專利名稱：具有銅內(nèi)電極的壓電變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多層式壓電變換器，其包含鈦-鋯酸鉛即Pb(ZrXTi1-X)O3或PZT、陶瓷體和內(nèi)置的銅電極，本發(fā)明還涉及這種變換器的制備方法。
壓電變換器是1954年由Rosen等人發(fā)現(xiàn)的(US 2830274)。其工作原理在于，首先將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器機(jī)體的機(jī)械振動(dòng)，接著將機(jī)械振動(dòng)能再轉(zhuǎn)換為輸出的電信號(hào)。該兩次能量轉(zhuǎn)換通過壓電效應(yīng)發(fā)生。該轉(zhuǎn)換器的作用即電壓增量是通過利用陶瓷材料的特性如機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm、機(jī)電耦合系數(shù)kij和轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如在其初級(jí)端和次級(jí)端中的電極間隔來實(shí)現(xiàn)的。
從那時(shí)以來，發(fā)表了大量技術(shù)出版物和在整個(gè)世畀上授予了大量專利，其目的在于(i)壓電變換器的新設(shè)計(jì)，(ii)用于變換器中的新壓電材料和(iii)包含壓電變換器的電路。特別是研制出了多層式壓電變換器，其由與內(nèi)置金屬電極共同燒結(jié)的壓電陶瓷制成。多層設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可通過調(diào)節(jié)在初級(jí)端和次級(jí)端中的內(nèi)電極的間隔來提高電壓增量比。由此在給定電壓增量比的情況下可通過利用多層結(jié)構(gòu)來減小變換器的尺寸。
對(duì)壓電變換器的這種強(qiáng)烈興趣的原因在于，據(jù)信可通過該部件在大量應(yīng)用中取代電磁轉(zhuǎn)換器，首先在需要低于20W的較小功率和小尺寸轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中取代電磁轉(zhuǎn)換器。這些應(yīng)用包括(i)在便攜式電腦和近來在“掌中寶”、攝相機(jī)和照相機(jī)中適于液晶顯示的背景照明換流器，(ii)熒光燈的前置裝置和(iii)適于移動(dòng)電話、便攜式電腦和其它可再充電的手持式儀器的交流-直流變換器。
與電磁變換器相比，壓電變換器的優(yōu)點(diǎn)如下(i)壓電材料的高功率密度，該材料可制成小尺寸的密集式變換器，特別是比電磁變換器更薄；(ii)小的能耗，因此有更高的變換器效率。與電磁變換器不同，壓電變換器不包括在初級(jí)端和次級(jí)端中的接線，因此無由接線引起的損耗如由感應(yīng)電流和金屬中的趨膚效應(yīng)引起的損耗；(iii)較高的可靠性，由于不存在接線，其與初級(jí)端和次級(jí)端之間的低短路風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)；(iv)壓電變換器不產(chǎn)生電磁噪聲，因此不干擾相鄰的對(duì)磁場(chǎng)敏感的電路。
雖然壓電變換器有上述技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但電磁變換器具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是低的制造成本，這是由于在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可大批量生產(chǎn)，該生產(chǎn)的成本明顯小于多層式壓電變換器的生產(chǎn)成本。壓電變換器的較高生產(chǎn)成本主要由昂貴的金屬電極的成本決定的，該金屬電極通常由鉑或由銀/鈀合金制成。這些昂貴的金屬需在1100-1200℃的高溫與PZT陶瓷共同燒結(jié)，這對(duì)制備具有優(yōu)良特性如高的壓電耦合系數(shù)的密實(shí)PZT陶瓷是必需的。
為能使陶瓷材料和由廉價(jià)的金屬如銀或銅制成的電極共同燒結(jié)，需將陶瓷的燒結(jié)溫度降到低于金屬的熔點(diǎn)，銅的熔點(diǎn)為1085℃，銀的熔點(diǎn)為962℃。此外，如果采用銅電極，則需在惰性氣氛下燒結(jié)，以避免銅的氧化。陶瓷與銀電極的共同燒結(jié)可在氧化性氣氛(空氣)下進(jìn)行。
目前可參考下面4個(gè)出版物，其論述壓電陶瓷與銅或銀的共同燒結(jié)。
其中兩篇出版物描述在900℃下壓電陶瓷的燒結(jié)方法，特別是用于制備有內(nèi)置銀電極的多層式壓電轉(zhuǎn)換器的方法。在US 5792379中，在900℃的燒結(jié)是通過使PZT陶瓷與特別制備的由B2O3、Bi2O3、Cu和類似的其它金屬氧化物如ZnO、BaO等的組合構(gòu)成的玻璃料相混合而達(dá)到的。
在另一篇專利申請(qǐng)WO 200121548中，在900℃的燒結(jié)是通過使PZT陶瓷與Bi2O3和CdO的組合相混合而達(dá)到的，該組合具有低的熔化溫度，因此有利于PZT陶瓷的密實(shí)。其利用Bi2O3和CdO代替玻璃料的優(yōu)點(diǎn)是不僅Bi而且Cd均可摻入到PZT的晶格中，因此不會(huì)形成有害的、不利于陶瓷特性的次生相。在該兩篇文獻(xiàn)中均通過在900℃下的燒結(jié)獲得密實(shí)的陶瓷。
但是在該兩專利中所述的陶瓷有不良的特性，特別是較低的機(jī)電耦合系數(shù)值即kp＝0.45-0.47，機(jī)械品質(zhì)因子Qm＝500-650，介電常數(shù)ε33＝400-550。該低的材料參數(shù)值可導(dǎo)致變換器的不利特性如低的電壓增量比、低功率和低效率。陶瓷的這種不良特性可能是陶瓷在900℃的低溫下燒結(jié)的結(jié)果。特別是在低溫下，顆粒生長(zhǎng)可能受限，并且低的擴(kuò)散速率不可能提供鋯和鈦在PZT的晶格中的均勻分布。
由此，與銅電極的共同燒結(jié)會(huì)是制備具有高功率的多層式壓電轉(zhuǎn)換器的一種較好的技術(shù)可能性，因?yàn)檩^高的燒結(jié)溫度即1000℃而不是900℃應(yīng)導(dǎo)致具有更好特性的PZT陶瓷。
可參考兩個(gè)專利申請(qǐng)，其中描述了多層式壓電陶瓷構(gòu)件與內(nèi)銅電極的共同燒結(jié)。其中之一即DE 19946834-A1描述帶有內(nèi)置銅電極的多層式壓電兩極作用物(Aktor)及其制備方法。其可制備具有內(nèi)置的銅電極的多層式壓電兩極作用物，但未給出如何實(shí)現(xiàn)的詳情。
另一專利申請(qǐng)即DE 10062672-A1描述具有內(nèi)置銅電極的多層式壓電部件及其制備方法。該申請(qǐng)首先詳細(xì)描述了壓電陶瓷與內(nèi)置銅電極的共同燒結(jié)方法，結(jié)果得到高密度和高功率的部件。其次該公開件涉及通常的多層式壓電部件，也可包括多層變換器。制備這種部件的方法是針對(duì)多式層壓電兩極作用物而進(jìn)行的描述。
壓電兩極作用物和壓電變換器之間的主要區(qū)別在于，先提到的特別是DE 10026272-A1中所述的兩極作用物是由所謂的“軟”壓電陶瓷制成?！败洝眽弘娞沾赏ㄟ^用少量摩爾％的給體添加物摻雜基礎(chǔ)組合物Pb(ZrxTi1-x)O3而得，如在專利申請(qǐng)DE 10062672-A1中所述，該給體添加物是高價(jià)陽(yáng)離子如Nd3+作為Pb2+的替代物?！败洝眽弘娞沾傻膮^(qū)別在于有高的壓電功率系數(shù)dij值和高的介電常數(shù)εii值，同時(shí)具有高的介電損耗和機(jī)械損耗，其由tanδ和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)1/Qm表示。高的機(jī)械損耗意味著低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm。特別是以Nd摻雜的PZT陶瓷其tanδ＞2％，且Qm＝50-70。該值不適合用于壓電變換器中，因?yàn)樵撟儞Q器將具有低的效率。
通常壓電變換器應(yīng)用“硬”壓電陶瓷制備。“硬”陶瓷是通過用少量摩爾％的受體添加物摻雜基礎(chǔ)組合物Pb(ZrxTi1-x)O3而得，該受體添加物是低價(jià)陽(yáng)離子如Mn2+、Fe2+、Ne2+、Zn2+、Mg2+、Li1+(代替Zr4+或Ti4+)或Ag1+(代替Pb2+)?！坝病眽弘娞沾傻奶卣髟谟诘偷臋C(jī)械(Qm＝1000-2000)損耗和介電(tanδ＝0.3-0.4％)損耗。
至今所有已知的“硬”壓電陶瓷組合物均為在氧化性氣氛(空氣)中進(jìn)行燒結(jié)的陶瓷而研制的。至今還未研究以這些添加物摻雜的“硬”PZT陶瓷的特性在惰性氣氛中燒結(jié)時(shí)是如何變化的。專利申請(qǐng)DE10062672-A1僅提到“軟”壓電陶瓷的制備。在惰性氣氛中的共同燒結(jié)對(duì)“硬”PZT陶瓷的壓電特性可能是不利的，這也許使該陶瓷不適用于壓電轉(zhuǎn)換器中。
本發(fā)明描述一種多層式壓電變換器，該多層式壓電變換器通過“硬”壓電陶瓷與內(nèi)置的銅電極共同燒結(jié)來制備。銅電極的應(yīng)用肯定明顯降低變換器的制造成本，使其在市場(chǎng)上應(yīng)具有競(jìng)爭(zhēng)能力。與和銀/鈀或內(nèi)置鉑電極共同燒結(jié)的多層式變換器相比，這應(yīng)認(rèn)為是主要的改進(jìn)。
與制備具有內(nèi)置的銀電極的多層式壓電變換器的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，用于共同燒結(jié)的更高溫度，即1000℃而不是900℃，導(dǎo)致具有改進(jìn)特性的陶瓷。原因在于，更高的溫度有利于在PZT晶格中的顆粒生長(zhǎng)及锫和鈦的均勻分布。
與多層式壓電變換器的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特征在于銅電極與“硬”壓電陶瓷共同燒結(jié)。
由粉末開始直到陶瓷與銅電極的共同燒結(jié)的制備方法取自EPCOS的專利申請(qǐng)即DE 10062672-A1。與該工作相比，本發(fā)明的新穎性在于，應(yīng)用“硬”壓電陶瓷代替其中所述的“軟”陶瓷。
可成功制備具有內(nèi)置的銅電極的多層式壓電變換器。該變換器具有各種設(shè)計(jì)，其包括不同的造型和不同的電極形狀。目前僅描述過唯一一種設(shè)計(jì)的變換器。該變換器的特征與在交流-直流轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用要求相符，這種變換器是為其而設(shè)計(jì)的。
所述陶瓷組合物的通式為Pb(ZrxTi1-x)O3+y Pb(Mn1/3Nb2/3)O3。該組合物在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并具有適用于壓電變換器中的特性。對(duì)變換器的設(shè)計(jì)(包括電極造型)均可如為其制造變換器的客戶的應(yīng)用所需而選定。在專利申請(qǐng)DE 10062672-A1中描述了該方法過程，包括無機(jī)粘合劑的去除和燒結(jié)時(shí)的惰性氣氛的調(diào)節(jié)。
本發(fā)明利用在1000℃下使“硬”PZT陶瓷在惰性氣氛中燒結(jié)的工序，其導(dǎo)致陶瓷的密度大于具有同樣化學(xué)組成的但是在1000℃下于氧化性氣氛如空氣中燒結(jié)的陶瓷的密度。通過在惰性氣氛中燒結(jié)以得到具有高密度的“硬”PZT陶瓷的可能性簡(jiǎn)化了變換器的制備工藝，因?yàn)椴恍枞绗F(xiàn)有技術(shù)中所述的添加物。這些添加物是為降低在氧化性氣氛如空氣中陶瓷燒結(jié)溫度而研制的。
在惰性氣氛中的燒結(jié)改進(jìn)了“硬”壓電陶瓷的特性，這些特性對(duì)在壓電變換器中的應(yīng)用具有決定性的意義。特別是減少了介電損耗，且與具有同樣化學(xué)組成但在1000℃下于氧化性氣氛(空氣)中燒結(jié)的陶瓷相比，提高了機(jī)電耦合系數(shù)。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種壓電變換器，其具有至少兩層含硬壓電材料的陶瓷層和置于兩陶瓷層之間的含銅的電極層。
2.權(quán)利要求1的變換器，其由含可熱水解降解的粘合劑的陶瓷坯膜制成。
3.權(quán)利要求2的變換器，其中所述粘合劑為聚氨酯分散體。
4.權(quán)利要求1-3之一的變換器，其中所述壓電陶瓷材料的通常組成為Pb(ZrxTi1-x)O3，其中部分Zr或Ti由氧化態(tài)為1+或2+的低價(jià)陽(yáng)離子所取代。
5.權(quán)利要求1-4之一的變換器，其中所述壓電陶瓷材料的通常組成為Pb(ZrxTi1-x)O3，其中部分Pb由氧化態(tài)為1+的低價(jià)陽(yáng)離子所取代。
6.權(quán)利要求1-4之一的變換器，其中所述陶瓷組合物的通式為Pb[(ZrxTi1-x)1-y(Mn1/3Nb2/3)y]O3。
7.權(quán)利要求1-6之一的變換器，其中內(nèi)電極通過絲網(wǎng)印刷制備。
8.一種用于制備變換器的方法，其中在惰性氣氛中燒結(jié)硬壓電陶瓷。
9.權(quán)利要求8的方法，其中陶瓷在低于銅的熔點(diǎn)下燒結(jié)。
權(quán)利要求
1.一種壓電變換器，其具有至少兩個(gè)由含Pb(ZrxTi1-x)O3+yPb(Mn1/3Nb2/3)O3的組合物組成的陶瓷部件和置于兩陶瓷部件中的電極，其中該電極含銅。
2.權(quán)利要求1的變換器，其由含可熱水解的粘合劑的陶瓷坯膜制成。
3.權(quán)利要求2的變換器，其中所述粘合劑為聚氨酯分散體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電變換器，其具有至少兩個(gè)陶瓷部件和置于兩陶瓷部件中的含銅電極。本發(fā)明建議該陶瓷部件選用由含Pb(Zr
文檔編號(hào)H01L41/187GK1685535SQ03822936
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者A·格拉佐諾夫 申請(qǐng)人:埃普科斯股份有限公司