單片壓電換能器及其制作方法
【專利摘要】本發明提供一種單片壓電換能器及其制作方法。該換能器包括呈圓形或正多邊形的壓電片，壓電片的上、下表面第一叉指電極和第三叉指電極，壓電片上、下表面還分別設置有第二叉指電極和第四叉指電極，且至少兩個第二分電極和第四分電極在壓電片的上表面和下表面分別與至少兩個第一分電極和第三分電極交錯設置；壓電片在施加在第一叉指電極和第二叉指電極，以及第三叉指電極和第四叉指電極之間的直流電壓作用下，在壓電片上、下表面壓電層分別形成交叉極化區域。本發明提供的壓電換能器結構簡單，實現方便，可作為壓電彎曲運動驅動器使用，或反之可作為傳感器，感應聲波、壓力、振動、等產生的彎振動或彎位移，且可在高低溫惡劣環境下工作。
【專利說明】單片壓電換能器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及壓電器件技術，尤其涉及一種工作在縱壓電、彎運動模式的單片壓電換能器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]壓電換能器是利用壓電材料的正、逆壓電效應制作的智能器件，具有尺寸小、線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率響應好、能耗低、無噪聲等特點，在精密光學、微型機械、微電子技術等高新【技術領域】得到了廣泛應用。
[0003]在現有技術中，作為壓電換能器中常見的剛性位移驅動器，主要包括多層式驅動器、彩虹式(Rainbow)驅動器、月牙式(Moonie)驅動器、鈸式(Cymbals)驅動器以及單(雙)晶片驅動器等；并且，可通過將壓電換能器設計工作在彎-張運動模式，以獲得較大的位移量，將壓電體產生的微小位移放大成一個彈性片大的彎曲位移,例如常見的Rainbow驅動器、Moonie驅動器和Cymbals驅動器等。
[0004]但是，彎-張運動模式換能器結構相對較為復雜;傳統單(雙)晶片驅動器是將一個或兩個壓電片與一個金屬彈性片復合成懸臂梁結構，通過壓電片沿縱軸方向的不對稱伸縮，直接獲得較大的彎曲位移。這種換能器具有結構簡單、位移量大等優點，但它們的制作需要用到有機粘結劑將不同片狀材料復合在一起，不適宜于極端苛刻環境，例如高、低溫環境下使用，另外，由于現有換能器均利用的是橫向低壓電系數d31模式工作，壓電驅動性能較差。
[0005]綜上，現有壓電驅動器通常采用層狀結構，壓電器件的結構復雜，制作工藝復雜，制作成本高；同時，因層狀結構的結合部分限制，導致壓電驅動器環境的適應性較差，特別是高溫或低溫環境下使用受到限制。
【發明內容】
[0006]本發明提供一種單片壓電換能器及其制作方法，以有效克服現有層狀結構壓電器件存在的結構復雜以及環境適應性較差的缺陷，簡化壓電換能器的結構和制作工藝，提高壓電換能器的環境適應性。
[0007]本發明提供一種單片壓電換能器，包括:
[0008]呈圓形或正多邊形的壓電片，所述壓電片的上表面和下表面分別設置有第一叉指電極和第三叉指電極，所述第一叉指電極和第三叉指電極上下對稱設置，所述第一叉指電極具有至少兩個第一分電極，第三叉指電極具有至少兩個第三分電極；
[0009]所述壓電片的上表面和下表面還分別設置有上下對稱設置的第二叉指電極和第四叉指電極，所述第二叉指電極和第四叉指電極分別具有至少兩個第二分電極和第四分電極，每個第一分電極、每個第二分電極、每個第三分電極和每個第四分電極均關于所述壓電片的中心軸呈中心對稱，且所述至少兩個第二分電極和第四分電極在所述壓電片的上表面和下表面分別與所述至少兩個第一分電極和第三分電極交錯設置；[0010]所述壓電片分別通過施加在所述第一叉指電極和第二叉指電極之間，以及第三叉指電極和第四叉指電極之間的直流電壓作用下，在所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層分別形成交叉極化區域。
[0011]本發明還提供一種單片壓電換能器的制造方法，包括:
[0012]在壓電片的上表面設置第一叉指電極和第二叉指電極，在所述壓電片的下表面設置第三叉指電極和第四叉指電極，其中，所述第一叉指電極和第三叉指電極上下對稱設置，所述第二叉指電極和第四叉指電極上下對稱設置，所述第一叉指電極、第二叉指電極、第三叉指電極和第四叉指電極分別具有至少兩個第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極，所述第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極均關于所述壓電片的中心軸呈中心對稱，且所述至少兩個第二分電極和第四分電極在所述壓電片的上表面和下表面分別與所述至少兩個第一分電極和第三分電極交錯設置；
[0013]在所述第一叉指電極和第二叉指電極之間、以及第三叉指電極和第四叉指電極之間施加直流電壓，對所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層進行交叉極化，使所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層分別形成至少兩個交叉極化區域。
[0014]本發明提供的單片壓電換能器采用單層壓電片結構，通過在壓電片表面制作叉指電極，并進行交叉極化，可使得壓電片上下表面層工作在縱向壓電d33模式，且可沿壓電片徑向不對稱伸縮而產生厚度方向的彎曲變形；這相對現有技術中采用工作于橫向壓電d31模式的壓電換能器而言，由于d33的值在d31的兩倍以上，因此作為驅動器時可以更有效的產生彎曲振動或彎位移；由于壓電片的叉指電極結構相對層狀結構的電容量要小得多，在同等電壓驅動條件下所消耗的功率會更少；同時，作為傳感器時，壓電片上下表面的叉指電極在彎應變作用下可產生一對差分輸出信號，具有更高的傳感靈敏度；此外，由于本發明提供的單片壓電換能器是非層狀的壓電單片結構，無需使用現有技術中中多層結構中有機粘接劑等不耐高、地溫的材料，所以具有更好的環境溫度變化適應性、進而可以適用于高溫或低溫等極端環境。另外，本發明提供的壓電換能器結構簡單，制作方便，還可有效降低制作成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明壓電換能器實施例中壓電片的立體透視結構示意圖；
[0016]圖2為本發明壓電換能器實施例的上表面電極分布意圖；
[0017]圖3為本發明壓電換能器實施例的下表面電極分布示意圖；
[0018]圖4A為本發明實施例中壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層中所產生的沿圖2或圖3中A-A向截面上交叉極化區域分布的一種示意圖；
[0019]圖4B為本發明實施例中壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層中所產生的沿圖2或圖3中A-A向截面上的交叉極化區域分布的另一種示意圖；
[0020]圖4C為與圖4B對應的壓電片下表面交叉極化區域分布示意圖；
[0021]圖5為本發明實施例提供的壓電換能器在電壓驅動下產生的彎變形示意圖；
[0022]圖6為本發明壓電換能器的制造方法實施例的流程示意圖。
【具體實施方式】[0023]圖1為本發明壓電換能器實施例中壓電片的立體透視結構示意圖；圖2為本發明壓電換能器實施例的上表面電極分布示意圖；圖3為本發明壓電換能器實施例的下表面電極分布示意圖；如圖1-圖3所示，本實施例提供一種壓電換能器，包括:呈圓形或正多邊形的壓電片1，壓電片I的上表面和下表面分別設置有第一叉指電極21和第三叉指電極23，第一叉指電極21和第三叉指電極23上下對稱設置，即第一驅動叉指電極21和第二驅動叉指電極22關于壓電片I厚度中面對稱設置；第一叉指電極21具有至少兩個第一分電極211，第三叉指電極23具有至少兩個第三分電極233 ;壓電片I的上表面和下表面還分別設置有上下對稱設置的第二叉指電極22和第四叉指電極24，即第一驅動叉指電極21和第二驅動叉指電極22也關于壓電片I厚度中面對稱設置，第二叉指電極22和第四叉指電極24分別具有至少兩個第二分電極222和第四分電極244 ;每個第一分電極211、每個第二分電極222、每個第三分電極233和每個第四分電極244關于壓電片I的中心軸10呈中心對稱，且至少兩個第二分電極222和第四分電極244在壓電片I的上表面和下表面分別與至少兩個第一分電極211和第三分電極233交錯設置；壓電片I分別通過施加在第一叉指電極21和第二叉指電極22之間，以及第三叉指電極23和第四叉指電極24之間的直流電壓作用下，在壓電片I的上表面壓電層和下表面壓電層分別形成交叉極化區域20。
[0024]本領域技術人員可以理解，上述的叉指電極為一個主電極上，分布有多個沿同樣方式布置的多個分支的分電極。具體地，分電極的形狀可以與壓電片I的形狀相匹配，例如，當壓電片I為正方形時，第一分電極211、第二分電極222、第三分電極233和第四分電極244可以為帶有缺口的呈正方形；或者，當壓電片I為圓形時，第一分電極211、第二分電極222、第三分電極233和第四分電極244可以為帶有缺口的圓形，如圖2中第一叉指電極21和第二叉指電極22的結構。本實施例中，至少兩個第二分電極222和第四分電極244在壓電片I的上表面和下表面分別與至少兩個第一分電極211和第三分電極233交錯設置是指，第一分電極211和第二分電極222間隔設置，第三分電極233和第四分電極244間隔設置，且第一分電極211和第二分電極222上的缺口可相互背離，以使第一分電極211和第二分電極222分隔成的環狀區域通過這些開口相互連通，進而在極化后產生由壓電片I表面中心(中心軸10對應位置)向周圍邊緣呈螺旋狀延伸的極化區域。另外，需進一步說明的是，上表面壓電層(下表面壓電層)是指，在直流電壓極化作用下形成的由壓電片上表(壓電片下表面)在壓電片I厚度方向上延伸一定厚度的立體區域，而不是僅僅指壓電片的表面。
[0025]本實施例壓電換能器為單壓電片結構，可作為壓電驅動器，通過在壓電片的上表面和下表面分別設置叉指電極，并在壓電片的表面形成由中心到周圍邊緣徑向的交叉電極化，這樣，在施加在各驅動叉指電極的激勵電壓作用下，壓電片上、下壓電層可工作在縱向壓電d33模式，但沿壓電片徑向不對稱伸縮，從而可導致壓電片產生厚度方向的彎振動或彎曲變形；其中當壓電片為正多邊形時，徑向指沿該正多邊形的外接圓半徑方向)。
[0026]圖4A為本發明實施例中壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層中所產生的沿圖2或圖3中A-A向截面上交叉極化區域分布的一種示意圖；本實施例中，在壓電片I的上表面的第一叉指電極21和第二叉指電極22之間、以及壓電片I的下表面的第三叉指電極23和第四叉指電極24之間分別施加合適的直流電壓，就可以在壓電片I的上、下表面壓電層中分別形成沿徑向交叉極化區域20 ;具體地，可在如圖1-圖3所示的第一叉指電極21上施加第一極化電壓VI，在第二叉指電極22上施加第二極化電壓V2，在第三叉指電極23上施加第三極化電壓V3，在第四叉指電極上施加第四極化電壓V4，且使施加在第一叉指電極21和第二叉指電極22之間電壓等于施加在第三叉指電極23和第四叉指電極24之間的電壓，經一定時間后形成極化區域20。
[0027]優選地，可使V1=V3>0，V2=V4=0，即第一叉指電極21和第三叉指電極23上施加相同的電壓，這樣，在壓電片I上表面的各相鄰的兩個第一分電極與第二分電極之間就會產生沿徑向呈弧線狀的電極化分布；同時，在壓電片I下表面各相鄰的兩個第三分電極與第四分電極之間也產生與上表面關于壓電片厚度中線C-C'呈對稱的電極化分布。
[0028]圖4B為本發明實施例中壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層中所產生的沿圖2或圖3中A-A向截面上的交叉極化區域分布的另一種示意圖；施加在第一叉指電極21和第二叉指電極22之間電壓等于施加在第三叉指電極23和第四叉指電極24之間的電壓，但與上述圖4A不同的是，在壓電片I的上下表面相對位置形成的電極化方向是相反的。例如，在施加電壓形成交叉極化區域20時，使施加的電壓V2=V4=0，Vl=-V3，這樣，上下壓電層中弧形狀電極化分布是關于壓電片厚度中線C-C'反對稱分布，如圖4B所示，此時，壓電片I下表面上的交叉極化區域分布如圖4C所示，其中箭頭方向代表極化方向。[0029]本實施例中壓電片所采用的壓電材料可以是任何具有壓電效應的材料。例如，鋯鈦酸鉛壓電材料，鈦酸鋇、鈮酸鉀鈉等無鉛壓電材料，鈦酸鉍鈉等鉍系高居里點壓電材料，或者鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛材料等高性能壓電單晶材料。
[0030]本實施例提供的壓電換能器可以作為驅動器或傳感器使用。當本實施例提供的壓電換能器作為壓電驅動器使用時，在施加在第一叉指21電極21和第二叉指電極22之間、以及第三叉指電極23和第四叉指電極24之間的激勵電壓作用下，壓電片驅動器可產生所需要的沿厚度方向彎曲變形或徑向的伸縮變形。設施加在第一叉指電極21的激勵電壓為Vl/，施加在第二叉指電極22的激勵電壓為V2'，施加在第三叉指電極23的激勵電壓為V3'，施加在第四叉指電極24的激勵電壓為V4'。
[0031]在圖4A所示的壓電片的極化效果情況下，若V2=V4≥0，且V1=V3〈0，那么壓電片就會沿徑向縮短；SV2=V4 ( 0，且V1=V3>0，那么壓電片就會沿徑向收縮；gVl=-V3，V2=-V4，且Vl古V2，或者，Vl ^ V3, V2=V4，那么壓電片就會因上表面壓電層和下表面壓電層沿徑向的不對稱應變，產生厚度方向的彎曲變形，如圖5所示。這種不對稱驅動產生彎應變的方法，因克服了層狀結構換能器的界面應變損耗，可使得壓電驅動器具有更好的驅動效果。
[0032]進一步地，若V2和V4均接地、Vl和V3為同相位且幅值相等的交流電壓，則壓電片就會產生沿徑向、按交流電壓變化規律的伸縮運動；gvi和V3為反相位的交流電壓(也可以有預偏置電壓)，則壓電片就會產生沿厚度方向的彎振動，由此，通過選擇合適的Vl和V3就可以實現壓電片沿縱向方向的振動，或沿厚度方向的彎曲振動，從而實現驅動器的特定驅動功能。
[0033]類似地，在圖4B所示的壓電片的極化效果情況下，若V1=_V3〈0，且V2=_V4≥0，那么壓電片就會沿徑向伸長；若Vl = -V3>0, V2=-V4 ( O那么壓電片就會沿徑向收縮；若V1=V3，V2=V4，且Vl Φ V2，或V1-V2關-(V3-V4)，由于壓電片上、下表面的伸長或收縮量不同，則壓電片就會產生沿厚度方向的彎曲變形，這是另一種不對稱驅動所產生的彎應變方法。因此，若V2和V4均接地、Vl和V3為反相位且幅值相等的交流電壓時，壓電片就會產生沿徑向、按交流電壓變化規律的伸縮運動；若Vl和V3為同相位的交流電壓(也可以有預偏置電壓)時，壓電片就會產生沿厚度方向的彎曲振動，從而可以更方便的實現壓電驅動器的彎應變特定驅動功能。
[0034]可以看出，本實施例壓電換能器作為壓電驅動器使用時，可在施加在各驅動叉指電極的電壓作用下，利用逆壓電效應，實現壓電驅動器的特定變形和振動功能，將電能轉換為機械能。同時，壓電換能器中的壓電片為單片結構，且交叉極化，壓電片可工作于縱向壓電d33模式。由于壓電片的縱向壓電系數d33通常是橫向壓電系數d31的兩倍，因此，壓電片工作在縱向壓電d33模式下，具有更好的壓電驅動性能，可獲得更好的驅動效果。
[0035]另外，當本實施例提供的壓電換能器作為傳感器使用時(例如聲波測試傳感器、壓力測試傳感器、振動測試傳感器或加速度測試電傳感器)，其具體工作過程可以為驅動器工作的逆過程，即當壓電傳感器受到外力作用時，因彎應變可產生電壓，從而通過檢測電壓的大小，就可確認外力的大小。具體地，當作為壓電傳感器使用時，將壓電片的一端固定，并可將第二叉指電極22和第四叉指電極24短接后接地，第一叉指電極21和第三叉指電極23分別作為信號輸出端連接到示波器或電壓計，在壓電片I的另一端或中部施加不同形式和大小的外力，觀察并記錄所測到的電壓輸出，根據測到的電壓值的大小，就可以獲得施加在壓電片上的壓力大小信息。
[0036]本發明的單片壓電傳感器，具有較好的低頻率響應和較高的檢測精度，可實現力、聲、加速度精密傳感功能。
[0037]圖6為本發明壓電換能器的制造方法實施例的流程示意圖。本實施例制作方法可制備得到圖1-圖5所示實施例提供的壓電換能器，具體地如圖6所示，可包括以下步驟:
[0038]步驟101、在壓電片的上表面設置第一叉指電極和第二叉指電極，在所述壓電片的下表面設置第三叉指電極和第四叉指電極，其中，所述第一叉指電極和第三叉指電極上下對稱設置，所述第二叉指電極和第四叉指電極上下對稱設置，所述第一叉指電極、第二叉指電極、第三叉指電極和第四叉指電極分別具有至少兩個第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極，所述第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極均關于所述壓電片的中心呈中心對稱，且所述至少兩個第二分電極和第四分電極在所述壓電片的上表面和下表面分別與所述至少兩個第一分電極和第三分電極交錯設置；
[0039]步驟102、在所述第一叉指電極和第二叉指電極之間、以及第三叉指電極和第四叉指電極之間施加直流電壓，對所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層進行交叉極化，使所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層分別形成至少兩個交叉極化區域。
[0040]上述步驟101之前，還可可從大面積的壓電片上切割得到所需尺寸的壓電片，并對壓電片進行磨片、超聲清洗和干燥，以確保壓電片的制作精度和效果。
[0041]上述步驟101中，可利用事先制作好的掩膜板，在壓電片表面濺射、蒸鍍或印制出所述第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極，且電極的材料可以是金或銀，并在制作叉指電極后，檢測電極的導通性，以確保制作效果；還可分別在壓電片的上、下表面上通過燒銀或錫焊等方法設置第一引線和第二引線，以通過第一引線將至少兩個第一分電極串接在一起形成所述第一叉指電極，通過第二引線將至少兩個第二分電極串接在一起形成所述第而叉指電極，通過第三引線將至少兩個第三分電極串接在一起形成所述第三叉指電極，通過第四引線將至少兩個第四分電極串接在一起形成所述第四叉指電極。[0042]上述步驟102中，對壓電片進行極化時，施加在各叉指電極上的電壓可參見上述本發明裝置實施例的說明，在此不再贅述。
[0043]通過上述步驟就可以制作如圖1-圖4B所示的壓電換能器，其可以作為壓電驅動器，將電能轉換為機械能，或者作為傳感器，檢測外力，具體實現可參見上述本發明裝置實施例的說明，在此不再贅述。
[0044]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
【權利要求】
1.一種單片壓電換能器，其特征在于，包括: 呈圓形或正多邊形的壓電片，所述壓電片的上表面和下表面分別設置有第一叉指電極和第三叉指電極，所述第一叉指電極和第三叉指電極上下對稱設置，所述第一叉指電極具有至少兩個第一分電極，所述第三叉指電極具有至少兩個第三分電極； 所述壓電片的上表面和下表面還分別設置有上下對稱設置的第二叉指電極和第四叉指電極，所述第二叉指電極和第四叉指電極分別具有至少兩個第二分電極和第四分電極，每個第一分電極、每個第二分電極、每個第三分電極和每個第四分電極關于所述壓電片的中心軸呈中心對稱，且所述至少兩個第二分電極和第四分電極在所述壓電片的上表面和下表面分別與所述至少兩個第一分電極和第三分電極交錯設置； 所述壓電片分別通過施加在所述第一叉指電極和第二叉指電極之間，以及第三叉指電極和第四叉指電極之間的直流電壓作用下，在所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層分別形成交叉極化區域。
2.根據權利要求1所述的單片壓電換能器，其特征在于，施加在所述第一叉指電極和第二叉指電極之間電壓等于施加在所述第三叉指電極和第四叉指電極之間的電壓差。
3.根據權利要求2所述的單片壓電換能器，其特征在于，所述第一叉指電極和第二叉指電極上分別為第一極化電壓Vl和第二極化電壓V2，所述第三叉指電極和第四叉指電極上分別為第三極化電壓V3和第四極化電壓V4 ； 其中V2=V4=0，且V1=V3 ;或者
V2=V4=0，且 Vl=-V3。
4.根據權利要求1或2或3所述的單片壓電換能器，其特征在于，所述單片壓電換能器為壓電驅動器，在施加在所述第一叉指電極與第二叉指電極之間、以及施加在第三叉指電極和第四叉指電極之間的激勵電壓作用下，通過所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層的縱向壓電d33模式和沿縱軸方向的上表面和下表面的不對稱應變，使所述壓電片產生沿厚度方向的彎曲振動或彎位移。
5.根據權利要求4所述的單片壓電換能器，其特征在于，所述第一分電極、第二分電極、第三分電極及第四分電極為呈與所述壓電片的形狀相同的圓形或正多邊形。
6.根據權利要求5所述的單片壓電換能器，其特征在于，所述第二叉指電極和第四叉指電極通過電極引線連接形成公共電極。
7.根據權利要求6所述的單片壓電換能器，其特征在于，所述單片壓電換能器為聲波測試傳感器、壓力測試傳感器、振動測試傳感器或加速度測試傳感器。
8.一種單片壓電換能器的制造方法，其特征在于，包括: 在壓電片的上表面設置第一叉指電極和第二叉指電極，在所述壓電片的下表面設置第三叉指電極和第四叉指電極，其中，所述第一叉指電極和第三叉指電極上下對稱設置，所述第二叉指電極和第四叉指電極上下對稱設置，所述第一叉指電極、第二叉指電極、第三叉指電極和第四叉指電極分別具有至少兩個第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極，所述第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極均關于所述壓電片的中心軸呈中心對稱，且所述至少兩個第二分電極和第四分電極在所述壓電片的上表面和下表面分別與所述至少兩個第一分電極和第三分電極交錯設置； 在所述第一叉指電極和第二叉指電極之間、以及第三叉指電極和第四叉指電極之間施加直流電壓，對所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層進行交叉極化，使所述壓電片的上表面壓電層和下表面壓電層分別形成至少兩個交叉極化區域。
9.根據權利要求8所述的單片壓電換能器的制造方法，其特征在于，在所述壓電片的上表面和下表面，分別通過濺射或蒸鍍或印刷方式制作所述第一分電極、第二分電極、第三分電極和第四分電極； 通過第一引線將至少兩個第一分電極串接在一起形成所述第一叉指電極，通過第二引線將至少兩個第二分電極串接在一起形成所述第而叉指電極，通過第三引線將至少兩個第三分電極串接在一起形成所述第三叉指電極，通過第四引線將至少兩個第四分電極串接在一起形成所述第四叉指電極。
【文檔編號】H01L41/257GK103943772SQ201310020999
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月21日 優先權日:2013年1月21日
【發明者】董蜀湘, 陳建國 申請人:北京大學