具有整體式銅電極的夾層式壓電設備的制作方法

專利名稱：具有整體式銅電極的夾層式壓電設備的制作方法
技術領域：
本發明的主題涉及信號發生器。具體而言，本發明的主題涉及具有整體式銅電極 的壓電發生器。
背景技術：
已經證明的是，電子設備與輪胎結構的結合可以產生很多實際的優點。輪胎電 子裝置可以提供其自身的電源，這種電源的運行取決于與輪胎相關的現象，輪胎電子裝置 還可以包括傳感器和其它部件，用于獲取與輪胎的各種物理參數有關的信息，例如溫度、壓 力、輪胎的轉數、輪胎轉速等等。這樣的信息在輪胎監測和警報系統中可能是有用的，并且 甚至可以用于反饋系統以監測適當的輪胎壓力水平。美國公布專利申請2003/0209063 (Adamson等)涉及使用壓電纖維復合材料 (piezoelectric fiber composites)從旋轉輪胎的機械能量產生電功率的系統和方法。美國公布專利申請2003/0056351 (Wilkie等)涉及一種壓電微纖維復合材料致動 器以及一種用于制造該制動器的方法。美國專利No. 6，093，997 (Zimnicki等)涉及一種嵌入在電絕緣基底組件內的壓電 諧振器(piezoelectric resonator)，例如多層印刷電路板。美國專利No. 5，747，916 (Sugimoto等)涉及一種壓電變壓器單元，其將輸入電壓 轉變為輸出電壓，并且包括由較大的電功率驅動的壓電變壓器元件。美國專利No. 5，305，507 (Dvorsky等)涉及一種用于封裝嵌入復合結構中的陶瓷 設備的方法。歐洲專利EP1724849A2 (Guenther等)涉及一種導電支撐本體，其具有施加至本體 的壓電材料。雖然已經開發了壓電發生器的各種實現形式，并且已經實現了各種接觸配置，但 是，還沒有出現這樣的設計，其一般地包括根據本發明的主題技術在下文中呈現的全部所 需特征。

發明內容
考慮到在現有技術中遇到并且被本發明的主題解決的已知特征，已經提供了一種 改進的裝置和整套方法，通過提供整體式電極，即使面對來自正常運行的結構性損害，該裝 置和方法也可以延長壓電設備的運行壽命。在示例性實施方式中，本發明的主題涉及一種壓電設備，包括壓電材料層，所述 壓電材料層具有第一表面、第二表面和邊界；導電材料的第一層，所述導電材料的第一層完 全覆蓋所述第一表面并且延伸超過所述壓電材料的邊界；以及導電材料的第二層，所述導 電材料的第二層完全覆蓋所述第二表面并且延伸超過所述壓電材料的邊界。第一和第二導 電層延伸超過所述壓電材料的邊界一段足夠的距離，以避免由所述壓電材料中的裂縫引起 的在第一或第二導電層中產生的任何裂縫的影響。第一絕緣層支撐所述壓電材料以及所述導電材料的第一和第二層。在另外的實施方式中，焊盤可以結合至導電材料的第一和第二層，可以提供第二 絕緣層，所述第二絕緣層可以具有與所述第一絕緣層相同或不同的厚度。在優選實施方式 中，絕緣材料可以是FR4，導電材料可以是銅，壓電材料可以是鋯鈦酸鉛(PZT)。在另外的實施方式中，所述設備可以包括彈性材料層，所述彈性材料層包括平頂 部分，所述第一絕緣層可以通過粘合劑緊固在所述平頂部分上。在特別的配置中，所述粘合 劑可以是Chemloc 所述彈性材料可以是橡膠。本發明的主題也涉及用于在存在由應力引起的裂縫的情況下保留壓電設備功能 性的整套方法。這些整套方法包括提供具有第一表面、第二表面和邊界的壓電材料層，并且 用導電材料的第一和第二層完全覆蓋第一和第二表面。導電材料的第一和第二層都延伸超 過壓電材料的邊界一段足夠的距離，以避免由所述壓電材料中的裂縫引起的在第一或第二 導電層中產生的任何裂縫的影響。通過使用這些整套方法，在第一和第二導電層中存在由壓電材料中形成的裂縫引 起的裂縫的情況下，通過延伸超過壓電材料的邊界的導電材料，可以保持建立的導電路徑。本發明主題的附加目的和優點根據本文中的具體描述而得以說明，或者說對于本 領域普通技術人員而言將變得明朗。同樣，應該進一步認識到，在不背離本發明主題的精神 和范圍的情況下，在本發明的各種實施方式和用途中可以對具體說明、參考和討論的特征 及其元件進行修改和改變。各種改變可以包括(但不限于)對于說明、參考或討論的等同 裝置、特征或步驟的替換，以及各種部件、特征、步驟等等的功能性、操作性或位置性顛倒。另外，應該理解，本發明主題的不同實施方式(以及現在優選的不同實施方式)可 以包括現在公開的特征、步驟或元件、或者它們的等效形式的各種組合或配置(包括沒有 在附圖中特意顯示、或者沒有在這種附圖的具體描述中說明的特征、部件、或步驟的組合或 者它們的配置)。本發明主題的附加實施方式(其不一定在發明內容部分得以表達)可以包括并合 并在上述發明內容的目的部分參考的特征、部件或步驟和/或在本申請中另外討論的其它 特征、部件或步驟的各方面的各種組合。在閱讀本說明書的其余部分之后，本領域普通技術 人員將會更好地認識到這樣的實施方式(以及其它實施方式)的各種特征和各個方面。


對于本領域普通技術人員而言，在本說明書中參考附圖對本發明的完整可實施的 公開內容(包括其最佳實施方式)進行了說明，在附圖中圖1以圖示的方式說明了根據本發明的技術構建的示例性壓電發生器；圖2以圖示的方式說明了先前已知的壓電發生器構造；圖3a_圖3c以圖示的方式說明了可以用在根據本發明技術的發生器的構造中的 各種夾層式構造的整套方法；圖如說明了一種輪胎補丁，其包括安裝在其上的根據本發明的技術構建的發生 器；圖4b說明了在圖如中說明的輪胎補丁的線4-4處的部分的橫截面；并且圖5說明了根據本發明的技術構建的雙壓電傳感器配置。
在整個說明書和附圖中重復使用的附圖標記用于表示本發明的相同或相似的特 征或元件。
具體實施例方式根據發明內容部分的討論，本發明的主題特別地涉及用于壓電發生器的電極配置。另外，應該認識到，術語“發生器”意在表達本發明的技術的壓電設備的撓曲將會 穿越在設備上提供的輸出終端而產生輸出電壓。此外，由于本發明的技術的設備可以分別 或協同地用作傳感器以及發生器，在下文中術語發生器和傳感器可以互換使用。公開的技術的各個方面的選定組合對應于本發明的多個不同實施方式。應該注意 到，在這里展現和討論的每個示例性實施方式都不應構成對本發明主題的限制。作為一個 實施方式的一部分而進行說明或描述的特征或步驟可以用于與另一實施方式的各個方面 組合，以產生另外的實施方式。此外，特定的特征可以與執行相同或相似功能的沒有特意提 及的相似設備或特征進行互換。現在參考附圖，首先簡單地參考圖2，其說明了一種先前已知的壓電發生器200， 根據本發明的技術已經在其上提出了改進。從圖2中可以看出，先前已知的壓電發生器200 對應于安裝在支架220上的壓電元件210。導電電極的蝕刻圖案設置在壓電元件210的示 出的上表面212上作為電極圖案230，并且設置在隱藏在圖2中的下側。這些電極圖案分別 連接至壓電元件210的上側和下側的終端232、234。在圖2中所示的這類壓電發生器已經在包括輪胎的若干使用環境中使用，但是已 經發現的是，在這種環境中，例如由于安裝壓電發生器200的輪胎的撓曲而導致施加至壓 電元件210的應力，從而裂縫(例如由裂縫M2、244所示)常常在壓電元件210中逐漸形 成。本領域普通技術人員將會認識到，在壓電元件210中形成的這種裂縫242、244最 終會導致導電電極圖案中的裂縫和中斷，從而減小或者甚至消除終端232、234處的電荷聚 積。例如在裂縫穿過從電極圖案230到終端232的單一連接線的位置M6，沒有電荷能夠到 達終端232，從而導致壓電發生器200完全不起作用。現在參考圖1，可以注意到，根據本發明的技術構建的壓電發生器100具有安裝在 支架120上的壓電設備110，該支架120完全被電極130所覆蓋。應該認識到，在圖1中壓 電設備110實際上由于電極130而被隱藏。此外，電極130實際上延伸超過壓電設備110的邊緣，如導電延伸部分136所示， 該電延伸部分136形成為電極130的整體部分。電極130的導電延伸部分136延伸超過壓 電設備110的邊界一段足夠的距離，以避免由電極130之下的壓電設備110中的裂縫引起 的在導電層130中產生的任何裂縫的影響。電極130及其延伸部分136通過附加的導電線 路142結合至焊盤132。將會認識到，相似的電極和延伸部分設置在壓電設備110的下側， 并且通過導電線路144連接至焊盤134。在示例性的配置中，包括延伸部分136、線路142、 144和焊盤132、134的導電電極130可以用銅實現。當然，也可以使用其它合適的導電材 料。提供這樣的整體式導電電極并不能防止壓電材料破裂，但是只要邊界導電線路136保持完好并且破裂的壓電設備110的裂片保持粘附至支架120，則至少可以具有從甚至 嚴重破裂的壓電設備收集能量的持續能力。現在參考圖3a_圖3c，將要注意到根據本發明的技術構建的壓電設備的各個構造 性方面。如上文所述，本發明的主題涉及夾層式構造。如圖3a中所示，這樣的構造的示例 性實施方式顯示為對應于夾在導電層320、322之間的壓電層310，它們都被絕緣支撐層330 所支撐。在示例性配置中，壓電層310可以對應于鋯鈦酸鉛(PZT)層，導電層320、322可以 對應于銅層，絕緣支撐層330可以對應于阻燃絕緣材料，通常稱為FR4。在如圖北中所示的另外的示例性實施方式中，可以添加另一絕緣支撐層332(其 可以也對應于FR4)以完成夾層式結構。包括雙絕緣支撐層的特別優點在于以下能力通過 對支撐層或多個支撐層的厚度進行優化，而使得壓電層310的峰值局部彎矩最小化并且從 而使得破裂的程度降到最低。對于本領域普通技術人員而言明確的是，這樣的優化需要對絕緣層或多個絕緣層 的厚度進行明智的選擇。例如，對于非常大的厚度，將會防止壓電層的所有彎曲，從而避免 出現產生信號的電壓。顯然，隨著厚度變得越來越小，附加的彎曲可能出現，從而導致從局 部彎矩減小獲得的好處最終消除。提供雙層絕緣支撐材料的附加的好處來自于通過這樣的 雙絕緣層對壓電層進行封裝，從而為壓電層提供了附加的物理保護。圖3c說明了夾層式結構的另一實施方式。在這種情況下，絕緣層332’比絕緣層 332厚。從一個絕緣層到另一個絕緣層的這樣的厚度改變使得壓電層從夾層式結構的中心 中間平面偏移，并且提供了進一步調節能量產生的機會。絕緣層332’可以通過更厚的絕緣 材料層而提供，或者通過提供兩個或更多分離的材料層。應該認識到，兩個或更多層其本身 可以具有不同的厚度，也可以具有相同的厚度，或者這些情況的組合。現在參考圖如和圖4b，說明了一種示例性輪胎補丁 400，其合并了根據本發明的 技術構建的夾層式結構的壓電設備。圖4b說明了在圖如的線4-4處取得的輪胎補丁 400 的一部分的放大橫截面。如圖如中所示，對應于彈性材料支架410和整體形成的中心平頂 412的輪胎補丁 400可以用于支撐夾層式結構壓電設備420。壓電設備420可以通過粘合 劑層緊固至平頂的上表面。在示例性實施方式中，彈性材料支架410和整體平頂412對應 于橡膠，粘合劑430可以對應于可從LORD公司獲得的Chemloc⑧粘合劑。在示例性構造中， Chemloc 可以涂敷至夾層式結構的表面，該結構和橡膠材料一起放置在模具中，然后進行 固化。如圖如和圖4b所示，夾層式結構壓電設備420可以對應于基本上覆蓋平頂412 的整個上表面的設備，并且事實上可以實際上稍微伸出平頂412的上表面，如圖4b中的伸 出部分414所示。現在參考圖5，說明了根據本發明的技術構建的夾層式結構壓電設備500的另一 實施方式。可以看出，夾層式結構壓電設備500對應于安裝在公共絕緣支撐層520上的一 對夾層式結構壓電設備510、510’。如同前面的實施方式，絕緣層520可以對應于FR4的層。 此外，根據關于圖北的描述，可以提供附加絕緣層(也可以是FR4)。此外，根據參考圖3c進 行的討論，這樣的絕緣材料附加層的厚度可以變化或者可以設置為多層以實現厚度變化。進一步參考圖5，將會注意到，夾層式結構壓電設備510、510’并行地通過導電線 路532、534電結合至連接終端530以及通過導電線路M2544電結合至連接終端MO。基
7于前面的描述應該認識到，夾層式結構壓電設備510、510’的每一個都對應于包括第一導 電層和第二導電層的夾層式結構，在示出的夾層式結構壓電設備510、510’的情況下，第一 導電層對應于顯示為通過線路M2、544連接在一起的層，第二導電層對應于通過線路532、 534連接在一起的層。應該進一步認識到，雖然示出的一對夾層式結構壓電設備510、510’顯示為并行地 連接，其它連接方案也是可能的，包括串聯連接以及通過附加的分離終端對而單獨地連接。 此外，應該認識到，示出的一對共同安裝設備510、510’可以一起安裝以產生如圖如中所 示的輪胎補丁。此外，本領域普通技術人員將會認識到，對于本申請公開的內容，可以提供 多對共同安裝的設備，并將其以任何需要的方式(從并聯到串聯，從單獨到組合)進行電結 合，所有這些都在本發明主題的范圍內。在另一配置中，通過使用覆蓋多個設備的兩側的導 電材料的單層，多個壓電設備可以共同安裝并且并行連接。雖然已經針對本發明主題的具體實施方式
對本發明主題進行了具體描述，但是將 會認識到，在獲得了對于上文內容的理解之后，本領域技術人員可以容易地提出這些實施 方式的修改、變化以及等效形式。因此，本文公開的內容的范圍是示例性的而不是限制性 的，本申請的主題內容并不是不包括對于本領域普通技術人員而言顯而易見的本發明主題 的那些修改、變化和/或附加形式。
權利要求
1.一種壓電設備，包括壓電材料層，所述壓電材料層具有第一表面、第二表面和邊界； 導電材料的第一層，所述導電材料的第一層完全覆蓋所述第一表面并且延伸超過所述 壓電材料的邊界；導電材料的第二層，所述導電材料的第二層完全覆蓋所述第二表面并且延伸超過所述 壓電材料的邊界；以及第一絕緣層，所述第一絕緣層支撐所述壓電材料以及所述導電材料的第一和第二層。
2.根據權利要求1所述的壓電設備，進一步包括第一焊盤，所述第一焊盤電結合至所述導電材料的第一層；以及 第二焊盤，所述第二焊盤電結合至所述導電材料的第二層。
3.根據權利要求1所述的壓電設備，進一步包括 第二絕緣層，其中所述壓電層夾在所述第一和第二導電層之間，并且所述第一絕緣層和所述第二絕 緣層形成所述壓電層以及所述第一和第二導電層的夾層結構外層。
4.根據權利要求3所述的壓電設備，其中所述第一絕緣層和所述第二絕緣層具有不同 的厚度。
5.根據權利要求1所述的壓電設備，其中所述絕緣層是FR4。
6.根據權利要求1所述的壓電設備，其中所述第一和第二導電層以及第一和第二導電 線路是銅。
7.根據權利要求1所述的壓電設備，其中所述壓電材料包括鋯鈦酸鉛PZT。
8.根據權利要求1所述的壓電設備，進一步包括彈性材料層，所述彈性材料層具有基座部分和平頂部分， 其中所述第一絕緣層通過粘合劑緊固至所述彈性材料層。
9.根據權利要求8所述的壓電設備，其中所述彈性材料層是橡膠層。
10.根據權利要求8所述的壓電設備，其中所述粘合劑是Chemloc 。
11.一種用于在存在由應力引起的裂縫的情況下保留壓電設備功能性的方法，包括 提供具有第一表面、第二表面和邊界的壓電材料層；用導電材料的第一層完全覆蓋所述第一表面； 使得所述導電材料的第一層延伸超過所述壓電材料的邊界； 用導電材料的第二層完全覆蓋所述第二表面；以及 使得所述導電材料的第二層延伸超過所述壓電材料的邊界。
12.根據權利要求11所述的方法，進一步包括將至少一個絕緣支撐層粘附至所述導電材料的第一和第二層的至少一個， 從而可以限制所述壓電材料的局部彎矩。
13.根據權利要求12所述的方法，其中粘附包括將絕緣支撐層粘附至所述導電材料的第一和第二層兩者。
14.根據權利要求13所述的方法，其中粘附絕緣支撐層包括粘附具有不同厚度的絕緣支撐層。
15.根據權利要求11所述的方法，其中提供壓電材料層包括提供鋯鈦酸鉛PZT的層。
16.根據權利要求12所述的方法，其中粘附至少一個絕緣支撐層包括粘附至少一個 FR4 層。
17.根據權利要求11所述的方法，其中所述導電材料是銅。
全文摘要
本申請公開了用于使得壓電設備中的裂縫最小化并對其進行補償的裝置和整套方法，從而維持設備的長期的功能性。裂縫的補償是通過以下方式實現的在壓電設備的整個表面上施加整體式導電電極，并且使得電極延伸超過壓電設備的邊界。通過這種方式，甚至在出現裂縫的情況下也可以維持電連接。通過施加厚度可變的絕緣支撐材料，通過使得壓電設備的局部彎矩最小化，壓電設備的裂縫得到限制。
文檔編號H01L21/4763GK102077332SQ200880130046
公開日2011年5月25日 申請日期2008年6月26日 優先權日2008年6月26日
發明者D·A·韋斯頓 申請人:米其林技術公司, 米其林研究和技術股份有限公司