本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)、傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

高溫振動(dòng)傳感器主要是為了解決在高溫環(huán)境下各種振動(dòng)的測量。在這些領(lǐng)域中傳感器處于高溫條件下工作，這使得傳感器的放大電路及壓電元件很容易失效。

目前作為壓電元件使用的壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)常為在分開的壓電陶瓷片之間單獨(dú)設(shè)置連接層及電極片。該結(jié)構(gòu)雖然實(shí)現(xiàn)了壓電元件裝配，但是由于連接層與電極片和/或壓電陶瓷片之間配合間隙的存在，在振動(dòng)環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，上述壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形，進(jìn)而吸收一部分的能量，從而使傳感器整體剛度降低，影響頻響特性。特別是在高溫環(huán)境中，由于各材料之間的膨脹系數(shù)不同，造成應(yīng)力值波動(dòng)較大，影響壓電元件的特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)、傳感器及其制備方法，能夠提高多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的剛性，進(jìn)而提高頻響特性；高溫下能夠減少應(yīng)力的波動(dòng)；結(jié)構(gòu)簡單；適于批量生產(chǎn)。

一方面，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出了一種多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的第一堆疊層和第二堆疊層，第一堆疊層和第二堆疊層均為材料層之間金屬鍵鍵合形成的復(fù)合材料堆疊層，包括：壓電陶瓷芯片，表面鍍有過渡金屬層；鎳電極層，表面鍍有過渡金屬層，鎳電極層表面的過渡金屬層與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層通過金屬鍵鍵合設(shè)置；其中，層疊設(shè)置的第一堆疊層和第二堆疊層通過預(yù)緊件緊固連接設(shè)置。

另一個(gè)方面，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供一種多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的制備方法，包括：提供表面鍍有過渡金屬層的鎳電極材料層，并對鎳電極材料層進(jìn)行裁剪形成鎳電極層陣列，鎳電極層陣列包括多個(gè)鎳電極層本體部和連接多個(gè)鎳電極層本體部的連接部；提供表面鍍有過渡金屬層的壓電陶瓷材料層，對其進(jìn)行裁剪形成多個(gè)壓電陶瓷芯片，壓電陶瓷芯片的形狀與鎳電極層本體部對應(yīng)；將多個(gè)壓電陶瓷芯片分別與鎳電極層陣列的多個(gè)鎳電極層本體部一一對應(yīng)設(shè)置，并在高溫高壓下進(jìn)行擠壓處理使得多個(gè)鎳電極層本體部與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層通過金屬鍵鍵合，形成第一堆疊層陣列或第二堆疊層陣列；將第一堆疊層陣列與第二堆疊層陣列進(jìn)行層疊設(shè)置，形成包括多個(gè)多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)單元的陣列；對應(yīng)每個(gè)多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)單元通過預(yù)緊件緊固處理；裁斷第一堆疊層陣列及第二堆疊層陣列的連接多個(gè)鎳電極層本體部的連接部，形成多個(gè)多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)。

還一個(gè)方面，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供一種傳感器，包括：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和高溫線纜，敏感元件及轉(zhuǎn)換元件通過高溫線纜電連接，敏感元件包括支架、設(shè)置于支架的質(zhì)量塊和多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)，該多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的第一堆疊層和第二堆疊層，第一堆疊層和第二堆疊層均為材料層之間金屬鍵鍵合形成的復(fù)合材料堆疊層，包括：壓電陶瓷芯片，表面鍍有過渡金屬層；鎳電極層，表面鍍有過渡金屬層，鎳電極層表面鍍的過渡金屬層與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層通過金屬鍵鍵合設(shè)置；其中，層疊設(shè)置的第一堆疊層和第二堆疊層通過預(yù)緊件緊固連接設(shè)置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)、傳感器及其制備方法，鍍有過渡金屬層的壓電陶瓷芯片與鍍有過渡金屬層的電極高壓鍵合實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷芯片與電極化學(xué)結(jié)合，提高了第一堆疊層與第二堆疊層的剛性，第一堆疊層與第二堆疊層之間的連接也是通過預(yù)緊件實(shí)現(xiàn)鎖緊，而非采取連接層或粘結(jié)劑等，因此整體提高了多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的剛性。還有，本發(fā)明提供的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的第一堆疊層與第二堆疊層之間是通過剛性好的機(jī)械結(jié)構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)緊固鎖緊，因此在高溫環(huán)境下使用時(shí)也大大減小了應(yīng)力波動(dòng)的問題，故采用本發(fā)明提供的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的傳感器的高溫特性較佳。另外，本發(fā)明提供的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單適于批量生產(chǎn)。

附圖說明

下面將參考附圖來描述本發(fā)明示例性實(shí)施例的特征、優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1所示多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的第一堆疊層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1所示多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的制造流程圖。

圖4是制造多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)過程中形成的第一堆疊層陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例的詳細(xì)描述和附圖用于示例性地說明本發(fā)明的原理，但不能用來限制本發(fā)明的范圍，即本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有說明，“若干”的含義是一個(gè)或者一個(gè)以上；“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上；術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“內(nèi)”、“外”、“前端”、“后端”、“頭部”、“尾部”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

請參閱圖1，本發(fā)明一實(shí)施例提供一種多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的第一堆疊層10和第二堆疊層20，第一堆疊層10和第二堆疊層20均為材料層之間金屬鍵鍵合形成的復(fù)合材料堆疊層。第一堆疊層10和第二堆疊層20均包括表面鍍有過渡金屬層的壓電陶瓷芯片和表面鍍有過渡金屬層的鎳電極層，鎳電極層表面鍍的過渡金屬層與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層通過金屬鍵鍵合而構(gòu)成復(fù)合材料堆疊層結(jié)構(gòu)體。層疊設(shè)置的第一堆疊層10和第二堆疊層20通過預(yù)緊件30緊固連接設(shè)置。

可以理解的是當(dāng)?shù)谝欢询B層10和第二堆疊層20的個(gè)數(shù)均為一個(gè)時(shí)，第一堆疊層10和第二堆疊層20依次層疊設(shè)置，當(dāng)?shù)谝欢询B層10和第二堆疊層20的個(gè)數(shù)均為多個(gè)時(shí)，多個(gè)第一堆疊層10與多個(gè)第二堆疊層20交替層疊設(shè)置。第一堆疊層10的鎳電極層與第一外部電極電連接，第二堆疊層20的鎳電極層與第二外部電極電連接，第一外部電極與第二外部電極電絕緣且極性不同?？梢岳斫獾氖?，第一堆疊層10和第二堆疊層20的結(jié)構(gòu)形狀等可以相同，極性不同。

本實(shí)施例提供的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的第一堆疊層10與第二堆疊層20是由鍍有過渡金屬層的壓電陶瓷芯片與鍍有過渡金屬層的電極高壓鍵合形成的復(fù)合材料堆疊層構(gòu)成，在鍵合過程中，壓電陶瓷芯片與電極表面鍍的過渡金屬層之間產(chǎn)生了金屬鍵，金屬鍵結(jié)合牢固度高，因此提高了第一堆疊層10與第二堆疊層20的剛性，第一堆疊層10與第二堆疊層20之間的連接也是通過預(yù)緊件30實(shí)現(xiàn)鎖緊，而非采取連接層或粘結(jié)劑等，因此整體提高了多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的剛性。還有，第一堆疊層10與第二堆疊層20之間是通過剛性好的機(jī)械結(jié)構(gòu)件即預(yù)緊件30來實(shí)現(xiàn)緊固鎖緊，因此在高溫環(huán)境下使用時(shí)也大大減小了應(yīng)力波動(dòng)的問題。

可以理解的是一些可選的實(shí)施例中，壓電陶瓷芯片為薄片結(jié)構(gòu)體，具有相對的上表面與下表面，過渡金屬層鍍于壓電陶瓷芯片的上表面與下表面。壓電陶瓷芯片的表面鍍的過渡金屬層要選用與陶瓷材料親和性較佳且與鎳能夠產(chǎn)生金屬鍵鍵合的的材料，例如金及銀中的至少一種構(gòu)成的導(dǎo)電率高的貴金屬層等，優(yōu)選的為金。過渡金屬層的厚度沒有特別的要求，只要滿足牢固的附著力即可。

作為一個(gè)可選實(shí)施例，鎳電極層為薄片結(jié)構(gòu)體，具有相對的上表面與下表面，鎳電極層的上表面與下表面鍍有過渡金屬層，過渡金屬層的材料與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層的材料相同，優(yōu)選的為金。鎳電極層與壓電陶瓷芯片通過鎳電極層的上表面或下表面鍍的過渡金屬層與壓電陶瓷芯片的上表面或下表面鍍的過渡金屬層的金屬鍵鍵合來實(shí)現(xiàn)連接，進(jìn)而形成復(fù)合材料堆疊層。

可以理解的是一些可選實(shí)施例中，預(yù)緊件30為螺栓、壓緊件及鎖緊件中的至少一種，本實(shí)施例中預(yù)緊件30為螺栓。

請參閱圖2，本實(shí)施例中第一堆疊層10(第二堆疊層20)的鎳電極層包括本體部11和由本體部11延伸出的突出部12，本體部11為中間有通孔13的環(huán)形片體，壓電陶瓷芯片的結(jié)構(gòu)和形狀與鎳電極層的本體部11的結(jié)構(gòu)和形狀相同，也為中間有通孔13的環(huán)形片體，鎳電極層的本體部11與壓電陶瓷芯片完全重合，并與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層通過金屬鍵鍵合連接。第一堆疊層10和第二堆疊層20堆疊中間的通孔13羅列構(gòu)成螺栓通孔，本實(shí)施例中，預(yù)緊件30為螺栓，層疊設(shè)置的第一堆疊層10和第二堆疊層20通過螺栓和螺栓通孔的配合進(jìn)行緊固連接。

請參閱圖3，本發(fā)明另一實(shí)施例提供多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)的制備方法，包括：

步驟s10，提供表面鍍有過渡金屬層的鎳電極材料層；

步驟s20，對鎳電極材料層進(jìn)行裁剪形成鎳電極層陣列，鎳電極層陣列包括多個(gè)鎳電極層本體部和連接多個(gè)鎳電極層本體部的連接部；

步驟s30，提供表面鍍有過渡金屬層的壓電陶瓷材料層；

步驟s40，對壓電陶瓷材料層進(jìn)行裁剪形成多個(gè)壓電陶瓷芯片，壓電陶瓷芯片的形狀與鎳電極層本體部對應(yīng)；

步驟s50，將多個(gè)壓電陶瓷芯片分別與鎳電極層陣列的多個(gè)鎳電極層本體部一一對應(yīng)設(shè)置，并在高溫高壓下進(jìn)行擠壓處理使得多個(gè)鎳電極層本體部表面鍍的過渡金屬層與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層通過金屬鍵鍵合，形成第一堆疊層陣列或第二堆疊層陣列；

步驟s60，將第一堆疊層陣列與第二堆疊層陣列進(jìn)行層疊設(shè)置，形成包括多個(gè)多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)單元的陣列；

步驟s70，對應(yīng)每個(gè)多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)單元通過預(yù)緊件緊固處理；

步驟s80，裁斷第一堆疊層陣列及第二堆疊層陣列的連接多個(gè)鎳電極層本體部的連接部，形成多個(gè)多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)。

在步驟s10中，鎳電極材料層可為由純鎳金屬材料構(gòu)成的板狀結(jié)構(gòu)體，也可以為主要成分為鎳的復(fù)合材料層等。鎳電極材料層的表面鍍的過渡金屬層要選用與鎳材料親和性較佳且與能夠鍵合產(chǎn)生金屬鍵的材料，例如由金及銀中的至少一種構(gòu)成的電導(dǎo)率高的貴金屬層等，優(yōu)選的為金。過渡金屬層采用磁控濺射方法鍍于鎳電極材料層的表面。

在步驟s20中，鎳電極層陣列中多個(gè)鎳電極層可以行列分布也可以串聯(lián)連接為一列。鎳電極層陣列包括多個(gè)鎳電極層本體部和連接相鄰鎳電極層本體部的連接部，本體部為中間有通孔的環(huán)形片體，連接部為條狀片體。

在步驟s30中，壓電陶瓷材料層的表面鍍的過渡金屬層要選用與陶瓷材料親和性較佳且與能夠鍵合產(chǎn)生金屬鍵的材料，例如由金及銀中的至少一種構(gòu)成的電導(dǎo)率高的貴金屬層等，優(yōu)選的為金。過渡金屬層采用磁控濺射方法鍍于壓電陶瓷材料層的表面。

在步驟s40中，壓電陶瓷芯片的形狀與鎳電極層本體部的形狀相同，為中間有通孔的環(huán)形片體。

請參閱圖4，在步驟s50中通過s10至s50的步驟形成第一堆疊層陣列100之后再用同樣的上述步驟形成第二堆疊層陣列。第一堆疊層陣列包括多個(gè)第一堆疊層10，相鄰的第一堆疊層10通過鎳電極層的連接部15相互連接，每個(gè)第一堆疊層10中壓電陶瓷芯片的中間設(shè)置的通孔13與鎳電極層本體部中間設(shè)置的通孔13相對應(yīng)。理同第一堆疊層陣列，第二堆疊層陣列包括多個(gè)第二堆疊層，相鄰的第二堆疊層通過鎳電極層的連接部相互連接，每個(gè)第二堆疊層中壓電陶瓷芯片的中間設(shè)置的通孔與鎳電極層本體部中間設(shè)置的通孔相對應(yīng)。

在步驟s60中，可以將一個(gè)第一堆疊層陣列與一個(gè)第二堆疊層陣列進(jìn)行依次層疊設(shè)置，或者，將多個(gè)第一堆疊層陣列與多個(gè)第二堆疊層陣列進(jìn)行交替層疊設(shè)置。并且使得每個(gè)第一堆疊層與每個(gè)第二堆疊層重疊設(shè)置，以使通孔相對應(yīng)。第一堆疊層與第二堆疊層的通孔相連通形成螺栓通孔。

在步驟s70中，預(yù)緊件為螺栓，第一堆疊層和第二堆疊層通過螺栓和螺栓通孔的配合進(jìn)行緊固連接。

在步驟s80中，將連接部截?cái)嗉纯桑B接于本體部且遠(yuǎn)離延伸部的部分為突出部，便于連接外部電極。

請一并參閱圖5，本發(fā)明還一個(gè)實(shí)施例提供傳感器，包括敏感元件1、轉(zhuǎn)換元件2和高溫線纜3，敏感元件1及轉(zhuǎn)換元件3通過高溫線纜2電連接，敏感元件1包括支架40、設(shè)置于支架40的質(zhì)量塊50和多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)，該多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的第一堆疊層10和第二堆疊層20，第一堆疊層10和第二堆疊層20均為材料層之間金屬鍵鍵合形成的復(fù)合材料堆疊層，包括壓電陶瓷芯片，表面鍍有過渡金屬層；鎳電極層，表面鍍有過渡金屬層，鎳電極層表面鍍的過渡金屬層與壓電陶瓷芯片表面鍍的過渡金屬層通過金屬鍵鍵合設(shè)置；其中，層疊設(shè)置的第一堆疊層10和第二堆疊層20通過預(yù)緊件30緊固連接設(shè)置。

本實(shí)施例傳感器采用的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)為上述實(shí)施例所提供的多層壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)，在此對其結(jié)構(gòu)不再一一贅述。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個(gè)實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。