压电薄膜传感器电极的制备方法、电极及压电薄膜传感器

本发明涉压电材料，特别涉及一种压电薄膜传感器电极的制备方法、电极及压电薄膜传感器。

背景技术：

1、基于压电薄膜传感器的预紧力检测技术，可以对材料应力、温度分布实现在线、远距离的实时监测，已广泛应用于航空航天、核电站等领域。例如通过在螺栓上制备压电薄膜传感器，然后利用传感器的逆压电效应在螺栓内产生超声波信号，根据标定不同载荷、温度与超声波在螺栓内飞行时间差关系，来实现螺栓内载荷的测量，是螺栓载荷的直接、原位测量方法。

2、为实现更高精度、更宽温域的预紧力监测，往往需要研发出压电性能更强、灵敏度更高、高温稳定性更优异的压电材料；也会通过增加结合层、过渡层、保护层等，提高传感器的性能；此外，研究电极材料也是一大方向，目前常用的电极材料的制备方法有射频溅射在压电薄膜表面制备永久电极和涂抹导电浆料固化后在压电薄膜表面形成便携式电极。射频溅射制备电极耗时较长且需要大型设备，成本很高，电极元素还容易在沉积过程中进入压电层，形成导电通道，破坏压电性能，高温退火过程中存在离子扩散现象，同样影响高温稳定性；而便携式电极对高温的耐受性较差，容易从压电薄膜表面脱离，不利于长期使用。

3、有必要改进压电薄膜传感器中的电极材料，增强薄膜传感器的压电性能，提高其制备效率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种压电薄膜传感器电极的制备方法，包括，

2、在带有压电薄膜衬底的压电薄膜表面涂覆耐高温电极材料，所述耐高温电极材料由耐高温ab胶和导电粉末混合而成；

3、将涂覆的耐高温电极材料固化后得到压电薄膜传感器电极。

4、进一步地，所述耐高温电极材料中a胶、b胶和导电粉末的质量比为1～2：1：1～5，导电粉末占比应适中，过低使得电极中导电粉末稀少，导电性差，过高则不易被ab胶粘连起来，与基底脱离。耐高温ab胶为双组份无机硅铝酸盐材料，a胶为粉末，b胶为液体，耐热温度高达1700℃，耐油和酸碱环境，高度绝缘，用于粘连导电粉末，使其与带有压电薄膜衬底的压电薄膜表面紧密粘合，并在高温环境下保护金属导电粉末。

5、进一步地，所述导电粉末包括碳粉、银粉、钛粉、铝粉、金粉、铂金粉、铬粉中的至少一种。

6、进一步地，所述导电粉末的纯度高于99％，粒径为30nm～10μm。

7、进一步地，所述压电薄膜衬底由磁控溅射法在衬底表面溅射压电薄膜材料得到。

8、进一步地，所述压电薄膜的成分包括aln、linbo3、zno、alscn中的至少一种，压电薄膜厚度无需限定。

9、进一步地，所述固化包括，

10、在带有压电薄膜衬底的压电薄膜表面涂覆耐高温电极材料后，在20～30℃放置1～24小时，40～50℃干燥0.5～2小时，60～80℃干燥1～10小时，100～150℃干燥1～5小时。这样的分阶段固化可以使得耐高温电极材料充分固化，并与压电薄膜表面充分贴合、无空隙。

11、进一步地，所述固化后的压电薄膜传感器电极的厚度为50μm～1000μm，电极厚度应适中，过薄使得电极中导电粉末过少，不具备良好的电极功能，过厚电极层易与基底脱落，电极失效，或引出的声波信号很弱。

12、进一步地，所述带有压电薄膜衬底的衬底包括，

13、螺栓、不锈钢、硅片、硬质合金、高温合金。衬底的材质和规格无需限定。

14、本发明也提供了一种压电薄膜传感器电极，使用上述的制备方法制备得到。

15、本发明还提供了一种压电薄膜传感器，带有上述的制备方法制备的电极。

16、相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

17、(1)相比于压电薄膜传感器常用的电极材料银浆，本发明将耐高温ab胶和导电粉末混合的耐高温电极材料作为电极材料，可以耐受更高的温度，在高温下电极材料与衬底黏附仍然紧密，避免了银浆容易脱落的弊端，在实现声波引出和应力检测的同时，提高了电极的可重复性。

18、(2)相比ag涂层沉积技术，本发明无需高昂的镀膜设备，成本低，操作简便，且退火过程中，不存在ag离子扩散问题，即超声信号退火后无衰减现象，甚至增强了8倍。而且经本发明技术制备的传感器，经退火处理后，横波与纵波超声信号幅值的比值进一步增加，即高温退火对横波增长的促进作用高于纵波。

19、(3)相比传统ag电极材料，本发明提供的耐高温电极材料引出的超声信号具有更高的声波频率，频率越高，意味着超声波波长越短，传播时方向性更好。

20、(4)本发明制备的混合耐高温电极材料利于信号引出，并改善信噪比，此外可以适当降低电极层厚度，引出更强的超声信号。

技术特征：

1.压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，包括，

2.根据权利要求1所述的压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜传感器电极的厚度为50μm～1000μm。

3.根据权利要求1所述的压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，所述耐高温电极材料中a胶、b胶和导电粉末的质量比为1～2：1：1～5。

4.根据权利要求1所述的压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，所述导电粉末包括碳粉、银粉、钛粉、铝粉、金粉、铂金粉、铬粉中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，所述导电粉末的纯度高于99％，粒径为30nm～10μm。

6.根据权利要求1所述的压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜衬底由磁控溅射法在衬底表面溅射压电薄膜材料得到；

7.根据权利要求1所述的压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，所述固化包括，

8.根据权利要求1所述的压电薄膜传感器电极的制备方法，其特征在于，所述带有压电薄膜衬底的衬底包括，

9.一种压电薄膜传感器电极，其特征在于，使用权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。

10.一种压电薄膜传感器，其特征在于，带有权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的电极。

技术总结
本发明公开了一种压电薄膜传感器电极的制备方法、电极及压电薄膜传感器，所述制备方法包括，在带有压电薄膜衬底的压电薄膜表面涂覆耐高温电极材料，所述耐高温电极材料由耐高温AB胶和导电粉末混合而成；将耐高温电极材料固化后得到耐高温压电薄膜传感器电极。相比于压电薄膜传感器常用的电极材料银浆，本发明将耐高温AB胶和导电粉末混合的耐高温电极材料作为电极材料，可以耐受更高的温度，在高温下电极材料与衬底黏附仍然紧密，避免了银浆容易脱落的弊端，在实现声波引出和应力检测的同时，提高了电极的可重复性。相比Ag涂层沉积，本发明无需高昂的镀膜设备，成本低，操作简便，退火过程中不存在Ag离子扩散问题，即超声信号无衰减。

技术研发人员：佩列诺维奇·瓦西里·奥列戈维奇,曾晓梅,杨兵,许畅,张俊,姜杨慧,黄家辉
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16