专利名称：一种压电传感器及其加工方法
技术领域：
本发明属于传感器技术，涉及一种压电传感器的加工工艺方法。
背景技术：
自20世纪后期以来，由于世界各地发生的航空事故所引起的灾难性后果，使得结构健康监测技术得以提出并迅速发展起来。该技术研究在结构中安装或集成传感器功能单元来实现结构健康状态的在线监测。在众多的传感器和驱动器中，压电元件由于具有正逆压电效应，既可作为驱动器也可作为传感器。因此，得到很多研究学者的关注并大量采用。传统的使用压电传感器，是将压电元件逐个粘贴与分别连接，这样的做法会引起各压电元件存在性能差异，且稳定性、电气特性以及使用寿命等方面难以控制。
发明内容
本发明的目的提供一种成活率高、抗干扰能力强的压电传感器。另外，本发明还提出该压电传感器加工方法。本发明的技术解决方案是一种压电传感器，其包括基底、压电片、层内连线线路、 传感器与外部的连接接口 BNC插头，其中，所述压电片、层内连线线路、传感器与外部的连接接口 BNC插头均设置在基底上，其特征在于所述压电传感器各部分均含有柔性线路，而 BNC插头部分还含有刚性线路。所述柔性线路由第一层柔性线路和第二层柔性线路组成，其中，第一层柔性线路从外到内依次包含有屏蔽层、胶粘剂层和基底铜箔层；BNC插头部分的第二层柔性线路包含有电绝缘柔性材料层、内部铜箔层和低流量预浸层；而层内连线线路部分和压电片部分的第二层柔性线路包含电绝缘柔性材料层、内部铜箔层、胶粘剂层和最外部的屏蔽层。所述刚性线路主要包含FR-4刚性层、基底铜箔层和阻焊层。所述连接接口 BNC插头包括a、b、c、d、e共5个接脚，其中，所述压电片中上部通过层内连线线路与BNC插头的e脚相连，压电片中下部与BNC插头的a脚相连。所述BNC插头部分正反面都设置有可直接焊接的焊盘，并由固体胶封装。一种压电传感器的加工方法，其包括如下步骤步骤1.根据监测要求将基体材料和热固胶切割成相同形状和大小，以提高加工时的随意性和一致性；步骤2.在基体材料上经过曝光、显影、蚀刻、剥膜的过程制作出压电片的层内连接线路，并在相应的位置预置焊锡；步骤3.压电片粘接在基底上，将带有线路的基体材料平铺于平板上，再将热固胶对齐粘贴于基体材料上，并在对应于压电片的位置打孔；把压电片放置于热固胶的打孔位置，将基体材料对齐平铺并粘接上；步骤4.压电片的固化，
熨平固定压电片两侧以及基体材料四周；将平板放入平板硫化机中进行热压固化，同时通过预置的焊锡将压电片和线路焊接好，水冷至常温后取出；步骤5. BNC插头的封装，将BNC插头直接焊接在平板上，再通过固体胶将表面硬化、封装。压电片再硫化机固化时，以固化压力2. 5MPa，热压温度120°C条件热压120分钟进行固化。本发明的技术效果是本发明把铜箔粘贴于柔性基材上并蚀刻出压电元件的连接线路，在柔性基材上蚀刻出连接线路后，还要把带有线路的基材、固化胶在层压机中进行层压固化，并通过热压把压电片焊接在线路上，并封装成一个整体。其通过采用柔性线路和刚性线路相结合，有效提高了产品的成活率，而且BNC头因为正反面都设置有焊盘故两面均可直接焊接，再通过特殊的固体胶进行封装，成活率高达百分之百的同时也提高了产品的一致性及完整性。其工艺简单且成本较低，具有较大的实际应用价值。
图1是本发明压电传感器一较佳实施方式的结构示意图；图2是本发明压电传感器的工艺组成图；图中1为基底；2为压电片；3为层内连线线路；4为传感器与外部的连接接口 BNC 插头；a、b、c、d、e分别为BNC插头的五个接脚；5为屏蔽层；6为胶粘剂层；7为基地铜箔层；8为电绝缘柔性材料层；9为内部铜箔层；10为低流量预浸层；11为FR-4刚性层；12为阻焊层；13为柔性线路；14为刚性线路。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步说明请参见图1，其是本发明压电传感器一较佳实施方式的结构示意图。所述压电传感器包括基底1、压电片2、层内连线线路3、传感器与外部的连接接口 BNC插头4。其中，所述压电片2、层内连线线路3、传感器与外部的连接接口 BNC插头4均设置在基底1上。所述连接接口 BNC插头4包括a、b、c、d、e共5个接脚。其中，所述压电片2设置在基底1的一圆盘上，中上部通过层内连线线路3与BNC插头4的e脚相连，压电片2中下部与BNC插头 4的a脚相连，如此连接有助于提高抗干扰能力和电磁兼容性。请参见图2，其是本发明压电传感器的工艺组成图。具体说明，本发明压电传感器工艺结构由柔性线路部分和刚性线路部分组成。其中压电片2、层内连线线路3、传感器与外部的连接接口 BNC插头4各部分均含有柔性线路13，而BNC插头4部分还含有刚性线路 14。所述柔性线路13可分为第一层柔性线路和第二层柔性线路。其中，第一层柔性线路从外到内依次包含有屏蔽层5、胶粘剂层6和基底铜箔层7。BNC插头部分4的第二层柔性线路包含有电绝缘柔性材料层8、内部铜箔层9和低流量预浸层10。而层内连线线路部分3和压电片部分2的第二层柔性线路包含电绝缘柔性材料层8、内部铜箔层9、胶粘剂层6 和最外部的屏蔽层5。所述刚性线路14包含从内到外设置的FR-4刚性层11、基底铜箔层 7和阻焊层12。
本发明压电传感器之所以采取分层结构，是由于其含有不同的材料，材料的特点、 性质、应用功能的不同决定应该分层。分层后导电性和绝缘性均得到了保障。其中，柔性部分便于根据各种应用结构的形状，在制作时把压电传感器制成各种形状，还可以根据三维结构的形状做适当的剪裁。刚性部分主要起到与外界连接的作用，制作成刚性更便于拆卸与连接，提高可靠性和稳定性。下面结合图2具体说明本制作工艺的材料组成本实施方式中，压电片作为驱动器/传感器，采用直径为8mm、厚度为0. 3mm的PZT压电片。电绝缘柔性材料采用杜邦Kapton 聚酰亚胺薄膜，厚度为0. 025mm。所述层内连线电路3采用铜箔，其电导率为5. 9X 107S/m， 抗拉强度为172MPa，伸长系数为30%，热膨胀系数为0. 52 X 10_7°C，密度为8. 86g/cm3，弹性模量为llOGPa。胶粘剂层6用热固胶。阻焊层中的阻焊油墨采用白色Nanya型号。本发明压电传感器与外部接口部分既有柔性线路又有刚性线路，在高温下用机器将二者压合，有效解决了现有技术中传感器容易损坏以及焊接不方便等问题，提高了压电传感器的可靠性。另外，层内连线线路3和压电片2的上下两面都有屏蔽层，大幅提高了压电传感器的抗干扰能力。另外，本发明压电传感器与外部的连接接口 BNC插头部分4因为正反面都设置有焊盘故两面均可直接焊接，再通过固体胶进行封装，成活率高达百分之百的同时也大大增加了其安装的方便性、可靠性和一致性。基底上的圆盘经过处理，适合各种型号的压电片，且压电片通过导电硅胶直接与试件粘贴，大大增加了与试件的接触面积从而减少了阻抗，保证了压电片性能不受变化。克服了现有产品此方面的不足，增强了抗干扰能力，提高了可靠性。下面给出本发明压电传感器的加工实现方法，以解决现有工艺中干扰大、成品率低的问题，其具体工艺步骤如下步骤1.根据监测要求将基体材料和热固胶切割成相同形状和大小，以提高加工时的随意性和一致性；步骤2.在基体材料上经过曝光、显影、蚀刻、剥膜的过程制作出压电片的层内连接线路，并在相应的位置预置焊锡，以下具体说明1).曝光曝光是利用干膜的特性(仅接受固定能量的波长)，将需要的线路规格制作成底片，经由照像曝光原理，达到影像转移的效果；2).显影显影是利用干膜经过曝光后，产生感光反应部分或未感光反应部分(这要依据感光膜的特性)，可溶解于碱性的显影液溶剂内，达到制作出需求的线路图形；3).蚀刻蚀刻是以蚀刻液来浸蚀未被干膜覆盖的裸铜，使不需要的铜层被除去， 仅留下必需的线路；4).剥膜剥膜是用NaOH将留在线路上的干膜完全去除，线路即成型；步骤3.压电片粘接在基底上，将带有线路的基体材料平铺于平板上，再将热固胶(在对应于压电片的位置打孔)对齐粘贴于基体材料上；把压电片放置于热固胶的打孔位置，并粘贴上特殊的瞬间接着剂，最后将基体材料对齐平铺于瞬间接着剂上；步骤4.压电片的固化，用调温电熨斗(55°C )在压电片两侧，以及基体材料四周轻轻熨平固定；将平板放入平板硫化机中，实际某较佳实施方式中，以固化压力2. 5MPa，热压温度120°C条件热压 120分钟(在此过程中，同时通过预置的焊锡将压电片和线路焊接好)，水冷至常温后取出。步骤5. BNC插头的封装，将BNC插头直接焊接在平板上，再通过固体胶将表面硬化、封装，提高抗干扰能力。综上所述本发明把铜箔粘贴于柔性基材上并蚀刻出压电元件的连接线路，在柔性基材上蚀刻出连接线路后，还要把带有线路的基材、压电元件、固化胶在层压机中进行层压固化，并通过热压把压电片焊接在线路上，并封装成一个整体。其通过采用柔性线路和刚性线路相结合，有效提高了产品的成活率，而且BNC头因为正反面都设置有焊盘故两面均可直接焊接，再通过特殊的固体胶进行封装，成活率高达百分之百的同时也提高了产品的一致性及完整性，其工艺简单且成本较低，具有较大的实际应用价值。
权利要求
1.一种压电传感器，其特征在于包括基底[1]、压电片[2]、层内连线线路[3]、传感器与外部的连接接口 BNC插头W]，其中，所述压电片[2]、层内连线线路[3]、传感器与外部的连接接口 BNC插头[4]均设置在基底[1]上，其特征在于所述压电传感器各部分均含有柔性线路[13]，而BNC插头[4]部分还含有刚性线路[14]。
2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于所述柔性线路[13]由第一层柔性线路和第二层柔性线路组成，其中，第一层柔性线路从外到内依次包含有屏蔽层[5]、胶粘剂层[6]和基底铜箔层[7] ；BNC插头部分[4]的第二层柔性线路包含有电绝缘柔性材料层 [8]、内部铜箔层[9]和低流量预浸层[10]；而层内连线线路部分[3]和压电片部分[2]的第二层柔性线路包含电绝缘柔性材料层[8]、内部铜箔层[9]、胶粘剂层[6]和最外部的屏蔽层[5]。
3.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于所述刚性线路[14]主要包含FR-4 刚性层[11]、基底铜箔层[7]和阻焊层[12]。
4.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于所述连接接口BNC插头[4]包括 a、b、C、d、e共5个接脚，其中，所述压电片[2]中上部通过层内连线线路3与BNC插头[4] 的e脚相连，压电片[2]中下部与BNC插头[4]的a脚相连。
5.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于所述BNC插头[4]正反面都设置有可直接焊接的焊盘，并由固体胶封装。
6.一种压电传感器的加工方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1.根据监测要求将基体材料和热固胶切割成相同形状和大小，以提高加工时的随意性和一致性；步骤2.在基体材料上经过曝光、显影、蚀刻、剥膜的过程制作出压电片的层内连接线路，并在相应的位置预置焊锡；步骤3.压电片粘接在基底上，将带有线路的基体材料平铺于平板上，再将热固胶对齐粘贴于基体材料上，并在对应于压电片的位置打孔；把压电片放置于热固胶的打孔位置，将基体材料对齐平铺并粘接上；步骤4.压电片的固化，熨平固定压电片两侧以及基体材料四周；将平板放入平板硫化机中进行热压固化，同时通过预置的焊锡将压电片和线路焊接好，水冷至常温后取出；步骤5. BNC插头的封装，将BNC插头直接焊接在平板上，再通过固体胶将表面硬化、封装。
7.根据权利要求6所述的压电传感器的加工方法，其特征在于压电片再硫化机固化时，以固化压力2. 5MPa，热压温度120°C条件热压120分钟进行固化。
全文摘要
本发明属于传感器技术，涉及一种压电传感器的加工工艺方法。目的在于提供一种成活率高、抗干扰能力强的压电传感器。本发明把铜箔粘贴于柔性基材上并蚀刻出压电元件的连接线路，在柔性基材上蚀刻出连接线路后，还要把带有线路的基材、压电元件、固化胶在层压机中进行层压固化，并通过热压把压电片焊接在线路上，并封装成一个整体。其通过采用柔性线路和刚性线路相结合，有效提高了产品的成活率，而且BNC头因为正反面都设置有焊盘故两面均可直接焊接，再通过特殊的固体胶进行封装，成活率高达百分之百的同时也提高了产品的一致性及完整性。其工艺简单且成本较低，具有较大的实际应用价值。
文档编号G01D5/12GK102419183SQ201110236218
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者李闵行, 白玮, 肖迎春, 郭佳 申请人:中国飞机强度研究所