一种高频振动的贴片超薄型压电传感器

技术领域

本发明涉及压电传感器技术领域，具体涉及一种高频振动的贴片超薄型压电传感器。

背景技术

随着制造技术不断发展，压电片的制造厚度越来越薄，大约在50-250μm，通常为圆形，直径大约为5-50mm，超薄压电片的出现进一步扩大了其频响范围。由于压电片具有结构简单、体积小、重量轻、性能稳定、抗干扰性强、耗电少、成本低等许多优点，在电器设备、自动控制等许多产品中得到广泛的应用。

发声单元有两种：一种为单面结构发声单元，另一种是双层结构的发声单元。单面结构的发声单元是用一片圆形压电元件和金属片叠合而成。双层结构的发声单元是由两片压电元件和金属片组合而成。不管是哪一种发声单元，只要把它们固定在一个腔体内就能形成压电陶瓷蜂鸣器(简称压电蜂鸣器)。

压电蜂鸣器是一种电-声转换器件，其是将压电材料粘贴在金属片上，在压电材料和金属片两端施加上一个电压时，由于压电陶瓷片经过极化处理后具有压电效应，使得蜂鸣器产生机械变形从而发出声音。常规的压电蜂鸣器当接通电源(1.5-24V直流工作电压)产生振动后只能输出1.5-2.5kHz频率(属于低频)的音频信号来推动压电蜂鸣片发声，且一般需要比较高的电压才能产生较高的音压(或称声压)。

另外压电传感器还包括超声波传感器，目前市场上的开放式超声波传感器大多为插针式且结构较为复杂，例如中国专利公布号为CN103743417A公开的一种基于压电陶瓷高灵敏度传感器，其结构即为插针式超声波传感器。

压电蜂鸣器虽然结构较为简单，但其振动频率较小且只能发出较低的音压；而超声波传感器虽然具有较高的振动频率但是其内里结构较为复杂。如何将两者的优点集结在一个压电传感器中是本发明要解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，而提供一种高频振动的贴片超薄型压电传感器。本发明的压电传感器具有较为简单的结构，且具有较高的振动频率以及能够产生较高的声压，还具有较高的灵敏度。本发明的压电传感器同时集结了压电蜂鸣器与超声波传感器的优点。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种高频振动的贴片超薄型压电传感器，由下至上依次包括如下层叠结构：PCB板组件层、压电陶瓷层、金属基片层、具有腔体的壳层；

所述金属基片层与所述PCB板组件层之间粘接；

所述压电陶瓷层的表面具有导电层，所述压电陶瓷层的一个表面与所述金属基片层粘接；

所述金属基片层与所述壳层密封连接并在两者之间形成所述腔体，所述腔体的表面积小于所述壳层的表面积，所述壳层的表面具有多个扩音孔，所述扩音孔与所述腔体连通，多个所述扩音孔在所述壳层的表面围成一个圈，多个所述扩音孔之间具有间隔；多个所述扩音孔在所述壳层表面围成的一个圈的中心点与所述腔体的中心点重合；

设定多个所述扩音孔在所述壳层表面围成的一个圈的直径是Φ厘米，所述腔体的各边长相等且均为d厘米，所述腔体高度为h厘米，所述壳层表面至所述腔体的壁厚与所述扩音孔的深度R厘米相等，则满足：0.2cm＜Φ＜1.0cm，0.6cm＜d＜1.2cm、0.01cm＜h＜0.1cm、0.01cm＜R＜0.1cm。

进一步地，所述压电传感器的共振频率为20kHz-80kHz，声压大于110dB。

进一步地，所述扩音孔为弧形孔，所述扩音孔的宽度为0.8mm、长度为2mm。

由于本发明器件是贴片工艺，需要将元器件与PCB板通过回流焊炉焊接，通常回流焊温度为260℃左右，常规粘接材料不耐高温，且金属基片层与压电陶瓷层的热膨胀系数不协调，导致回流焊后器件稳定性下降而导致器件失效(如共振频率和声压达不到设计要求)，因此为了使本发明贴片器件能顺利通过回流焊保持性能稳定进而做出如下改进：

进一步地，所述压电陶瓷层的材料为单片压电陶瓷材料且其热膨胀系数在3.8×10

优选地，所述压电陶瓷层的材料选自PZT-5H、PZT-8、PZT-12中的一种(其热膨胀系数分别为4×10

进一步地，所述金属基片层的材料为镍钴合金，所述镍钴合金在20℃～600℃的热膨胀系数在3.5×10

进一步地，所述金属基片层与所述PCB板组件层之间为硅胶粘接层；

所述压电陶瓷层的一个表面与所述金属基片层的粘接材料为耐高温环氧胶，所述耐高温环氧胶在回流焊温度以上10℃至50℃范围内不产生热分解。

优选地，所述耐高温环氧胶满足如下一种或两种条件：

①玻璃化转变温度至少150℃；

②耐温性能：-65℃～300℃范围内不产生热分解。

进一步地，所述PCB板组件层包括PCB硬板和柔性FPCB电路板，所述柔性FPCB电路板上具有两个柔性可折弯焊接部，两个所述柔性可折弯焊接部分别与所述压电陶瓷层、所述金属基片层焊接用以分别导通形成正极和负极。

进一步地，所述壳层的材料为铁镍合金，例如铁镍合金4J42。

有益技术效果：

本发明的压电传感器为贴片式，具有超薄特性，且整体结构简单，通过腔体以及扩音孔的设计使器件具有较高的振动频率以及能够产生较高的声压，具有较好的电-声转换灵敏度；结合各层材料的选择使得回流焊前后的器件性能能够得到保持；本发明的压电传感器同时集结了压电蜂鸣器的简单结构与超声波传感器的高频振动的优点。

附图说明

图1为本发明高频振动的贴片超薄型压电传感器结构的爆炸图；

图2为壳层结构的平面结构示意图，其中(a)为壳层结构前视图，(b)为壳层结构后视图；

图3为壳层结构的截面结构示意图；

图4为本发明高频振动的贴片超薄型压电传感器截面结构示意图；

图5为实施例1产品结构的特征频率仿真结果图；

图6为实施例1的产品结构的共振频率与声压关系曲线图；

图7为回流焊的工艺曲线图。

其中1-壳层，11-扩音孔，12-腔体，2-金属基片层，3-硅胶粘接层，4-压电陶瓷层，5-PCB板组件层，51-PCB硬板，52-柔性FPCB电路板，522-柔性可折弯焊接部。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国标测定；若没有相应的国标，则按照通用的标准要求或通用方法进行。

实施例1

一种高频振动的贴片超薄型压电传感器其爆炸图如图1所示、其截面结构示意图如图4所示，其由下至上依次包括如下层叠结构：PCB板组件层5、压电陶瓷层4、金属基片层2、具有腔体12的壳层1；所述壳层1的平面结构示意图以及截面结构示意图分别如图2和图3所示；器件整体厚度1.4mm；除去PCB板组件层5的器件的长宽6.6mm×6.6mm；

所述金属基片层2与所述PCB板组件层5之间为硅胶粘接层3；

所述压电陶瓷层4的表面镀有银导电层，所述压电陶瓷层4的一个表面与所述金属基片层2采用耐高温环氧胶粘接；所述金属基片层2与所述壳层1采用高温环氧胶密封粘接并在两者之间形成所述腔体12，所述腔体12的表面积小于所述壳层1的表面积，所述壳层1的表面具有四个扩音孔11，所述扩音孔11与所述腔体12连通，四个所述扩音孔11在所述壳层1的表面围成一个圈(图2中的虚线所示的圈)，四个所述扩音孔11之间具有一定间隔；四个所述扩音孔11在所述壳层1表面围成的一个圈的中心点与所述腔体12的中心点重合，所述扩音孔为弧形孔，所述扩音孔11的宽度为0.8mm、长度为2mm；

所述PCB板组件层5包括PCB硬板51和柔性FPCB电路板52，所述柔性FPCB电路板52上具有两个柔性可折弯焊接部522，两个所述柔性可折弯焊接部522分别与所述压电陶瓷层4、所述金属基片层2焊接用以分别导通形成正极和负极；

其中，四个所述扩音孔11在所述壳层1表面围成的一个圈的直径是Φ＝0.6厘米，所述腔体1的各边长相等且均为d＝0.61厘米，所述腔体12高度为h＝0.015厘米，所述壳层1表面至所述腔体12的壁厚即为所述扩音孔11的深度R厘米且R＝0.05厘米；其中，所述壳层1的材料为4J42铁镍合金，所述壳层1的长×宽×厚＝6.6mm×6.6mm×0.65mm；

其中所述压电陶瓷层4的材料为单片厚度为0.1mm的压电陶瓷PZT-5H，其热膨胀系数在4×10

其中，所述金属基片层2的材料为热膨胀系数5.2×10

其中所述耐高温环氧胶可以采用如下胶：玻璃化转变温度高达190℃的框架胶

制作工艺：先用丝网在金属基片层2上刷上一层薄薄的耐高温环氧胶，然后将提前吸附对位好的压电陶瓷层4贴合在金属基片层2上，进行保压，放置到150℃的烘箱里烘烤5小时，得到中间结构；在中间结构下表面(即具有压电陶瓷层4的一面)的金属基片层2的两侧涂硅胶，然后与PCB板组件层5贴合并固化，以使压电陶瓷层4在金属基片层2与PCB板组件层5之间；在壳体1的腔体12边框涂覆耐高温环氧胶并将其与中间结构的上表面贴合后固化，从而得到本发明的高频振动的贴片超薄型压电传感器。

在COMSOL Multiphysics软件中仿真本案例结构产品的特征频率，仿真结果见下图5可知：

典型的共振特征频率为66.083kHz(共振频率F可以通过以下算式计算：

其中c为声速；V＝d

对本案例的产品结构进行共振频率与声压关系的测试，测试时在测试设备上给予产品一个激励信号、设置一定的扫频范围，产品在激励下自由震荡，然后在产品上方30cm处放置一个接受麦克风，麦克风会接受到产品的共振频率和声压。测试结果如图6所示，在共振频率达到66kHz时，声压可达到116dB，本发明的贴片超薄型压电传感器高频振动特点且振动声压较高。

对本案例的产品整体结构进行回流焊，回流焊的过程按照如下图7进行。本案例产品采用两种方法(CRY6125测试和E4990A测试)进行回流焊，回流焊前后性能见下表1。各方法进行14组平行试验。

表1两种方法测试回流焊前后的器件性能

由表1可知，本案例贴片超薄型压电传感器的金属基片层2与压电陶瓷层4由于热膨胀系数接近，且粘接采用的是耐高温环氧胶能够顺利通过回流焊，回流焊前后器件性能(频率、声压、电容、阻抗)得到了较好的保持，回流焊后产品性能无明显损失。

实施例2

本案例的器件结构与材料选择与实施例1相同，不同之处在于：

压电陶瓷层4的材料为PZT-8；

壳层1中的相关设计值如下：四个所述扩音孔11在所述壳层1表面围成的一个圈的直径Φ＝0.2厘米，所述腔体1的各边长相等且均为d＝0.61厘米，所述腔体12高度为h＝0.015厘米，所述壳层1表面至所述腔体12的壁厚与所述扩音孔11的深度R厘米相等且R＝0.05厘米；

经测试本案例所得器件共振频率为52kHz，回流焊后产品性能无明显损失。

实施例3

本案例的器件结构与材料选择与实施例1相同，不同之处在于：

压电陶瓷层4的材料为PZT-12；

壳层1中的相关设计值如下：四个所述扩音孔11在所述壳层1表面围成的一个圈的直径Φ＝0.3厘米，所述腔体1的各边长相等且均为d＝1厘米，所述腔体12高度为h＝0.015厘米，所述壳层1表面至所述腔体12的壁厚与所述扩音孔11的深度R厘米相等且R＝0.05厘米；

经测试本案例所得器件共振频率为40kHz，回流焊后产品性能无明显损失。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。