制备一层聚合物薄膜，对所述聚合物薄膜进行刻蚀，在所述聚合物薄膜上形成与所述压电敏感单元形状、尺寸大小相匹配的呈阵列式排列的若干通孔，得到聚合物绝缘层；
将制备的若干压电敏感单元分别放置于所述聚合物绝缘层的若干通孔内，并将所述压电敏感单元的底面与所述衬底的上表面采用热压键合为一体，形成压电敏感层；
在所述聚合物绝缘层上制备上电极层，使所述上电极层的电极点的下表面与所述压电敏感单元的上表面贴合；
在所述上电极层的上方制备一层封装层，使所述封装层覆盖整个所述上电极层。
优选地，上述制备若干压电敏感单元包括：
在锆钛酸铅压电陶瓷压电片的上表面采用磁控溅射工艺沉积第一层金(Au)薄膜；
采用化学机械抛光工艺对所述锆钛酸铅压电陶瓷压电片进行减薄；
在减薄后的锆钛酸铅压电陶瓷压电片的下表面沉积第二层金(Au)薄膜，然后将所述锆钛酸铅压电陶瓷压电片进行激光切割，获得若干压电敏感单元。
柔性压力传感器按照工作机理一般分为三种，包括电容式、压阻式和压电式。相比于其他两种传感器，采用压电式传感器可实现自发电，不需要外界供能，具有频带宽、灵敏度高、信噪比高和结构简单等优点。压电式压力传感器利用压电元件的压电效应将被测压力转换为电信号。压电效应是指当压电材料受到外力作用时，内部产生电极化现象，从而压电材料上下表面存在相同数量的正负电荷。该电荷量与作用力之间呈一定的比例关系，可用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出。根据最终采集的输出电压或电流信号，可得到对应的被测压力值。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述器件，通过设置呈阵列式排布的压电敏感层，通过不同位置压力点的测量实现航空发动机内部高频气体脉冲压力的实时监测；同时利用锆钛酸铅压电陶瓷材料具有较高压电系数和机电耦合系数使器件具有自供能、宽频带宽及高灵敏度等优异的性能；器件的结构设计及加工工艺简单，有效提高了传感器的空间分辨率和灵敏度。
本发明上述器件，器件采用了超薄设计解决了叶顶间隙空间局限性问题。
本发明上述器件，为探究航空发动机气动不稳定性现象产生机理提供关键测量方案，对推动高稳定性航空发动机的研究具有重要意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一优选实施例的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的整体结构示意图；
图2是本发明一优选实施例的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的分层结构示意图；
图3是本发明一优选实施例的制备面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的工艺流程图；
图中标记分别表示为：衬底1、聚合物绝缘层2、压电敏感层3、上电极层4、封装层5、PZT压电片6、第一层光刻胶7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，为本发明一优选实施例的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的整体结构示意图，传感器设置于航空发动机的叶尖间隙之间，传感器包括衬底1、聚合物绝缘层2、压电敏感层3、上电极层4和封装层5。
衬底1采用导电薄膜，作为用于引线地电极。导电薄膜的材料选用具有一定的柔性、电阻率低、热膨胀系数小的导电材料。导电薄膜可以采用但不限于不锈钢或铍青铜等导电材料。
参照图2所示，聚合物绝缘层2设置于衬底1上，聚合物绝缘层2设有与压电敏感层3形状相匹配的呈阵列式排布的若干通孔，聚合物绝缘层2用于隔离衬底1和上电极层4。若干通孔的设置数量与若干压电敏感单元相匹配。
参照图2所示，压电敏感层3设置于衬底1上，压电敏感层3包括呈阵列式排布的若干压电敏感单元，其中，每个压电敏感单元嵌入聚合物绝缘层2相对应的通孔中，使若干压电敏感单元之间相互分离，压电敏感单元用于采集叶尖间隙高频气体脉冲压力信号，并将采集的压力信号的变化转换为电压或电荷的变化。压电敏感单元的厚度与聚合物绝缘层的厚度相匹配。若干压电敏感单元的形状可以采用但不限于圆形、矩形等形状。若干压电敏感单元在衬底1上设置的位置与聚合物绝缘层2上的若干通孔相对应。压电敏感层3的材料采用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，利用锆钛酸铅压电陶瓷具有较高压电系数和机电耦合系数，从而可得到一种自供能、宽频带宽、高灵敏度高、结构简单的阵列式柔性压电传感器。
参照图2所示，上电极层4设置于聚合物绝缘层2和压电敏感层3上，且上电极层4的电极点的下表面分别与对应的压电敏感单元的上表面相贴，上电极层4用于与外部电荷放大电路或测试电路的导通(即使传感器与外部测试装置连接)，以实时监测传感器的电压或电荷变化。上电极层4的电极点的数量与压电敏感单元的数量相匹配，例如：若干压电敏感单元以行数4列数8排列呈阵列式排布，上电极层4对应的有32个电极点。电极点的材料可以采用金。作为一优选方式，上电极为柔性金电极，柔性金电极的结构可以采用波浪形、蛇形、线状或网状等任一种结构，确保上电极层4具有良好的延展性。
封装层5采用绝缘聚合物材料。封装层5设置于上电极层4上方，封装层5的尺寸大小、形状与衬底1相匹配，用于密封和保护器件。
上述面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器(简称传感器)的工作原理如下，参照图1所示：
将传感器贴附于屈曲的机匣内壁，位于压气机叶尖之下，当压电敏感层3受到气流的压力作用时，压电敏感层3的材料内部发生极化，压力的变化转换为电压或电荷的变化。将上电极层4和作为地电极的衬底1的电极引线与外部测试装置连接，最终得到电压的变化，根据线性对应关系，即可得到压气机叶尖隙的脉冲压力信号。
上述传感器采用阵列式排布的压电敏感单元，可通过不同位置点的瞬态压力的测量实现航空发动机内部高频气体脉冲压力的实时监测。进一步可通过分析若干压电敏感单元面积大小、厚度、单元间距以及多单元布置形式对传感器电学响应、频响、分辨率以及屈曲特性的影响，从而选取最优方案。同时分析研究各层厚度对传感器性能的影响，在实际应用中选取最优的厚度。
在其他部分优选实施例中，导电薄膜的厚度为20um-80um。
在其他部分优选实施例中，压电敏感单元面积为3mm2-9mm2；压电敏感单元的厚度为10um-200um。压电敏感单元的形状为圆形或方形。
在其他部分优选实施例中，聚合物绝缘层的材料采用聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚酰亚胺PI或聚对二甲苯Parylene的任一种柔性材料。
在其他部分优选实施例中，封装层采用绝缘聚合物薄膜；绝缘聚合物薄膜的材料采用PET、PDMS或PI的任一种。
在其他部分优选实施例中，封装层的厚度为15um-200um。
在另一实施例中，提供一种上述面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，基于微纳加工技术进行，参照图3所示，按照以下步骤执行：
S1：制备若干压电敏感单元：
S11，参照图3中a所示，通过磁控溅射工艺在PZT压电片6(即压电敏感单元)的上表面沉积第一层Au薄膜，厚度为300nm；
S12，参照图3中b所示，通过化学机械抛光工艺将PZT压电片6减薄，至厚度约30um；
S13，参照图3中c所示，在减薄后的PZT压电片6的下表面沉积第二层Au薄膜，然后对PZT压电片6进行激光切割，获得N个直径为2mm的PZT压电单元3；
S2：制备具有呈阵列式排布的若干通孔的聚合物绝缘层：
S21，参照图3中d所示，在不锈钢衬底上旋涂一层PI薄膜(即聚合物绝缘层)并固化；
S22，参照图3中e所示，在PI薄膜上旋涂第一层光刻胶7，利用第一层光刻胶7作为后续刻蚀PI薄膜的掩膜层；
S23，参照图3中f所示，采用氧等离子体刻蚀工艺对PI薄膜进行刻蚀，在PI薄膜上刻蚀出孔径与PZT压电单元的直径相同的若干通孔，且若干通孔呈阵列式排布，再去除光刻胶；
S3：将制备的PZT压电单元与不锈钢衬底组装贴合成为一体：
参照图3中g所示，将N个PZT压电单元按照PI薄膜上的呈阵列式排布的通孔放置到相应的位置上，采用导电银胶作为中间粘合层，将PZT压电单元的底面与不锈钢衬底的上表面通过中间粘合层，并利用夹具施加一定的压力，进而通过真空烘箱进行加热，通过热压键合为一体；
S4：制备上电极层：
S41，参照图3中h所示，在聚合物绝缘层上旋涂第二层光刻胶，利用第二层光刻胶作为后续沉积金电极的牺牲层；
S42，参照图3中i所示，首先通过磁控溅射在聚合物绝缘层上沉积一层Au薄膜；参照图3中j所示，再利用丙酮溶解牺牲层，留下金电极，使金电极的下表面与压电敏感单元的上表面贴合，得到上电极层；采用Lift-off工艺制备上电极层，其工艺简单，可控性好；
S5：制备封装层：参照图3中k所示，在上电极层上旋涂一层PET膜5并固化，厚度约15um，得到封装层。
本实例所得传感器具有一定的柔性可在压气机机匣内壁紧密贴附，器件厚度小于100um，远小于叶尖间隙；动态性能优异，表现出良好的灵敏性，频率响应范围宽，压力测量范围广。
综上所述本发明结构设计及加工工艺简单，具有超薄的器件厚度、宽频响应、高灵敏度、高分辨率及对流场影响小的特点，可为探究航空发动机气动不稳定性现象产生机理提供关键测量方案，推动高稳定性航空发动机的研究。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
Claims (6)
1.一种面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器设置于航空发动机的叶尖间隙之间，包括衬底、聚合物绝缘层、压电敏感层、上电极层和封装层，其中，
所述衬底采用导电薄膜，作为地电极，所述导电薄膜的厚度为20um-80um；
所述聚合物绝缘层设置于所述衬底上，所述聚合物绝缘层设有与所述压电敏感层形状相匹配的呈阵列式排布的若干通孔，所述聚合物绝缘层用于隔离所述衬底和所述上电极层；
所述压电敏感层设置于所述衬底上，所述压电敏感层包括呈阵列式排布的若干压电敏感单元，其中每个所述压电敏感单元嵌入所述聚合物绝缘层相对应的通孔中，使若干所述压电敏感单元之间相互分离，所述压电敏感单元用于采集叶尖间隙高频气体脉冲压力信号，并将采集的压力信号的变化转换为电压或电荷的变化；所述压电敏感层的材料采用锆钛酸铅压电陶瓷；所述压电敏感单元的厚度为10um-200um；
所述上电极层设置于所述聚合物绝缘层和所述压电敏感层上，且所述上电极层的电极点的下表面分别与对应的所述压电敏感单元的上表面相贴；所述上电极层用于与外部电荷放大电路或测试电路的导通，以实时监测传感器的电压或电荷变化；
所述封装层设置于所述上电极层上方，所述封装层的形状、尺寸大小与所述衬底相匹配，用于密封和保护器件；所述封装层的厚度为15um-200um，所述封装层采用绝缘聚合物薄膜；
所述制备方法基于微纳加工进行，包括：
制备若干压电敏感单元，包括：在锆钛酸铅压电陶瓷压电片的上表面采用磁控溅射工艺沉积第一层金薄膜；采用化学机械抛光工艺对所述锆钛酸铅压电陶瓷压电片进行减薄；在减薄后的锆钛酸铅压电陶瓷压电片的下表面沉积第二层金薄膜，然后将所述锆钛酸铅压电陶瓷压电片进行激光切割，获得若干压电敏感单元；
在衬底上制备一层聚合物薄膜，对所述聚合物薄膜进行刻蚀，在所述聚合物薄膜上形成与所述压电敏感单元形状、尺寸大小相匹配的呈阵列式排列的若干通孔，得到聚合物绝缘层；
将制备的若干压电敏感单元分别放置于所述聚合物绝缘层的若干通孔内，并将所述压电敏感单元的底面与所述衬底的上表面采用热压键合为一体，形成压电敏感层；
在所述聚合物绝缘层上制备上电极层，使所述上电极层的电极点的下表面与所述压电敏感单元的上表面贴合；
在所述上电极层的上方制备一层封装层，使所述封装层覆盖整个所述上电极层。
2.根据权利要求1所述的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，所述导电薄膜的材料采用不锈钢或铍青铜。
3.根据权利要求1所述的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，所述压电敏感单元面积为3mm2-9mm2。
4.根据权利要求1所述的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，所述聚合物绝缘层的材料采用聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺或聚对二甲苯的任一种柔性材料。
5.根据权利要求1所述的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，所述上电极为柔性金电极；所述柔性金电极的结构采用波浪形、蛇形、线状或网状。
6.根据权利要求1所述的面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，所述绝缘聚合物薄膜的材料采用PET、PDMS或PI的任一种。
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