本发明属于声发射传感器，尤其涉及基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器及制作工艺。
背景技术：
1、仪器设备或部件在长时间的使用周期中，许多结构往往会出现细微裂纹。如果能在裂纹刚形成的初级阶段就准确地探测到，就能够有效地阻止其扩大而引发的重大损害。因此，采用一种兼具高灵敏度和低噪声特性的信号检测技术，对于确保被测结构的安全性和稳定性运行至关重要。
2、声发射检测技术通过专门的声学传感器捕获相应的声发射信号，再经过一系列的信号放大与处理步骤，进而分析判断出声发射源的具体位置及特性。作为一种被动型检测手段，声发射检测尤为适合于对结构实施连续不断的、长期的状态监控，尤其在结构早期损伤的探测上表现出显著的优势。
3、声发射传感器是声发射检测系统的关键组件，目前市场上的主流产品普遍采用压电效应原理设计，其中以压电陶瓷为主要敏感元件。传统的压电陶瓷传感器因其体积相对较大且不易于集成化，在面对空间受限或极为狭窄的操作环境时，存在应用局限性，传统的压电陶瓷还存在成本高、一致性差的缺点，影响了其大批量使用。
4、基于微机电系统技术制备的声发射传感器在理论上具备体积小、灵敏度高且易与设备原位集成封装的潜在优势，但在实际应用层面，尚缺乏一种理想的封装解决方案，以适应各类实际应用场景的需求。
技术实现思路
1、本发明所解决的技术问题在于提供一种基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器及制作工艺，以解决现有声发射传感器在实际应用时存在体积大、成本高、灵敏度低的问题。
2、本发明提供的基础方案：基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，包括外壳、信号调理电路、压电薄膜芯片、匹配层以及引线，所述信号调理电路、压电薄膜芯片和匹配层置于外壳内，所述外壳上开设通孔，所述引线通过通孔连通外壳内信号调理电路和外界；
3、所述压电薄膜芯片置于信号调理电路上并与信号调理电路连通，所述匹配层包覆压电薄膜芯片和信号调理电路。
4、进一步，所述压电薄膜芯片用于获取外界声信号产生的位移信息并转化为电信号传输至信号调理电路，所述匹配层用于为压电薄膜芯片提供声阻抗匹配并保护压电薄膜芯片，所述信号调理电路用于将压电薄膜芯片传输的电信号进行放大和滤波处理。
5、进一步，所述压电薄膜芯片包括若干个压电薄膜微元和焊盘，所述若干个压电薄膜微元按照预设的形状阵列，所述焊盘用于金线键合，将信号传输至信号调理电路；所述压电薄膜微元包括顶电极、压电层和空腔。
6、进一步，所述匹配层通过环氧树脂与填充料进行掺杂形成的环氧树脂掺杂复合材料经浇灌固化而成，所述匹配层为压电薄膜芯片提供声阻抗匹配具体为：
7、计算获取环氧树脂掺杂复合材料的弹性参数和密度，计算公式为：
8、
9、其中，ρ表示环氧树脂掺杂复合物材料的密度，k表示环氧树脂掺杂复合物材料的弹性体积模量，g表示环氧树脂掺杂复合材料的弹性剪切模量；v0表示环氧树脂的体积分数，v1表示填充料的体积分数，ρ0表示环氧树脂的密度，ρ1表示填充料的密度；k0表示环氧树脂的弹性体积模量，k1表示填充料的弹性体积模量，g0表示环氧树脂的弹性剪切模量，g1表示填充料的弹性剪切模量；
10、根据计算得到的环氧树脂掺杂复合材料的密度、弹性体积模量、弹性剪切模量计算声阻抗，计算公式为：
11、
12、其中，ρ表示环氧树脂掺杂复合物材料的密度，k表示环氧树脂掺杂复合物材料的弹性体积模量，g表示环氧树脂掺杂复合材料的弹性剪切模量；
13、预设匹配层性能，将不同填充料组成的环氧树脂掺杂复合材料的声阻抗在预设的匹配层性能下进行比对，输出复合预设匹配层性能的环氧树脂掺杂复合材料。
14、进一步，所述匹配层中填充料为具有高声阻抗的金属及其氧化物粉末。
15、进一步，所述信号调理电路包括电荷放大电路和滤波电路；所述外壳为金属外壳，所述外壳包括壳体和壳盖，所述壳体和壳盖之间密封。
16、基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器制作工艺，应用于上述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，包括：
17、s1：按照预设的质量比例将环氧树脂与固化剂进行混合搅拌，生成无絮状的环氧树脂均匀混合物；
18、s2：取对应比例的填充料，进行研磨后将填充料粉末加入环氧树脂均匀混合物中并搅拌均匀，生成环氧树脂掺杂混合物；
19、s3：将环氧树脂掺杂混合物放入真空箱中进行真空脱泡处理；
20、s4：将压电薄膜芯片、信号调理电路和引线在外壳内布置完成后，将真空脱泡后的环氧树脂掺杂混合物倒入外壳中进行封装，再放入50℃恒温烤箱中加热固化。
21、进一步，所述s1中，环氧树脂与固化剂的预设质量比例为1：0.3。
22、进一步，所述填充料为具有高声阻抗的金属及其氧化物粉末。
23、本发明的原理及优点在于：本发明中的声发射传感器及其制作工艺，其结构包括外壳、压电薄膜芯片、信号调理电路、匹配层和引线，其中，压电薄膜芯片与信号调理电路集成于一体，置于外壳内，通过引线与外部进行连接，匹配层通过灌封充满整个金属外壳内。金属外壳提供完全封闭的腔室，用于屏蔽外界的电磁干扰。压电薄膜芯片用于感知外界声信号产生的位移变化并将其转化为微弱电信号。信号调理电路拾取微弱电信号并进行放大和滤波处理。匹配层填充于压电薄膜芯片与金属外壳之间，用于提供声阻抗匹配并保护压电薄膜芯片。引线用于为信号调理电路提供有效的供电，良好的接地和信号输出。
24、因此，本发明的优势在于：
25、1、与传统方法中采用压电陶瓷作为信号敏感材料相比，本发明采用基于压电式微机械超声换能器的压电薄膜芯片作为信号敏感器件，该芯片基于微机电系统加工工艺制造加工而成，具有更小的体积和更高的一致性，在大批量生产时还具有更低的成本；
26、2、将基于压电式微机械超声换能器的压电薄膜芯片与环氧树脂基掺杂材料进行复合，可以有效的减小压电薄膜芯片与外部声传输介质间的声阻抗失配，最大限度减少声波能量损失，保护压电薄膜芯片和金线免受破坏；
27、3、将基于压电式微机械超声换能器的压电薄膜芯片与信号调理电路进行了一体化集成封装，减小了因信号传输线缆过长引起寄生电容过大导致的噪声问题，有效缩减传感器的体积，提高声信号的捕捉能力，由此提升传感器的整体灵敏度。
28、因此，基于上述的优势，本申请设计的声发射传感器，能够有效解决在实际应用中的体积大、成本高、灵敏度低的问题。
1.基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，其特征在于：包括外壳、信号调理电路、压电薄膜芯片、匹配层以及引线，所述信号调理电路、压电薄膜芯片和匹配层置于外壳内，所述外壳上开设通孔，所述引线通过通孔连通外壳内信号调理电路和外界；
2.根据权利要求1所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，其特征在于：所述压电薄膜芯片用于获取外界声信号产生的位移信息并转化为电信号传输至信号调理电路，所述匹配层用于为压电薄膜芯片提供声阻抗匹配并保护压电薄膜芯片，所述信号调理电路用于将压电薄膜芯片传输的电信号进行放大和滤波处理。
3.根据权利要求2所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，其特征在于：所述压电薄膜芯片包括若干个压电薄膜微元和焊盘，所述若干个压电薄膜微元按照预设的形状阵列，所述焊盘用于金线键合，将信号传输至信号调理电路；所述压电薄膜微元包括顶电极、压电层和空腔。
4.根据权利要求1所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，其特征在于：所述匹配层通过环氧树脂与填充料进行掺杂形成的环氧树脂掺杂复合材料经浇灌固化而成，所述匹配层为压电薄膜芯片提供声阻抗匹配具体为：
5.根据权利要求4所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，其特征在于：所述匹配层中填充料为具有高声阻抗的金属及其氧化物粉末。
6.根据权利要求1所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，其特征在于：所述信号调理电路包括电荷放大电路和滤波电路；所述外壳为金属外壳，所述外壳包括壳体和壳盖，所述壳体和壳盖之间密封。
7.基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器制作工艺，应用于上述权利要求1-6任一项所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器，其特征在于：包括：
8.根据权利要求7所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器制作工艺，其特征在于：所述s1中，环氧树脂与固化剂的预设质量比例为1：0.3。
9.根据权利要求7所述的基于压电式微机械超声换能器的声发射传感器制作工艺，其特征在于：所述填充料为具有高声阻抗的金属及其氧化物粉末。
