一种集成压电式万向冲击传感器及其压电敏感元件的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明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 感器及其压电敏感元件的制造方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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. 5_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。
[0004] 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。
[0005] 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。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种集成压电式万向 冲击传感器及其压电敏感元件的制造方法，本发明的发明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。
[0007] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 所述质量块焊接电极分布在压电敏感元件顶部四角。
[0015] 所述质量块是由妈基高比重合金组成的密度为16. 8贫/￡3?3 -18. 8 的质量 块，所述质量块表面设置有镀镍层。
[0016] 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。
[0017] -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，其特征在于：其步 骤如下： 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. 1_ ; 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； 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。
[0018] 所述步骤D中烧结工艺中烧结温度最高不超过920°C。
[0019] 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I、 电极组II和电机组III同时引出，极化电场为3 Kv/mm -6Kv/mm，极化温度为100°C -150°c，极 化时间为20min _50min。
[0020] 所述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。
[0021] 所述粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛。
[0022] 所述增塑剂为领苯二甲酸二丁酯。
[0023] 与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在： 1、本发明采用低温陶瓷共烧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。
[0024] 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。
[0025] 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