[发明专利]制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器的方法和系统

说明书

技术领域

本公开大体涉及制造传感器的方法和系统，并且更具体地涉及用于制造被沉积在结构上的纳米粒子压电传感器的方法和系统。

背景技术

例如微型传感器的小传感器可以被用于包括结构健康监测（SHM）系统和方法的各种应用来连续地监测例如复合材料或金属结构的结构，并且测量结构特征以及应力和应变水平，以便评估结构的性能、可能损坏和当前状态。公知的SHM系统和方法可以包括使用被集成到聚酰亚胺基体且被连接到动力和通信配线的小的刚性的陶瓷圆盘传感器。这些公知的传感器通常使用粘结剂被手动粘结到结构。这种手动安装会增加劳动力和安装成本，并且这种粘结剂会随时间老化并且会导致传感器脱离结构。此外，这些公知传感器可以由坚硬的平面和/或脆性材料制成，而这会限制其使用，例如难以用在弯曲或非平面基体表面上。此外，在这些公知传感器的大型阵列中，所需动力和通信配线的量会增加结构的复杂性和重量。

此外，公知传感器系统和方法，例如微机电系统（MEMS）和方法，会包括使用纳米粒子沉积在基体压电传感器，例如锆钛酸铅（PZT）传感器的用法。用于制造这种MEMS的公知方法可以包括用于直写墨水的PZT粉末的熔融盐合成。不过，应用由这样的公知方法制造的PZT传感器会受限于PZT传感器的物理几何形状。这种物理几何限制会导致不足的感测能力或者不足的致动响应。此外，由这样的公知方法制造的PZT传感器由于PZT传感器制造方法的原因而不能够应用于或被置于其功能非常重要的区域。例如，公知的熔融盐合成方法会需要在比某些应用基体能够容忍的温度更高的温度下进行。

此外，这样的公知MEMS系统和方法还会包括使用具有纳米粒子的传感器，且所述纳米粒子还没有晶体化并且其比已经晶体化的纳米粒子效率更低。非晶结构通常具有更大的无序性，从而导致对应变和电压的响应敏感性减小，而晶体结构通常具有更大的内部有序性，从而导致对应变的响应敏感性增加并且操作能量的必要性减小。此外，传感器的纳米粒子对于某些公知的沉积过程和系统而言是过大的，例如喷射原子化沉积（JAD）过程，并且这种纳米粒子会需要高温烧结/结晶过程，而这会导致损坏对温度敏感的基体或结构。

因此，本领域需要一种改进的方法和系统，其用于制造可以被用在结构的结构健康监测系统和方法中的具有纳米粒子的PZT压电传感器，而这种改进的方法和系统提供了优于公知方法和系统的优点。

发明内容

满足了对于一种改进的方法和系统的这种需要，且其中该方法和系统用于制造可以被用在结构的结构健康监测系统和方法中的具有纳米粒子的锆钛酸铅（PZT）压电传感器。如下述具体描述中所讨论的，系统和方法的实施例可以提供优于已有系统和方法的显著优点。

在本公开的实施例中，提供制造锆钛酸铅（PZT）纳米粒子墨水基压电传感器的方法。该方法包括按配方/化学式配制PZT纳米粒子墨水。该方法还包括经由墨水沉积过程将PZT纳米粒子墨水沉积在基体上以便形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器。

在本公开的另一实施例中，提供制造锆钛酸铅（PZT）纳米粒子墨水基压电传感器的方法。该方法包括按配方/化学式配制包括预结晶化PZT纳米粒子的PZT纳米粒子墨水。该方法还包括使得PZT纳米粒子墨水悬浮于溶胶-凝胶基粘结促进剂中。该方法还包括经由直写印制过程将PZT纳米粒子墨水沉积在基体上以便形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器。

在本公开的另一实施例中，提供用于制造锆钛酸铅（PZT）纳米粒子墨水基压电传感器的系统。该系统包括按配方配制的PZT纳米粒子墨水。该系统还包括将PZT纳米粒子墨水沉积在基体上以便形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器的墨水沉积设备。该结构可以具有非弯曲或平面表面、弯曲或非平面表面、或者非弯曲或平面表面和弯曲或非平面表面的组合。PZT纳米粒子墨水基压电传感器可以被沉积在结构的表面上且在结构的主体和PZT纳米粒子墨水基压电传感器之间具有一层或更多层绝缘物、涂层或漆。

已经讨论的特征、功能和优点能够在本公开的各种实施例中单独地实现或者在另一些实施例中组合，参考下述说明和附图能够看出其的进一步细节。

附图说明

结合附图参考下述具体描述能够更好地理解本公开，附图示出了优选且示例性实施例，不过其不必要成比例绘制，其中：

图1示出了可以使用本公开的系统和方法的一个实施例的示例性飞行器的立体图；

图2示出了沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件的一个实施例的横截面图；