CN205280252U - 一种集成压电式万向冲击传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成压电式万向冲击传感器，涉及传感器技术领域。本实用新型包括质量块和压电敏感元件，所述压电敏感元件上设置有Z轴轴向压力敏感输出电极对、Y轴轴向压力敏感输出电极对、X轴轴向压力敏感输出电极对和质量块焊接电极；所述质量块通过质量块焊接电极焊接在压电敏感元件顶部；本实用新型采用新型的集成结构模型，将Z轴压缩式感应输出与X、Y轴剪切感应输出集成一体，通过后续的分区极化，实现了X、Y及Z轴的敏感输出，技术得到了较大的革新改进。

Description

一种集成压电式万向冲击传感器

技术领域

本实用新型涉及压电式传感器技术领域，更具体地说涉及一种集成压电式万向冲击传感器。

背景技术

随着工业机械低频振动监控、汽车加速度冲击检测、桥梁振动监测、军用碰撞引信等应用市场需求的发展，对冲击传感器的小型化、方向灵敏度、集成化等方面提出了更高的要求。压电式冲击传感器是该应用领域的重点分支，小型化、高灵敏度、集成化、多方向敏感成为了新型压电式传感器的发展方向。

目前典型的压电式冲击传感器基本结构是由压电敏感元件及机械结构件组成，压电冲击敏感元件采用压电陶瓷片叠装实现，封装腔体采用金属机械加工而成，陶瓷片厚度受限于机械强度的限制最薄0.5mm左右，如要提高传感器灵敏度度，就需要增加叠装的陶瓷片数量，造成传感器体积变大。由于力学撞击或者传递的复杂特性，就需要监测三轴方向的振动，单个压电传感器只能监测单轴方向，如要解决这个问题一般采用多点布局或者多轴安装的方式，造成体积大、成本高。

国家知识产权局于2007年11月21日，公开了一件公开号为CN101074895A，名称为“阵列压电传感器”的发明专利，该发明专利的传感器金属外壳由上至下依次设置有橡胶封装层、压电敏感层、电极转接板和电荷读出集成电路。压电敏感层包括PVDF片，PVDF片的一面为整片电极，另一面为阵列电极。阵列电极与突出位置一一对应。电荷读出集成电路为带有电荷注入电极的CCD集成电路。该发明专利利用压电原理与集成电路相结合的方法，不仅使阵列压电传感器的动态性能和抗干扰能力得到明显改善，稳定性也得到大大加强，同时具有表面柔顺、体积小、集成度高的特点。上述现有技术中虽然解决了集成度不高的缺点，但是还存在以下问题：首先，其采用PVDF压电片作为敏感元件，存在灵敏度低的缺点，无法检测低压力信号；其次，其只能感应与电极同方向的压力信号，无法检测其它方向的压力信号，存在检测盲区；最后，该阵列还存在传感器结构复杂、组成部件多的缺点，不利于与检测系统的集成。

国家知识产权局于2013年8月21日，公开了一件公开号为CN103256868A，名称为“一体化触地压电引信”的发明专利，该发明专利的传感器由信号处理电路模块、信号输出组件、壳体、压电片、预紧环、惯性质量块、绝缘片、引线片、定位环、引线、压环及上盖组成。该传感器通过压电片感知由质量块引起的惯性冲击力，输出电荷给信号处理电路模块，从而判断冲击加速度的大小，该发明专利给出的触地传感器具有检测线性度好、可靠性高、抗冲击力强的特点。上述的技术虽然给出了处理电路与敏感元件一体化的解决方案，但是还存在一下问题：首先，敏感元件还是采用传统的压电陶瓷片，其灵敏度与体积存在较大的矛盾，无法实现高灵敏度小体积的要求；其次，该传感器采用大质量块提高其传感器灵敏度，导致传感器频率响应特性急剧降低，无法检测高频振动信号；再次，该传感器只能检测轴向方向的冲击压力信号，无法检测多方向的冲击力；最后，该传感器采用的组件数量多、加工装配工艺复杂、材料选用种类多不利于批量化的生产。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型提供了一种集成压电式万向冲击传感器，本实用新型的实用新型目的旨在于提供一种压电式传感器解决现有压电传感器体积大、灵敏度低、检测方向单一、集成度不高的问题，在小体积情况下，实现高灵敏度、宽频带响应、万向敏感检测的集成化传感器。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型是通过下述技术方案实现的：

一种集成压电式万向冲击传感器，包括质量块和压电敏感元件，其特征在于：所述压电敏感元件上设置有Z轴轴向压力敏感输出电极对、Y轴轴向压力敏感输出电极对、X轴轴向压力敏感输出电极对和质量块焊接电极；所述质量块通过质量块焊接电极焊接在压电敏感元件顶部；

以压电敏感元件轴向垂直方向定义为Z轴，与Z轴垂直的水平方向定义为X轴，与X轴及Z轴组成的平面垂直的方向定义为Y轴。

所述Z轴轴向压力敏感输出电极对包括Z轴轴向压力敏感输出正电极和Z轴轴向压力敏感输出负电极；所述Z轴轴向压力敏感输出电极对是通过压电敏感电极组Ⅰ以叠层平面结构交叉分布在Z轴轴向分别连接正、负电极而组成的Z轴轴向压力敏感输出电极对。

所述X轴轴向压力敏感输出电极对包括X轴轴向压力敏感输出正电极和X轴轴向压力敏感输出负电极；所述X轴轴向压力敏感输出电极对是通过电极组Ⅱ以金属通孔阵列结构交叉分布且沿X轴轴向连接形成的X轴轴向压力敏感输出电极对。

所述Y轴轴向压力敏感输出电极对包括Y轴轴向压力敏感输出正电极和Y轴轴向压力敏感输出负电极；所述Y轴轴向压力敏感输出电极对是通过电极组Ⅲ以金属通孔阵列结构交叉分布且沿Y轴轴向连接形成的Y轴轴向压力敏感输出电极对。

所述Z轴轴向压力敏感输出电极对分布在压电敏感元件的左右两端。

所述X轴轴向压力敏感输出电极对分布在压电敏感元件前后两侧的左端。

所述Y轴轴向压力敏感输出电极对分布在压电敏感元件前后两侧的右端。

所述质量块焊接电极分布在压电敏感元件顶部四角。

所述质量块是由钨基高比重合金组成的密度为16.8-18.8的质量块，所述质量块表面设置有镀镍层。

所述质量块通过回流焊工艺焊接贴装在压电敏感元件的表面。

与现有技术相比，本实用新型所带来的有益的技术效果表现在：

1、本实用新型采用低温陶瓷共烧LTCC工艺技术，选用高性能的四元系压电陶瓷材料，设计了新型一体化传感器电路结构模型，优化了加工工艺流程中关键的烧结、极化关键工艺点。上述制作压电冲击传感器采用的技术方案，具有技术指标高、工艺技术先进、流程优化、样品性能优良的特点。采用该技术方案实现的冲击传感器具有体积小、灵敏度高、方向敏感范围宽、固有频率高的特点。

2.集成一体化三轴冲击敏感力输出。采用新型的集成结构模型，将Z轴压缩式感应输出与X、Y轴剪切感应输出集成一体，通过后续的分区极化，实现了X、Y及Z轴的敏感输出，技术得到了较大的革新改进。

3．小型化、高灵敏度输出。由于采用了低温共烧工艺技术膜片的厚度最薄可以达到0.01mm，这样就可以突破传统压电陶瓷片机械强度0.5mm左右的限制，同样的厚度条件下，叠层层数可以提高50倍，因此传感器灵敏度在得到极大的提高的同时传感器体积还可减小。

4.质量块与压电敏感元件一体化。质量块与敏感元件焊接为一体，改变了传统采用封装腔体、螺帽、质量块、引出电极的结构模式，可以极大的减小传感器体积、简化传感器制作流程。

5.表面贴装，系统集成小型化。该传感器采用了LTCC烧结工艺，通过表面封端引出电极，该传感器可以表面贴装在系统电路中，便于系统的集成小型化设计。

6.批量化生产工艺、一致性高。传统压电传感器采用腔体、压电片等分离器件组装而成，组装工艺流程复杂、人力成本高、一致性较差。LTCC工艺是一种可批量化生产的工艺技术，可以大批量生产，降低成本。

附图说明

图1为本实用新型的集成式万向冲击传感器外形结构示意图。

图2为本实用新型的集成式万向冲击传感器电极示意图。

图3为本实用新型的集成式万向冲击传感器电路结构示意图。

图中，

1.质量块，2.压电敏感元件；

21、Z轴轴向压电敏感输出正电极，22、Z轴轴向压电敏感输出负电极，23、Y轴轴向压电敏感输出正电极，24、Y轴轴向压电敏感输出负电极，25、X轴轴向压电敏感输出正电极，26、X轴轴向压电敏感输出负电极，27、质量块焊接电极；

21a、21b、21c…21n为Z轴正电极叠层引出端；

22a、22b、22c…22n为Z轴负电极叠层引出端；

23a、23b、23c…23n为Y轴正电极阵列分层引出端；

24a、24b、24c…24n为Y轴负电极阵列分层引出端；

25a、25b、25c…25n为X轴正电极阵列分层引出端；

26a、26b、26c…26n为X轴负电极阵列分层引出端。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

图1是本实用新型集成式万向冲击传感器结构示意图。在图1中，质量块1材质为W-Ni-Cu高比重合金，其密度为18g/cm3，质量块1的体积为6*6*1.5mm3，表面采用镀镍工艺。压电陶瓷材料压电系数d33选择300Pc/N，d31为160Pc/N，压电敏感陶瓷片烧结完之后尺寸为6*6*1.5，传感器整体外形尺寸为6*6*3。根据图2中给出的三轴输出电极示意图，电极材料选择Ag-Pd材料，Z轴轴向压力敏感输出电极对21、22输出Z轴冲击应力响应，Y轴轴向压力敏感输出电极对23、24输出Y轴冲击应力响应，X轴轴向压力敏感输出电极对25，26输出X轴冲击应力响应，通过电荷放大器接口电路接收X/Y/Z轴轴向压力敏感输出电极对的输出电压，从而可以判断在三轴方向上冲击力大小。根据图3中给出的电路结构图，按照传感器输出Z轴大于6000pC/N，设计叠层层数为24层，理论计算可以输出7200pC/N，轴向上下叠层分别为12层分布，叠层膜片厚度选择0.04mm，Z轴叠层厚度控制在1mm。中间X与Y轴叠层采用0.1mm的膜片，叠层5层，总厚度控制在0.5mm。X、Y轴敏感输出大于800pC/N，椭圆孔阵列层分为6层，计算输出960pC/g。采用以上给出的设计参数进行丝网加工，通过优化的LTCC低温烧结工艺流程完成压电敏感元件的制备，最后采用分区混合极化技术后，可实现所要求的三轴敏感输出。

传感器的体积还可以为8*8*3，输出灵敏度Z轴8000pC/N，X、Y轴灵敏度输出1500pC/N，叠层烧结材料及工艺路线均相同。为了控制体积叠层膜片可以选择0.02mm，叠层层数30层，在X轴及Y轴阵列分层为8层，质量块体积为8*8*1.5，根据该设计参数参照前面的工艺路线进行制作即可获得满足要求的冲击传感器。

实施例1

作为本实用新型一较佳实施例，参照说明书附图1、2和3，本实施例公开了

一种集成压电式万向冲击传感器，包括质量块1和压电敏感元件2，所述压电敏感元件2上设置有Z轴轴向压力敏感输出电极对21/22、Y轴轴向压力敏感输出电极对23/24、X轴轴向压力敏感输出电极对25/26和质量块焊接电极27；所述质量块1通过质量块焊接电极27焊接在压电敏感元件2顶部；以压电敏感元件2轴向垂直方向定义为Z轴，与Z轴垂直的水平方向定义为X轴，与X轴及Z轴组成的平面垂直的方向定义为Y轴。

实施例2

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1、2和3，本实施例公开了：

一种集成压电式万向冲击传感器，包括质量块1和压电敏感元件2，所述压电敏感元件2上设置有Z轴轴向压力敏感输出电极对21/22、Y轴轴向压力敏感输出电极对23/24、X轴轴向压力敏感输出电极对25/26和质量块焊接电极27；所述质量块1通过质量块焊接电极27焊接在压电敏感元件2顶部；以压电敏感元件2轴向垂直方向定义为Z轴，与Z轴垂直的水平方向定义为X轴，与X轴及Z轴组成的平面垂直的方向定义为Y轴。

所述Z轴轴向压力敏感输出电极对21/22包括Z轴轴向压力敏感输出正电极21和Z轴轴向压力敏感输出负电极22；所述Z轴轴向压力敏感输出电极对21、22是通过压电敏感电极组Ⅰ21a、21b…21n/22a、22b…22n以叠层平面结构交叉分布在Z轴轴向分别连接正、负电极而组成的Z轴轴向压力敏感输出电极对21/22；所述X轴轴向压力敏感输出电极对25/26包括X轴轴向压力敏感输出正电极25和X轴轴向压力敏感输出负电极26；所述X轴轴向压力敏感输出电极对25/26是通过电极组Ⅱ25a、25b…25n/26a、26b…26n以金属通孔阵列结构交叉分布且沿X轴轴向连接形成的X轴轴向压力敏感输出电极对25/26；所述Y轴轴向压力敏感输出电极对23/24包括Y轴轴向压力敏感输出正电极23和Y轴轴向压力敏感输出负电极24；所述Y轴轴向压力敏感输出电极对23/24是通过电极组Ⅲ23a、23b…23n/24a、24b…24n以金属通孔阵列结构交叉分布且沿Y轴轴向连接形成的Y轴轴向压力敏感输出电极对23/24。

电极组Ⅰ是包括Z轴正电极叠层引出端21a、21b、21c…21n和Z轴负电极叠层引出端22a、22b、22c…22n；电极组Ⅱ包括X轴正电极阵列分层引出端25a、25b、25c…25n和X轴负电极阵列分层引出端26a、26b、26c…26n；电极组Ⅲ包括Y轴正电极阵列分层引出端23a、23b、23c…23n和Y轴负电极阵列分层引出端24a、24b、24c…24n。

实施例3

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1、2和3，本实施例是在实施例2的基础上作出的进一步的补充和说明，在本实施例中，Z轴轴向压力敏感输出电极对21/22分布在压电敏感元件2的左右两端；所述X轴轴向压力敏感输出电极对25/26分布在压电敏感元件2前后两侧的左端；所述Y轴轴向压力敏感输出电极对23/24分布在压电敏感元件2前后两侧的右端。

实施例4

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1、2和3，本实施例是针对质量块作出的进一步的补充，在本实施例中，质量块焊接电极27分布在压电敏感元件2顶部四角；所述质量块1是由钨基高比重合金组成的密度为18.8的质量块1，所述质量块1表面设置有镀镍层；所述质量块1通过回流焊工艺焊接贴装在压电敏感元件2的表面。

在本实施例中，质量块的密度还可以是16.8；也可以是17，还可以是18。

实施例5

作为本实用新型又一较佳实施例，本实施例公开了一种集成压电式万向冲击传感器的压电敏感元件的制造方法，在本实施例中，其制造方法包括如下步骤：

步骤A：将PZT、PMnN和PMgN压电陶瓷材料按照重量比例0.92:0.05：0.03混合研磨及烘干造粒，制备得到PZT-PMnN-PMgN压电陶瓷材料粉料；

步骤B：在步骤A中制备得到的PZT-PMnN-PMgN压电陶瓷粉料中添加：85%的溶剂，1.5%-2%的分散剂，3%-4%的粘合剂，以及增塑剂，增塑剂与粘合剂的重量比为0.4:1；并通过流延工艺制备陶瓷膜片，陶瓷膜片的厚度为0.05-0.1mm；

在步骤B中所给出的质量百分比是相对于压电陶瓷粉料而言的；

步骤C：采用银钯电极材料，其中金属银与钯的重量比为7:3，制备银钯电极浆料，在银钯电极浆料中添加0.3%-0.5%的步骤A中制备的PZT-PMnN-PMgN压电陶瓷材料粉料，通过搅拌均匀得到电极材料；在本步骤中质量比是相对于银钯电极材料的质量而言的。

步骤D：采用打孔机为步骤B中制备得到的陶瓷膜片打孔，通过印刷机在陶瓷膜片上印刷步骤C中制备得到的电极材料，然后经过叠片、等静压、排胶、烧结、被银封端和回流焊接工艺制作完成压电敏感元件。

实施例6

作为本实用新型又一较佳实施例，本实施例是在实施例5的基础上作出的进一步的补充和说明，在本实施例中，所述步骤D中烧结工艺中烧结温度最高不超过920℃。

还包括步骤E：传感器极化工艺阶段，采用油浴极化法通过极化夹具将电极组Ⅰ21a、21b…21n/22a、22b…22n、电极组Ⅱ25a、25b…25n/26a、26b…26n和电机组Ⅲ23a、23b…23n/24a、24b…24n同时引出，极化电场为3Kv/mm-6Kv/mm，极化温度为100℃-150℃，极化时间为20min-50min。

实施例7

作为本实用新型又一较佳实施例，本实施例是在实施例5的基础上作出的进一步的补充和说明，在本实施例中，溶剂是由二甲苯和正丁醇混合而成的混合物，其混合比例为7:3；粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛；增塑剂为领苯二甲酸二丁酯。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成压电式万向冲击传感器，包括质量块（1）和压电敏感元件（2），其特征在于：所述压电敏感元件（2）上设置有Z轴轴向压力敏感输出电极对（21/22）、Y轴轴向压力敏感输出电极对（23/24）、X轴轴向压力敏感输出电极对（25/26）和质量块焊接电极（27）；所述质量块（1）通过质量块焊接电极（27）焊接在压电敏感元件（2）顶部；

以压电敏感元件（2）轴向垂直方向定义为Z轴，与Z轴垂直的水平方向定义为X轴，与X轴及Z轴组成的平面垂直的方向定义为Y轴。

2.如权利要求1所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述Z轴轴向压力敏感输出电极对（21/22）包括Z轴轴向压力敏感输出正电极（21）和Z轴轴向压力敏感输出负电极（22）；所述Z轴轴向压力敏感输出电极对（21/22）是通过压电敏感电极组Ⅰ（21a、21b…21n/22a、22b…22n）以叠层平面结构交叉分布在Z轴轴向分别连接正、负电极而组成的Z轴轴向压力敏感输出电极对（21/22）。

3.如权利要求1所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述X轴轴向压力敏感输出电极对（25/26）包括X轴轴向压力敏感输出正电极（25）和X轴轴向压力敏感输出负电极（26）；所述X轴轴向压力敏感输出电极对（25/26）是通过电极组Ⅱ（25a、25b…25n/26a、26b…26n）以金属通孔阵列结构交叉分布且沿X轴轴向连接形成的X轴轴向压力敏感输出电极对（25/26）。

4.如权利要求1所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述Y轴轴向压力敏感输出电极对（23/24）包括Y轴轴向压力敏感输出正电极（23）和Y轴轴向压力敏感输出负电极（24）；所述Y轴轴向压力敏感输出电极对（23/24）是通过电极组Ⅲ（23a、23b…23n/24a、24b…24n）以金属通孔阵列结构交叉分布且沿Y轴轴向连接形成的Y轴轴向压力敏感输出电极对（23/24）。

5.如权利要求1或2所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述Z轴轴向压力敏感输出电极对（21/22）分布在压电敏感元件（2）的左右两端。

6.如权利要求1或3所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述X轴轴向压力敏感输出电极对（25/26）分布在压电敏感元件（2）前后两侧的左端。

7.如权利要求1或4所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述Y轴轴向压力敏感输出电极对（23/24）分布在压电敏感元件（2）前后两侧的右端。

8.如权利要求1所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述质量块焊接电极（27）分布在压电敏感元件（2）顶部四角。

9.如权利要求1或8所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述质量块（1）是由钨基高比重合金组成的密度为16.8-18.8的质量块（1），所述质量块（1）表面设置有镀镍层。

10.如权利要求9所述的一种集成压电式万向冲击传感器，其特征在于：所述质量块（1）通过回流焊工艺焊接贴装在压电敏感元件（2）的表面。