一種集成壓電式萬向沖擊傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及壓電式傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種集成壓電式萬向沖 擊傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)機(jī)械低頻振動監(jiān)控、汽車加速度沖擊檢測、橋梁振動監(jiān)測、軍用碰撞引信 等應(yīng)用市場需求的發(fā)展，對沖擊傳感器的小型化、方向靈敏度、集成化等方面提出了更高的 要求。壓電式?jīng)_擊傳感器是該應(yīng)用領(lǐng)域的重點分支，小型化、高靈敏度、集成化、多方向敏感 成為了新型壓電式傳感器的發(fā)展方向。
[0003] 目前典型的壓電式?jīng)_擊傳感器基本結(jié)構(gòu)是由壓電敏感元件及機(jī)械結(jié)構(gòu)件組成，壓 電沖擊敏感元件采用壓電陶瓷片疊裝實現(xiàn)，封裝腔體采用金屬機(jī)械加工而成，陶瓷片厚度 受限于機(jī)械強(qiáng)度的限制最薄〇.5_左右，如要提高傳感器靈敏度度，就需要增加疊裝的陶瓷 片數(shù)量，造成傳感器體積變大。由于力學(xué)撞擊或者傳遞的復(fù)雜特性，就需要監(jiān)測三軸方向的 振動，單個壓電傳感器只能監(jiān)測單軸方向，如要解決這個問題一般采用多點布局或者多軸 安裝的方式，造成體積大、成本高。
[0004] 國家知識產(chǎn)權(quán)局于2007年11月21日，公開了一件公開號為CN101074895A，名稱為 "陣列壓電傳感器"的發(fā)明專利，該發(fā)明專利的傳感器金屬外殼由上至下依次設(shè)置有橡膠封 裝層、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路。壓電敏感層包括PVDF片，PVDF片的一 面為整片電極，另一面為陣列電極。陣列電極與突出位置一一對應(yīng)。電荷讀出集成電路為帶 有電荷注入電極的CCD集成電路。該發(fā)明專利利用壓電原理與集成電路相結(jié)合的方法，不僅 使陣列壓電傳感器的動態(tài)性能和抗干擾能力得到明顯改善，穩(wěn)定性也得到大大加強(qiáng)，同時 具有表面柔順、體積小、集成度高的特點。上述現(xiàn)有技術(shù)中雖然解決了集成度不高的缺點， 但是還存在以下問題:首先，其采用PVDF壓電片作為敏感元件，存在靈敏度低的缺點，無法 檢測低壓力信號;其次，其只能感應(yīng)與電極同方向的壓力信號，無法檢測其它方向的壓力信 號，存在檢測盲區(qū)；最后，該陣列還存在傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組成部件多的缺點，不利于與檢測 系統(tǒng)的集成。
[0005] 國家知識產(chǎn)權(quán)局于2013年8月21日，公開了一件公開號為CN103256868A，名稱為 "一體化觸地壓電引信"的發(fā)明專利，該發(fā)明專利的傳感器由信號處理電路模塊、信號輸出 組件、殼體、壓電片、預(yù)緊環(huán)、慣性質(zhì)量塊、絕緣片、引線片、定位環(huán)、引線、壓環(huán)及上蓋組成。 該傳感器通過壓電片感知由質(zhì)量塊引起的慣性沖擊力，輸出電荷給信號處理電路模塊，從 而判斷沖擊加速度的大小，該發(fā)明專利給出的觸地傳感器具有檢測線性度好、可靠性高、抗 沖擊力強(qiáng)的特點。上述的技術(shù)雖然給出了處理電路與敏感元件一體化的解決方案，但是還 存在一下問題:首先，敏感元件還是采用傳統(tǒng)的壓電陶瓷片，其靈敏度與體積存在較大的矛 盾，無法實現(xiàn)高靈敏度小體積的要求;其次，該傳感器采用大質(zhì)量塊提高其傳感器靈敏度， 導(dǎo)致傳感器頻率響應(yīng)特性急劇降低，無法檢測高頻振動信號;再次，該傳感器只能檢測軸向 方向的沖擊壓力信號，無法檢測多方向的沖擊力；最后，該傳感器采用的組件數(shù)量多、加工 裝配工藝復(fù)雜、材料選用種類多不利于批量化的生產(chǎn)。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本實用新型提供了一種集成壓電式 萬向沖擊傳感器，本實用新型的實用新型目的旨在于提供一種壓電式傳感器解決現(xiàn)有壓電 傳感器體積大、靈敏度低、檢測方向單一、集成度不高的問題，在小體積情況下，實現(xiàn)高靈敏 度、寬頻帶響應(yīng)、萬向敏感檢測的集成化傳感器。
[0007] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] -種集成壓電式萬向沖擊傳感器，包括質(zhì)量塊和壓電敏感元件，其特征在于:所述 壓電敏感元件上設(shè)置有Z軸軸向壓力敏感輸出電極對、Y軸軸向壓力敏感輸出電極對、X軸軸 向壓力敏感輸出電極對和質(zhì)量塊焊接電極;所述質(zhì)量塊通過質(zhì)量塊焊接電極焊接在壓電敏 感元件頂部；
[0009] 以壓電敏感元件軸向垂直方向定義為Z軸，與Z軸垂直的水平方向定義為X軸，與X 軸及Z軸組成的平面垂直的方向定義為Y軸。
[0010] 所述Z軸軸向壓力敏感輸出電極對包括Z軸軸向壓力敏感輸出正電極和Z軸軸向壓 力敏感輸出負(fù)電極;所述Z軸軸向壓力敏感輸出電極對是通過壓電敏感電極組I以疊層平面 結(jié)構(gòu)交叉分布在Z軸軸向分別連接正、負(fù)電極而組成的Z軸軸向壓力敏感輸出電極對。
[0011] 所述X軸軸向壓力敏感輸出電極對包括X軸軸向壓力敏感輸出正電極和X軸軸向壓 力敏感輸出負(fù)電極;所述X軸軸向壓力敏感輸出電極對是通過電極組π以金屬通孔陣列結(jié) 構(gòu)交叉分布且沿X軸軸向連接形成的X軸軸向壓力敏感輸出電極對。
[0012] 所述Y軸軸向壓力敏感輸出電極對包括Y軸軸向壓力敏感輸出正電極和Y軸軸向壓 力敏感輸出負(fù)電極;所述γ軸軸向壓力敏感輸出電極對是通過電極組m以金屬通孔陣列結(jié) 構(gòu)交叉分布且沿Y軸軸向連接形成的Y軸軸向壓力敏感輸出電極對。
[0013 ]所述Z軸軸向壓力敏感輸出電極對分布在壓電敏感元件的左右兩端。
[0014] 所述X軸軸向壓力敏感輸出電極對分布在壓電敏感元件前后兩側(cè)的左端。
[0015] 所述Y軸軸向壓力敏感輸出電極對分布在壓電敏感元件前后兩側(cè)的右端。
[0016] 所述質(zhì)量塊焊接電極分布在壓電敏感元件頂部四角。
[0017] 所述質(zhì)量塊是由媽基高比重合金組成的密度為16.8貧/cm3 -18.Sg/a?1的質(zhì)量 塊，所述質(zhì)量塊表面設(shè)置有鍍鎳層。
[0018] 所述質(zhì)量塊通過回流焊工藝焊接貼裝在壓電敏感元件的表面。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型所帶來的有益的技術(shù)效果表現(xiàn)在：
[0020] 1、本實用新型采用低溫陶瓷共燒LTCC工藝技術(shù)，選用高性能的四元系壓電陶瓷材 料，設(shè)計了新型一體化傳感器電路結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化了加工工藝流程中關(guān)鍵的燒結(jié)、極化關(guān)鍵 工藝點。上述制作壓電沖擊傳感器采用的技術(shù)方案，具有技術(shù)指標(biāo)高、工藝技術(shù)先進(jìn)、流程 優(yōu)化、樣品性能優(yōu)良的特點。采用該技術(shù)方案實現(xiàn)的沖擊傳感器具有體積小、靈敏度高、方 向敏感范圍寬、固有頻率高的特點。
[0021] 2.集成一體化三軸沖擊敏感力輸出。采用新型的集成結(jié)構(gòu)模型，將Z軸壓縮式感 應(yīng)輸出與X、Y軸剪切感應(yīng)輸出集成一體，通過后續(xù)的分區(qū)極化，實現(xiàn)了 X、Y及Z軸的敏感輸 出，技術(shù)得到了較大的革新改進(jìn)。
[0022] 3.小型化、高靈敏度輸出。由于采用了低溫共燒工藝技術(shù)膜片的厚度最薄可以達(dá) 到0.01mm，這樣就可以突破傳統(tǒng)壓電陶瓷片機(jī)械強(qiáng)度0.5mm左右的限制，同樣的厚度條件 下，疊層層數(shù)可以提高50倍，因此傳感器靈敏度在得到極大的提高的同時傳感器體積還可 減小。
[0023] 4.質(zhì)量塊與壓電敏感元件一體化。質(zhì)量塊與敏感元件焊接為一體，改變了傳統(tǒng)采 用封裝腔體、螺帽、質(zhì)量塊、引出電極的結(jié)構(gòu)模式，可以極大的減小傳感器體積、簡化傳感器 制作流程。
[0024] 5.表面貼裝，系統(tǒng)集成小型化。該傳感器采用了LTCC燒結(jié)工藝，通過表面封端引 出電極，該傳感器可以表面貼裝在系統(tǒng)電路中，便于系統(tǒng)的集成小型化設(shè)計。
[0025] 6.批量化生產(chǎn)工藝、一致性高。傳統(tǒng)壓電傳感器采用腔體、壓電片等分離器件組 裝而成，組裝工藝流程復(fù)雜、人力成本高、一致性較差。LTCC工藝是一種可批量化生產(chǎn)的工 藝技術(shù)，可以大批量生產(chǎn)，降低成本。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本實用新型的集成式萬向沖擊傳感器外形結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2為本實用新型的集成式萬向沖擊傳感器電極示意圖。
[0028] 圖3為本實用新型的集成式萬向沖擊傳感器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖中，
[0030] 1.質(zhì)量塊，2.壓電敏感元件；
[0031] 21、Z軸軸向壓電敏感輸出正電極，22、Z軸軸向壓電敏感輸出負(fù)電極，23、Y軸軸向 壓電敏感輸出正電極，24、Υ軸軸向壓電敏感輸出負(fù)電極，25、Χ軸軸向壓電敏感輸出正電極， 26、X軸軸向壓電敏感輸出負(fù)電極，27、質(zhì)量塊焊接電極；
[0032] 21&、2比、21(3."2111為2軸正電極疊層引出端；
[0033] 22&、2213、22(3."2211為2軸負(fù)電極疊層引出端 ；
[0034] 23&、2315、23(3"_2311為￥軸正電極陣列分層引出端；
[0035] 24a、24b、24c…24η為Y軸負(fù)電極陣列分層引出端；
[0036] 25&、2513、25(^"2511為乂軸正電極陣列分層引出端；
[0037] 26&、2613、26(：，"2611為父軸負(fù)電極陣列分層引出端。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述。
[0039] 圖1是本實用新型集成式萬向沖擊傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，質(zhì)量塊1材質(zhì)為W-Ni-Cu高比重合金，其密度為18g/cm3，質(zhì)量塊1的體積為6*6*1.5mm3，表面采用鍍鎳工藝。壓 電陶瓷材料壓電系數(shù)d33選擇300Pc/N，d31為160Pc/N，壓電敏感陶瓷片燒結(jié)完之后尺寸為 6*6*1.5BBB 3，傳感器整體外形尺寸為。根據(jù)圖2中給出的三軸輸出電極不意圖， 電極材料選擇Ag-Pd材料，Z軸軸向壓力敏感輸出電極對21、22輸出Z軸沖擊應(yīng)力響應(yīng)，Y軸軸 向壓力敏感輸出電極對23、24輸出Y軸沖擊應(yīng)力響應(yīng)，X軸軸向壓力敏感輸出電極對25,26輸 出X軸沖擊應(yīng)力響應(yīng)，通過電荷放大器接口電路接收X/Y/Z軸軸向壓力敏感輸出電極對的輸 出電壓，從而可以判斷在三軸方向上沖擊力大小。根據(jù)圖3中給出的電路結(jié)構(gòu)圖，按照傳感 器輸出Z軸大于6000pC/N，設(shè)計疊層層數(shù)為24層，理論計算可以輸出7200pC/N，軸向上下疊 層分別為12層分布，疊層膜片厚度選擇0.04mm，Z軸疊層厚度控制在1mm。中間X與Y軸疊層采 用0· Imm的膜片，疊層5層，總厚度控制在0.51111]1丄￥軸敏感輸出大于80(^(：/1'1，橢圓孔陣列層 分為6層，計算輸出960 pC/g。采用以上給出的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行絲網(wǎng)加工，通過優(yōu)化的LTCC低 溫?zé)Y(jié)工藝流程完成壓電敏感元件的制備，最后采用分區(qū)混合極化技術(shù)后，可實現(xiàn)所要求 的三軸敏感輸出。
[0040] 傳感器的體積還可以為8*8*3_'輸出靈敏度Z軸8000pC/N，X、Y軸靈敏度輸出 1500pC/N，疊層燒結(jié)材料及工藝路線均相同。為了控制體積疊層膜片可以選擇0.02mm，疊層 層數(shù)30層，在X軸及Y軸陣列分層為8層，質(zhì)量塊體積為8*8*1.5 _'根據(jù)該設(shè)計參數(shù)參照前 面的工藝路線進(jìn)行制作即可獲得滿足要求的沖擊傳感器。
[0041 ] 實施例