CN110459672A - 一种压电陶瓷传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷传感器及其制备方法，所述传感器包括上柔性薄膜基底和下柔性薄膜基底，所述上柔性薄膜基底和所述下柔性薄膜基底之间依次设置有第一导电层、压电层和第二导电层，所述压电层包括若干间隔排列的压电陶瓷，所述压电陶瓷的2个电极分别与所述第一导电层、所述第二导电层电性保持接触。本发明中所制备的压电传感器采用压电陶瓷材料，对比柔性材料PVDF，其热稳定性好，耐穿刺，压电效率较高。同时，本发明的制备工艺直接使用极化后的压电陶瓷进行切割，并利用切割过程中的物料损耗实现陶瓷片的间隔排布，工艺简单可控，良品率高，能够实现大规模生产。

Description

一种压电陶瓷传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压电传感器领域，尤其是涉及一种压电陶瓷传感器及其制备方法。

背景技术

某些电解质在沿一定方向上受到外力的作用变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应，能够产生压电效应的材料称为压电材料。压电传感器即是利用这种压电效应，实现了机械能和电能之间的功能转换。利用压电材料制备的压电传感器具有结构简单，稳定性高成本低，响应快，频响范围宽，灵敏度大，动态范围大等优点。随着电子工业的发展，压电传感器被广泛应用于声学、力学、医疗及宇航等相关领域中。

压电材料会有压电效应是因为晶格内原子间特殊的排列方式，可分为压电单晶体、压电多晶体(压电陶瓷)、压电聚合物(PVDF)和压电复合材料四种。压电陶瓷具有较高的机电耦合系数，压电常数较大，传感灵敏度较高，性能稳定，然而，压电陶瓷材料本身不带有柔性，无法在曲面环形中使用。有机压电材料PVDF是同时兼备柔性及压电特性的材料，但是该材料热稳定性差，不耐穿刺，且压电常数较陶瓷材料低。

现有技术中，制备出具有一定可弯曲性的压电器件，工艺复杂、成品率低。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关记述中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种结构简单、可弯曲的、可靠性高的压电陶瓷传感器。

为此，本发明的第二个目的是提供一种工艺简单、成品率高的压电陶瓷传感器制备方法。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种压电陶瓷传感器，包括上柔性薄膜基底和下柔性薄膜基底，所述上柔性薄膜基底和所述下柔性薄膜基底之间依次设置有第一导电层、压电层和第二导电层，所述压电层包括若干间隔排列的压电陶瓷，所述若干压电陶瓷之间通过粘性材料固定于所述第一导电层和所述第二导电层之间，所述压电陶瓷的2个电极分别与所述第一导电层、所述第二导电层电性连接。

进一步地，所述第一导电层和所述第二导电层均包括至少一个导电电极和将所述导电电极连接和/或引出的电路，所述压电陶瓷的两端电极分别与所述第一导电层的至少一个导电电极电性连接、所述第二导电层的至少一个导电电极电性连接，所述导电电极连接和/或引出的所述电路表面覆盖绝缘保护层。

进一步地，所述第一导电层上的导电电极之间和所述第二导电层上的导电电极之间相互串和/或并联和/或分别引出作为传感器的连接和/或测试和/或输出端口。

进一步地，所述导电电极和将所述导电电极连接和/或引出的电路的材料为导电金属、合金、聚合物等材料中的至少一种。

进一步地，所述上柔性薄膜基底、所述下柔性薄膜基底及所述绝缘保护层的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等柔性薄膜材料中的至少一种。

进一步地，所述粘性材料厚度不高于所述导电层的厚度。

第二方面，本发明还提供了一种压电陶瓷传感器制备方法，其包括以下步骤：

步骤1，将烧结并极化后的压电陶瓷，利用切割机进行切割，将所述压电陶瓷分割成若干所需尺寸的小片压电陶瓷并使所述若干小片压电陶瓷之间保留一定间距；

步骤2，在两个柔性薄膜表面分别打印或沉积或印刷导电层；

步骤3，将步骤1中所制备的若干小片压电陶瓷转印至步骤2中所制备的所述柔性薄膜表面，转印中保证每个所述小片压电陶瓷表面分别与所述导电层电性连接；

步骤4，在步骤3中转印后的陶瓷片表面覆盖步骤2中所制备的所述柔性薄膜，保证所述若干小片压电陶瓷与所述导电层电性连接。

进一步地，所述步骤2还包括对所述导电层表面进行抗氧化工艺处理。

进一步地，所述步骤3中，转印前后所述若干小片压电陶瓷片之间间距保持不变。

本发明的有益效果是：

本发明利用切割工艺使压电陶瓷片之间带有一定间隔，封装后的压电传感器具有一定可弯曲性。对比柔性材料PVDF，本发明中所制备的压电传感器采用压电陶瓷材料，热稳定性好，耐穿刺，压电效率较高。同时该工艺直接使用极化后的压电陶瓷进行切割，并利用切割过程中的物料损耗实现陶瓷片的间隔排布，工艺简单可控，良品率高，能够实现大规模生产。

附图说明

图1是本发明中一种压电陶瓷传感器一具体实施例的侧视图；

图2是本发明中一种压电陶瓷传感器一具体实施例中弯曲示意图；

图3是本发明中一种压电陶瓷传感器一具体实施例中电极层俯视图；

图4是本发明中一种压电陶瓷传感器另一具体实施例中电极层俯视图；

图5是本发明中一种压电陶瓷传感器又一具体实施例中电极层俯视图；

图6是本发明中一种压电陶瓷传感器制备方法一具体实施例中的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1至图2，其示出了一种压电陶瓷传感器，包括上柔性薄膜基底1和下柔性薄膜基底5，优选的，上柔性薄膜基底1和下柔性薄膜基底5材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等柔性薄膜材料中的至少一种。上柔性薄膜基底1和下柔性薄膜基底5之间依次设置有第一导电层2、压电层和第二导电层9，其中第一导电层2和第二导电层9的材料为导电金属、合金、聚合物等材料中的至少一种，其具备一定的柔性，导电层中包括电极202和将所述电极连接和/或引出的电路201，电路201表面覆盖绝缘保护薄膜8。压电层包括若干间隔排列的压电陶瓷4，若干压电陶瓷4之间通过粘性材料3固定于第一导电层2和第二导电层9之间。压电陶瓷4的2个电极分别与第一导电层2、第二导电层9电性连接，实现在一定载荷下输出可测量的电信号。

进一步地，所述第一导电层2和所述第二导电层9均包括若干导电电极202，压电陶瓷4的两个电极(上和下表面)分别与所述第一导电层2的至少一个导电电极电性连接、所述第二导电层9的至少一个导电电极电性连接,接触面积不小于压电陶瓷4表面面积的50％，其中所述压电陶瓷片之间保留一定间隔7。第一导电层2上的导电电极之间和所述第二导电层9上的导电电极之间相互串和/或并联和/或分别引出作为传感器的连接和/或测试和/或输出端口。

优选的，如图3所示，图3中示意出了第一导电层1和第二导电层2，第一导电层1和第二导电层2的导电电极分别相互串联，第一导电层1具有唯一引出端A，第二导电层2具有唯一引出端B，封装后采用高速记录仪连接A、B端口，即可记录如图十六个电极位置的所受外加载荷情况。由于各电极相互串联，该薄膜所制备的传感器能够记录大面积数据采集。

参考图4，第一导电层1的导电电极共地，具有唯一输出端口A，第二导电层2的导电电极(1、2、5、6)共地，连接引出端C，导电电极(3、4、7、8)共地，连接引出端B，导电电极(11、12、15、16)共地，连接引出端D，导电电极(9、10、13、14)共地，连接引出端E。封装后，采用高速记录仪一端连接上层电极输出端口A，另一端分别连接端口B、C、D、E，即可互不干扰输出各共地电极位置处所受外加载荷情况。

参考图5，第一导电层1的导电电极共地，具有唯一输出端口A，第二导电层2的导电电极分别引出各自输出端口，如图所示。封装后，采用高速记录仪一端连接上层电极输出端口A，另一端分别连接端口B、C、D、…、Q，即可分别输出十六个电极处分别所受外加载荷情况，实现小型压电传感器集成化。

进一步地，第一导电层和第二导电层的端口均设置有与之电性连接的接口电路。接口电路的材料为导电金属、合金、聚合物等材料中的至少一种。

参考图6，本发明还提供了一种压电陶瓷传感器制备方法，其包括以下步骤：

步骤1，将烧结并极化后的压电陶瓷1，利用切割机进行切割，将压电陶瓷分割成若干所需尺寸的小片压电陶瓷并使若干小片压电陶瓷之间保留一定间距；

步骤2，在两个柔性薄膜表面分别打印或沉积或印刷导电层2；

步骤3，将步骤1中所制备的若干小片压电陶瓷转印至步骤2中所制备的柔性薄膜表面，转印中保证每个小片压电陶瓷表面分别与导电层电性连接；

步骤4，在步骤3中转印后的陶瓷片表面覆盖步骤2中所制备的柔性薄膜，保证若干小片压电陶瓷与导电层电性连接。

对烧结并极化后的压电陶瓷在封装前进行预切割，将大片无柔性的压电陶瓷片分割为所需尺寸的若干小片压电陶瓷，利用切割产生的物料损耗作为集成压电陶瓷片的封装间隔，直接转印至印制导电电极及电路的薄膜表面，形成由一个以上压电陶瓷片集成的可弯曲压电传感器。

进一步作为优选的实施方式，步骤2还包括对导电层表面进行抗氧化工艺处理。

进一步作为优选的实施方式，步骤3中，转印前后若干小片压电陶瓷片之间间距保持不变。

实施例

在本实施例中提供了一种压电陶瓷传感器制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：将烧结并极化后的压电陶瓷片利用陶瓷激光切割机进行切割，将尺寸为40mm×40mm×1mm的陶瓷片分割成十六块小陶瓷片，所述小陶瓷片尺寸为8mm×8mm×1mm，陶瓷片间距(切割损耗尺寸)为2mm；

步骤2：在聚酰亚胺柔性薄膜表面印刷十六个对应电极及连接和/或引出电路，在连接和/或引出电路位置表面粘贴聚酰亚胺薄膜，作为绝缘保护层，并在引出端及电极表面进行表面沉金处理，后在导电电极周围固定粘性材料；

步骤3：将步骤1中所制备的陶瓷片对准并转印至步骤2中所制备的柔性薄膜表面，转印中保证每个陶瓷片镶嵌并固定于粘性材料之间，压电陶瓷表面导电层分别与对应电极保持接触，转印前后每个陶瓷片间距保持不变；

步骤4：在步骤3中转印后的陶瓷片表面对准并覆盖步骤2中所制备的第二层柔性薄膜，保证每个陶瓷片分别与导电电极保持接触。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种压电陶瓷传感器，其特征在于：包括上柔性薄膜基底和下柔性薄膜基底，所述上柔性薄膜基底和所述下柔性薄膜基底之间依次设置有第一导电层、压电层和第二导电层，所述压电层包括若干间隔排列的压电陶瓷，所述若干压电陶瓷之间通过粘性材料固定于所述第一导电层和所述第二导电层之间，所述压电陶瓷的2个电极分别与所述第一导电层、所述第二导电层电性连接。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述第一导电层和所述第二导电层均包括至少一个导电电极和将所述导电电极连接和/或引出的电路，所述压电陶瓷的两端电极分别与所述第一导电层的至少一个导电电极电性连接、所述第二导电层的至少一个导电电极电性连接，所述导电电极连接和/或引出的所述电路表面覆盖绝缘保护层。

3.根据权利要求2所述的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述第一导电层上的导电电极之间和所述第二导电层上的导电电极之间相互串和/或并联和/或分别引出作为传感器的连接和/或测试和/或输出端口。

4.根据权利要求2所述的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述导电电极和将所述导电电极连接和/或引出的电路的材料为下列材料中的至少一种：导电金属、合金、聚合物。

5.根据权利要求1至4任一项所述的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述上柔性薄膜基底、所述下柔性薄膜基底及所述绝缘保护层的材料均为下列柔性薄膜材料中的至少一种：聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜。

6.根据权利要求5所述的压电陶瓷传感器制备方法，其特征在于：所述粘性材料厚度不高于所述导电层的厚度。

7.一种压电陶瓷传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将烧结并极化后的压电陶瓷，利用切割机进行切割，将所述压电陶瓷分割成若干所需尺寸的小片压电陶瓷并使所述若干小片压电陶瓷之间保留一定间距；

步骤2，在两个柔性薄膜表面分别打印或沉积或印刷导电层；

步骤3，将步骤1中所制备的所述若干小片压电陶瓷转印至步骤2中所制备的所述柔性薄膜表面，转印中保证每个所述小片压电陶瓷表面分别与所述导电层电性连接；

步骤4，在步骤3中转印后的陶瓷片表面覆盖步骤2中所制备的所述柔性薄膜，保证所述若干小片压电陶瓷与所述导电层电性连接。

8.根据权利要求7所述的压电陶瓷传感器制备方法，其特征在于：所述步骤2还包括对所述导电层表面进行抗氧化工艺处理。

9.根据权利要求8所述的压电陶瓷传感器制备方法，其特征在于：所述步骤3中，转印前后所述若干小片压电陶瓷片之间间距保持不变。