多层压电陶瓷堆叠结构、传感器及其制备方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种多层压电陶瓷堆叠结构、传感器及其制备方法。

背景技术：

高温振动传感器主要是为了解决在高温环境下各种振动的测量。在这些领域中传感器处于高温条件下工作，这使得传感器的放大电路及压电元件很容易失效。

目前作为压电元件使用的压电陶瓷堆叠结构常为在分开的压电陶瓷片之间单独设置连接层及电极片。该结构虽然实现了压电元件装配，但是由于连接层与电极片和/或压电陶瓷片之间配合间隙的存在，在振动环境中应用时，上述压电陶瓷堆叠结构会产生变形，进而吸收一部分的能量，从而使传感器整体刚度降低，影响频响特性。特别是在高温环境中，由于各材料之间的膨胀系数不同，造成应力值波动较大，影响压电元件的特性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种多层压电陶瓷堆叠结构、传感器及其制备方法，能够提高多层压电陶瓷堆叠结构的刚性，进而提高频响特性；高温下能够减少应力的波动；结构简单；适于批量生产。

一方面，根据本发明实施例提出了一种多层压电陶瓷堆叠结构包括层叠设置的第一堆叠层和第二堆叠层，第一堆叠层和第二堆叠层均为材料层之间金属键键合形成的复合材料堆叠层，包括：压电陶瓷芯片，表面镀有过渡金属层；镍电极层，表面镀有过渡金属层，镍电极层表面的过渡金属层与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层通过金属键键合设置；其中，层叠设置的第一堆叠层和第二堆叠层通过预紧件紧固连接设置。

另一个方面，根据本发明实施例提供一种多层压电陶瓷堆叠结构的制备方法，包括：提供表面镀有过渡金属层的镍电极材料层，并对镍电极材料层进行裁剪形成镍电极层阵列，镍电极层阵列包括多个镍电极层本体部和连接多个镍电极层本体部的连接部；提供表面镀有过渡金属层的压电陶瓷材料层，对其进行裁剪形成多个压电陶瓷芯片，压电陶瓷芯片的形状与镍电极层本体部对应；将多个压电陶瓷芯片分别与镍电极层阵列的多个镍电极层本体部一一对应设置，并在高温高压下进行挤压处理使得多个镍电极层本体部与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层通过金属键键合，形成第一堆叠层阵列或第二堆叠层阵列；将第一堆叠层阵列与第二堆叠层阵列进行层叠设置，形成包括多个多层压电陶瓷堆叠结构单元的阵列；对应每个多层压电陶瓷堆叠结构单元通过预紧件紧固处理；裁断第一堆叠层阵列及第二堆叠层阵列的连接多个镍电极层本体部的连接部，形成多个多层压电陶瓷堆叠结构。

还一个方面，根据本发明实施例提供一种传感器，包括：敏感元件、转换元件和高温线缆，敏感元件及转换元件通过高温线缆电连接，敏感元件包括支架、设置于支架的质量块和多层压电陶瓷堆叠结构，该多层压电陶瓷堆叠结构包括层叠设置的第一堆叠层和第二堆叠层，第一堆叠层和第二堆叠层均为材料层之间金属键键合形成的复合材料堆叠层，包括：压电陶瓷芯片，表面镀有过渡金属层；镍电极层，表面镀有过渡金属层，镍电极层表面镀的过渡金属层与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层通过金属键键合设置；其中，层叠设置的第一堆叠层和第二堆叠层通过预紧件紧固连接设置。

与现有技术相比，本发明提供的多层压电陶瓷堆叠结构、传感器及其制备方法，镀有过渡金属层的压电陶瓷芯片与镀有过渡金属层的电极高压键合实现压电陶瓷芯片与电极化学结合，提高了第一堆叠层与第二堆叠层的刚性，第一堆叠层与第二堆叠层之间的连接也是通过预紧件实现锁紧，而非采取连接层或粘结剂等，因此整体提高了多层压电陶瓷堆叠结构的刚性。还有，本发明提供的多层压电陶瓷堆叠结构的第一堆叠层与第二堆叠层之间是通过刚性好的机械结构件来实现紧固锁紧，因此在高温环境下使用时也大大减小了应力波动的问题，故采用本发明提供的多层压电陶瓷堆叠结构的传感器的高温特性较佳。另外，本发明提供的多层压电陶瓷堆叠结构的结构简单适于批量生产。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的多层压电陶瓷堆叠结构的结构示意图。

图2是图1所示多层压电陶瓷堆叠结构的第一堆叠层的结构示意图。

图3是图1所示多层压电陶瓷堆叠结构的制造流程图。

图4是制造多层压电陶瓷堆叠结构过程中形成的第一堆叠层阵列的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的传感器的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“若干”的含义是一个或者一个以上；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，本发明一实施例提供一种多层压电陶瓷堆叠结构包括层叠设置的第一堆叠层10和第二堆叠层20，第一堆叠层10和第二堆叠层20均为材料层之间金属键键合形成的复合材料堆叠层。第一堆叠层10和第二堆叠层20均包括表面镀有过渡金属层的压电陶瓷芯片和表面镀有过渡金属层的镍电极层，镍电极层表面镀的过渡金属层与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层通过金属键键合而构成复合材料堆叠层结构体。层叠设置的第一堆叠层10和第二堆叠层20通过预紧件30紧固连接设置。

可以理解的是当第一堆叠层10和第二堆叠层20的个数均为一个时，第一堆叠层10和第二堆叠层20依次层叠设置，当第一堆叠层10和第二堆叠层20的个数均为多个时，多个第一堆叠层10与多个第二堆叠层20交替层叠设置。第一堆叠层10的镍电极层与第一外部电极电连接，第二堆叠层20的镍电极层与第二外部电极电连接，第一外部电极与第二外部电极电绝缘且极性不同。可以理解的是，第一堆叠层10和第二堆叠层20的结构形状等可以相同，极性不同。

本实施例提供的多层压电陶瓷堆叠结构的第一堆叠层10与第二堆叠层20是由镀有过渡金属层的压电陶瓷芯片与镀有过渡金属层的电极高压键合形成的复合材料堆叠层构成，在键合过程中，压电陶瓷芯片与电极表面镀的过渡金属层之间产生了金属键，金属键结合牢固度高，因此提高了第一堆叠层10与第二堆叠层20的刚性，第一堆叠层10与第二堆叠层20之间的连接也是通过预紧件30实现锁紧，而非采取连接层或粘结剂等，因此整体提高了多层压电陶瓷堆叠结构的刚性。还有，第一堆叠层10与第二堆叠层20之间是通过刚性好的机械结构件即预紧件30来实现紧固锁紧，因此在高温环境下使用时也大大减小了应力波动的问题。

可以理解的是一些可选的实施例中，压电陶瓷芯片为薄片结构体，具有相对的上表面与下表面，过渡金属层镀于压电陶瓷芯片的上表面与下表面。压电陶瓷芯片的表面镀的过渡金属层要选用与陶瓷材料亲和性较佳且与镍能够产生金属键键合的的材料，例如金及银中的至少一种构成的导电率高的贵金属层等，优选的为金。过渡金属层的厚度没有特别的要求，只要满足牢固的附着力即可。

作为一个可选实施例，镍电极层为薄片结构体，具有相对的上表面与下表面，镍电极层的上表面与下表面镀有过渡金属层，过渡金属层的材料与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层的材料相同，优选的为金。镍电极层与压电陶瓷芯片通过镍电极层的上表面或下表面镀的过渡金属层与压电陶瓷芯片的上表面或下表面镀的过渡金属层的金属键键合来实现连接，进而形成复合材料堆叠层。

可以理解的是一些可选实施例中，预紧件30为螺栓、压紧件及锁紧件中的至少一种，本实施例中预紧件30为螺栓。

请参阅图2，本实施例中第一堆叠层10(第二堆叠层20)的镍电极层包括本体部11和由本体部11延伸出的突出部12，本体部11为中间有通孔13的环形片体，压电陶瓷芯片的结构和形状与镍电极层的本体部11的结构和形状相同，也为中间有通孔13的环形片体，镍电极层的本体部11与压电陶瓷芯片完全重合，并与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层通过金属键键合连接。第一堆叠层10和第二堆叠层20堆叠中间的通孔13罗列构成螺栓通孔，本实施例中，预紧件30为螺栓，层叠设置的第一堆叠层10和第二堆叠层20通过螺栓和螺栓通孔的配合进行紧固连接。

请参阅图3，本发明另一实施例提供多层压电陶瓷堆叠结构的制备方法，包括：

步骤s10，提供表面镀有过渡金属层的镍电极材料层；

步骤s20，对镍电极材料层进行裁剪形成镍电极层阵列，镍电极层阵列包括多个镍电极层本体部和连接多个镍电极层本体部的连接部；

步骤s30，提供表面镀有过渡金属层的压电陶瓷材料层；

步骤s40，对压电陶瓷材料层进行裁剪形成多个压电陶瓷芯片，压电陶瓷芯片的形状与镍电极层本体部对应；

步骤s50，将多个压电陶瓷芯片分别与镍电极层阵列的多个镍电极层本体部一一对应设置，并在高温高压下进行挤压处理使得多个镍电极层本体部表面镀的过渡金属层与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层通过金属键键合，形成第一堆叠层阵列或第二堆叠层阵列；

步骤s60，将第一堆叠层阵列与第二堆叠层阵列进行层叠设置，形成包括多个多层压电陶瓷堆叠结构单元的阵列；

步骤s70，对应每个多层压电陶瓷堆叠结构单元通过预紧件紧固处理；

步骤s80，裁断第一堆叠层阵列及第二堆叠层阵列的连接多个镍电极层本体部的连接部，形成多个多层压电陶瓷堆叠结构。

在步骤s10中，镍电极材料层可为由纯镍金属材料构成的板状结构体，也可以为主要成分为镍的复合材料层等。镍电极材料层的表面镀的过渡金属层要选用与镍材料亲和性较佳且与能够键合产生金属键的材料，例如由金及银中的至少一种构成的电导率高的贵金属层等，优选的为金。过渡金属层采用磁控溅射方法镀于镍电极材料层的表面。

在步骤s20中，镍电极层阵列中多个镍电极层可以行列分布也可以串联连接为一列。镍电极层阵列包括多个镍电极层本体部和连接相邻镍电极层本体部的连接部，本体部为中间有通孔的环形片体，连接部为条状片体。

在步骤s30中，压电陶瓷材料层的表面镀的过渡金属层要选用与陶瓷材料亲和性较佳且与能够键合产生金属键的材料，例如由金及银中的至少一种构成的电导率高的贵金属层等，优选的为金。过渡金属层采用磁控溅射方法镀于压电陶瓷材料层的表面。

在步骤s40中，压电陶瓷芯片的形状与镍电极层本体部的形状相同，为中间有通孔的环形片体。

请参阅图4，在步骤s50中通过s10至s50的步骤形成第一堆叠层阵列100之后再用同样的上述步骤形成第二堆叠层阵列。第一堆叠层阵列包括多个第一堆叠层10，相邻的第一堆叠层10通过镍电极层的连接部15相互连接，每个第一堆叠层10中压电陶瓷芯片的中间设置的通孔13与镍电极层本体部中间设置的通孔13相对应。理同第一堆叠层阵列，第二堆叠层阵列包括多个第二堆叠层，相邻的第二堆叠层通过镍电极层的连接部相互连接，每个第二堆叠层中压电陶瓷芯片的中间设置的通孔与镍电极层本体部中间设置的通孔相对应。

在步骤s60中，可以将一个第一堆叠层阵列与一个第二堆叠层阵列进行依次层叠设置，或者，将多个第一堆叠层阵列与多个第二堆叠层阵列进行交替层叠设置。并且使得每个第一堆叠层与每个第二堆叠层重叠设置，以使通孔相对应。第一堆叠层与第二堆叠层的通孔相连通形成螺栓通孔。

在步骤s70中，预紧件为螺栓，第一堆叠层和第二堆叠层通过螺栓和螺栓通孔的配合进行紧固连接。

在步骤s80中，将连接部截断即可，连接于本体部且远离延伸部的部分为突出部，便于连接外部电极。

请一并参阅图5，本发明还一个实施例提供传感器，包括敏感元件1、转换元件2和高温线缆3，敏感元件1及转换元件3通过高温线缆2电连接，敏感元件1包括支架40、设置于支架40的质量块50和多层压电陶瓷堆叠结构，该多层压电陶瓷堆叠结构包括层叠设置的第一堆叠层10和第二堆叠层20，第一堆叠层10和第二堆叠层20均为材料层之间金属键键合形成的复合材料堆叠层，包括压电陶瓷芯片，表面镀有过渡金属层；镍电极层，表面镀有过渡金属层，镍电极层表面镀的过渡金属层与压电陶瓷芯片表面镀的过渡金属层通过金属键键合设置；其中，层叠设置的第一堆叠层10和第二堆叠层20通过预紧件30紧固连接设置。

本实施例传感器采用的多层压电陶瓷堆叠结构为上述实施例所提供的多层压电陶瓷堆叠结构，在此对其结构不再一一赘述。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。