CN110519675A - 水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法。该电子感知皮肤包括柔性压电复合材料、电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层以及防水透声层；采用切割‑灌注工艺制备大尺寸柔性压电复合材料，利用压电相的纵向伸缩模态实现振动能量和电能之间的高效率转化，从而提高接收灵敏度；利用聚合物相来实现感知皮肤的柔性，其贴附于水下无人航行器的外表面可有效节省航行器内部空间；通过压电相与聚合物相的比例可降低复合材料密度；在边缘设计柔性拉链连接结构可以便利地拼接，实现对航行器表面的全覆盖，达到全方位探测的目的；压电复合材料所具有的有源特性使得感知皮肤在无外部供电的条件下即可感知外界信息，满足了低能耗甚至零能耗的需求。

Description

水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法

技术领域

本发明属于水声换能器技术、压电器件技术领域，具体涉及一种水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法。

背景技术

电子皮肤是一种可以让机器人产生触觉的系统，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。比如美国麻省理工学院的技术人员研发而成了一种电子皮肤，该项技术关键在于使用了一种QCT的复合材料。其它类似发明还有日本和飞利浦公司研制的电子皮肤，国内清华大学使用石墨烯材料制备了电子皮肤，可探测呼吸心率等生理信号。

这种概念的电子皮肤尚未涉及到水下声信息感知领域。水下声信息的“感知皮肤”目前国内外并未见相关报道。针对水下无人航行器对水下声探测的需求，研制具有质量轻、体积小(节省空间)、全方位探测以及低功耗能力的“感知皮肤”，从而研制出新型的水声换能器，具有重要的意义。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种水下航行器声信息电子感知皮肤及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种水下航行器声信息电子感知皮肤，包括柔性压电复合材料层；所述柔性压电复合材料层的两侧分别依次设有电极、柔性薄膜电路以及防水透声层；所述柔性薄膜电路作为所述电极的引线结构，所述柔性压电复合材料层的至少一侧的柔性薄膜电路和防水透声层之间设有柔性匹配层。

进一步地，所述柔性压电复合材料包括压电相和聚合物相。

进一步地，所述电极采用丝网印刷低温固化银胶的工艺制备，所述银胶的主要成分包括：a)树脂基底的分子结构，其分子两端含有活性很高的环氧基；b)乙二胺；c)四乙烯五胺，其分子结构含有伯胺，伯胺中的活泼氢与树脂基底的环氧基按加成聚合的方式进行反应，形成固化结构；d)三乙醇胺，在固化反应中起催化作用。

进一步地，所述柔性薄膜电路包括高弹性的基材薄膜和位于所述基材薄膜上的导电线路，所述导电线路上设有周期性排列的导电触盘，所述导电触盘之间的连接线采用可伸缩的弹性结构；所述导电触盘与电极面牢固粘接。

进一步地，所述柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式。

进一步地，在所述水下航行器声信息电子感知皮肤的边缘设置柔性拉链连接结构，以便于拼接。

一种制备上述水下航行器声信息感知皮肤的方法，包括以下步骤：

1)采用切割-灌注工艺制备柔性压电复合材料；

2)在柔性压电复合材料上，采用丝网印刷低温固化银胶的工艺制备柔性复合材料电极；

3)制备引线结构即柔性薄膜电路，并将其对位固定在柔性压电复合材料的电极上；

4)制备柔性匹配层，并将其对位固定在柔性薄膜电路上；

5)在柔性压电复合材料、电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层的外部制备防水透声层。

进一步地，步骤3)将柔性薄膜电路贴覆于柔性压电复合材料的正负电极面；所述柔性薄膜电路包括高弹性的基材薄膜和位于所述基材薄膜上的导电线路，所述导电线路上设有周期性排列的导电触盘，所述导电触盘之间的连接线采用可伸缩的弹性结构；所述导电触盘与电极面牢固粘接。

进一步地，步骤4)所述柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式，其制备步骤包括：

a)采用环氧树脂和铝粉的混合物，固化成型后得到匹配层基体；

b)沿纵横切割匹配层基体，形成阵列，同时保留部分基底；

c)在切割形成的缝隙中填充柔性聚合物并固化成型；

d)在反面切割匹配层基体，形成由柔性聚合物连接的梯形匹配层阵列。。

一种水下航行器，其包含贴附于表面的上面所述的水下航行器声信息电子感知皮肤。

本发明的主要创新点及有益效果如下：

1.突破传统压电换能器厚、重、大的限制，“感知皮肤”换能器采用全柔性设计，最终实现了换能器整体的柔性。

2.在复合材料中引入柔性梯形匹配层。即能通过类似1-3型复合材料的结构设计实现了柔性，又能应用梯形匹配层的应力放大效应提高换能器接收电压灵敏度。

3.创新性的在换能器结构中引入拉链结构，实现换能器间的简易柔性连接。为换能器阵列排布方式提供了新思路。

附图说明

图1是电子感知皮肤的结构示意图。

图2是实施例的总体研究方案示意图。

图3是柔性复合材料制备工艺流程图。

图4是银胶主要成分分子图。

图5是柔性薄膜电路结构图。

图6是梯形匹配层柔性阵列制备工艺流程图。

图7是电子感知皮肤的整体制备流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明首次提出了水下声信息“感知皮肤”这一概念，目前国内外并未见相关报道。该概念是从“电子皮肤”概念引申到水下应用的。本发明研制的“感知皮肤”将质量轻、节省空间、可全方位探测和能耗低作为研究方向，研制新型水声换能器。

本发明针对水下无人航行器对水下声探测的需求，研制具有质量轻、体积小、全方位探测以及低功耗能力的“感知皮肤”。基于柔性压电复合材料制备工艺研制具有大面积、轻薄且柔软特性的“感知皮肤”敏感材料。突破现有换能器的限制，针对柔性换能器结构设计、柔性压电复合材料成型及柔性电极引出工艺的关键技术开展攻关，完成大面积柔性换能器的研发。

本发明研制的“感知皮肤”如图1所示，以柔性压电复合材料作为核心敏感元件，主要包括柔性压电复合材料、电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层以及防水透声层五部分。采用切割-灌注工艺制备大尺寸柔性压电复合材料，实现“感知皮肤”质量轻、节省空间、可全方位探测和能耗低的优点。利用压电复合材料中压电柱的纵向伸缩模态实现振动能量和电能之间的高效率转化，从而提高“感知皮肤”的接收灵敏度；利用压电复合材料中聚合物相的柔性来实现皮肤的柔性，其贴附于水下无人航行器的外表面可有效节省航行器内部空间；通过调控压电复合材料中压电相与聚合物相的比例，可降低复合材料密度，实现质量轻的特点；在“感知皮肤”边缘设计柔性拉链连接结构，使其可以便利的拼接，实现对航行器表面的全覆盖，进而达到全方位探测的目的；另外，压电复合材料所具有的有源特性(压电特性)，可使感知皮肤在无外部供电的条件下即可感知外界信息，满足了低能耗，甚至零能耗的需求。

图1中，柔性压电复合材料的两侧可以是对称结构，即柔性压电复合材料层的两侧分别依次设有电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层以及防水透声层。也可以是单独一侧有柔性匹配层，另一侧没有柔性匹配层。

本发明的总体研究方案如图2所示，包括五部分：柔性压电复合材料设计与制备，柔性电极引线设计与制备，柔性匹配层设计与制备以及柔性“感知皮肤”研制，最后进行“感知皮肤”性能测试。首先，设计柔性压电复合材料的结构，通过理论分析建立复合材料的振动频率方程及机电耦合系数等参数随体积百分比、材料参数的计算模型，计算复合材料的性能参数，并应用有限元方法仿真优化结构；研究柔性压电复合材料的制备工艺流程，按照优化的结构参数制备复合材料。其次，根据“感知皮肤”对柔性的要求，设计电极引线方案，采用改进的柔性印刷电路方式引出正负电极。再次，突破现行硬性匹配层制备工艺限制，设计柔性匹配层，并研究其制备工艺。一方面，通过引入匹配层降低复合材料与水之间的阻抗失配效应；另一方面，通过设计匹配层结构实现应力放大，提高复合材料接收电压灵敏度。之后，应用上述被覆柔性匹配层的压电复合材料，设计“感知皮肤”的封装结构，研究其封装工艺，研制获得适用于水下环境的“感知皮肤”。最后，对“感知皮肤”性能进行测试，并结合合作单位研制的水下无人航行器进行综合测试。

1.柔性压电复合材料制备工艺

(1)柔性压电复合材料制备

柔性压电复合材料的制备工艺较为简单，采用传统的压电复合材料切割-灌注工艺制备。工艺流程如图3所示，包括切割-注填橡胶-固化成型-反向切割-注填橡胶-固化成型。首先沿纵横切割压电陶瓷，形成压电陶瓷柱阵列，对阵列灌注橡胶，待橡胶固化后，反面对缝切割陶瓷基底，二次灌注橡胶固化成型。该工艺可一体成型大面积柔性压电复合材料，且陶瓷柱单元分布均匀，形状规则，复合材料的振动模态单纯。

(2)柔性压电复合材料电极制备

柔性压电复合材料的电极一直是制约压电复合材料大批量应用的瓶颈技术之一。压电复合材料由于聚合物相材料不耐高温，并且两相材料温度系数不同，高温下会产生较大形变差，造成复合材料界面失效。所以压电复合材料的电极无法借鉴压电陶瓷的电极制备工艺，即无法采用丝网印刷银浆，然后高温固化的工艺。对于平面压电复合材料，通常采用磁控溅射工艺制备金属薄膜。但对于柔性复合材料，由于柔性复合材料弯曲过程中会造成金属薄膜的剥离，因此磁控溅射工艺不适用于柔性复合材料。

本发明采用丝网印刷低温固化银浆的工艺制备柔性复合材料电极。选用低温固化银浆来制备电极。柔性复合材料先后经过丙酮、酒精以及超声清洗，自然风干后在样件的上下表面均匀印刷银胶，低温固化，完成电极制备。图4示出银胶主要成分分子图，其中图(a)为树脂基底的分子结构，环氧当量为113～117/g·mol^-1。分子两端含有活性很高的环氧基，不加固化剂时，环氧树脂性能稳定，加入固化剂后，在一定条件下进行反应，生成具有较好交联密度、耐热性以及粘接性的固化产物。图(b)和(c)分别为乙二胺(EDA)和四乙烯五胺(TEPA)的分子结构图，乙二胺分子量为60.10，活泼氢当量15，四乙烯五胺分子量189.31，活泼氢当量27。其均为强碱，易溶于水，活性高。其分子结构主要含有伯胺，伯胺中的活泼氢与树脂基底的环氧基按加成聚合的方式进行反应，形成固化结构。图(d)为三乙醇胺(TEOA)的分子结构图，三乙醇胺主要含有叔胺，其具有强碱性，吸湿性，反应活性较弱，在固化反应中起催化作用。

2.柔性复合材料的柔性引线设计与制备

虽然上述电极制备方法增加了电极的延展性与牢固性，但是为保证“感知皮肤”在应用中的可靠性，仍然要设计可靠的柔性引线工艺。我们知道，在压电复合材料中，压电相材料在压电效应的作用下将电能转化为振动能，或反之。而聚合物相上施加的电场对复合材料的整体振动没有影响。因此，如果我们设计合理的柔性薄膜电路，将每一个压电柱上的电极都连接起来，无论复合材料上电极是否连接都可以实现信号传输，形成双保险，进一步提高“感知皮肤”可靠性。

(1)柔性引线设计

为保证“感知皮肤”的柔性，压电复合材料的引线结构，即柔性薄膜电路，也需具有柔软和可伸缩的特性。本发明所采用的柔性薄膜电路如图5所示，其基材采用高弹性、低杨氏模量、贴附性好的有机硅薄膜，该薄膜具备高弹性，在拉伸一定长度后(只要不拉断)，薄膜均会恢复原来形状，并且其介电绝缘性好，是制备柔性电子产品的柔性衬底的理想材料；薄膜上的导电线路，采用具有良好导电性、延展性和稳定性的铜材料，并且薄膜电路上每个导电触盘间的连接线设计成可伸缩的弹性结构。

(2)柔性引线制备工艺

采用柔性薄膜电路贴覆柔性复合材料正负电极面的方式将复合材料的电极引出。柔性薄膜电路贴覆于复合材料的正负电极面，薄膜电路上的导电触盘通过高强度导电环氧树脂胶与电极面牢固粘接。这种引线方式不仅将引线与电极的固定方式由点接触改进为面接触，提高了电极引线的可靠性，还保证了复合材料引线后的柔性。

3.柔性匹配层的制备

匹配层技术是在压电复合材料的声接收面与水介质之间增加一层特性阻抗介于复合材料和水介质之间的材料，使得水中的声波通过匹配层最大限度的传递到复合材料的压电柱上。不仅如此，本发明设计的匹配层还具有应力放大功效，能进一步提高“感知皮肤”的接收灵敏度。

图6是本发明的柔性匹配层制备工艺的流程图。柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式。柔性匹配层采用梯形结构的好处是：即能通过类似1-3型复合材料的结构设计实现了柔性，又能应用梯形匹配层的应力放大效应提高换能器接收电压灵敏度。选取阻抗恰当的材料作为配制匹配层的原料。匹配层的倒梯形结构选用环氧树脂添加铝粉制备，环氧树脂的阻抗较低，通过调控铝粉的添加比例可控制匹配层的阻抗接近计算值，使其更易与水匹配。

匹配层采用先预制匹配层基体(环氧树脂和铝粉的混合物)，再切割填充柔性聚合物(如硅橡胶)固化成型梯形匹配层柔性阵列的工艺制备，其制备工艺如图6所示，具体包括以下步骤：

a)预制匹配层基体：采用环氧树脂和铝粉的混合物，固化成型后得到匹配层基体；

b)沿纵横切割匹配层基体，形成阵列，同时保留部分基底；

c)在切割形成的缝隙中填充柔性聚合物并固化成型；

d)在反面切割匹配层基体，形成由柔性聚合物连接的梯形匹配层阵列。

4.“感知皮肤”研制和制备

“感知皮肤”制备完整工艺流程如图7所示，首先根据“感知皮肤”设计结构参数确定压电陶瓷切割参数，然后选用检测合格的压电陶瓷片进行正向切割，在切割缝隙内灌注硅橡胶，固化后打磨清洗晾干后，应用低温固化银浆制备工艺制备高可靠性电极。根据“感知皮肤”设计结构参数确定柔性引线结构参数，定制柔性引线。将其与上述半成品对位粘接。根据“感知皮肤”设计结构参数确定梯形匹配层的结构参数。制备匹配层材料基底，在基底上进行梯形形状的加工。将加工好的梯形匹配层与上述半成品对位粘接。根据“感知皮肤”设计结构参数采用切割工艺将每一个压电柱所对应的梯形匹配层彼此分割，在缝隙中灌注硅橡胶。然后在反方向重复上述工艺流程，完成敏感元件的制备，最后将柔性引线与电缆连接，并且应用灌注模具将换能器进行防水密封，完成换能器制备。最后进行综合性能测试。

在“感知皮肤”的边缘采用柔性拉链连接结构，可以便利的进行拼接，如图1所示。柔性拉链连接结构是从生活中的衣服拉链引申而来，可以采用现有的拉链结构实现，主要考虑是其具有较好的柔性，比如金属拉链扣之间彼此独立，易于弯曲。

5.柔性压电复合材料工艺可行性分析

为验证柔性压电复合材料的工艺可行性，本发明进行了工艺摸底实验。制备了1-3型柔性压电复合材料。工艺方法采用切割灌注法。在压电陶瓷柱间填充硅橡胶，固化后在上下表面粘接高弹性有机硅薄膜。制备的实物样品的1-3型压电复合材料由黄色的压电陶瓷柱以及环绕其周围的白色硅橡胶构成。由于硅橡胶具有较好的柔韧性并且压电陶瓷柱横向尺度足够小，压电复合材料可以随意弯曲，具有超强的柔性。并且由于上下表面粘贴的高弹性有机硅薄膜在横向起到了横向加强效果，柔性复合材料即使多次弯曲仍然可以恢复到最初的状态。

本发明中，柔性压电复合材料中压电相的形状也可以不是长条的柱形，而是圆球形，也可以是不均匀分布的颗粒。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的原理和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，包括柔性压电复合材料层；所述柔性压电复合材料层的两侧分别依次设有电极、柔性薄膜电路以及防水透声层；所述柔性薄膜电路作为所述电极的引线结构，所述柔性压电复合材料层的至少一侧的柔性薄膜电路和防水透声层之间设有柔性匹配层。

2.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述柔性压电复合材料包括压电相和聚合物相。

3.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述电极采用丝网印刷低温固化银胶的工艺制备，所述银胶的主要成分包括：a)树脂基底的分子结构，其分子两端含有活性很高的环氧基；b)乙二胺；c)四乙烯五胺，其分子结构含有伯胺，伯胺中的活泼氢与树脂基底的环氧基按加成聚合的方式进行反应，形成固化结构；d)三乙醇胺，在固化反应中起催化作用。

4.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述柔性薄膜电路包括高弹性的基材薄膜和位于所述基材薄膜上的导电线路，所述导电线路上设有周期性排列的导电触盘，所述导电触盘之间的连接线采用可伸缩的弹性结构；所述导电触盘与电极面牢固粘接。

5.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，所述柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式。

6.根据权利要求1所述的水下航行器声信息电子感知皮肤，其特征在于，在边缘设置柔性拉链连接结构，以便于拼接。

7.一种制备权利要求1所述水下航行器声信息感知皮肤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用切割-灌注工艺制备柔性压电复合材料；

2)在柔性压电复合材料上，采用丝网印刷低温固化银胶的工艺制备柔性复合材料电极；

3)制备引线结构即柔性薄膜电路，并将其对位固定在柔性压电复合材料的电极上；

4)制备柔性匹配层，并将其对位固定在柔性薄膜电路上；

5)在柔性压电复合材料、电极、柔性薄膜电路、柔性匹配层的外部制备防水透声层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3)将柔性薄膜电路贴覆于柔性压电复合材料的正负电极面；所述柔性薄膜电路包括高弹性的基材薄膜和位于所述基材薄膜上的导电线路，所述导电线路上设有周期性排列的导电触盘，所述导电触盘之间的连接线采用可伸缩的弹性结构；所述导电触盘与电极面牢固粘接。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4)所述柔性匹配层采用梯形结构阵列的形式，其制备步骤包括：

a)采用环氧树脂和铝粉的混合物，固化成型后得到匹配层基体；

b)沿纵横切割匹配层基体，形成阵列，同时保留部分基底；

c)在切割形成的缝隙中填充柔性聚合物并固化成型；

d)在反面切割匹配层基体，形成由柔性聚合物连接的梯形匹配层阵列。。

10.一种水下航行器，其特征在于，包含贴附于表面的权利要求1～6中任一权利要求所述的水下航行器声信息电子感知皮肤。