專利名稱：一種壓電傳感器及其加工方法
技術領域：
本發明屬于傳感器技術，涉及一種壓電傳感器的加工工藝方法。
背景技術：
自20世紀后期以來，由于世界各地發生的航空事故所引起的災難性后果，使得結構健康監測技術得以提出并迅速發展起來。該技術研究在結構中安裝或集成傳感器功能單元來實現結構健康狀態的在線監測。在眾多的傳感器和驅動器中，壓電元件由于具有正逆壓電效應，既可作為驅動器也可作為傳感器。因此，得到很多研究學者的關注并大量采用。傳統的使用壓電傳感器，是將壓電元件逐個粘貼與分別連接，這樣的做法會引起各壓電元件存在性能差異，且穩定性、電氣特性以及使用壽命等方面難以控制。
發明內容
本發明的目的提供一種成活率高、抗干擾能力強的壓電傳感器。另外，本發明還提出該壓電傳感器加工方法。本發明的技術解決方案是一種壓電傳感器，其包括基底、壓電片、層內連線線路、 傳感器與外部的連接接口 BNC插頭，其中，所述壓電片、層內連線線路、傳感器與外部的連接接口 BNC插頭均設置在基底上，其特征在于所述壓電傳感器各部分均含有柔性線路，而 BNC插頭部分還含有剛性線路。所述柔性線路由第一層柔性線路和第二層柔性線路組成，其中，第一層柔性線路從外到內依次包含有屏蔽層、膠粘劑層和基底銅箔層；BNC插頭部分的第二層柔性線路包含有電絕緣柔性材料層、內部銅箔層和低流量預浸層；而層內連線線路部分和壓電片部分的第二層柔性線路包含電絕緣柔性材料層、內部銅箔層、膠粘劑層和最外部的屏蔽層。所述剛性線路主要包含FR-4剛性層、基底銅箔層和阻焊層。所述連接接口 BNC插頭包括a、b、c、d、e共5個接腳，其中，所述壓電片中上部通過層內連線線路與BNC插頭的e腳相連，壓電片中下部與BNC插頭的a腳相連。所述BNC插頭部分正反面都設置有可直接焊接的焊盤，并由固體膠封裝。一種壓電傳感器的加工方法，其包括如下步驟步驟1.根據監測要求將基體材料和熱固膠切割成相同形狀和大小，以提高加工時的隨意性和一致性；步驟2.在基體材料上經過曝光、顯影、蝕刻、剝膜的過程制作出壓電片的層內連接線路，并在相應的位置預置焊錫；步驟3.壓電片粘接在基底上，將帶有線路的基體材料平鋪于平板上，再將熱固膠對齊粘貼于基體材料上，并在對應于壓電片的位置打孔；把壓電片放置于熱固膠的打孔位置，將基體材料對齊平鋪并粘接上；步驟4.壓電片的固化，
熨平固定壓電片兩側以及基體材料四周；將平板放入平板硫化機中進行熱壓固化，同時通過預置的焊錫將壓電片和線路焊接好，水冷至常溫后取出；步驟5. BNC插頭的封裝，將BNC插頭直接焊接在平板上，再通過固體膠將表面硬化、封裝。壓電片再硫化機固化時，以固化壓力2. 5MPa，熱壓溫度120°C條件熱壓120分鐘進行固化。本發明的技術效果是本發明把銅箔粘貼于柔性基材上并蝕刻出壓電元件的連接線路，在柔性基材上蝕刻出連接線路后，還要把帶有線路的基材、固化膠在層壓機中進行層壓固化，并通過熱壓把壓電片焊接在線路上，并封裝成一個整體。其通過采用柔性線路和剛性線路相結合，有效提高了產品的成活率，而且BNC頭因為正反面都設置有焊盤故兩面均可直接焊接，再通過特殊的固體膠進行封裝，成活率高達百分之百的同時也提高了產品的一致性及完整性。其工藝簡單且成本較低，具有較大的實際應用價值。
圖1是本發明壓電傳感器一較佳實施方式的結構示意圖；圖2是本發明壓電傳感器的工藝組成圖；圖中1為基底；2為壓電片；3為層內連線線路；4為傳感器與外部的連接接口 BNC 插頭；a、b、c、d、e分別為BNC插頭的五個接腳；5為屏蔽層；6為膠粘劑層；7為基地銅箔層；8為電絕緣柔性材料層；9為內部銅箔層；10為低流量預浸層；11為FR-4剛性層；12為阻焊層；13為柔性線路；14為剛性線路。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明作進一步說明請參見圖1，其是本發明壓電傳感器一較佳實施方式的結構示意圖。所述壓電傳感器包括基底1、壓電片2、層內連線線路3、傳感器與外部的連接接口 BNC插頭4。其中，所述壓電片2、層內連線線路3、傳感器與外部的連接接口 BNC插頭4均設置在基底1上。所述連接接口 BNC插頭4包括a、b、c、d、e共5個接腳。其中，所述壓電片2設置在基底1的一圓盤上，中上部通過層內連線線路3與BNC插頭4的e腳相連，壓電片2中下部與BNC插頭 4的a腳相連，如此連接有助于提高抗干擾能力和電磁兼容性。請參見圖2，其是本發明壓電傳感器的工藝組成圖。具體說明，本發明壓電傳感器工藝結構由柔性線路部分和剛性線路部分組成。其中壓電片2、層內連線線路3、傳感器與外部的連接接口 BNC插頭4各部分均含有柔性線路13，而BNC插頭4部分還含有剛性線路 14。所述柔性線路13可分為第一層柔性線路和第二層柔性線路。其中，第一層柔性線路從外到內依次包含有屏蔽層5、膠粘劑層6和基底銅箔層7。BNC插頭部分4的第二層柔性線路包含有電絕緣柔性材料層8、內部銅箔層9和低流量預浸層10。而層內連線線路部分3和壓電片部分2的第二層柔性線路包含電絕緣柔性材料層8、內部銅箔層9、膠粘劑層6 和最外部的屏蔽層5。所述剛性線路14包含從內到外設置的FR-4剛性層11、基底銅箔層 7和阻焊層12。
本發明壓電傳感器之所以采取分層結構，是由于其含有不同的材料，材料的特點、 性質、應用功能的不同決定應該分層。分層后導電性和絕緣性均得到了保障。其中，柔性部分便于根據各種應用結構的形狀，在制作時把壓電傳感器制成各種形狀，還可以根據三維結構的形狀做適當的剪裁。剛性部分主要起到與外界連接的作用，制作成剛性更便于拆卸與連接，提高可靠性和穩定性。下面結合圖2具體說明本制作工藝的材料組成本實施方式中，壓電片作為驅動器/傳感器，采用直徑為8mm、厚度為0. 3mm的PZT壓電片。電絕緣柔性材料采用杜邦Kapton 聚酰亞胺薄膜，厚度為0. 025mm。所述層內連線電路3采用銅箔，其電導率為5. 9X 107S/m， 抗拉強度為172MPa，伸長系數為30%，熱膨脹系數為0. 52 X 10_7°C，密度為8. 86g/cm3，彈性模量為llOGPa。膠粘劑層6用熱固膠。阻焊層中的阻焊油墨采用白色Nanya型號。本發明壓電傳感器與外部接口部分既有柔性線路又有剛性線路，在高溫下用機器將二者壓合，有效解決了現有技術中傳感器容易損壞以及焊接不方便等問題，提高了壓電傳感器的可靠性。另外，層內連線線路3和壓電片2的上下兩面都有屏蔽層，大幅提高了壓電傳感器的抗干擾能力。另外，本發明壓電傳感器與外部的連接接口 BNC插頭部分4因為正反面都設置有焊盤故兩面均可直接焊接，再通過固體膠進行封裝，成活率高達百分之百的同時也大大增加了其安裝的方便性、可靠性和一致性。基底上的圓盤經過處理，適合各種型號的壓電片，且壓電片通過導電硅膠直接與試件粘貼，大大增加了與試件的接觸面積從而減少了阻抗，保證了壓電片性能不受變化。克服了現有產品此方面的不足，增強了抗干擾能力，提高了可靠性。下面給出本發明壓電傳感器的加工實現方法，以解決現有工藝中干擾大、成品率低的問題，其具體工藝步驟如下步驟1.根據監測要求將基體材料和熱固膠切割成相同形狀和大小，以提高加工時的隨意性和一致性；步驟2.在基體材料上經過曝光、顯影、蝕刻、剝膜的過程制作出壓電片的層內連接線路，并在相應的位置預置焊錫，以下具體說明1).曝光曝光是利用干膜的特性(僅接受固定能量的波長)，將需要的線路規格制作成底片，經由照像曝光原理，達到影像轉移的效果；2).顯影顯影是利用干膜經過曝光后，產生感光反應部分或未感光反應部分(這要依據感光膜的特性)，可溶解于堿性的顯影液溶劑內，達到制作出需求的線路圖形；3).蝕刻蝕刻是以蝕刻液來浸蝕未被干膜覆蓋的裸銅，使不需要的銅層被除去， 僅留下必需的線路；4).剝膜剝膜是用NaOH將留在線路上的干膜完全去除，線路即成型；步驟3.壓電片粘接在基底上，將帶有線路的基體材料平鋪于平板上，再將熱固膠(在對應于壓電片的位置打孔)對齊粘貼于基體材料上；把壓電片放置于熱固膠的打孔位置，并粘貼上特殊的瞬間接著劑，最后將基體材料對齊平鋪于瞬間接著劑上；步驟4.壓電片的固化，用調溫電熨斗(55°C )在壓電片兩側，以及基體材料四周輕輕熨平固定；將平板放入平板硫化機中，實際某較佳實施方式中，以固化壓力2. 5MPa，熱壓溫度120°C條件熱壓 120分鐘(在此過程中，同時通過預置的焊錫將壓電片和線路焊接好)，水冷至常溫后取出。步驟5. BNC插頭的封裝，將BNC插頭直接焊接在平板上，再通過固體膠將表面硬化、封裝，提高抗干擾能力。綜上所述本發明把銅箔粘貼于柔性基材上并蝕刻出壓電元件的連接線路，在柔性基材上蝕刻出連接線路后，還要把帶有線路的基材、壓電元件、固化膠在層壓機中進行層壓固化，并通過熱壓把壓電片焊接在線路上，并封裝成一個整體。其通過采用柔性線路和剛性線路相結合，有效提高了產品的成活率，而且BNC頭因為正反面都設置有焊盤故兩面均可直接焊接，再通過特殊的固體膠進行封裝，成活率高達百分之百的同時也提高了產品的一致性及完整性，其工藝簡單且成本較低，具有較大的實際應用價值。
權利要求
1.一種壓電傳感器，其特征在于包括基底[1]、壓電片[2]、層內連線線路[3]、傳感器與外部的連接接口 BNC插頭W]，其中，所述壓電片[2]、層內連線線路[3]、傳感器與外部的連接接口 BNC插頭[4]均設置在基底[1]上，其特征在于所述壓電傳感器各部分均含有柔性線路[13]，而BNC插頭[4]部分還含有剛性線路[14]。
2.根據權利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于所述柔性線路[13]由第一層柔性線路和第二層柔性線路組成，其中，第一層柔性線路從外到內依次包含有屏蔽層[5]、膠粘劑層[6]和基底銅箔層[7] ；BNC插頭部分[4]的第二層柔性線路包含有電絕緣柔性材料層 [8]、內部銅箔層[9]和低流量預浸層[10]；而層內連線線路部分[3]和壓電片部分[2]的第二層柔性線路包含電絕緣柔性材料層[8]、內部銅箔層[9]、膠粘劑層[6]和最外部的屏蔽層[5]。
3.根據權利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于所述剛性線路[14]主要包含FR-4 剛性層[11]、基底銅箔層[7]和阻焊層[12]。
4.根據權利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于所述連接接口BNC插頭[4]包括 a、b、C、d、e共5個接腳，其中，所述壓電片[2]中上部通過層內連線線路3與BNC插頭[4] 的e腳相連，壓電片[2]中下部與BNC插頭[4]的a腳相連。
5.根據權利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于所述BNC插頭[4]正反面都設置有可直接焊接的焊盤，并由固體膠封裝。
6.一種壓電傳感器的加工方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1.根據監測要求將基體材料和熱固膠切割成相同形狀和大小，以提高加工時的隨意性和一致性；步驟2.在基體材料上經過曝光、顯影、蝕刻、剝膜的過程制作出壓電片的層內連接線路，并在相應的位置預置焊錫；步驟3.壓電片粘接在基底上，將帶有線路的基體材料平鋪于平板上，再將熱固膠對齊粘貼于基體材料上，并在對應于壓電片的位置打孔；把壓電片放置于熱固膠的打孔位置，將基體材料對齊平鋪并粘接上；步驟4.壓電片的固化，熨平固定壓電片兩側以及基體材料四周；將平板放入平板硫化機中進行熱壓固化，同時通過預置的焊錫將壓電片和線路焊接好，水冷至常溫后取出；步驟5. BNC插頭的封裝，將BNC插頭直接焊接在平板上，再通過固體膠將表面硬化、封裝。
7.根據權利要求6所述的壓電傳感器的加工方法，其特征在于壓電片再硫化機固化時，以固化壓力2. 5MPa，熱壓溫度120°C條件熱壓120分鐘進行固化。
全文摘要
本發明屬于傳感器技術，涉及一種壓電傳感器的加工工藝方法。目的在于提供一種成活率高、抗干擾能力強的壓電傳感器。本發明把銅箔粘貼于柔性基材上并蝕刻出壓電元件的連接線路，在柔性基材上蝕刻出連接線路后，還要把帶有線路的基材、壓電元件、固化膠在層壓機中進行層壓固化，并通過熱壓把壓電片焊接在線路上，并封裝成一個整體。其通過采用柔性線路和剛性線路相結合，有效提高了產品的成活率，而且BNC頭因為正反面都設置有焊盤故兩面均可直接焊接，再通過特殊的固體膠進行封裝，成活率高達百分之百的同時也提高了產品的一致性及完整性。其工藝簡單且成本較低，具有較大的實際應用價值。
文檔編號G01D5/12GK102419183SQ201110236218
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者李閔行, 白瑋, 肖迎春, 郭佳 申請人:中國飛機強度研究所