一種基于單晶面切模式的壓電變壓器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓電變壓器，具體涉及一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，屬于能源技術領域。
【背景技術】
[0002]壓電變壓器作為一種新型電子器件，與傳統的鐵芯線繞電磁變壓器相比，具有體積小、使用時不擊穿、無電磁干擾，且結構簡單，易批量生產等優點。在緊湊的AC/DC或DC/DC適配器/轉換器/充電器、通信設備、個人計算機、熒光燈鎮流器、便攜式電源充電器、液晶顯示背景光源中有著潛在的應用前景。
[0003]經對現有技術的文獻檢索發現，2008年，夏定豪申請了基于徑向振動的壓電變壓器的專利《一種徑向振動壓電變壓器及其制備方法》(專利申請號:200810118024.1)，其不足在于:徑向K31模式機電耦合效率低，體積大且需要高驅動電壓，易引起高的溫升。2010年，中山大學黃以華等申請了專利《一種彎曲振動型壓電變壓器》(專利申請號:201010183331.5)。其不足在于:該壓電變壓器也是基于K31模式，機電耦合效率低，體積大且需要高驅動電壓，易引起高的溫升。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有技術的不足以及工程應用的需要，提出一種基于壓電單晶k36面切模式的低壓高效驅動的壓電變壓器，利用高機電耦合系數和壓電系數的新型壓電單晶材料制成。具體技術方案為:
[0005]一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，包括面切模式壓電單晶片、第一電極、第二電極和第三電極，面切模式壓電單晶片具有平行的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面均為正方形；在第一表面上設有相互電氣絕緣的第一電極和第二電極，第一電極位于第一表面的外部，第二電極位于第一表面的中部，第一電極和第二電極之間是絕緣區；在第二表面上設有第三電極。第二電極為圓形或者正方形，相應的絕緣區為環形或者回形。工作時，第一電極為輸入電極，第二電極為輸出電極；或者，第二電極為輸入電極，第一電極為輸出電極。第三電極始終為接地電極。當在輸入電極施加一定頻率的激勵信號時，壓電單晶片激發出k36面切模式的機械振動，并在輸出電極輸出能量。
[0006]優選地，面切模式壓電單晶片的材料為[011]。極化、±45°切向的PZN-PT、PMN-PT, PIN-PMN-PT、摻錳PMN-PT或摻錳PIN-PMN-PT鐵電單晶材料中的任一種。
[0007]優選地，第一電極、第二電極、第三電極均由金或銀制成。通過化學沉積、真空濺射鍍膜或噴涂的方式將金或銀轉移到第一表面或第二表面形成電極。
[0008]與現有的工作在K31模式壓電變壓器相比，本發明利用新型壓電單晶材料[011]。極化的面切模式具有超大壓電系數、高功率密度和高機電耦合系數的優勢，設計得到低壓高效低熱驅動的單晶面切模式壓電變壓器，該壓電變壓器具有較高機電耦合系數和功率密度、較低的工作頻率、低的激勵電壓和發熱量。尤其適用于緊湊的AC/DC適配器/轉換器/充電器、通信設備、個人計算機、液晶顯示背景光源等應用場合。
[0009]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明面切模式壓電單晶片的坐標示意圖；
[0011]圖2為本發明一個較佳實施例的基于面切模式的壓電變壓器的俯視示意圖；
[0012]圖3為圖2所示壓電變壓器沿剖面線2B-2B剖開后的剖視結構示意圖；
[0013]圖4為本發明另一個較佳實施例的基于面切模式的壓電變壓器的俯視示意圖；
[0014]圖5為圖4所示壓電變壓器沿剖面線3B-3B剖開后的剖視結構示意圖；
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0016]圖1為面切模式壓電單晶片的坐標示意圖。面切模式壓電單晶片的長度、寬度和厚度方向分別是沿[011]。、[100]。和[011]。方向，極化方向[011]。被定義為坐標軸Z，[011]。和[100]。方向分別被定義為坐標軸X和Y。所有的材料常數符號都是基于該正交坐標系。
[0017]如圖2至圖5所示，基于單晶面切模式的壓電變壓器包括面切模式壓電單晶片3、第一電極1、第二電極2和第三電極4，面切模式壓電單晶片3作為鐵電弛豫器件。面切模式壓電單晶片3的材料為[011]。極化、±45°切向的PZN-PT、PMN-PT, PIN-PMN-PT、摻錳PMN-PT或摻錳PIN-PMN-PT鐵電單晶材料中的任一種。圖3和圖5中的箭頭5所指的是單晶材料的極化方向。
[0018]面切模式壓電單晶片3具有平行的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面垂直于[011]方向，第一表面和第二表面均為正方形。在第一表面上設有相互電氣絕緣的第一電極I和第二電極2，第一電極I位于第一表面的外部，第二電極2位于第一表面的中部，第一電極I和第二電極2之間是絕緣區。在第二表面上設有第三電極4。第二電極2為圓形(如圖2)或者正方形(如圖4)，相應的絕緣區為環形或者回形。第二電極2、第一電極1、第三電極4均由金或銀制成，通過化學沉積、真空濺射鍍膜或噴涂的方式將金或銀轉移到第一表面或第二表面形成電極。
[0019]本實施例具體工作的實現包括以下過程:
[0020]當第一電極I作為輸入電極，施加一定頻率的激勵信號時，壓電單晶片3激發出k36面切模式的機械振動，并在第二電極2作為輸出電極輸出能量，這時，該變壓器作為升壓變壓器，第三電極4為接地電極。當第二電極2作為輸入電極，施加一定頻率的激勵信號時，壓電單晶片3激發出k36面切模式的機械振動，并在第一電極I作為輸出電極輸出能量，這時該變壓器作為降壓變壓器，第三電極4仍為接地電極。
[0021]通過改變該壓電變壓器的輸入激勵信號強度，可以改變面切模式壓電單晶片3的機械振動幅值，進而改變壓電變壓器的輸出能量大小。通過改變輸入電極、輸出電極的面積，可以決定的該壓電變壓器的升壓比、效率和阻抗特性。本發明利用新型壓電單晶材料[011]。極化的面切模式具有超大壓電系數、高功率密度和高機電耦合系數的優勢，相比現有的工作在K31模式壓電變壓器，該壓電變壓器具有較高機電耦合系數和功率密度、較低的工作頻率、低的激勵電壓和發熱量。
[0022]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述壓電變壓器包括面切模式壓電單晶片、第一電極、第二電極和第三電極；所述面切模式壓電單晶片具有平行的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均為正方形，所述壓電單晶片能激發出k36面切模式的機械振動；在所述第一表面上設有相互電氣絕緣的所述第一電極和所述第二電極，所述第一電極位于所述第一表面的外部，所述第二電極位于所述第一表面的中部，所述第一電極和所述第二電極之間是絕緣區，在所述第二表面上設有所述第三電極。2.根據權利要求1所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第二電極為圓形，所述絕緣區為環形。3.根據權利要求2所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第一電極為輸入電極，所述第二電極為輸出電極，所述第三電極為接地電極。4.根據權利要求2所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第二電極為輸入電極，所述第一電極為輸出電極，所述第三電極為接地電極。5.根據權利要求1所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第二電極為正方形，所述絕緣區為回形。6.根據權利要求5所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第一電極為輸入電極，所述第二電極為輸出電極，所述第三電極為接地電極。7.根據權利要求5所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第二電極為輸入電極，所述第一電極為輸出電極，所述第三電極為接地電極。8.根據權利要求1-7任一項所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述面切模式壓電單晶片的材料為[011]。極化、±45°切向的PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、摻錳PMN-PT或摻錳PIN-PMN-PT鐵電單晶材料中的任一種。9.根據權利要求1-7任一項所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第一電極、所述第二電極、所述第三電極均由金或銀制成。10.根據權利要求9所述的一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，其特征在于，所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極是通過化學沉積、真空濺射鍍膜或噴涂的方式將金或銀轉移到所述第一表面或所述第二表面上制成。
【專利摘要】本發明公開了一種基于單晶面切模式的壓電變壓器，包括具有平行的第一表面和第二表面的面切模式壓電單晶片，在第一表面上設有相互電氣絕緣的第一電極和第二電極，在第二表面上設有第三電極。第一電極為輸入電極，第二電極為輸出電極；或者對調。第三電極為接地電極。當在輸入電極施加一定頻率的激勵信號時，壓電單晶片激發出k36面切模式的機械振動，并在輸出電極輸出能量。與目前的工作在K31模式或K33模式壓電變壓器相比，該壓電變壓器具有較高機電耦合系數和功率密度、較低的工作頻率、低的激勵電壓和發熱量。尤其適用于緊湊的AC/DC適配器/轉換器/充電器、通信設備、個人計算機、液晶顯示背景光源等應用場合。
【IPC分類】H01L41/107, H01L41/187
【公開號】CN104993045
【申請號】CN201510290024
【發明人】李世陽
【申請人】上海交通大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年5月31日