本发明涉及柔性薄膜压力传感器，具体是一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器。
背景技术：
1、超重力增大了物质的体积力和多项介质相间相对运动的驱动力，因此超重力离心模拟实验技术成为研究多相介质相互演变的革命性手段，进而利用超重力技术可以聚焦岩体、土体、地质体、合金熔体、生命体、化工材料等多相介质为研究对象的多学科交叉融合领域。使用超重力场开展模型试验可以提升人类观测常重力大时空尺度多项介质运动过程的能力同时提供加速度多项介质相间分离的极端物理条件。超重力离心机利用高速旋转在实验舱室内部产生ng的超重力场，利用缩尺作用(n1)、缩时作用(n2)以及强化能量作用(n3)，通过开展建设小型缩尺模型去反演大型重大工程的可靠性。
2、传感器作为超重力模型实验中的数据获取的重要来源，高g值超重力环境下会引起传感器敏感元件变形、高分子聚合物粘结结构发生形变或增大元件间的相互作用，进而影响器件力电响应过程，造成引起传感器反馈数值产生较大误差，最终导致超重力模型实验不能很好的反映出真实的多相介质演变的状态。传感器读数失误可能造成被测量物理量产生偏差，处于超重力环境下的航空航天设备因传感器数值产生偏差严重时会发生爆炸等重大安全事故。
3、现有的柔性薄膜压力传感器大多采用聚偏氟乙烯(pvdf)材料制备压电薄膜,pvdf薄膜在经过极化后，或在使用过程中会出现因应力释放(超重力效应会加速应力释放的进程)，造成敏感单元发生褶皱的现象，影响柔性薄膜压力传感器的灵敏度，进而造成不同环境下的灵敏度产生较大的差异，最终会导致柔性薄膜压力传感器测量数据的准确度大幅下降。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是提供一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，通过设置聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜和柔性复合封装层，有效的解决了压电薄膜在超重力环境下出现褶皱的问题，保证柔性薄膜压力传感器测量的灵敏度和测量数据的准确度。
2、本发明的技术方案为：
3、一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，包括有聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜、两个金属电极和柔性复合封装层；
4、所述的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜包括有聚偏氟乙烯基体和填充于聚偏氟乙烯基体内呈网格线排列的多根碳纳米线，聚偏氟乙烯基体包括有位于碳纳米线正下方的下聚偏氟乙烯层和完全填充于碳纳米线网格内且位于碳纳米线正上方的上聚偏氟乙烯层，所述的碳纳米线的直径和聚偏氟乙烯基体厚度的比值为0.1-0.15，下聚偏氟乙烯层和上聚偏氟乙烯层的厚度比值为1-1.5；
5、所述的两个金属电极分别固定于聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的两面且相互重叠，聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜位于两个金属电极之间的区域为极化区域；
6、所述的柔性复合封装层为双层结构，双层柔性复合封装层分别粘接于聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的两面，且双层柔性复合封装层的边缘部均伸出到聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜外且相互粘接固定，使得聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜完全包覆于双层的柔性复合封装层中；
7、每层柔性复合封装层均是由从上至下叠置的上二甲基硅氧烷层、氮化硅薄膜、锗锑碲薄膜、下聚二甲基硅氧烷层复合而成，所述的锗锑碲薄膜为双层结构，上层锗锑碲薄膜和下层锗锑碲薄膜均是由多个锗锑碲块组成，上层锗锑碲薄膜和下层锗锑碲薄膜形成网格状交叉分布结构，即上层锗锑碲薄膜中任意相邻的两个锗锑碲块之间的区域与下层锗锑碲薄膜中的一个锗锑碲块完全重叠，下层锗锑碲薄膜延伸并包覆于下聚二甲基硅氧烷层中，使得下层锗锑碲薄膜中任意相邻的两个锗锑碲块之间填充有聚二甲基硅氧烷，上层锗锑碲薄膜中任意相邻的两个锗锑碲块之间的区域为中空结构，每层柔性复合封装层中下聚二甲基硅氧烷层的底面粘接于聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的表面上，双层的柔性复合封装层中下聚二甲基硅氧烷层底面的边缘部相互粘接固定。
8、所述的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的制备方法具体包括有以下步骤：
9、s11、称取聚偏氟乙烯粉末，并将其倒入容器中，同时加入n-甲基吡咯烷酮溶剂混合均匀，配置得到聚偏氟乙烯铸膜溶液；
10、s12、将洁净的底板放入溶液槽的槽底处，将配置好的聚偏氟乙烯铸膜溶液倒入底板上，并使其均匀附着在底板的顶面上，然后将溶液槽放入低温恒温环境中静置一定时间后，取出并置于蒸发台上，在室温22-28℃的环境下静止若干小时后，使得聚偏氟乙烯铸膜溶液充分凝固于底板上，形成聚偏氟乙烯薄膜，最后将底板连同其上的聚偏氟乙烯薄膜从溶液槽中取出；
11、s13、将底板上凝固的聚偏氟乙烯薄膜进行激光切割，使得底板上形成多个呈矩阵排列的聚偏氟乙烯块，每个聚偏氟乙烯块的横截面均为正方形，边长为l1，聚偏氟乙烯块的厚度为m1，金属电极的直径为d，l1的长度满足下式(1)：
12、l1＝k1×d (1)；
13、式(1)中，k1的取值范围为0.0021-0.0045；
14、s14、将多根横纵延伸的碳纳米线拉直后均匀地粘贴在多个聚偏氟乙烯块上，使得多个碳纳米线形成网格线排布结构，网格线的每个交叉点位于对应的一个聚偏氟乙烯块上；
15、s15、将粘贴完碳纳米线的底板再次放入溶液槽中，将新的聚偏氟乙烯铸膜溶液再次倒入溶液槽中，使其完全覆盖碳纳米线和多个聚偏氟乙烯块，然后将溶液槽放入低温恒温环境中静置一定时间后，取出并置于蒸发台上，在室温22-28℃的环境下静止若干小时后，使得聚偏氟乙烯铸膜溶液充分凝固于底板上，形成聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜，聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜中碳纳米线正下方的下聚偏氟乙烯层与聚偏氟乙烯块厚度一致，均为m1，碳纳米线的直径为m2,完全填充于碳纳米线网格内且位于碳纳米线正上方的上聚偏氟乙烯层其厚度为m3，聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的厚度m4为10-50μm，m1、m2和m3三者的比值为10-25:4:15-30。
16、所述的金属电极是先在聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜表面的极化区域镀铬膜，然后在铬膜上溅射金属层，制得金属电极，然后将两个极化压头分别朝向两个金属电极，对两个金属电极之间聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域进行极化处理，极化完成后，再采用两个去极化压头进行反向低压极化，即两个去极化压头分别沿着金属电极的轮廓线进行移动实现去极化处理，来消除边缘光晕；其中，去极化压头与极化压头的结构和材料一致，极化压头的直径与金属电极直径d的比值为1.05-1.2，去极化压头与金属电极直径d的比值为0.1-0.2。
17、所述的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域其压电系数d33满足下式(2)：
18、
19、式(2)中，di表示在i方向上产生的电位移，i取值为1-3的整数；tj表示j方向作用力受到的应力，j取值为1-6的整数；dij为压电系数，i表示电荷产生的方向，j表示作用力的方向；n为超重力环目标数值，为无量纲参数；εj为产生电荷方向的调节系数，为无量纲参数。
20、所述的极化后的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜进行切割处理，使得聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的矩形环边缘部仅保留碳纳米线部分，两个金属电极上分别引出第一电极线和第二电极线，第一电极线和第二电极线从偏氟乙烯纳米线复合薄膜的其中一宽边引出，并将偏氟乙烯纳米线复合薄膜引出电极线的一宽边边缘部上的碳纳米线部分去除，然后粘接双层的柔性复合封装层，聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜另外三个边边缘部的碳纳米线完全包覆粘接于双层的柔性复合封装层中，聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜除去边缘部的碳纳米线部分后，剩余的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜其纵向中轴线与柔性复合封装层的纵向中轴线重叠，剩余的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜其宽度为l2，柔性复合封装层的宽度为l3，l2和l3的取值满足下式(3)和式(4)；
21、l2＝k2×d (3)；
22、l3＝k3×l2 (4)；
23、式(3)和式(4)中，d表示金属电极的直径，k2的取值为2.15-4.65；
24、k3的取值为1.02-1.05。
25、所述的柔性复合封装层的制备方法，具体包括有以下步骤：
26、s31、首先在锗锑碲薄膜的底面上制作下聚二甲基硅氧烷层，锗锑碲薄膜和下聚二甲基硅氧烷层的厚度一致；
27、s32、对锗锑碲薄膜的顶面进行多次的压痕处理，使得下聚二甲基硅氧烷层的底面形成多个网格状排列的凹槽，放置一段时间后，下聚二甲基硅氧烷层的底面重新回弹至平面结构，锗锑碲薄膜形成双层结构；
28、s33、在锗锑碲薄膜的顶面粘接一层氮化硅薄膜，然后在氮化硅薄膜的顶面粘接一层上聚二甲基硅氧烷层，即得到柔性复合封装层。
29、所述的上层锗锑碲薄膜中任意相邻两个锗锑碲块之间的距离均为k5,下层锗锑碲薄膜任意相邻两个锗锑碲块之间的距离均为k4,k4的取值满足下式(5)，k5的取值满足下式(6)：
30、l4＝k4×d (5)；
31、l5＝k5×l4 (6)；
32、式(5)和式(6)中，d表示金属电极的直径，超重力离心机目标加速度数值为100g的情况下，k4的取值为0.721-0.956，k5的取值为0.921-1.123。
33、所述的双层的柔性复合封装层的外表面上均粘接固定有超表面介质层，两个超表面介质均与聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域同圆心，两个超表面介质均完全覆盖聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域且相互重叠，两个超表面介质的直径均为d2，两个超表面介质的厚度均为m5，d2和m4的取值分别满足下式(7)和式(8)：
34、d2＝k6×d (7)；
35、m5＝k7×m4 (8)；
36、式(7)和式(8)中，d表示金属电极的直径，m4为聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的厚度，k6的取值为1.45-1.67，k7的取值为1.25-1.41。
37、当所述的柔性薄膜压力传感器置于非连续介质中使用时，所述的超表面介质为亲水材料制成。
38、当所述的柔性薄膜压力传感器置于连续介质中使用时，所述的超表面介质为超疏水材料制成。
39、本发明的优点：
40、(1)、本发明的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜中复合有呈网格线排列的碳纳米线，碳纳米线是由碳纳米管组成的宏观组装体，碳纳米线的强度高于8.8gpa模量，拉伸模量可以大于300gpa，因此通过在pvdf薄膜中增加碳纳米线，可以有效的提升pvdf薄膜的强度，有效的解决pvdf薄膜在经过极化后出现残余应力释放的问题，进一步的提升了pvdf薄膜抗褶皱的能力，提升了柔性薄膜压力传感器测量的精准度。
41、(2)、超重力环境下的尺寸放大效应，100g环境下土工试验，传感器的直径相当于放大了100倍，因此本发明仅对聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜金属电极之间的部分进行局部极化处理，同时为了获得具有清晰边界的压电单元，并结合交流极化下压电常数为零的方法，使用去极化压头引入反向低压极化来消除边缘光晕，使得压电薄膜(聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜)的测量更加精准。
42、(3)、本发明通过融合超重力环目标数值和产生电荷方向的调节系数来计算压电系数d33，使得柔性薄膜压力传感器可在常重力环境下完成超重力环境下的测试，评价压电薄膜的极化程度，通过计算超重力环境下的压电系数d33的最小数值，根据这个数值来控制极化过程中的电场强度、温度和时间，确保极化后的压电薄膜达到最低设计d33数值。
43、(4)、pvdf材料制成的传感器灵敏度会受到温度场的显著影响，当应用在超重力试验中，会受到两方面的影响：一方面是离心机机器高速旋转造成离心机舱室内部环境温度无差异化升高，另一方面是实验中某种变量造成环境温度瞬间上升，比如超重力爆炸试验，爆炸瞬间产生高温造成传感器灵敏度系数产生漂移，所以本发明公开的柔性复合封装层是由上二甲基硅氧烷层、氮化硅薄膜、锗锑碲薄膜、下聚二甲基硅氧烷层复合而成，且锗锑碲薄膜中形成中空结构，由于氮化硅薄膜的导热系数较高，因此氮化硅薄膜可吸收测量介质环境内部的温度，并迅速在氮化硅薄膜内部扩散，避免升温点集中，锗锑碲薄膜中的中空空腔可用于存储并阻拦一定的热能量，且锗锑碲薄膜的导热系数极低，避免热量进一步传输给pvdf薄膜，使得柔性复合封装层具有很好的隔热效果，柔性薄膜压力传感器不会受到超重力离心机器自身运转以及涉及热量变化较大试验的影响，保证测量的灵敏度和准确度。
44、(5)、本发明在柔性复合封装层外表面上的敏感单元(覆盖极化区域)处粘接固定有超表面介质层，且根据在非连续介质和连续介质中使用的两种情况，选用不用的材料制成超表面介质层，当性薄膜传感器置于非连续介质中使用时，超表面介质为亲水材料制成，是由于亲水材料可吸附非连续介质(砂土)中的水分，将其吸附在超表面介质层的表面，进而可以使得传感器在承受砂土的冲击荷载时，受力面积更加均匀，使得测量数据更加精准；当柔性薄膜压力传感器置于连续介质中使用时，超表面介质为超疏水材料制成，是由于在连续介质(水)中，爆炸试验中产生的气泡会冲击到传感器表面上，超疏水材料的表面可以迅速吸附气泡，从而将传感器表面上的水向四周挤压，因此可以很好的获得气泡冲击传感器的响应情况。
1.一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：包括有聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜、两个金属电极和柔性复合封装层；
2.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的制备方法具体包括有以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述的金属电极是先在聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜表面的极化区域镀铬膜，然后在铬膜上溅射金属层，制得金属电极，然后将两个极化压头分别朝向两个金属电极，对两个金属电极之间聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域进行极化处理，极化完成后，再采用两个去极化压头进行反向低压极化，即两个去极化压头分别沿着金属电极的轮廓线进行移动实现去极化处理，来精准消除边缘光晕；其中，去极化压头与极化压头的结构和材料一致，极化压头的直径与金属电极直径d的比值为1.05-1.2，去极化压头与金属电极直径d的比值为0.1-0.2。
4.根据权利要求3所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域其压电系数d33满足下式(2)：
5.根据权利要求3所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述的极化后的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜进行切割处理，使得聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的矩形环边缘部仅保留碳纳米线部分，两个金属电极上分别引出第一电极线和第二电极线，第一电极线和第二电极线从偏氟乙烯纳米线复合薄膜的其中一宽边引出，并将偏氟乙烯纳米线复合薄膜引出电极线的一宽边边缘部上的碳纳米线部分去除，然后粘接双层的柔性复合封装层，聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜另外三个边边缘部的碳纳米线完全包覆粘接于双层的柔性复合封装层中，聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜除去边缘部的碳纳米线部分后，剩余的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜其纵向中轴线与柔性复合封装层的纵向中轴线重叠，剩余的聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜其宽度为l2，柔性复合封装层的宽度为l3，l2和l3的取值满足下式(3)和式(4)；
6.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述的柔性复合封装层的制备方法，具体包括有以下步骤：
7.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述的上层锗锑碲薄膜中任意相邻两个锗锑碲块之间的距离均为l5,下层锗锑碲薄膜任意相邻两个锗锑碲块之间的距离均为l4,l4的取值满足下式(5)，l5的取值满足下式(6)：
8.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述的双层的柔性复合封装层的外表面上均粘接固定有超表面介质层，两个超表面介质均与聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域同圆心，两个超表面介质均完全覆盖聚偏氟乙烯纳米线复合薄膜的极化区域且相互重叠，两个超表面介质的直径均为d2，两个超表面介质的厚度均为m5，d2和m4的取值分别满足下式(7)和式(8)：
9.根据权利要求8所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：当所述的柔性薄膜压力传感器置于非连续介质中使用时，所述的超表面介质为亲水材料制成。
10.根据权利要求8所述的一种适用于超重力离心环境下的柔性薄膜压力传感器，其特征在于：当所述的柔性薄膜压力传感器置于连续介质中使用时，所述的超表面介质为超疏水材料制成。
