專利名稱：壓電陶瓷片振蕩子及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電陶瓷片裝置及其制作方法，且特別涉及一種壓電陶瓷片振蕩子及其制作方法。
背景技術：
在已知技術中，壓電陶瓷片振蕩子(PZT Transducer)可用于霧濕器，其可于水中產生超音波，推升出一水柱，由水柱與空氣界面噴出表面音波的瑞利波(Rayleigh wave)液滴，并經由風扇吹入空氣輸送出霧滴至周圍環境，霧滴飄浮在空中達到增加環境濕度的目地。液滴大小與超音波頻率有關，頻率愈高、液滴則愈小，在相同的輸送液滴裝置下則霧化
量愈小。有些已知霧濕器以超音波噴出藥物小液滴，經由鼻子吸入肺中加以吸收，達到治療疾病(如氣喘病)的功效。有些已知霧濕器以超音波噴出清潔劑液滴滲透分布于碗碟上，可用少量的水即可去除油污，達到洗碗機省水的功能。有些已知霧濕器則除了產主水滴夕卜，同時經由高壓尖端放電使產生臭氧并隨水滴飄浮空中，被人體吸收后，宣稱具有抗氧化的養生功效。已知技術中設計霧濕器著重在如何以較小的輸入電能，產生較大的霧化水滴量， 簡稱霧化量(Mist amount)，設計重點著重在液滴輸送裝置、電源與振蕩線路設計，另一方面則為避免噴霧水槽內水量逐漸減少，造成振蕩子無水下仍進行超音波振蕩，超音波能量無水傳遞出，致使振蕩子聚能過熱，超過居禮溫度后失去功能，所以設計著重在儲水液位偵測及大水槽內的水如何自動進量控制至噴霧水槽中，并使振蕩子振動面與液位維持一定的距離，或者需控制振蕩子與液位的傾斜角度、或加裝大液滴隔除導管等，以達到較大或穩定的噴霧量等。近年來，輕薄短小可攜式霧濕器需求日增，以小電能噴霧的裝置漸為發展趨勢，設計上采用壓電陶瓷片產生振動擠壓液體經由具小孔洞的金屬片產生霧滴，其訴求大都為霧濕器構造的設計，針對如何制作噴霧量大、壽命長的壓電陶瓷片振蕩子則少有文獻及專利探討。以下列舉數篇關于霧濕器振蕩子的先前技術文獻，并進行簡單的說明。1.高橋實，“超音波振動子"，R琦清、一瀨升、五十嵐秀二，大野留治、山本博孝編〃壓電陶瓷的應用"，學獻社出版，pp. 184 191(1988)。2.美國專利第4257989A號(TDK霧濕器)。3.美國專利第502170IA號(TDK振蕩子架設裝置)。4.美國專利第4976259號(醫用超音波吸療器)。5.美國專利第5757104號(振蕩子與線路最佳匹配法)。先前技術文獻1:對制作霧濕器振蕩子提出一些定性及理論的說明，未揭示振蕩子電極設計和膠粘制程等對霧化量的影響。
先前技術文獻2:揭示霧濕器的結構組合和振蕩子的電極布置，未說明振蕩子的相關制作方法及性能。先前技術文獻3:揭示振蕩子的電極布置，未說明振蕩子的相關一制作方法及性能，以符合架設裝置而獲得最大霧化量。先前技術文獻4:揭示一吸療器，其使用相同電極布置的振蕩子，但未說明如何獲得大霧化量。先前技術文獻5 揭示一振蕩子與線路最佳匹配法，其說明相同電極布置或改變電極布置的振蕩子，可匹配最佳振蕩線路獲得最大振動，但未說明振蕩子電極直徑與陶片直徑比率可獲得最大振動(霧化量)。因此，有必要提供一種創新且具進步性的壓電陶瓷片振蕩子及其制作方法，以解決上述問題。
發明內容
本發明提供一種壓電陶瓷片振蕩子，包括壓電陶瓷基材及電極單元。該壓電陶瓷基材具有相對的第一表面及第二表面，其機械質量因子(Qm)大于1400。該電極單元具有第一電極及第二電極，該第一電極設置于該第一表面上，該第一電極具有第一直徑，該第二電極覆蓋該第二表面且延伸覆蓋至該第一表面周緣的部分表面，該第二電極的覆蓋該第二表面的部分具有第二直徑，該第一直徑與該第二直徑的比率為0. 498至0. 502。本發明還提供一種壓電陶瓷片振蕩子的制作方法，包括以下步驟(a)提供壓電陶瓷基材，該壓電陶瓷基材具有相對的第一表面及第二表面，其機械質量因子(Qm)大于 1400;及(b)形成電極單元于該壓電陶瓷基材，該電極單元具有第一電極及第二電極，該第一電極設置于該第一表面上，該第一電極具有第一直徑，該第二電極覆蓋該第二表面且延伸覆蓋至該第一表面周緣的部分表面，該第二電極的覆蓋該第二表面的部分具有第二直徑，該第一直徑與該第二直徑的比率為0. 498至0. 502。由選用高機械質量因子Qm的壓電陶瓷材料(Qm > 1400)、設計壓電陶瓷材料的相對二側的第一電極直徑及第二電極直徑的比率在適當范圍，及控制設置箔片的結合材料的厚度在適當范圍下，可制作出霧化量大、使用壽命長的壓電陶瓷片振蕩子1。
圖1示出本發明壓電陶瓷片振蕩子的剖面圖；圖2示出本發明壓電陶瓷片振蕩子的俯視圖；圖3示出本發明壓電陶瓷片振蕩子的制作方法的流程圖；圖4示出2. 4MHz的壓電陶瓷片振蕩子產生的霧化量與直徑比率(0D1/0D2)的對應關系；及圖5示出本發明壓電陶瓷片振蕩子的霧化量與粘膠厚度的關系。
具體實施例方式圖1示出本發明壓電陶瓷片振蕩子的剖面圖；圖2示出本發明壓電陶瓷片振蕩子的俯視圖。配合參考圖1及2，在本實施例中，該壓電陶瓷片振蕩子為霧濕器用的壓電陶瓷片振蕩子，但不限于此應用。該壓電陶瓷片振蕩子1包括壓電陶瓷基材11、電極單元12、 箔片13及結合材料14。該壓電陶瓷基材11具有相對的第一表面111及第二表面112，該壓電陶瓷基材11的機械品質因子(Qm)大于1400。該電極單元12具有第一電極121及第二電極122，該第一電極121設置于該第一表面111上，該第一電極121具有第一直徑ODl。該第二電極122覆蓋該第二表面112且延伸覆蓋至該第一表面111周緣的部分表面，該第二電極122的覆蓋該第二表面112的部分具有第二直徑0D2。在本實施例中，該第一電極121及該第二電極122為銀電極。該第一直徑ODl與該第二直徑0D2的比率為0. 498至0. 502。該箔片13設置于該壓電陶瓷基材11的一側且與該第二表面112相對。在本實施例中，該箔片13為金屬材質。較佳地，該箔片13為不銹鋼(例如304、316不銹鋼)箔片或鈦金屬箔片，該箔片13的厚度較佳為20至30微米。在本實施例中，該結合材料14為環氧樹脂，其設置于該第二電極122與該箔片13之間。較佳地，該結合材料14的厚度小于12 微米。可理解的是，本發明的壓電陶瓷片振蕩子1可不具有箔片及結合材料，其同樣可以作動且產生振蕩功效。圖3示出本發明壓電陶瓷片振蕩子的制作方法的流程圖。配合參考圖1至3，首先，參考步驟S31，提供壓電陶瓷基材11，該壓電陶瓷基材11具有相對的第一表面111及第二表面112，其機械質量因子(Qm)大于1400。在本實施例中，步驟S31包括步驟S311，將壓電陶瓷材料配方粉煅燒后細磨調漿，并噴霧造粒形成壓電陶瓷材料顆粒；步驟S312，壓胚成型這些壓電陶瓷材料顆粒；步驟 S313，燒結壓胚后的壓電陶瓷材料；及步驟S314，平行研磨(lapping)燒結后的壓電陶瓷材料，以形成該壓電陶瓷基材11。參考步驟S32，形成電極單元12于該壓電陶瓷基材11。在本實施例中，步驟S32 包括涂布電極基材于該壓電陶瓷基材11的表面，該電極基材設置于該第一表面111上，且該電極基材覆蓋該第二表面112且延伸覆蓋至該第一表面111周緣的部分表面；燒付該電極基材，以形成該電極單元12。其中，涂布的電極基材的厚度較佳為0.01 0.002mm。亦艮口，燒付該電極基材形成的該電極單元12具有第一電極121及第二電極122，該第一電極 121設置于該第一表面111上，該第一電極121具有第一直徑0D1。該第二電極122覆蓋該第二表面112且延伸覆蓋至該第一表面111周緣的部分表面，該第二電極122的覆蓋該第二表面112的部分具有第二直徑ODl。較佳地，該第一直徑與該第二直徑的比率為0. 498至 0.502。在本實施例中，在該電極單元12形成之后，還包括極化該壓電陶瓷基材11的步驟 S33。在本實施例中，其以高壓電極化該壓電陶瓷基材11。并且，在極化該壓電陶瓷基材11 后，還包括清洗該壓電陶瓷基材的步驟S34。參考步驟S35，設置箔片13于該壓電陶瓷基材11的一側且與該第二表面112相對。在本實施例中，該箔片13為金屬材質(金屬箔)，且透過結合材料14設置于該第二電極122與該箔片13之間。在超音波霧濕器的應用中，本發明的壓電陶瓷片振蕩子1進行焊接導線或將壓電陶瓷振蕩子1接觸導電環，再套入防水橡膠套或特殊設計的塑料座殼中，即可制作完成具壓電陶瓷片振蕩子1的霧濕器。最后，壓電陶瓷片振蕩子1的霧化量評估可用固定的振蕩線路及輸入電能加以評估。壓電陶瓷片振蕩子材料的選擇壓電陶瓷片振蕩子1經由厚度方向的振動產生超音波，如市面上霧濕器使用的壓電陶瓷片振蕩子1的頻率f；約在1 3MHZ之間，改變壓電陶瓷基材11的厚度即可改變振動頻率，一般慣用的頻率分別有1. 65,2. 4,2. 8MHz，其對應的壓電陶瓷基材11厚度則需逐漸遞減。霧濕器內壓電陶瓷片振蕩子1置于水底，其振幅ξ (Vibration amplitude)與外加電壓Ε、壓電應變系數d33(Piezoelectric strain constant)及在水中的機械質量因子 Ql(Mechanical quality factor)以Τ"歹0^^5^ ^ ξ = d33 · E · Ql(1)在水中的機械質量因子Ql代表壓電陶瓷片振蕩子1的振動時，部分動能被壓電陶瓷基材11以熱能消耗掉的大小，其與壓電陶瓷基材11材料的機械質量因子Qm有關。壓電陶瓷基材11的機械品質因子Qm愈大，振動時熱能消耗愈少。同理，Ql愈大，輸入電能以熱能方式消耗愈少、振幅相對較大。另外，壓電陶瓷的特性通常是壓電應變系數d33愈大的材料其機械質量因子Qm愈小。隨著新的壓電陶瓷材料例如低d33、高Qm壓電陶瓷材料的開發， 其應用于霧濕器是否能產生較大的霧化量則未知。表1示出3種壓電陶瓷片振蕩子(比較例PZT-1、PZT-2和PZT-3，其中PZT-3為本發明的發明例)的壓電特性比較結果，以及制成1. 65MHz超音波振蕩子經輸入24評和電能驅動下的霧化量比較結果。結果顯示，高Qm值的壓電陶瓷片振蕩子(發明例PZT-3，Qm 大于1400)可明顯獲得較大的霧化量，而乜較高的壓電陶瓷片振蕩子(比較例PZT-I及 PZT-2)所得霧化量較少。表一
壓電應變系數機電耦合系數機械品質霧化量(c.c./min) d33(10"12m/V)kp(%)因子 Qm
24W28W
比較例1,
450 65 500 2.9 4.9 PZT-I______
仁匕_交侈I] 2,
380 62 1400 3.5 5.8 PZT-2______
發明例
280 61 2000 4.1 6.6 PZT-3 _____
6
在表1中，比較例PZT-I的壓電特性d33 450、Qm 500，且表1示出當Qm值大于 1400時，1. 65MHz壓電陶瓷片振蕩子于輸入^W的電能驅動下可得約350c. c. /小時的霧化量，已能符合市場上對霧濕器產生高霧化量的最低需求。要強調的是，使用Qm > 2000的壓電陶瓷片制作壓電陶瓷片振蕩子所組合的霧濕器，其霧化量優于市場上的其它霧濕裝置 (例如日本TDK或Fukoku公司制的超音波振蕩子)。高&的壓電陶瓷片振蕩子置入水中， 雖然有水的冷卻帶走熱量的影響，壓電陶瓷片振蕩子的質量因子從仍充分反應材WQm本質特性，使得對壓電陶瓷片振蕩子的振幅仍有決定性的影響。壓電陶瓷片振蕩子的電極設計在本發明中，應用于霧濕器的壓電陶瓷片振蕩子1的電極單元12布置，是在壓電陶瓷基材11的第一表面111涂布中心圓銀電極(第一電極121)，其直徑為0D1，還在壓電陶瓷基材11的第二表面112全部表面、壓電陶瓷基材11的側面及第一表面111周緣的部分表面涂布背面銀電極(第二電極122)，該銀電極的覆蓋該第二表面112的部分具有第二直徑0D2。以直徑為20mm的壓電陶瓷基材11為例，該第一表面111的中心圓銀電極直徑ODl 約2mm，且由該第二表面112延伸至該第一表面111的部分電極提供導電環輸入電能。霧濕器用壓電陶瓷片振蕩子1采用厚度方向的振動，而厚度振動限制在中心圓銀電極下，壓電陶瓷片振蕩子1的背面(位于該第二表面112的側)接觸水為輸出超音波的端面。然而， 要說明的是，中心圓銀電極的面積(也是壓電陶瓷基材11內電偶極經外加高電壓極化時的排列整齊的區域)才是超音波可輸出的涵蓋范圍，所以超音波單位面積輸出的能量及輸出強度與中心圓銀電極的面積有關。雖然壓電陶瓷片振蕩子1使用厚度振動的模態輸出超音波，然而其平面振動模態的振動也同時存在，此平面振動因為壓電陶瓷片振蕩子1的背面銀電極面積和中心圓銀電極面積的差異，使得振動邊界條件改變，同時改變壓電陶瓷片振蕩子1的機電耦合數，使得電能轉換為機械能的比例改變。表2示出比較2種振動頻率(1. 65MHz和2. 4MHz)下，表1中的PZT-3壓電陶瓷片振蕩子中心圓銀電極的直徑ODl和背面銀電極的直徑0D2比率對霧化量的影響。其中， 1. 65MHz和2. 4MHz壓電陶瓷片振蕩子分別輸入24W和12W電能驅動。表二
權利要求
1.一種壓電陶瓷片振蕩子，包括壓電陶瓷基材，具有相對的第一表面及第二表面，其機械質量因子(Qm)大于1400 ；及電極單元，具有第一電極及第二電極，該第一電極設置于該第一表面上，該第一電極具有第一直徑，該第二電極覆蓋該第二表面且延伸覆蓋至該第一表面周緣的部分表面，該第二電極的覆蓋該第二表面的部分具有第二直徑，該第一直徑與該第二直徑的比率為0. 498 至 0.502。
2.如權利要求1的壓電陶瓷片振蕩子，其中該第一電極及該第二電極為銀電極。
3.如權利要求1的壓電陶瓷片振蕩子，還包括箔片，該箔片設置于該壓電陶瓷基材的一側且與該第二表面相對。
4.如權利要求3的壓電陶瓷片振蕩子，其中該箔片為金屬材質。
5.如權利要求4的壓電陶瓷片振蕩子，其中該箔片為不銹鋼箔片或鈦金屬箔片。
6.如權利要求3的壓電陶瓷片振蕩子，其中該箔片的厚度為20至30微米。
7.如權利要求3的壓電陶瓷片振蕩子，還包括結合材料，該結合材料設置于該第二電極與該箔片之間。
8.如權利要求6的壓電陶瓷片振蕩子，其中該結合材料的厚度小于12微米。
9.一種壓電陶瓷片振蕩子的制作方法，包括以下步驟(a)提供壓電陶瓷基材，該壓電陶瓷基材具有相對的第一表面及第二表面，其機械質量因子(Qm)大于1400 ；及(b)形成電極單元于該壓電陶瓷基材，該電極單元具有第一電極及第二電極，該第一電極設置于該第一表面上，該第一電極具有第一直徑，該第二電極覆蓋該第二表面且延伸覆蓋至該第一表面周緣的部分表面，該第二電極的覆蓋該第二表面的部分具有第二直徑，該第一直徑與該第二直徑的比率為0. 498至0. 502。
10.如權利要求9的方法，其中步驟(a)還包括以下步驟(al)將壓電陶瓷材料配方粉煅燒后細磨調漿，并噴霧造粒形成壓電陶瓷材料顆粒； (a2)壓胚成型這些壓電陶瓷材料顆粒； (a3)燒結壓胚后的壓電陶瓷材料；及(a4)平行研磨燒結后的壓電陶瓷材料，以形成該壓電陶瓷基材。
11.如權利要求9的方法，其中步驟(b)還包括以下步驟(bl)涂布電極基材于該壓電陶瓷基材的表面，該電極基材設置于該第一表面上，且該電極基材覆蓋該第二表面且延伸覆蓋至該第一表面周緣的部分表面；及 (b2)燒付該電極基材，以形成該電極單元。
12.如權利要求11的方法，其中在步驟( )之后，還包括極化該壓電陶瓷基材的步驟。
13.如權利要求9的方法，其中還包括設置箔片的步驟，該箔片設置于該壓電陶瓷基材的一側且與該第二表面相對。
14.如權利要求13的方法，其中還包括設置結合材料于該第二電極與該箔片之間的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種壓電陶瓷片振蕩子及其制作方法，該壓電陶瓷片振蕩子包括壓電陶瓷基材及電極單元。該壓電陶瓷基材具有相對的第一表面及第二表面，其機械質量因子(Qm)大于1400。該電極單元具有第一電極及第二電極，該第一電極設置于該第一表面上，該第一電極具有第一直徑，該第二電極覆蓋該第二表面且延伸覆蓋至該第一表面周緣的部分表面，該第二電極的覆蓋該第二表面的部分具有第二直徑，該第一直徑與該第二直徑的比率為0.498至0.502。由此，本發明的壓電陶瓷片振蕩子的霧化量大、使用壽命長。
文檔編號H03H3/02GK102457248SQ20101051677
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者余承圣, 莊武松 申請人:中國鋼鐵股份有限公司