阅读说明：本技术 一种柔性压电传感器及制作方法 (Flexible piezoelectric sensor and manufacturing method thereof ) 是由 沈意平 蒋帅 刘翊 周剑 段辉高 李林 阳雪兵 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种柔性压电传感器及制作方法,压电传感器结构包括：负电极接线端、第一绝缘封装层、负电极层、柔性压电材料层、正电极层、第二绝缘封装层、正电极接线等；该柔性压电传感器的制作主要包括以预制的第一、第二绝缘封装层为载体,第一绝缘封装层与第二绝缘封装层依次同步进行制作电极接线端安装孔,安装负、正电极接线端,喷镀负、正电极层,喷覆负、正电极柔性压电材料层,挤压胶合形成柔性压电材料层,进入匀强电场极化。其结构紧凑,柔韧性好,整体封装,耐候性强,性能稳定,安装与维护方便。柔性压电传感器的制作方法,工艺简明易行,自动化生产程度高,生产效率高,同时从理论上实现制作任意尺寸的柔性压电传感器。(The invention discloses a flexible piezoelectric sensor and a manufacturing method thereof, wherein the piezoelectric sensor structure comprises: a negative electrode terminal, a first insulating packaging layer, a negative electrode layer, a flexible piezoelectric material layer, a positive electrode layer, a second insulating packaging layer, a positive electrode terminal and the like; the manufacturing of the flexible piezoelectric sensor mainly comprises the steps of using a first insulating packaging layer and a second insulating packaging layer which are prefabricated as carriers, sequentially and synchronously manufacturing electrode terminal mounting holes on the first insulating packaging layer and the second insulating packaging layer, mounting negative and positive electrode terminals, spraying negative and positive electrode layers, spraying negative and positive electrode flexible piezoelectric material layers, extruding and gluing to form the flexible piezoelectric material layers, and entering uniform electric field polarization. The novel solar cell module is compact in structure, good in flexibility, integrally packaged, strong in weather resistance, stable in performance and convenient to install and maintain. The manufacturing method of the flexible piezoelectric sensor is simple and feasible in process, high in automatic production degree and high in production efficiency, and meanwhile, the flexible piezoelectric sensor with any size is manufactured theoretically.)

一种柔性压电传感器及制作方法

技术领域

本发明属于柔性压电传感器领域，特别涉及一种柔性压电传感器及制作方法。

背景技术

结构内部的损伤会随着工作时间的加长，工作环境的变化而不断积累。这些损伤往往造成结构的承载能力和安全性急剧下降，甚至导致结构迅速破坏而产生灾难性失效的安全隐患。压电传感器在结构健康监测方面的应用日益广泛，但是传统的压电元件由于质地脆，密度与硬度大，不能承受较大的冲击载荷早已不适应随着科技的发展，现代飞行器、轮船和大型工程结构等的几何尺寸和结构形式越来越复杂的趋势。研制能完好的贴合于复杂结构，并能很好地监测结构的健康状态的新型柔性压电传感器是非常值得研究的技术。

因此，柔性压电材料传感器在航空航天、机械、建筑工程、智能控制、生物穿戴等诸多领域的应用，是一直在不断探索的新技术。传感器作为结构健康监测系统的核心元件，通常会处于不断变化的工作环境中，如高低温、振动和噪声等，而且传感器必须轻质，外形简单，在监测的过程中不能影响现代飞行器、轮船和大型工程结构等的工作状态。而且目前柔性压电传感器在人体生理信号的监测上也是业内不断关注的热点，但是一些传感器的制作材料对人体有一定危害。因此，对于传感器的封装集成处理，使其具有绝缘性、抗老化性以及一定耐候性是十分必要的。传统的薄膜传感器封装工艺需要先对制备敏感元件，再对敏感元件进行边缘处理，涂覆电极，焊接导线，最后封装保护层，剪裁成传感器成品。传统制备工艺过程复杂，流程繁琐，制备效率低。如何集成压电元件制备与封装工艺，形成一套自动化、规范化的柔性传感器制备装置是一项值得研究的技术。

公开号CN109873074A的发明专利公布了一种压电薄膜传感器及其制作方法。该系统及制作方法步骤繁琐，不能有效的进行过程控制，效率过低，自动化程度低，且不能实现批量自动化生产。公开号为CN108447979A的发明专利公布了一种压电薄膜传感器及其制作方法。该系统及方法缺少压电传感器的一项必不可少的极化工艺，仅仅只是涉及到一种压电薄膜层状结构，不能直接应用所述压电薄膜传感器。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种压电薄膜传感器及其制作方法，它能采用整体封装，结构紧凑，柔韧性好，性能稳定，制造成本低；本发明的柔性压电传感器制作方法，工艺步骤简单可行，生产过程可控，易实现自动化生产，生产效率高，同时从理论上实现任意尺寸柔性压电传感器的制作。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种柔性压电传感器，其特征在于，包括压电传感器，所述压电传感器以柔性压电材料层为中心层，所述柔性压电材料层上、下表面上分别设置有负电极层和正电极层，所述负电极层的上表面和正电极层的下表面上分别设置有第一绝缘封装层和第二绝缘封装层，所述负电极层与负电极接线端相连，正电极层与正电极接线端相连。所述第一绝缘封装层和第二绝缘封装层上分别开设有负电极接线端安装孔和正电极接线端安装孔；所述正电极接线端和负电极接线端的引线端上分别设置有正电极接线端导线焊接孔和负电极接线端导线焊接孔。所述正电极接线端和负电极接线端为薄片状金属导体且其在安装前形状为“T”型或“7”型结构，该“T”型或“7”型弯头结构分别穿过负电极接线端安装孔和正电极接线端安装孔后并埋入在相对应的电极层内。

进一步的，所述的第一绝缘封装层和第二绝缘封装层材料为厚度在0.01mm-1.00mm范围内的柔性绝缘薄膜。

进一步的，所述负电极层和正电极层材料为导电金属膜或导电银胶。

进一步的，所述的柔性压电材料层材料为压电复合材料或柔性高分子压电材料。

一种柔性压电传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1：预制成卷绝缘封装层的安装，将预制成卷的两卷绝缘薄膜分别作为压电传感器的第一绝缘封装层和第二绝缘封装层，并将两卷绝缘薄膜安装在使其同步传输的传输架上作为传送载体；

S2：制作电极接线端安装孔，当S1中的第一绝缘封装层与第二绝缘封装层同步传输至冲孔模具位置时，分别通过冲孔模具冲制出负电极接线端安装孔和正电极接线端安装孔；

S3：安装电极接线端，当S2中冲制好的安装孔随绝缘薄膜同步输送至接线端安装位置处，分别通过接线端安装器使负电极接线端和正电极接线端穿过对应的安装孔，并使对应接线端的弯头结构的部分设置在对应的绝缘封装层内侧；

S4：制作电极层，当S3中安装好的负电极接线端和正电极接线端随绝缘薄膜输送至电极层喷镀装置处时，分别通过电极层喷镀装置在第一绝缘封装层和第二绝缘封装层内侧预设区域涂刷导电银胶或者喷镀导电金属，得到负电极层和正电极层，其中负电极层和正电极层可将正电极接线端和负电极接线端的“T”型或“7”型弯头结构埋入；

S5：制作柔性压电材料层，S4制作的负电极层和正电极层内侧分别通过柔性压电材料喷覆装置涂刷或喷覆柔性压电复合材料，得到负电极柔性压电材料层和正电极柔性压电材料层；

S6：柔性压电材料层胶合，S6中的负电极柔性压电材料层和正电极柔性压电材料层通过一组导向轮结构导向后并随薄膜同步输送至挤压结构内，所述挤压结构并将负电极柔性压电材料层和正电极柔性压电材料层挤压胶合为一体，得到柔性压电材料层；并使得竖立在第一绝缘封装层与第二绝缘封装层外侧的负电极接线端和正电极接线端随挤压结构折弯，并贴合在对应绝缘封装层外侧面上，形成柔性压电传感器样件；

S7：柔性压电材料极化，将S6制作的柔性压电传感器样件送入极化结构进行极化，所述极化结构包括其之间可产生均匀电场的正电极板和负电极板；

S8：柔性压电传感器封装与冲裁，将S7中完成极化的柔性压电传感器样件，送入柔性压电传感器封装模中对柔性压电传感器样件进行封装；封装后，通过柔性压电传感器冲裁模具，对封装后的柔性压电传感器进行裁剪，并冲制负电极接线端导线焊接孔及正电极接线端导线焊接孔，得到完整的柔性薄膜压电传感器结构成品。

进一步的，所述步骤3中的接线端安装器包括横向补给装置和纵向安装装置；所述横向补给装置包括接线端装夹腔和推送弹簧；所述纵向补给装置包括纵向推杆；所述推送弹簧与推板相连，所述推板压紧同排的多个正电极接线端或负电极接线端；所述接线端排列设置在装夹腔内，所述推送弹簧依次推送一个接线端至纵向推杆的顶板上，所述纵向推杆推送接线端穿过对应安装孔。

进一步的，所述的步骤5涂刷或喷覆厚度可以为10um-1mm。

进一步的，所述步骤2中的冲孔模具包括凹模和凸模，所述凹模与凸模相互契合完成相应安装孔的冲制。

进一步的，所述步骤1中的传输架上设置有一对从轮，所述第一薄膜和第二薄膜分别成卷设置在两从动轮上并分别通过步骤中对应的导向轮结构牵引传输。

进一步的，所述步骤8中所述压电传感器封装模包括上压模和下压模，所示上压模和下压模之间形成截面为胶囊状的内腔，内腔两端设置为平形面，上压模和下压模之间在平形面上将柔性压电传感器两端的第一绝缘封装层和第二绝缘封装层贴合，且使正电极接线端和负电极接线端从对应电极层引出部分按封装模内腔两端处的形状弯曲并贴合在对应的封装层上，此时正电极接线端和负电极接线端相互平行；所述柔性压电传感器冲裁模具与柔性压电传感器封装模一体设置，其包括对称设置在上压模两端内部的冲裁刀和正电极接线端和负电极接线端处一侧设置的焊接孔冲孔凸台，所述下压模上对应设置有容纳冲裁刀的两第一凹孔和容纳焊接孔冲孔凸台的一个第二凹孔。

本发明的有益效果：

1、本发明的柔性压电传感器，采用柔性复合材料或柔性高分子压电材料为压电材料，能实现整个传感器良好的柔韧性；整个柔性压电传感器采用整体封装，抗干扰能力强，并在电极接线端设有电线接线孔，使用过程安装方便，适合模块化维修与维护。

2、本发明提供的一种柔性压电传感器制作方法，整个工艺步骤简明可行，特别是在接线端安装、电极层制作、压电层制作过程，采用同步并行生产，生产设备完全相同，大大减少生产成本。

3、本发明提供的一种柔性压电传感器制作方法，各工艺环节可控，易实现自动化生产，生产效率高。

附图说明

图1为本发明的柔性压电传感器结构示意图。

图2为本发明的柔性压电传感器制作方法流程示意图。

图3为本发明的制作电极安装孔步骤示意图。

图4为本发明的安装电极接线端步骤示意图。

图5为本发明的制作电极层步骤示意图。

图6为本发明的制作柔性压电材料步骤示意图。

图7为本发明的柔性压电材料胶合步骤示意图。

图8为本发明的柔性压电材料极化步骤示意图。

图9为本发明的柔性压电传感器封装与冲裁步骤示意图。

图10为本发明接线端安装器结构示意图。

图11为本发明“T”型或“7”型结构正电极接线端或负电极接线端示意图。

图12为本发明柔性压电传感器制作方法流程框图。

图中：11、传输架；111、从动轮；21、冲孔模具；211、凹模；212、凸模；31、接线端安装器；311、横向补给装置；312、纵向安装装置；313、装夹腔；314、推板；315、推送弹簧；316、纵向推杆；41、电极层喷镀装置；42、电极层喷镀控制器；51、柔性压电材料喷覆装置；52、喷覆控制器；61、导向轮结构；62、挤压结构；71、极化结构调节系统；711、正电极板；712、负电极板；81、柔性压电传感器封装模；82、柔性压电传感器冲裁模具；811、上压模；812、下压模；821、冲裁刀；822、焊接孔冲孔凸台；8121、第一凹孔；8122、第二凹孔；9、压电传感器；91、负电极接线端；92、第一绝缘封装层；93、负电极层；94、柔性压电材料层；95、正电极层；96、第二绝缘封装层；97、正电极接线端；98、负电极接线端导线焊接孔；99、正电极接线端导线焊接孔；921、负电极接线端安装孔；941、负电极柔性压电材料层；942、正电极柔性压电材料层；961、正电极接线端安装孔。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的具体结构为：如图1所示，一种柔性压电传感器包括，负电极接线端91、第一绝缘封装层92、负电极层93、柔性压电材料层94、正电极层95、第二绝缘封装层96、正电极接线端97、正电极接线端导线焊接孔99、负电极接线端导线焊接孔98；以柔性压电材料层94为中心层，在柔性压电材料层94上、下表面上分别设置有负电极层93和正电极层95，所述负电极层93的上表面和正电极层95的下表面上分别设置有第一绝缘封装层92和第二绝缘封装层96，封装层的设置可使传感器具有绝缘性、抗老化性以及一定耐候性；负电极层93与负电极接线端91相连，正电极层95与正电极接线端97相连。所述第一绝缘封装层92和第二绝缘封装层96上分别开设有负电极接线端安装孔921和正电极接线端安装孔961；所述正电极接线端97和负电极接线端91的引线端上分别设置有正电极接线端导线焊接孔99和负电极接线端导线焊接孔98；所述正电极接线端97和负电极接线端91为薄片状金属导体且其在安装前形状为“T”型或“7”型结构，该“T”型或“7”型弯头结构分别穿过负电极接线端安装孔921和正电极接线端安装孔961后并埋入在相对应的电极层内；未处理之前的正电极接线端97和负电极接线端91形状如图11所示。

优选的，所述的第一绝缘封装层92和第二绝缘封装层96材料为厚度在0.01mm-1.00mm范围内的柔性绝缘薄膜；

优选的，所述负电极层93和正电极层95材料为导电金属膜或导电银胶；

优选的，所述的柔性压电材料层94材料为压电复合材料或柔性高分子压电材料。

本发明提供的柔性压电传感器制作方法，包括以下步骤：如图12所示：

S1：预制成卷绝缘封装层的安装；

S2：制作电极接线端安装孔；

S3：安装电极接线端；

S4：制作电极层；

S5：制作柔性压电材料层；

S6：柔性压电材料层胶合；

S7：柔性压电材料极化；

S8：柔性压电传感器封装与冲裁。

如图2所示：本发明提供的预制成卷绝缘封装层的安装S1，将预制成卷的两卷绝缘薄膜分别作为压电传感器9的第一绝缘封装层92和第二绝缘封装层96，并将两卷绝缘薄膜安装在使其同步传输的传输架11上作为传送载体；其中传输架11上设置有一对从动轮111，所述第一薄膜和第二薄膜分别成卷设置在两从动轮111上并分别通过S6中对应的导向轮结构61牵引传输。

如图3所示，本发明提供的电极接线端安装孔制作步骤S2中，当S1中的第一绝缘封装层92与第二绝缘封装层96同步传输至冲孔模具21位置时，分别通过冲孔模具21冲制出负电极接线端安装孔921和正电极接线端安装孔961；其中冲孔模具21包括凹模211和凸模212，所述凹模211与凸模212相互契合完成相应安装孔的冲制。

如图4和图10所示，本发明提供的电极接线端安装步骤S3中，当S2中冲制好的安装孔随绝缘薄膜同步输送至接线端安装位置处，分别通过接线端安装器31使负电极接线端91和正电极接线端97穿过对应的安装孔，并使对应接线端的弯头结构的部分设置在对应的绝缘封装层内侧；其中接线端安装器31包括横向补给装置311和纵向安装装置312；所述横向补给装置311包括接线端装夹腔313和推送弹簧315；所述纵向补给装置312包括纵向推杆316；所述推送弹簧315与推板314相连，所述推板314压紧同排的多个正电极接线端97或负电极接线端91；所述接线端排列设置在装夹腔313内，所述推送弹簧315依次推送一个接线端至纵向推杆316的顶板上，所述纵向推杆316推送接线端穿过对应安装孔；该接线端安装器31用于将正电极接线端97或负电极接线端91逐一推送进入安装孔内并使接线端的“T”型或“7”型弯头结构与对应的绝缘薄膜内侧接触。

如图5所示，本发明提供的电极层制作步骤S4中，当S3中安装好的负电极接线端91和正电极接线端97随绝缘薄膜输送至电极层喷镀装置41处时，分别通过电极层喷镀装置41在第一绝缘封装层92和第二绝缘封装层96内侧预设区域涂刷导电银胶或者喷镀导电金属，得到负电极层93和正电极层95，其中负电极层93和正电极层95可将正电极接线端97和负电极接线端91的“T”型或“7”型弯头结构埋入；其中负电极层93和正电极层95的厚度和喷镀区域通过电极层喷镀控制器42控制。

如图6所示，本发明提供的柔性压电材料层制作步骤S5中，S4制作的负电极层93和正电极层95内侧分别通过柔性压电材料喷覆装置51涂刷或喷覆柔性压电复合材料，得到负电极柔性压电材料层941和正电极柔性压电材料层942；其中柔性压电材料喷覆区域及厚度通过喷覆控制器52控制。

如图7所示，本发明提供的柔性压电材料层胶合步骤S6中，步骤S5中的负电极柔性压电材料层941和正电极柔性压电材料层942通过一组导向轮结构61导向后并随薄膜同步输送至挤压结构62内，所述挤压结构62并将负电极柔性压电材料层941和正电极柔性压电材料层942挤压胶合为一体，得到柔性压电材料层94；并使得竖立在第一绝缘封装层92与第二绝缘封装层96外侧的负电极接线端91和正电极接线端97随挤压结构62折弯，并贴合在对应绝缘封装层外侧面上，形成柔性压电传感器样件；其中挤压结构62为对辊式挤压结构，负电极柔性压电材料层941和正电极柔性压电材料层942通过导向轮结构61导向传输后进入至挤压结构62内，挤压结构62两对辊之间的间距可调节，方便对挤压厚度的控制。

如图8所示，本发明提供的柔性压电材料极化步骤S7中，将S6制作的柔性压电传感器样件送入极化结构进行极化，所述极化结构包括其之间可产生均匀电场的正电极板711和负电极板712；极化过程在极化结构正、负电极板间的匀强电场进行，通过极化结构调节系统71调节极化过程参数，如极化场强、极化时间、极化温度等，保证其极化效率，使压电复合材料层获得良好的压电参数。

如图9所示，本发明提供的柔性压电传感器封装与冲裁步骤S8中，将步骤S7中完成极化的柔性压电传感器样件，送入柔性压电传感器封装模81中对柔性压电传感器样件进行封装；封装后，通过柔性压电传感器冲裁模具82，对封装后的柔性压电传感器两端进行裁剪，并冲制负电极接线端导线焊接孔98及正电极接线端导线焊接孔99，得到完整的柔性薄膜压电传感器结构成品；所述柔性压电传感器封装模81包括上压模811和下压模812，所示上压模811和下压模812之间形成截面为胶囊状的内腔，内腔两端设置为平形面，上压模811和下压模812之间在平形面上将柔性压电传感器两端的第一绝缘封装层92和第二绝缘封装层96贴合，且使正电极接线端97和负电极接线端91从对应电极层引出部分按封装模内腔两端处的形状弯曲并贴合在对应的封装层上，此时正电极接线端97和负电极接线端91相互平行；所述柔性压电传感器冲裁模具82与柔性压电传感器封装模81一体设置，其包括对称设置在上压模811两端内部的冲裁刀821和正电极接线端97和负电极接线端91处一侧设置的焊接孔冲孔凸台822，所述下压模812上对应设置有容纳冲裁刀821的两第一凹孔8121和容纳焊接孔冲孔凸台822的一个第二凹孔8122。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。