[发明专利]面向航空发动机的阵列式柔性压电传感器及其制备方法

说明书

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。

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系统，该系统通常由高频响应压力传感器、信号放大器以及信号采集系统等组成。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