包括保護膜的壓電振子的制作方法

包括保護膜的壓電振子的制作方法
【專利摘要】本發明用于提高超聲波加濕器用振子的耐久性及耐化學性，其特征在于，包括：盤形的壓電體，其將電信號轉換為機械振動；電極，其為施加電信號而形成在所述壓電體的兩面上；以及保護膜，其由高分子物質來保護所述電極的兩面中的至少一面。
【專利說明】包括保護膜的壓電振子

【技術領域】
[0001] 本發明涉及包括保護膜的壓電振子，更具體地，涉及作為超聲波加濕器用振子，為 了提高耐久性及耐化學性而包括電極保護膜的壓電振子。

【背景技術】
[0002] 壓電元件作為利用了向電介質施加機械壓力時產生電壓，在施加電壓時產生機械 變形的壓電效果的元件，在自動點火裝置、壓電傳感器、超聲波傳感器、聽筒、超聲波產生器 等中使用。
[0003] 使用于加濕器的超聲波產生器是根據電信號而產生機械振動，從而將水霧化成微 細的水滴狀態并使其噴出的振子，其通常加工為盤形態，并在盤的兩面形成電極，電極的一 面與加濕器水槽的水接觸，電極的另一面與電線連接而與加濕器的發振電路連接。
[0004] 超聲波產生器用振子的電極通常使用這樣的銀燒制法而形成：通過網版印刷等的 方法，在壓電元件上涂布一定厚度的銀（Ag)焊膏，然后進行熱處理而進行粘貼。
[0005] 關于銀電極，當振子在水中進行超聲波振動時，由于在振動過程中發生的空穴 (cavitation)現象和侵蝕作用，銀電極容易被磨損，由此導致振子的霧化性能顯著下降。對 于這樣的侵蝕作用，通過在銀（Ag)電極上形成維氏（Vickers)硬度高或腐蝕度小的保護層 而能夠提高振子的壽命，而作為電極的保護層，形成耐腐蝕的不銹鋼（stainless steel)或 耐化學性強的TiN，Ni鍍金層或玻璃膜保護層。
[0006] 但是，在將金屬材質的薄膜粘貼于電極上而形成保護膜的情況下，存在因保護膜 與壓電體之間的熱膨脹系數之差而導致保護膜從電極掉下來的缺點，并且在由陶瓷物質形 成保護膜的情況下，由于在工序中利用真空裝置，因此存在工序時間長且制造費用增加的 問題，并且在利用鍍金來形成保護膜的情況下，電極層被酸或堿溶液而侵蝕，由此減弱與陶 瓷之間的粘接力，并且由廢液而引起環境污染問題。


【發明內容】

[0007] 技術課題
[0008] 為了解決上述的問題點，本發明提供如下的壓電振子：由耐久性和耐化學性優異 的聚酰亞胺或特氟龍這樣的高分子物質來形成壓電振子的保護膜，從而防止保護膜從電極 掉落的現象和腐蝕現象。
[0009] 解決課題的手段
[0010] 為了解決上述的技術課題，本發明的壓電振子的特征在于，包括：盤形的壓電體， 其將電信號轉換為機械振動；電極，其為施加電信號而形成在所述壓電體的兩面上；以及 保護膜，其由高分子物質來保護所述電極的兩面中的至少一面。
[0011] 作為本發明的優選一實施例，其特征在于，所述壓電振子在與液體接觸的面上形 成所述保護膜，所述保護膜為高分子薄膜，所述高分子物質為聚酰亞胺（polyimid)或特氟 龍（teflon)，在所述電極與保護膜之間還包括環氧樹脂的粘結劑層。
[0012] 作為本發明的另一實施例，壓電振子的保護膜形成方法包括：準備將電信號轉換 為機械振動的盤形的壓電體的步驟；在所述壓電體的兩面形成電極的步驟；以及形成由高 分子物質來保護所述電極的至少一面的保護膜的步驟。
[0013] 作為本發明的優選一實施例，其特征在于，將高分子薄膜按照電極的形狀來切割 并粘貼而形成所述保護膜，并且使用粘結劑而在所述電極粘貼保護膜。
[0014] 作為本發明的優選一實施例，其特征在于，使用粘貼有粘接劑的粘接帶而形成所 述保護膜。
[0015] 作為本發明的優選一實施例，其特征在于，旋涂（spin coating)液態的高分子而 形成所述保護膜。
[0016] 作為本發明的優選一實施例，其特征在于，噴涂（spray coating)液態的高分子而 形成所述保護膜。
[0017] 作為本發明的優選一實施例，其特征在于，將高分子氣化并沉積而形成所述保護 膜。
[0018] 發明效果
[0019] 在本發明中，位于第一電極或第二電極上的保護膜的材料由耐化學性和耐久性優 異的高分子物質構成，因此即便在保護膜與導致第一電極或第二電極的腐蝕的外部物質接 觸的情況下，也不容易發生腐蝕，由此延長壓電元件的壽命，提高動作效率。
[0020] 本發明的壓電元件在超聲波加濕器中以噴霧液的方式使用水的情況下，即便驅動 500小時，也幾乎不發生噴霧量的損失，在驅動1，000小時時，噴霧量的損失為3%以下，因 此具備延長壽命的有利效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明的一實施例的壓電元件的立體圖。
[0022] 圖2是表示圖1所示的壓電元件的后面的俯視圖。
[0023] 圖3是沿著III - III線而切割圖1所示的壓電元件而表示的截面圖。
[0024] 圖4至圖10是表示本發明的一實施例的壓電元件的制造方法的圖。

【具體實施方式】
[0025] 本發明的壓電振子包括：盤形的壓電體，其將電信號轉換為機械振動；電極，其為 了施加電信號而形成在所述壓電體的兩面上；以及保護膜，其由高分子物質來保護所述電 極的兩面中的至少一面。
[0026] 實施方式
[0027] 下面，參照附圖，對本發明的實施例進行詳細說明，以使本領域技術人員能夠容易 地實施本發明。本發明可體現為各種不同的形態，不限于在此說明的實施例。在附圖中為 了對本發明進行清楚地說明，省略了與說明內容無關的部分。
[0028] 〈實施例1>
[0029] 參照圖1至圖3,本發明的一實施例的壓電元件100具備：壓電陶瓷部10 ;位于壓 電陶瓷部10上的第一電極21 ;在壓電陶瓷部10上，與第一電極21隔開而配置的第二電極 22 ;位于第一電極21上的保護膜30 ;以及位于第一電極21與保護膜30之間的粘結劑40。
[0030] 根據所施加的電壓而發生振動的壓電陶瓷部10由壓電性（piezo-electricity) 優異的鈦酸鋯石酸鉛（Pb(Zr，Ti)0 3:PZT)系物質形成。壓電陶瓷部10的物質不限于此，可 由具備壓電性的其他物質形成。
[0031] 利用固態反應法（solid state reaction)等來形成這樣的壓電陶瓷部10。固態 反應法是利用干式成型法等而將粉末的原料成型為盤形態這樣的所希望的形狀，然后在約 1100°C至1300°C的溫度下燒制約30分鐘至3小時而成。
[0032] 壓電陶瓷部10的直徑可以是約15mm至25mm，但也可根據要產生的超聲波的能量 和頻率而變更壓電陶瓷部10的直徑和厚度。
[0033] 在本實施例的壓電陶瓷部10使用在超聲波加濕裝置的情況下，壓電陶瓷部10具 備約1. 5MHz至1. 7MHz的共振頻率，為具備這樣的共振頻率，壓電陶瓷部10的厚度為約 1. 2mm 至 1. 4mm 程度。
[0034] 當通過第一及第二電極21，22而從共振電路施加到與壓電陶瓷部10的共振頻率 一致的信號時，在壓電陶瓷部10發生共振，從壓電元件100的表面發散超聲波能源，從而根 據施加到水分子的沖擊，水分子以微細的粒子進行噴霧（mist)。
[0035] 第一電極21作為與水接觸的面的電極，如果用來與發振電路部連接的焊接部位 于與水接觸的面，則存在放水和腐蝕等的問題，因此如圖2所示，在側面連接而在與第二電 極22相同的面延伸而形成。在圖2中形成'D'形狀，但不限于此，與相鄰的第二電極22分 離且與焊接部接合的面積。
[0036] 如圖2所示，位于壓電陶瓷部10的后面的第二電極22在壓力陶瓷部10的后面的 一部分，例如，在后面的中間部分與第一電極21分離而配置，并且從外部接收與施加到第 一電極21的電壓不同極性的電壓。
[0037] 第一及第二電極21，22主要通過銀燒制法而形成。銀燒制法是，通過絲網印刷方 法而在壓電陶瓷10的兩面涂抹規定的厚度的銀焊膏，并進行熱處理而粘貼的方法。
[0038] 所述保護膜30形成在第一電極21和第二電極22中的、與水等這樣的導致電極的 腐蝕的外部物質相接的電極（在本實施例的情況下，第一電極21)上，從而保護電極21不 受外部物質的破壞。
[0039] 所述保護膜30作為由熱穩定性、耐電壓特性、耐化學性及耐久性優異的高分子 物質構成的高分子層，從而保護第一電極21不受由與電極直接接觸的外部物質導致的電 氣-化學腐蝕或機械磨損。
[0040] 所述保護膜30由聚酰亞胺（polyimid)或特氟龍（teflon)等高分子物質形成， 考慮機械磨損和耐腐蝕性，優選形成為至少1 μ m的厚度，考慮超聲波能源衰減等，形成為 200 μ m以下的厚度。在考慮衰減的情況下，厚度優選為超聲波波長的1/4以內。
[0041] 所述粘結劑40是為了粘貼并固定保護膜而追加在第一電極21與保護膜30之間 而使用。關于粘結劑40物質，優選為衰減少的物質，可以是作為環氧（epoxy)樹脂系列的 熱硬化性樹脂或紫外線（UV，ultraviolet)硬化性樹脂。粘結劑40的厚度可以是約Ιμπι 至50 μ m的厚度。
[0042] 在本實施例中，為了將保護膜30配置在第一電極21上而使用了粘結劑40，但與此 不同地，可在替代例中省略粘結劑40。在該情況下，利用旋涂法（spin coating)等而形成 保護膜30。即，將液體狀態的聚酰亞胺或特氟龍這樣的高分子物質涂布在第一電極21的所 希望的部分之后進行干燥，從而能夠直接將具備所希望的厚度的保護膜30配置在第一電 極21上。
[0043] 在將具備本發明的實施例的結構的壓電元件100安裝在超聲波加濕器時，其動作 如下。
[0044] 首先，在以保護膜30與水接觸的方式將壓電元件100安裝到加濕器內之后，用橡 膠等來保護壓電元件1〇〇的邊緣部分。由此，對第二電極22所在的壓電陶瓷部10的后面 和側面進行保護，以使其不受水的干擾，并且位于壓電陶瓷部10的前面的保護膜30與盛在 水槽內的水接觸。
[0045] 然后，當通過第一及第二電極21，22而向壓電陶瓷部10施加了具備彼此不同的極 性的電壓時，根據電氣-機械共振現象而產生超聲波并散發到壓電陶瓷部10的外部。
[0046] 這樣的超聲波通過第一電極21和保護膜30而在水槽內的水中發生振動。此時， 當隨著水分子通過由超聲波引起的振動而相互碰撞，在水分子之間傳遞振動，通過超聲波 產生的振動傳遞到水的表面為止時，位于水的表面的水粒子以微細的顆粒狀態蹦出到水表 面上，由此保濕噴霧（mist)飛散到大氣中。
[0047] 所述保護膜30防止由于在如上述的振動過程中發生的空穴（cavitation)現象而 產生的電極的剝離現象，防止由侵蝕作用導致的腐蝕，增加壓電元件100的壽命。
[0048] 〈實施例2>
[0049] 圖4至圖10是本發明的一實施例的壓電元件100的制造方法。圖4表示形成壓 電陶瓷部10的過程，將原料粉末加壓成型而成型為盤形態。
[0050] 原料粉末作為鈦酸鋯石酸鉛（PZT)系物質，將PbO、Zr02、Ti0 2、Ti02、Mn203、Sb20 3、 或NiO等的氧化物按照預定的配合比來混合。此時，為了提高燒結性，并提高品質系數，添 加約0. 1重量百分比至20重量百分比的Nb205和Μη02這樣的添加劑。
[0051] 在約1100°C至1300°C的溫度下，對成型體進行約30分鐘至3小時的燒結。
[0052] 然后，如圖 5 至圖 8 圖示，通過網版印刷法（screen printing)， 在壓電陶瓷部10的前面、側面及后面的相應位置涂敷銀焊膏（Ag paste)這樣的導電性焊 膏（conductive paste)，然后進行干燥，從而形成第一電極211及第二電極221圖案。
[0053] 將干燥的第一及第二電極221，222在約700°C至800°C的溫度下進行約10分鐘的 熱處理，然后在壓電陶瓷部10粘貼第一電極21和第二電極22 (圖9)。
[0054] 然后，將具備第一及第二電極21，22的壓電陶瓷部10浸泡到110至120°C的硅油 (silicon oil)中，然后向第一電極21和第二電極22施加約10分鐘的約2kV/mm至3kV/ mm的電壓，并且為表現壓電陶瓷部10的壓電效果而進行分極（poling)處理。
[0055] 然后，如圖10所示，在由高分子物質構成的保護薄膜31的一面涂布環氧樹脂系列 的粘結劑40,然后將涂布有粘結劑40的保護薄膜31以與第一電極21的前面的大小和形狀 匹配的方式切割之后配置在第一電極21的前面上，然后加壓的同時進行熱處理而形成保 護膜30。此時，所切割的保護薄膜31的形狀和大小根據用于配置保護薄膜31的第一電極 21部分的形狀和大小而不同，并粘貼在與保護薄膜31相接的第一電極21的面的全部或一 部分上。
[0056] 在使用粘結劑40已被粘貼在所希望的表面的保護薄膜31的情況下，可省略在保 護薄膜31上粘貼粘結劑40的步驟。
[0057] 保護薄膜31由聚酰亞胺或特氟龍構成，形成為約1 μ m至200μπι的厚度，粘結劑 40形成為約1 μ m至50 μ m的厚度。
[0058] 為加壓而施加在保護薄膜31上的壓力為約IMPa程度，為進行保護薄膜31與第一 電極21之間的粘貼而硬化粘結劑40的熱處理工序是在約80°C至200°C的溫度下進行約10 分鐘至2小時。
[0059] 用于形成保護膜30的保護薄膜31的耐化學性和耐熱性優異，并且根據溫度變化 而產生的特性變化少，電絕緣特性優異。另外，彎曲性優異，因此具有容易成型為所希望的 形狀，并容易配置到所希望的位置的特性。
[0060] 作為形成保護膜的另一實施例，可以使用在高分子薄膜形成有粘接劑的粘接帶而 進行粘貼。高分子薄膜由滌綸或賽璐珞形成，作為粘接劑有熱熔膠（hotmelt)等。
[0061] 可將液態的高分子通過噴涂（spray coating)、旋涂（spin coating)、絲網印刷 (screenprinting)而涂布到電極上，由此形成保護膜。
[0062] 保護膜的另一形成方法為在腔室中將高分子氣化并沉積而形成。
[0063] 〈實驗例1>
[0064] 然后，對實驗例1進行說明，在實驗例1中對本發明的實施例的壓電元件100與比 較例的壓電元件之間的性能進行實驗，并記載了其結果。
[0065] 在本實驗例1中，將實施例和比較例的壓電元件安裝在相同的超聲波加濕器，每 小時利用加濕器的噴霧量而對實施例和比較例的壓電元件的性能進行了比較。
[0066] 關于用于驅動加濕器的電壓，使用了比為了進行加濕實驗而一般用來驅動加濕器 的電壓（例如，約38V)高的電壓，例如約60V，作為噴霧物質使用了自來水。
[0067] 實施例和比較例的壓電元件除了保護膜的材料之外具備相同的結構。例如，在實 施例的情況下，保護膜由高分子物質中的聚酰亞胺構成，比較例1的保護膜由不銹鋼構成， 比較例2的保護膜由TiN構成，比較例2的保護膜是利用了 Ni的鍍金膜。此時，在實施例 和第一至第三比較例中使用的加濕器的驅動時間為1，〇〇〇小時。
[0068] 然后，[表1]表示實施例和比較例1至3的實驗結果。
[0069] [表 1]
[0070]

【權利要求】
1. 一種壓電振子，其特征在于，該壓電振子包括： 盤形的壓電體，其將電信號轉換為機械振動； 電極，其為施加電信號而形成在所述壓電體的兩面上；以及 保護膜，其由高分子物質來保護所述電極的兩面中的至少一面。
2. 根據權利要求1所述的壓電振子，其特征在于， 所述壓電振子在與液體接觸的面上形成所述保護膜。
3. 根據權利要求1所述的壓電振子，其特征在于， 所述保護膜是高分子薄膜。
4. 根據權利要求1或3所述的壓電振子，其特征在于， 所述高分子物質是聚酰亞胺或特氟龍。
5. 根據權利要求1或3所述的壓電振子，其特征在于， 在所述電極與保護膜之間還包含粘結劑層。
6. 根據權利要求5所述的壓電振子，其特征在于， 所述粘結劑是環氧樹脂。
7. -種壓電振子的保護膜形成方法，其特征在于，該方法包括： 準備將電信號轉換為機械振動的盤形的壓電體的步驟； 在所述壓電體的兩面形成電極的步驟；以及 形成由高分子物質來保護所述電極的至少一面的保護膜的步驟。
8. 根據權利要求7所述的壓電振子的保護膜形成方法，其特征在于，將高分子薄膜按 照電極的形狀切割并粘貼而形成所述保護膜。
9. 根據權利要求8所述的壓電振子的保護膜形成方法，其特征在于，使用粘結劑而在 所述電極上粘貼保護膜。
10. 根據權利要求7所述的壓電振子的保護膜形成方法，其特征在于，使用粘貼了粘接 劑的粘接帶而形成所述保護膜。
11. 根據權利要求7所述的壓電振子的保護膜形成方法，其特征在于，由液態的高分子 形成所述保護膜。
【文檔編號】H01L41/02GK104247064SQ201280072520
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年12月14日 優先權日:2012年7月5日
【發明者】李元慶, 李忠國 申請人:列特龍株式會社