CN112968123B - 一种柔性薄膜式压电声发射传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性薄膜式压电声发射传感器，属于电力工程技术领域。本发明的柔性薄膜式压电声发射传感器，除压电薄膜晶片外，所有组成部分均具有柔性；而压电薄膜晶片虽然不具有柔性，但其尺寸很小，因而可以适应弯曲的表面。实际测试中，本发明的传感器足以适应曲率半径为80mm的球面，克服了传统的声发射传感器厚度大、不易适应弯曲表面的缺点。此外，本发明的传感器中的薄膜式铜导线可以做得很长，因此这种结构的传感器可以伸入一些狭窄逼仄的空间工作。

Description

一种柔性薄膜式压电声发射传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于电力工程技术领域，具体涉及一种柔性薄膜式压电声发射传感器及其制作方法。
背景技术
检测接收声发射信号并进行分析得到声发射源(缺陷)的信息过程称之为声发射检测，其原理为：声发射源产生的弹性波传播到材料表面，使得材料表面产生位移。声发射传感器探测这种位移，并将这种位移转化为电信号，然后使用放大器放大，并使用专门的设备进行处理和记录，从而分析声发射源的位置、性质等信息。
目前已经有实用的声发射传感器，例如专利号为2018205313913的专利公开了一种压电式声发射传感器。目前的声发射传感器采用压电块作为传感材料，并使用金属外壳进行电磁屏蔽。虽然灵敏度高，信噪比高，但存在一些局限性：
第一，这种结构的声发射传感器的厚度较大。在一些特殊场合，空间狭小，要求声发射传感器的厚度必须足够小，然而，现有的声发射传感器不能满足需求。
第二，这种结构的声发射传感器不具有柔性，不易适应弯曲的表面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种柔性薄膜式压电声发射传感器及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种柔性薄膜式压电声发射传感器，包括柔性绝缘薄膜基底1，所述柔性绝缘薄膜基底1的第一表面上间隔设置有第一铜导线2和第二铜导线3，所述第一铜导线2和所述第二铜导线3之间设置有压电薄膜晶片5，所述压电薄膜晶片5具有顶电极8和底电极9，所述压电薄膜晶片5的顶电极8通过第一导电银浆7与所述第一铜导线2连接，所述压电薄膜晶片5的底电极9通过第二导电银浆6与所述第二铜导线3连接，所述柔性绝缘薄膜基底1和所述压电薄膜晶片5上设置有绝缘胶带4用于对器件进行封装；
所述柔性绝缘薄膜基底1的与所述第一表面相反的第二表面上设置有第一金属屏蔽层10；所述绝缘胶带4上设置有第二金属屏蔽层11。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述柔性绝缘薄膜基底1所使用的材料为PI。
进一步的，所述压电薄膜晶片5为铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。
进一步的，所述绝缘胶带4所使用的材料为PI。
进一步的，所述第一金属屏蔽层10和第二金属屏蔽层11所使用的材料为铝、铜、铂、金或钼。
进一步的，所述传感器的厚度小于200微米。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种柔性薄膜式压电声发射传感器的制备方法，包括以下步骤：
使用掩膜版和采用磁控溅射的方式，制备压电薄膜晶片5的顶电极8和底电极9；
在所述柔性绝缘薄膜基底1上形成间隔设置的第一铜导线2和第二铜导线3；
在所述第一铜导线2和所述第二铜导线3之间涂抹银浆，形成第二导电银浆6；
将所述压电薄膜晶片5的底电极9放置在所述第二导电银浆6上；
在所述顶电极8和所述第一铜导线2之间涂抹第一导电银浆7；
在所述柔性绝缘薄膜基底1和所述压电薄膜晶片5上形成绝缘胶带4；
将封装好的传感器放在磁控溅射设备中，正反两面各溅射一层金属屏蔽层。
进一步的，所述底电极9设置在所述压电薄膜晶片5上远离所述第一铜导线2的一侧。
本发明的有益效果是：本发明的柔性薄膜式压电声发射传感器，除压电薄膜晶片外，所有组成部分均具有柔性；而压电薄膜晶片虽然不具有柔性，但其尺寸很小，因而可以适应弯曲的表面。实际测试中，本发明的传感器足以适应曲率半径为80mm的球面，克服了传统的声发射传感器厚度大、不易适应弯曲表面的缺点。此外，本发明的传感器中的薄膜式铜导线可以做得很长，因此这种结构的传感器可以伸入一些狭窄逼仄的空间工作。
附图说明
图1为本发明实施例的一种柔性薄膜式压电声发射传感器的俯视图；
图2为本发明实施例的一种柔性薄膜式压电声发射传感器的侧视图；
图3为本发明实施例的一种柔性薄膜式压电声发射传感器中压电薄膜晶片的结构示意图，其中，(a)为压电薄膜晶片的底电极结构示意图，(b)为压电薄膜晶片的顶电极结构示意图；
图4为本发明实施例的一种柔性薄膜式压电声发射传感器中第二导电银浆6的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、柔性绝缘薄膜基底，2、第一铜导线，3、第二铜导线，4、绝缘胶带，5、压电薄膜晶片，6、第二导电银浆，7、第一导电银浆，8、顶电极，9、底电极，10、第一金属屏蔽层，11、第二金属屏蔽层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-2所示，本发明第一实施例提供的一种柔性薄膜式压电声发射传感器，包括柔性绝缘薄膜基底1，所述柔性绝缘薄膜基底1的第一表面上间隔设置有第一铜导线2和第二铜导线3，所述第一铜导线2和所述第二铜导线3之间设置有压电薄膜晶片5，所述压电薄膜晶片5具有顶电极8和底电极9，所述压电薄膜晶片5的顶电极8通过第一导电银浆7与所述第一铜导线2连接，所述压电薄膜晶片5的底电极9通过第二导电银浆6与所述第二铜导线3连接，所述柔性绝缘薄膜基底1和所述压电薄膜晶片5上设置有绝缘胶带4用于对器件进行封装；
所述柔性绝缘薄膜基底1的与所述第一表面相反的第二表面上设置有第一金属屏蔽层10；所述绝缘胶带4上设置有第二金属屏蔽层11。
上述实施例中，第二导电银浆6与第二铜导线3连接，与第一铜导线2不接触，其作用是粘连压电薄膜晶片5与柔性绝缘薄膜基底1，并导通压电薄膜晶片5的底电极与第二铜导线3。第一金属屏蔽层10和第二金属屏蔽层11用以屏蔽电磁干扰。
可选地，所述柔性绝缘薄膜基底1所使用的材料为PI。
可选地，所述压电薄膜晶片5为铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。
上述实施例中，压电薄膜晶片5的厚度可为仅数十微米的压电单晶薄膜。
可选地，所述绝缘胶带4所使用的材料为PI。
可选地，所述第一金属屏蔽层10和第二金属屏蔽层11所使用的材料为铝、铜、铂、金或钼。
可选地，所述传感器的厚度小于200微米。
本发明第二实施例提供的一种柔性薄膜式压电声发射传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备压电薄膜晶片5：使用掩膜版和采用磁控溅射的方式，制备压电薄膜晶片5的顶电极8和底电极9，如图3所示，具体可采用以下方式：首先使用两片不锈钢掩膜版夹住整片的压电单晶薄膜晶圆。调整掩膜版位置，使得两块掩膜板的图案对齐，然后使用夹子固定。使用磁控溅射设备，在正反两面溅射纯铝，从而得到图形化的电极。溅射好电极后，使用激光划切机将整片压电薄膜晶片5切割成图3所示形状。
制备铜导线：在所述柔性绝缘薄膜基底1上形成间隔设置的第一铜导线2和第二铜导线3；
制备第二导电银浆：在所述第一铜导线2和所述第二铜导线3之间涂抹银浆，形成第二导电银浆6，如图4所示；具体可采用以下方式：使用平整的刮刀，抵住两个铜导线一刮，即可在两导线之间刮满厚度均匀的银浆。使用蘸了酒精的纸巾，将银浆擦拭成图4所示形状。第二导电银浆6与第二铜导线3相连，与第一铜导线2保持足够的距离，以防止发生短路。
粘结压电薄膜晶片：将所述压电薄膜晶片5的底电极9放置在所述第二导电银浆6上；具体可采用以下方式：将压电薄膜晶片5放在两个铜导线之间，第二导电银浆6之上，且压电薄膜晶片5的底电极不与第一铜导线2接触，以免短路。采用平整的硬质薄板，均匀地按压压电薄膜晶片5，使得压电薄膜晶片5与柔性绝缘薄膜基底1紧密粘连。在烘箱中烘干导电银浆。
粘结顶电极：在所述顶电极8和所述第一铜导线2之间涂抹第一导电银浆7；具体可采用以下方式：使用牙签蘸取少量银浆，粘连顶电极8和所述第一铜导线2。使用两块平整的硬质薄板，将柔性绝缘薄膜基底1和压电薄膜晶片5夹在一起，并使用夹子固定、加压。在烘箱中烘干银浆。
封装：在所述柔性绝缘薄膜基底1和所述压电薄膜晶片5上形成绝缘胶带4；具体可采用以下方式：使用超薄的绝缘胶带，平整、均匀地粘在柔性绝缘薄膜基底1和所述压电薄膜晶片5上。
溅射屏蔽层：将封装好的传感器放在磁控溅射设备中，正反两面各溅射一层金属屏蔽层。
可选地，所述底电极9设置在所述压电薄膜晶片5上远离所述第一铜导线2的一侧。
上述实施例中，底电极一侧边缘不与压电薄膜晶片5边缘相临，以确保底电极不会与第一铜导线2相接触，从而避免短路。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性薄膜式压电声发射传感器，其特征在于，包括柔性绝缘薄膜基底（1），所述柔性绝缘薄膜基底（1）的第一表面上间隔设置有第一铜导线（2）和第二铜导线（3），第一铜导线（2）和第二铜导线（3）之间设置有第二导电银浆（6），第二导电银浆（6）与第二铜导线（3）相连，第二导电银浆（6）与第一铜导线（2）之间保持足够的距离以防发生短路；所述第一铜导线（2）和所述第二铜导线（3）之间设置有压电薄膜晶片（5），所述压电薄膜晶片（5）具有顶电极（8）和底电极（9）；所述压电薄膜晶片（5）的底电极（9）通过第二导电银浆（6）与所述第二铜导线（3）连接，所述压电薄膜晶片（5）的顶电极（8）通过第一导电银浆（7）与所述第一铜导线（2）连接；所述柔性绝缘薄膜基底（1）和所述压电薄膜晶片（5）上设置有绝缘胶带（4）用于对器件进行封装；
所述柔性绝缘薄膜基底（1）的与所述第一表面相反的第二表面上设置有第一金属屏蔽层（10）；所述绝缘胶带（4）上设置有第二金属屏蔽层（11）。
2.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式压电声发射传感器，其特征在于，所述柔性绝缘薄膜基底（1）所使用的材料为PI。
3.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式压电声发射传感器，其特征在于，所述压电薄膜晶片（5）为铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式压电声发射传感器，其特征在于，所述绝缘胶带（4）所使用的材料为PI。
5.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式压电声发射传感器，其特征在于，所述第一金属屏蔽层（10）和第二金属屏蔽层（11）所使用的材料为铝、铜、铂、金或钼。
6.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式压电声发射传感器，其特征在于，所述传感器的厚度小于200微米。
7.一种权利要求1-6任一项所述的一种柔性薄膜式压电声发射传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用掩膜版和采用磁控溅射的方式，制备压电薄膜晶片（5）的顶电极（8）和底电极（9）；
在所述柔性绝缘薄膜基底（1）上形成间隔设置的第一铜导线（2）和第二铜导线（3）；
在所述第一铜导线（2）和所述第二铜导线（3）之间涂抹银浆，形成第二导电银浆（6）；所述第二导电银浆（6）与第二铜导线（3）相连，所述第二导电银浆（6）与第一铜导线（2）之间保持足够的距离以防发生短路；
将所述压电薄膜晶片（5）的底电极（9）放置在所述第二导电银浆（6）上；
在所述顶电极（8）和所述第一铜导线（2）之间涂抹第一导电银浆（7）；
在所述柔性绝缘薄膜基底（1）和所述压电薄膜晶片（5）上形成绝缘胶带（4）；
将封装好的传感器放在磁控溅射设备中，正反两面各溅射一层金属屏蔽层。
8.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式压电声发射传感器的制备方法，其特征在于，所述底电极（9）设置在所述压电薄膜晶片（5）上远离所述第一铜导线（2）的一侧。
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