CN106813810A - 分离柔性温度压力传感元件温度压力响应的方法 - Google Patents

分离柔性温度压力传感元件温度压力响应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及分离柔性温度压力传感元件温度压力响应的方法，属于测量技术领域。该方法设计了可用于分离温度压力响应的基于差动式温度压力传感元件的双电桥系统。差动式温度压力传感元件包括由覆合有电极的绝缘薄膜构成的底封装层、由绝缘高分子材料构成的顶封装层和一对基于石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料的正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜。由微处理器控制模拟开关使正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测压电桥的相邻桥臂以输出压力响应、接入测温电桥的相对桥臂以输出温度响应。用本发明提出的方法能分离柔性温度压力传感元件的温度压力响应，实现温度与压力的同时测量，可用于大型设备狭小曲面层间温度和压力测量等领域。

Description

分离柔性温度压力传感元件温度压力响应的方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，特别涉及到柔性温度压力传感元件的研制。
背景技术
国防与工业重大设备狭小曲面层间温度和压力的测量是确保系统安全运行的关键，但是受到现场空间结构尺寸的限制，很难安装传统的刚性传感元件。因此，需要研制一种柔性和薄型的传感元件，能够柔顺地帖附在狭小曲面层间来完成温度和压力的测量。导电高分子复合材料具有压敏性、温敏性和柔韧性，故而有潜力用于制备柔性温度压力传感元件，以实现狭小曲面层间温度压力测量。但是，这种复合材料的输出电阻随温度和压力而变化，这两种变化会产生交叉干扰，从而给温度与压力的同时测量带来困难。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出分离柔性温度压力传感元件温度压力响应的方法。该方法设计了基于差动式温度压力传感元件的双电桥系统以分离温度压力响应；差动式温度压力传感元件包括由覆合有电极及引线的绝缘薄膜构成的底封装层、由绝缘高分子材料构成的顶封装层和一对基于石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料的正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜。
所述的基于差动式温度压力传感元件的双电桥系统的制备方法包括以下步骤：
在绝缘薄膜上覆合两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极和两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极，以完成底封装层的制备；将底封装层覆合有金属电极的一侧向上固定于程控升降装置的固定平台上备用；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷混合，石墨烯与聚二甲基硅氧烷的质量比介于0.188∶1到0.192∶1之间，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极所围成的矩形区域之外的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极所围成的矩形区域上的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻负压阻敏感膜；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷混合，石墨烯与聚二甲基硅氧烷的质量比介于0.048∶1到0.052∶1之间，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极所围成的矩形区域之外的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极所围成的矩形区域上的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻正压阻敏感膜；
将由正温阻正压阻敏感膜、正温阻负压阻敏感膜和底封装层组成的结构固定于程控升降装置的固定平台上备用，并确保覆盖有正温阻正压阻敏感膜和正温阻负压阻敏感膜的一侧向上；将交联剂和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料均匀地涂覆在置于程控升降装置的固定平台上的由正温阻正压阻敏感膜、正温阻负压阻敏感膜和底封装层组成的结构之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为所需厚度；待绝缘高分子材料成型后，将所述的绝缘高分子材料修剪为所需尺寸以形成顶封装层；
将所述的覆盖有正温阻负压阻敏感膜的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极通过引线接入两个单刀双执模拟开关，将所述的覆盖有正温阻正压阻敏感膜的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极通过引线接入另外两个单刀双执模拟开关；由微处理器控制所述的四个单刀双执模拟开关使正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测压电桥的相邻桥臂或接入测温电桥的相对桥臂；当正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测压电桥的相邻桥臂时，测压电桥输出压力响应；当正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测温电桥的相对桥臂时，测温电桥输出温度响应。
本发明的特点及效果：
用本发明的方法制备的差动式温度压力传感元件的底封装层的两对电极的尺寸与位置、正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜的石墨烯含量都是通过大量的理论分析和实验验证得到的，可确保正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜的初始电阻接近相等，并能使二者温阻系数同号且压阻系数反号。用本发明的方法设计的双电桥结构可确保正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜在接入测压电桥时输出压力响应、在接入测温电桥时输出温度响应。用本发明提出的方法所设计的基于差动式温度压力传感元件的双电桥系统能分离柔性温度压力传感元件的温度压力响应，进而实现温度与压力的同时测量，可以应用于大型设备狭小曲面层间温度和压力测量等领域中。
附图说明
图1为底封装层的俯视图。
图2为由正温阻负压阻敏感膜、正温阻正压阻敏感膜和底封装层组成的结构的俯视图。
图3为基于差动式温度压力传感元件的双电桥系统的示意图。
图1-图3中，a代表底封装层的绝缘薄膜；b代表覆合在底封装层的绝缘薄膜上的第一条电极；c代表覆合在底封装层的绝缘薄膜上的第二条电极；d代表覆在底封装层的绝缘薄膜上的第三条电极；e代表覆合在底封装层的绝缘薄膜上的第四条电极；f代表覆合在底封装层的绝缘薄膜上的第一条电极的引线；g代表覆合在底封装层的绝缘薄膜上的第二条电极的引线；h代表覆在底封装层的绝缘薄膜上的第三条电极的引线；i代表覆合在底封装层的绝缘薄膜上的第四条电极的引线；j代表正温阻负压阻敏感膜；k代表正温阻正压阻敏感膜；l代表顶封装层；m代表第一个模拟开关；n代表第二个模拟开关；o代表第三个模拟开关；p代表第四个模拟开关；q代表测压电桥；r代表测温电桥；s代表测压电桥的电源；t代表测温电桥的电源；u代表第一个用于调节测压电桥平衡的标准电阻；v代表第二个用于调节测压电桥平衡的标准电阻；w代表第一个用于调节测温电桥平衡的标准电阻；x代表第二个用于调节测温电桥平衡的标准电阻；y代表测压电桥的输出UP；z代表测温电桥的输出UT。
具体实施方式
在绝缘薄膜a上覆合两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极b与c、两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极d与e、以及相应的引线f、g、h与i，以完成底封装层的制备；将底封装层覆合有金属电极的一侧向上固定于程控升降装置的固定平台上备用；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷混合，石墨烯与聚二甲基硅氧烷的质量比介于0.188∶1到0.192∶1之间，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极b与c所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极b与c所围成的矩形区域之外的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极b与c所围成的矩形区域上的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻负压阻敏感膜j，如图2所示；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷混合，石墨烯与聚二甲基硅氧烷的质量比介于0.048∶1到0.052∶1之间，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极d与e所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极d与e所围成的矩形区域之外的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极d与e所围成的矩形区域上的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻正压阻敏感膜k，如图2所示；
将由正温阻正压阻敏感膜j、正温阻负压阻敏感膜k和底封装层组成的结构固定于程控升降装置的固定平台上备用，并确保覆盖有正温阻正压阻敏感膜j和正温阻负压阻敏感膜k的一侧向上；将交联剂和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料均匀地涂覆在置于程控升降装置的固定平台上的由正温阻正压阻敏感膜j、正温阻负压阻敏感膜k和底封装层组成的结构之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为所需厚度；待绝缘高分子材料成型后，将所述的绝缘高分子材料修剪为所需尺寸以形成顶封装层l，如图3所示；
如图3所示，将所述的覆盖有正温阻负压阻敏感膜j的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极b与c通过引线f与g分别接入两个单刀双执模拟开关m与n的输入端，将所述的覆盖有正温阻正压阻敏感膜k的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极d与e通过引线h与i分别接入另外两个单刀双执模拟开关o与p的输入端；模拟开关m的端口1与模拟开关n的端口1接入测压电桥q的第一个桥臂，模拟开关o的端口1与模拟开关p的端口1接入测压电桥q的二个桥臂，模拟开关m的端口2与模拟开关n的端口2接入测温电桥r的第三个桥臂，模拟开关o的端口2与模拟开关p的端口2接入测温电桥r的二个桥臂；由微处理器控制模拟开关m使电极b通过引线f与模拟开关m的端口1接通、使电极c通过引线g与模拟开关n的端口1接通、使电极d通过引线h与模拟开关o的端口1接通、使电极e通过引线i与模拟开关p的端口1接通，进而使正温阻负压阻敏感膜k和正温阻正压阻敏感膜j接入测压电桥q的相邻桥臂以输出压力响应y；由微处理器控制模拟开关m使电极b通过引线f与模拟开关m的端口2接通、使电极c通过引线g与模拟开关n的端口2接通、使电极d通过引线h与模拟开关o的端口2接通、使电极e通过引线i与模拟开关p的端口2接通，进而使正温阻负压阻敏感膜k和正温阻正压阻敏感膜j接入测温电桥r的相对桥臂以输出温度响应z。
实施例
在厚度为12.5微米的聚酰亚胺薄膜上覆合两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的铜电极和两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的铜电极，以完成底封装层的制备；将底封装层覆合有金属电极的一侧向上固定于程控升降装置的固定平台上备用；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷按0.19∶1的质量比混合，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的铜电极所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的铜电极所围成的矩形区域之外的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的铜电极所围成的矩形区域上的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻负压阻敏感膜；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷按0.05∶1的质量比混合，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的铜电极所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的铜电极所围成的矩形区域之外的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的铜电极所围成的矩形区域上的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻正压阻敏感膜；
将由正温阻正压阻敏感膜、正温阻负压阻敏感膜和底封装层组成的结构固定于程控升降装置的固定平台上备用，并确保覆盖有正温阻正压阻敏感膜和正温阻负压阻敏感膜的一侧向上；将交联剂和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料均匀地涂覆在置于程控升降装置的固定平台上的由正温阻正压阻敏感膜、正温阻负压阻敏感膜和底封装层组成的结构之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为所需厚度；待绝缘高分子材料成型后，将所述的绝缘高分子材料修剪为所需尺寸以形成顶封装层；
将所述的覆盖有正温阻负压阻敏感膜的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的铜电极通过引线接入两个单刀双执模拟开关，将所述的覆盖有正温阻负压阻敏感膜的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的铜电极通过引线接入另外两个单刀双执模拟开关；由微处理器控制所述的四个单刀双执模拟开关使正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测压电桥的相邻桥臂或接入测温电桥的相对桥臂；当正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测压电桥的相邻桥臂时，测压电桥输出压力响应，当正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测温电桥的相对桥臂时，测温电桥输出温度响应，进而实现对柔性温度压力传感元件温度压力响应的分离。

Claims (1)

1.一种分离柔性温度压力传感元件温度压力响应的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在绝缘薄膜上覆合两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极和两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极，以完成底封装层的制备；将底封装层覆合有金属电极的一侧向上固定于程控升降装置的固定平台上备用；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷混合，石墨烯与聚二甲基硅氧烷的质量比介于0.188∶1到0.192∶1之间，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极所围成的矩形区域之外的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极所围成的矩形区域上的高石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻负压阻敏感膜；
将厚度为5纳米且片径为200纳米的石墨烯和聚二甲基硅氧烷混合，石墨烯与聚二甲基硅氧烷的质量比介于0.048∶1到0.052∶1之间，在超声振荡的作用下将石墨烯和聚二甲基硅氧烷在有机溶剂中搅拌；将有机溶剂挥发后形成的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物滴入所述的固定于程控升降装置的固定平台上的底封装层上的两条平行的长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极所围成的矩形区域之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物挤压为所需厚度；去除溢出在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极所围成的矩形区域之外的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料，剩余的覆盖在所述的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极所围成的矩形区域上的低石墨烯含量的石墨烯填充聚二甲基硅氧烷复合材料在硫化成型后形成正温阻正压阻敏感膜；
将由正温阻负压阻敏感膜、正温阻正压阻敏感膜和底封装层组成的结构固定于程控升降装置的固定平台上备用，并确保覆盖有正温阻负压阻敏感膜和止温阻正压阻敏感膜的一侧向上；将交联剂和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料均匀地涂覆在置于程控升降装置的固定平台上的由正温阻负压阻敏感膜、正温阻正压阻敏感膜和底封装层组成的结构之上，通过微机控制固定于程控升降装置的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为所需厚度；待绝缘高分子材料成型后，将所述的绝缘高分子材料修剪为所需尺寸以形成顶封装层；
将所述的覆盖有正温阻负压阻敏感膜的两条长度为0.62厘米且距离为3.86厘米的金属电极通过引线接入两个单刀双执模拟开关，将所述的覆盖有正温阻正压阻敏感膜的两条长度为3.98厘米且距离为0.56厘米的金属电极通过引线接入另外两个单刀双执模拟开关；由微处理器控制所述的四个单刀双执模拟开关使正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测压电桥的相邻桥臂以输出压力响应，由微处理器控制四个单刀双执模拟开关使正温阻负压阻敏感膜和正温阻正压阻敏感膜接入测温电桥的相对桥臂以输出温度响应，进而实现对柔性温度压力传感元件温度压力响应的分离。
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