一种多物理场测量的柔性智能蒙皮、变胞结构及其应用

摘要

本发明属于柔性电子皮肤领域，并公开了一种多物理场测量的柔性智能蒙皮、变胞结构及其应用。该柔性智能蒙皮自上而下依次包括第一电极、介电层、第二电极、压电层和第三电极，其中，第一电极、介电层和第二电极形成电容传感器，第二电极、压电层和第三电极形成压电传感器；第二电极包括两根电阻，分别为第一电阻和第二电阻，第一电阻形成电阻传感器，第一电阻和第二电阻共同形成电容传感器；第三电极包括电阻两根热电系数不同的电阻，分别为第三电阻和第四电阻，第三电阻形成电阻传感器，第三电阻和第四电阻共同形成热电偶传感器。通过本发明，实现压力，温度，应变，振动，湿度，流速和健康状态等物理量的测量，功能高度集成，结构的简化。

权利要求

1.一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，其特征在于，该柔性智能蒙皮自上而下依次包括第一电极(1)、介电层(2)、第二电极(3)、压电层(4)和第三电极(5)，其中，所述第一电极(1)、介电层(2)和第二电极(3)形成电容传感器，所述介电层为柔性绝缘基底材料，用于将所述第一电极与第二电极隔开；通过测量所述第一电极和第二电极之间电容的变化反映外界环境的变化；

所述第二电极(3)、压电层(4)和所述第三电极(5)形成压电传感器，所述压电层(4)用于将所述第二电极(3)与第三电极(5)隔开，当所述柔性智能蒙皮受到压力时，通过测量所述第二电极和第三电极之间电压的大小反映所述压力的大小；

其中，所述第二电极(3)包括两根电阻，分别为第一电阻和第二电阻，第一电阻弯曲呈敏感栅结构，以此延长电阻的长度，第二电阻与所述第一电阻平行分布，所述第一电阻的两端设置有引脚A和F，所述第二电阻末端设置有引脚D,所述第一电阻形成电阻传感器，通过监测引脚A和F之间的电阻反映电阻的变化，所述第一电阻和第二电阻共同形成电容传感器，通过监测引脚A/F和D之间的电容反映电容的变化；

所述第三电极(5)包括电阻两根热电系数不同的电阻，分别为第三电阻和第四电阻，第三电阻呈敏感栅结构，第四电阻与所述第三电阻连通，并在连接点处形成热电偶，所述第三电阻的两端设置有引脚B和E，所述第四电阻的末端设置有引脚C，所述第三电阻形成电阻传感器，通过监测引脚B和C之间的电阻反映电阻的变化，所述第三电阻和第四电阻共同形成热电偶传感器，通过监测引脚B/E和C之间的热电势反映热电偶的变化。

2.如权利要求1所述的一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，其特征在于，所述第一电极采用电磁波吸收材料，用于吸收电磁波。

3.如权利要求1所述的一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的材料相同，为应变灵敏度系数大于1.6，电阻率大于0.25μΩ·mm，并且电阻温度系数小于40×10-6/℃的材料，灵敏度系数高且保持常数以让第一电阻对应变敏感，电阻率大可以提高信噪比，降低引线电阻的影响，电阻温度系数小，可以减小第一电阻对温度的敏感性，以此保证第一电阻只对应变变化的灵敏度高。

4.如权利要求1所述的一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，其特征在于，所述第三电阻的材料为电阻温度系数大于3000×10-6/℃的材料，第四电阻的材料为对第三电阻热电势大于5μV/℃的材料，以此让第三电阻构成RTD温度传感器，让第三、第四电阻构成热电偶温度传感器，以满足不同温度范围的温度测量。

5.如权利要求1所述的一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，其特征在于，所述柔性智能蒙皮的厚度为20μm～30μm。

6.如权利要求1所述的一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，其特征在于，所述第一电极、第二电极和第三电极均通过依次经过光刻获得所需的形状，然后磁控溅射或者蒸镀沉积金属后获得。

7.如权利要求1所述的一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，其特征在于，所述第一电阻上还连接有一个附加电阻，以此增加第三电极的面积覆盖率。

8.一种权利要求1-7任一项所述的多物理场测量的柔性智能蒙皮在测量压力，温度，应变，振动和湿度中的应用。

9.一种利用权利要求1-7任一项所述的多物理场测量的柔性智能蒙皮形成的多胞结构，其特征在于，将所述柔性智能蒙皮作为一个单胞，通过多个单胞结构相对设置，以此形成多胞结构，将该多胞结构贴附在待测物体表面，在其中一个单胞中的第二电极和第三电极之间通入交流电，测量其他单胞中第二电极和第三电极之间的电压，通过不同位置处测量的单胞中的不同电压反映待测物体的表面质量；或者，将该多胞结构贴附在待测物体表面，在其中一个单胞的第三电极中通过直流电，测量其他单胞第三电极两端的电阻，根据该电阻大小计算获得该单胞所在处空气的流速。

10.一种权利要求9所述的多胞结构在监测飞行器的健康状态和周围空气流速中的应用。

说明书

一种多物理场测量的柔性智能蒙皮、变胞结构及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于柔性电子皮肤领域，更具体地，涉及一种多物理场测量的柔性智能蒙皮、变胞结构及其应用。

背景技术

[0002] 飞行器在设计阶段的风洞试验、飞行过程中的姿态调整都需要获取飞行速度调整、姿态调整、机动性操作、环境感知等飞行参数，依赖于其表面的飞行气动参数的实时获取，需要在复杂的气流环境下获取飞行器表面流场、风压风阻、温度湿度、振动特性等参数。目前风洞试验中较成熟的打孔法、智能涂层法不仅成本高、测量复杂，而且测量量相对单一，无法对飞行器表面的多种气动参数同时测量。而现阶段的智能蒙皮传感器研究，还处于一种小面积、单一传感的基础研究阶段。因此，能够大面积共形贴附于飞行器复杂表面，并获取其表面气动参数的多功能传感器，对飞行器研究有着十分重要的意义。

[0003] 现有技术中已经提出了一些相关方案，例如西北工业大学苑伟政团队提出一种柔性轻巧蒙皮，利用光学法、热膜法等来测量压力和流速等环境参数(陈爽,李晓莹,马炳和,et al.用于蒙皮外表面空气流测量的MEMS微型压力传感器[J].机械科学与技术,2005(3):312-314.刘奎,苑伟政,钟军威,et al.微型柔性热敏传感器阵列应用研究[J].仪器仪表学报,2007,28(9):1583-1587.)，非常薄和柔软，灵敏度和精度也较高，但是测量物理量相对较少，主要集中在压力，剪应力，流速等，而且每个物理量得分开测量。厦门大学卿新林团队制备出一种超拉伸传感器网络，通过层叠堆积的方式，可集成多种功能，制备出大面积、多功能的传感器网络(Qing XP.Distributed multifunctional sensor network for composite structural state sensing.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering 2012,8345(2):103)，但是，传感器的密度不够，无法满足飞行器表面高集成度的传感器需求。而且，传感网络的复杂程度相当之高，大大增加了制备和测试的难度。

[0004] 针对飞行器大面积表面多物理量的分布式测量需求，现有的技术要么无法满足在线、原位对多物理场进行测量，要么在保证多功能的前提下，又无法保证传感器的集成密度，反而大大增加了传感器网络的制备和测试难度。因此，急需设计并制造出一种能适用于飞行器曲面表面，能原位完成多个物理量测量的，而且制备工艺简单、测试过程方便、传感功能丰富、器件空间利用率和集成密度高的传感器网络。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多物理场测量的柔性智能蒙皮、变胞结构及其应用，其通过对各层的电极进行设计，使得每层电极既可以单独作为传感器应用，也可以与其他层的电极配合形成另外的传感器，将多个传感器的功能高度集成，一方面减小测量过程中多个传感器切换的繁琐工作，同时也减少了传感器的引脚数量，简化了工艺。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面一种多物理场测量的柔性智能蒙皮，该柔性智能蒙皮自上而下依次包括第一电极、介电层、第二电极、压电层和第三电极，其中，[0007] 所述第一电极、介电层和第二电极形成电容传感器，所述介电层为柔性绝缘基底材料，用于将所述第一电极与第二电极隔开；通过测量所述第一电极和第二电极之间电容的变化反映外界环境的变化；

[0008] 所述第二电极、压电层和所述第三电极形成压电传感器，所述压电层用于将所述第二电极与第三电极隔开，当所述柔性智能蒙皮受到压力时，通过测量所述第二电极和第三电极之间电压的大小反映所述压力的大小；

[0009] 其中，所述第二电极包括两根电阻，分别为第一电阻和第二电阻，第一电阻弯曲呈敏感栅结构，以此延长电阻的长度，第二电阻与所述第一电阻平行分布，所述第一电阻的两端设置有引脚A和F，所述第二电阻末端设置有引脚D,所述第一电阻形成电阻传感器，通过监测引脚A和F之间的电阻反映电阻的变化，所述第一电阻和第二电阻共同形成电容传感器，通过监测引脚A/F和D之间的电容反映电容的变化；

[0010] 所述第三电极包括电阻两根热电系数不同的电阻，分别为第三电阻和第四电阻，第三电阻呈敏感栅结构，第四电阻与所述第三电阻连通，并在连接点处形成热电偶，所述第三电阻的两端设置有引脚B和E，所述第四电阻的末端设置有引脚C，所述第三电阻形成电阻传感器，通过监测引脚B和C之间的电阻反映电阻的变化，所述第三电阻和第四电阻共同形成热电偶传感器，通过监测引脚B/E和C之间的热电偶反映热电偶的变化。

[0011] 进一步优选地，所述第一电极优选采用电磁波吸收材料，用于吸收电磁波。

[0012] 进一步优选地，所述第一电阻和第二电阻的材料相同，优选为应变灵敏度系数大于1.6，电阻率大于0.25μΩ·mm，且电阻温度系数小于40×10-6/℃之间的材料，灵敏度系数高且保持常数以让第一电阻对应变敏感，电阻率大可以提高信噪比，降低引线电阻的影响，电阻温度系数小，可以减小第一电阻对温度的敏感性，以此保证第一电阻只对应变变化的灵敏度高。

[0013] 进一步优选地，所述第三电阻的材料优选为电阻温度系数大于3000×10-6/℃的材料，和第四电阻的材料优选为对第三电阻热电势系数相差大于5μV/℃的材料，以此让第三电阻构成RTD温度传感器，让第三、第四电阻构成热电偶温度传感器，以满足不同温度范围的温度测量。进一步优选地，所述柔性智能蒙皮的厚度优选为20μm～30μm。

[0014] 进一步优选地，所述第一电极、第二电极和第三电极均通过依次经过光刻获得所需的形状，然后磁控溅射或者蒸镀沉积金属后获得。

[0015] 进一步优选地，所述第一电阻上还连接有一个附加电阻，以此增加第三电极的面积覆盖率。

[0016] 按照本发明的又一方面，提供了一种上述所述的多物理场测量的柔性智能蒙皮在测量压力，温度，应变，振动和湿度中的应用。

[0017] 按照本发明的又一方面，提供了一种上述所述的多物理场测量的柔性智能蒙皮形成的多胞结构，其特征在于，将所述柔性智能蒙皮作为一个单胞，通过多个单胞结构相对设置，以此形成多胞结构，将该多胞结构贴附在待测物体表面，在其中一个单胞中的第二电极和第三电极之间通入交流电，测量其他单胞中第二电极和第三电极之间的电压，通过不同位置处测量的单胞中的不同电压反映待测物体的表面质量；或者，将该多胞结构贴附在待测物体表面，在其中一个单胞的第三电极中通过直流电，测量其他单胞第三电极B、E两端的电阻，根据该电阻大小计算获得该单胞所在处空气的流速。

[0018] 按照本发明的又一方面，提供了一种上述所述的多胞结构在监测飞行器的健康状态和周围空气流速中的应用。

[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

[0020] 1、本发明提供一种大面积、可共形的柔性智能蒙皮，其核心在于提供多模态的智能和可变胞的传感器，其本身的几何结构不会变化，通过拓扑逻辑电路之间的切换，完成不同功能结构电极的选择，使其工作在不同的功能模态，从而完成了一个传感器针对多个物理量之间的原位测量需求，而且大大提高了传感器的空间利用率，提高了传感器的集成密度，实现智能蒙皮的高密度测量需求；

[0021] 2、本发明的柔性智能蒙皮，每一层电极，其结构设计和材料特点使其具有多种功能，可完成对应单个物理量的测量，不同层电极之间组合起来使用，又具有另外的多种功能，完成其他物理量的测量，只需要通过本发明所设计的对应的拓扑逻辑电路，选择智能变胞传感器的输出引脚，就能完成不同的物理量的测量，通过贴装一张柔性智能蒙皮，就能高密度，大面积，在线原位测量待测对象表面的压力，温度，应变，振动，湿度，流速等物理量，还能够完成对待测对象表面的结构健康监测。

附图说明

[0022] 图1是按照本发明的优选实施例所构建的单胞柔性智能蒙皮的爆炸结构示意图；

[0023] 图2是按照本发明的优选实施例所构建的单胞柔性智能蒙皮的俯视结构示意图；

[0024] 图3是按照本发明的优选实施例所构建的第一电极的结构示意图；

[0025] 图4是按照本发明的优选实施例所构建的第二电极的结构示意图；

[0026] 图5是按照本发明的优选实施例所构建的第三电极的结构示意图；

[0027] 图6是按照本发明的优选实施例所构建的拓扑逻辑电路原理示意图；

[0028] 图7是按照本发明的优选实施例所构建的多胞的柔性智能蒙皮组合示意图。

[0029] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0030] 1-第一电极，2-介电层，3-第二电极，4-压电层，5-第三电极，6-附加电阻。

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0032] 本发明所述的柔性智能蒙皮主要部分总共包含五层结构，如图1所示，自上而下依次是第一电极1，介电层2，第二电极3，压电层4，和第三电极5，第一电极可作为电磁波吸收层，可第二电极3用于测量应变和湿度传感层，第三电极5可用于测量温度。其中，第一电极1留有一个引脚G，第二电极3留有三个引脚A、D和F，第三电极5留有三个引脚B、C和E，每单胞柔性智能蒙皮一共7个引脚。整个器件的厚度在20～30μm，具有非常好的柔性，非常适合贴在曲面飞行器表面进行多物理量的原位测量。

[0033] 如图3所示，第一电极1为具有电磁波吸收功能的超材料结构，例如，采用十字形，回字形，圆形结构等；当智能变胞传感器不工作的时候，第一电极1自身构成一种LC振荡电路，从而可以将外界环境中的电磁波吸收，使待测对象处于一种隐身状态，本实施例中，第一电极采用的是开口谐振环的电磁波吸收结构

[0034] 如图4所示，第二电极3包括金属应变片式的敏感栅结构的第一电阻，其材料可选为康铜，还包括与第一电阻咬合的第二电阻，图中，黑色区域为第一电阻和附加电阻，第一电阻和附加电阻配合放置，附加电阻填补在第一电阻形成的敏感栅结构的间隙中，并在某处于第一电阻连通，灰色格纹区域为第二电阻，第一电阻与第二电阻平行设置，二者配合构成一个平面电容传感器，可用于飞行器表面的湿度测量，敏感栅结构大大增加了第二电极2整体的面积覆盖率；当单独使用第二电极3时，其可以单独作为电阻传感器和电容传感器，可分别用于测量待测对象的应变和湿度，当用于测量湿度时，其电容的介电常数与环境的湿度有关。

[0035] 第一电阻采用敏感栅箔片式，即图中A到F，材料选用康铜(Cu55Ni45)，康铜的电阻率比较大，同时电阻率温度系数较低，在准确测量应变的前提下，受温度的影响非常小，每一个电阻应变单元Rx与三个标准电阻R互联构成惠斯通全桥电路。设电桥的供电电压为Vcc，则桥臂分压差，

[0036]

[0037] 通过测量△V的值，就能知道该处应变传感器单元的电阻，从而换算出该处的应变值。进一步的，为增大第二电极整体的面积覆盖率，设计第二电阻，其与第一电阻一起构成了一个平面电容传感器，该电容的极板正对面积，极板间距都是固定的，所以只与其极板间的介电常数有关，而介电常数，容易受到环境中湿度的影响，所以当湿度发生变化时，该平行板电容器的电容就会随之发生变化，从而可以用来测量飞行器表面的湿度。

[0038] 如图5所示，第三电极5包括两个热电系数差异很大的电阻，其中一个为热电阻式的温度传感器敏感栅箔片式的第三电阻，图中的白色蜿蜒区域为第三电阻，其材料可选为金属铂，为了进一步增大第三电极5的面积覆盖率，另外一个为与温度敏感铂栅相连的第四电阻，图中黑色区域为第四电阻，在图5中的放大图中白色虚线框中，可以看出，第三电阻与第四电阻连通，第四电阻材料可选为铂铑，两个电阻配合形成热电偶传感器，用于范围更大的温度的测量，完成更大范围的温度的测量或者增大温度测量的鲁棒性，弥补第三电阻温度测量量程的不足，在低温范围内，二者的测量结果也可相互验证。

[0039] 第四电阻上还连接有附加电阻6，如图5所示，该附加电阻的作用在于增加第三电极的面积覆盖率。

[0040] 本实施例中，第三电极选用电阻温度系数系数比较高的金属铂作为温度传感层的材料，电阻温度单元的结构设计为沿八个方向均匀分布的敏感栅结构的箔片式，如图中引脚B到引脚E，以保证温度测量时的准确性，当温度发生变化时，电阻温度单元的电阻就会发生线性变化，通过测量BE引脚之间的电阻，就可以反映出该处的温度大小。

[0041] 此外，为增大第三电极的整体面积覆盖率，设计第四电阻与第三电阻相连，这样，第三电极的整体占空比就从42％上升到了88％，大大提高了其电学输出性能，而且第四电阻在材料上选择使用铂铑合金，其与材料为铂的第三电阻构成了铂-铂铑热电偶传感器。

[0042] 铂电阻温度传感器灵敏度和精度更高，但是测量范围在-50～150℃，而热电偶的精度虽然低一些，但是测量范围可以到2000℃，由于基底材料的限制，测量范围可以工作在0～350℃。所以在低温范围，选择使用铂电阻温度传感器模式，提高测量的精度，也能选用热电偶温度传感器模式，对铂电阻的测量结果进行校正；当在高温范围时，测量精度不是很高，可以选用热电偶温度传感器模式，以此通过测量模式的转变，提高了温度测量的准确性、广泛性和鲁棒性。

[0043] 介电层，绝缘柔性基底，可选择的材料有：PI(耐温性好)，PDMS等,该介电层将第一电极和第三电极隔开，使得二者可形成电容；

[0044] 压电层，介于第二电极3和第三电极5之间，使得第二电极、压电层和第三电极整体形成压电传感器，该压电层可选择压电常数大的压电材料，例如：压电陶瓷。

[0045] 单个传感器的不同层的电极，还可以联合起来使用，形成一些全新的传感测量模态，通过拓扑逻辑电路的选通，进行采集引脚的转换，可第一电极-介电层-第二电极结构，就构成了一个电容传感器，通过测量其电容的变化，就可以完成飞行器表面的静态压力的测量；第二电极3-压电层-第三电极5结构构成一个压电传感器，当受到压力时，其表面会计划出正负电荷，通过采集设备导出形成电压，通过测量第二电极3和第三电极之间的电压大小，就可以推算出其表面的压力大小，压电传感器的频响高，灵敏度高，响应速度快，非常适合完成飞行器表面的高频动态压力或者振动信号的测量。

[0046] 第一电极-介电层-第二电极-压电层-第三电极的多层结构。对于多层结构传感器，其典型结构为电极-功能层-电极的结构模式，其电极最基本的功能是将功能层的电学输出信号导出到采集设备进行采集，其材料选择一般是需要和功能层的结构参数以及传感器的制备工艺相匹配即可。但是针对本发明中电极的设计，上下层电极不仅仅起着简单的传递电信号的功能，其本身还起着传感、电刺激、发声、发热、电磁吸波等功能，本发明中的单个电极本身可以完成传感、电刺激、发声发热、电磁吸波等功能，通过多功能约束的电极设计后，其在占空比和拉伸能力方面，设计上也有比较好的权衡。针对电极-功能层-电极的多层结构传感器，比如压电传感器、电容传感器等，通过上下层电极的异构化设计，即可在不增加传感器结构复杂程度和制备工艺难度的前提下，赋予智能蒙皮的一个单胞更多的功能。

[0047] 如图7所示，将上述柔性智能蒙皮作为一个单胞，当有多个单胞共同形成多胞结构，当为多胞结构时，单个单胞作为电信号输入，作为刺激或者激励，完成另外的实验监测或者测量需求，其对电极的要求是，单层电极要求留有两个引脚，可以方便电信号的输出以及输入，其中第二电极与第三电极均为敏感栅结构箔片式的电极设计，如图2所示，每个单胞含有7个引脚，对于含有4个单胞的多胞结构，共有28个引脚。第二电极与第三电极采用不同的材料，来完成不同物理量的测量，例如分别采用康铜和铂时，就可以完成应变和温度的测量。当第二电极与第三电极各自作为传感器使用时，在第二电极的第一电阻与第三电极的第三电阻各自的两个引脚AF和BE分别接引出线，即可测量出每一个单元处的温度或者应变大小。多胞结构的四个单胞按照不同的方向布置，其第二电极的第一电阻也布置在不同的方向，从而可以测量出不同方向的应变。当作为第二电极、压电层和第三电极作为压力传感器使用时，第二电极的两个引脚相连形成一个端口，第三电极的两个引脚相连形成一个端口，例如：将引脚A、F相连作为端口O，引脚B、E相连作为引脚P，测量OP之间的输出电压，即可知道该处的压力大小。当其中一个单胞作为激励使用时，将激励信号源接在其中一个单胞的第二电极的两个引脚之间，例如：在引脚B1、E1之间接入直流电流，该第三电极就转变为了一个发热源，通过测量其他单胞的第三电极的两个引脚之间的电阻大小，例如：引脚B2-E2、B3-E3、B4-E4之间的电阻大小，就可以推算出该处的流速大小；当在一个单胞的第二电极和第三电极之间通入交流电流时，测量其他单胞的第二电极和第三电极之间的电压大小，通过电压大小反映其他单胞所在处的质量状态，包括该测量处是否存在裂纹和冲击，在结构健康监测方面有广泛的应用。

[0048] 如图6所示，每一个单胞智能蒙皮有ABCDEFG7个引脚，分别选用S1，S2两个多路复用电子开关去控制切换这7个引脚，那样，其中任意两脚的输出或者输入，就都可以实现了。结合到本发明的具体实施案例，多种测量功能之间不同时使用，所以可以采用共用总线的方式，大大简化了拓扑逻辑电路的复杂程度。所以，在电路另一端，开关选用S3，S4，S5，S6，S7双刀开关，分别对应连接电阻测量、电容测量、电压测量、直流激励、交流激励五个设备，就可以涵盖本发明所述智能变胞传感器所有的8个功能的测量。下面将结合每一层的结构，具体说明不同测量功能之间的转换。

[0049] 测量时，通过拓扑逻辑电路开关S1选择B引脚，开关S2选择E引脚，传感器工作在铂电阻温度传感器模式，S3闭合，S4-S7断开，将B、E引脚连到LCR表或者数字万用表等电阻采集设备上，测量到电阻温度单元的电阻值及其变化，通过标定实验获得灵敏系数值，就可以换算出该处的温度变化，从而就可以知道该处的温度值。将电阻温度单元连入电桥，通过测量电桥两端的电压变化，也同样可以推算出此处的温度值。通过拓扑逻辑电路开关S1选择C引脚，开关S2选择B或者E引脚，传感器工作在热电偶温度传感器模式，开关S5闭合，测量B、C电极间的电势大小，就可以知道该处的温度大小。

[0050] 当需要第三电极合起来作为电极使用时，只需将开关S1同时选择B、C、E即可。当多个单元组合起来使用时，第一个单元的拓扑电路开关S1选择引脚B1，开关S2选择引脚E1，选择开关S6闭合，该电极就转变为了一个发热源，第二个单元的拓扑电路开关S1选择引脚B2，开关S2选择引脚E2，选择开关S3闭合，通过测量其处的电阻大小，就可以推算出该处的流速大小。

[0051] 通过拓扑逻辑电路，当开关S1选择A，开关S2选择F，S3闭合，连接电阻测量设备，第二电极就工作在应变传感器模式，通过多个传感器组合测量，可以测量飞行器表面的应变大小以及方向；当S1选择D，S2选择F，开关S4闭合时，第二电极就工作在湿度传感器模式，可以测量飞行器表面的湿度。当需要第二电极合起来作为电极使用时，只需将开关S1同时选择A、D、F即可。

[0052] 第一电极-介电层-第二电极结构构成一个电容传感器，拓扑电路的开关S1选择A、D、F，开关S2选择引脚G，选择开关S4闭合，通过测量其电容的变化，就可以完成飞行器表面的静态压力的测量。

[0053] 第二电极-压电层-第三电极形成压力传感器，当受压时，压电层的两面会极化出与压力成比例的电荷，经电极引出，从而形成电压，本实施例中，压电层的材料选用锆钛酸铅PZT，经溶胶凝胶法制备出压电薄膜，再快速退火而成。其上表面是由康铜材料制备而成的第二电极，其下表面是由金属铂和铂铑合金制备而成的第三电极，当智能变胞传感器的工作模式为压力传感器时，第二电极2作为压电传感器的顶电极，收集压电材料上表面产生的极化电荷；第三电极作为压电传感器的底电极，收集压电材料下表面产生的极化电荷。工作时，由扫描式阵列选通电路，开关S1选择引脚A、D、F，作为压电传感器的正极，开关S2选择引脚B、C、E，作为压电传感器的负极，开关S5闭合，通过测量两极之间的输出电压大小，就可以测量到作用在智能蒙皮表面的动态压力大小。进一步的，通过分析测量到的电压曲线的频谱和相位图，可以得出飞行器表面的振动频率。而且压电传感器阻抗大，频率响应高，响应时间快，受环境以及测量线等的误差影响较小，非常适合测量飞行器表面变化迅速的压力场。将四个智能蒙皮组合起来使用，第一个单胞的开关S1选择引脚A1、D1、F1，开关S2选择引脚B1、C1、E1，开关S7闭合，该电极结构就转变成了一个表声波发射源，其他三个单元的开关S1选择引脚A、D、F(2～4)，开关S2选择引脚B、C、E(2～4)，开关S5闭合，测量其之间的电压输出，就可以测量该处的裂纹和冲击，在结构健康监测方面有广泛的应用。

[0054] 在本实施例中，柔性智能蒙皮的制备工艺过程的具体工艺步骤如下：

[0055] S1.牺牲层溶液的制备：配置PZT前驱体溶液，按照金属离子摩尔浓度比为Pb：Zr：Ti＝为1.15：0.52：0.48的配比，称取溶质三水醋酸铅、五水硝酸锆、钛酸四丁酯，溶于乙二醇甲醚，乙酰丙酮等溶剂中，通过水解反应，和聚合反应形成PZT的前驱体溶液，再通过调节pH，定容0.4～0.6mol/L，经自然冷却，静置密封，在自然条件下老化40～80个小时，形成PZT前驱体凝胶溶液；

[0056] S2.牺牲层的制备：将蓝宝石基底清洗干净，在其上旋涂PZT前驱体溶液，120℃固化2min坚膜，再进一步300℃加热10min去除有机物，如此反复涂四层，达到预期的压电层厚度，再经650℃高温快速退火形成钙钛矿相，作为PZT牺牲层；

[0057] S3.第三电极5的制备：通过光刻技术，在PZT牺牲层上制备出自相似的互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属铂，去胶之后，形成底层的铂电阻温度传感器电极结构；再一次的光刻与磁控溅射，完成铂铑合金的沉积，以此获得第三电极；

[0058] S4.压电层的制备：在第三电极5上旋涂PZT前驱体溶液，类似步骤S2，反复涂六层，再经高温退火后，作为PZT功能层；

[0059] S5.第二电极的制备：通过光刻技术，在PZT牺牲层上制备出自相似的互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极康铜，去胶之后，制备出上层的自相似的互联电极结构，以此获得第二电极；

[0060] S6.介电层的制备：旋涂PI溶液，150℃固化坚膜5min后，烘箱220℃加热3h进行亚胺化，作为介电层。

[0061] S7.第一电极的制备：在PI介电层上通过光刻和磁控溅射技术，制备出电磁波吸收超材料结构，以此获得第一电极。

[0062] S8.利用激光剥离技术，利用高温热解，打掉PZT牺牲层，实现本发明所述的智能变胞传感器的无损剥离，制备出所述的柔性智能变胞传感器。

[0063] 本发明通过多模态智能变胞传感器的电极设计，使得传感器的电极扮演着不同角色，可用于完成不同的功能，电极的引脚连接到逻辑拓扑电路上，通过电路的切换，可以完成传感器电极之间的连接方式，使得传感器完成从某几种到另几种传感器的转变，从而可实现飞行器表面压力分布、气流流速、温度分布、应力应变、振动、湿度、结构健康等多物理量的原位测量。这样，通过一种传感器，就可以原位在线完成8种功能的测量，与传统风洞测量技术相比，本发明所述的变胞智能蒙皮，面积大、超薄、测量功能多，在用于飞行器领域时，在不影响飞行器表面的流场的情况下，能原位在线检测多个物理参数；与并排分布的多功能传感器相比，大大增加了传感器的空间密度，提高了测量的准确性；与多层堆叠的传感器，大大减少了引线的数量，也降低了加工制备的难度。

[0064] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。