CN1050229C - 压电/电致伸缩膜元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种压电/电致伸缩膜元元件，它包括一个有至少一个窗口(6，36)和一个用来封闭每个窗口的膜片部(10)的陶瓷基片(2，22)，及一个在该膜片部上形成的膜状压电/电致伸缩弹单元(18，24)。该膜片部有一种凸面形状并沿离开对应窗口的方向向外突出。该压电/电致伸缩单元包括一个下电极(12，40)、一个压电/电致伸缩层(14、42)和一个上电极(16、44)，它们接叙述次序通过一种膜形成方法叠层地形成在该膜片部的凸形外表面上。还公开了一种制作如上所述的压电/电致伸缩膜元件的方法。

Description

压电/电致伸缩膜元件及其制作方法

本发明涉及一种单晶、双晶或其他类型的压电或电致伸缩膜元件，该元件产生或探测弯曲、偏移或挠曲形式的位移或力，并且该元件能用于执行器、滤波器、显示器件、变换器、拾音器、发声体(如场声器)、各种谐振器或振子、传感器、以及其他部件或器件。本文所用的“元件”一词是一种能把电能变换或转换成机械能，即机械位移、应变或振动，或者把这样一种机械能变换成电能的元件。

近年来，在比如说光学领域和精密定位或加工操作领域，已经广泛使用并日益需要一种为了调整或控制一个光程长度或一个装置的构件或部件的位置而在亚微米(μm)数量级上控制其位移的元件，及一种适合于探测一个对象随着电气变化的微小位移的探测元件。为了满足该需求，已经开发了用于执行器或传感器的压电或电致伸缩膜元件，这种元件包含诸如铁电材料之类的压电材料，并利用反压电效应或逆压电效应在对该压电材料施加一个电场时产生一个机械位移，或者利用压电效应以便在施加一个压力或机械应力时产生一个电场。在这些元件中，一种常规的单晶型压电/电致伸缩膜元件已经良好地用于比如说一种扬声器。

已经提出了用于各种目的的陶瓷压电/电致伸缩膜元件，如本发明的受让人提出的日本专利申请第3-128681号和日本专利申请第5-49 270号中所公开的那样。所公开的元件的一个实例有一个陶瓷基片，该基片有至少一个窗口并与一个薄膜片形成整体，该膜片封闭该窗口或那些窗口以便提供至少一个薄壁膜片部。在该陶瓷基片的每个膜片部的一个外表面上，形成一个压电/电致伸缩单元(下文称为P/E单元)，该单元是一种由一个下电极、一个压电/电致伸缩层(下文称为P/E层)和一个上电极组成的整体叠层结构。此P/E单元通过一种适当的膜形成方法形成在陶瓷基片的有关膜片部上。这样形成的压电/电致伸缩膜元件尺寸较小且较便宜，并可用作一个具有高工作可靠性的电机械转换器。此外，此元件有很快的工作响应，并且通过施加一个低电压，以较大的生成力幅度提供较大的位移量。于是，上述元件有利地用作用于一个执行器、滤波器、显示器件、传感器或其他部件或器件的一个构件。

为了制作如上所述的压电/电致伸缩膜元件，用适当的膜形成方法把每个P/E单元的下电极、P/E层和上电极按此次序叠层于陶瓷基片的膜片部上，并按需要进行热处理(烧制)，以便该P/E单元整体地形成在该膜片部上。本发明的发明人的进一步研究揭示出，这样构成的膜元件的该薄壁膜片部遭受刚度不够、机械强度低下、从而固有频率低下之害，这造成较慢的工作响应。该压电/电致伸缩膜元件的压力/电致伸缩特性由于在该P/E单元，更具体地说，该P/E层的形成期间所实施的热处理(烧制)而被劣化。

就是说，在该P/E层的热处理期间，该P/E层经受由于与陶瓷基片的膜片部相接触的P/E或P/E单元的烧制收缩引起的应力。结果，该P/E层可能由于该应力而并未充分地烧结，而且在烧制之后仍然经受残留在其中的应力。在这种场合，该压电/电致伸缩膜元件并不表现出它所固有的压电/电致伸缩特性。

例如，为了制作一个用于显示器件的执行器，以适当的图案穿过一个陶瓷基片形成多个窗口，而如上所述的P/E单元形成在封闭对应的窗口的各自的薄壁膜片部上。在这种场合，在烧制该P/E单元的P/E层时这些膜片部可能偏移，或者由于在其烧制之后残留在该P/E层中的应力，该膜片部的位移量可能明显减少，特别是当两个以上相邻的P/E单元同时被驱动时，与单个P/E单元被驱动时相比，情况更是如此。就是说，例如当两个相邻的P/E单元同时被区动时，一个支承这两个P/E单元之一的膜片部的位移妨碍一个支承另一个P/E单元的膜片部的位移，造成这些膜片部的位移量减小。

因而本发明的第一个目的在于提供一种压电/电致伸缩膜元件，其中每个P/E单元通过一种膜形成方法形成在一个陶瓷基片的一个薄壁膜片部的外表面上，而且该单元能把在该P/E单元中产生的应变或应力高效率地转换成位移，并且当两个以上形成在各自的膜片部上的P/E单元同时被驱动时并不经受位移量的明显减少。

本发明的第二个目的在于提供一种制作这样一种具有如上所述的优秀特性的压电/电致伸缩元件的方法。

根据本发明的第一方面提供了一种压电/电致伸缩膜元件，该元件包括：一个有至少一个窗口和一个用来封闭每个所述至少一个窗口的、作为它的一个整体部分形成的膜片部的陶瓷基片；及一个包括一个下电极、一个压电/电致伸缩层和一个上电极的膜状压电/电致伸缩单元，这些下电极、压电/电致伸缩层和上电极按叙述次序通过一种膜形成方法叠层地形成在所述膜片部上，其特征在于：

所述膜片部具有一种凸面形状并沿离开所述至少一个窗口中一个对应窗口的方向向外突出，所述压电/电致伸缩单元形成在所述膜片部的凸形外表面上。

在如上所述构成的本发明的压电/电致伸缩膜元件中，在其上支承着该压电/电致伸缩单元的该陶瓷基片的该膜片部表现出有效地提高了的刚度，结果明显提高了机械强度和固有频率，并有利地提高了该元件的工作响应速度。此膜元件能把在该压电/电致伸缩单元中产生的应变或应力高效率地转换成位移。

此外，在本膜元件设有多个压电/电致伸缩单元的场合，当两个以上压电/电致伸缩单元同时被驱动时，该元件的位移量与当一个压电/电致伸缩单元被驱动时相比大体上不减小。于是，本膜元件提供大体上相同的位移量，保证恒定的工作特性或质量，与被驱动的压电/电致伸缩单元的数量无关。

在本发明的一种最佳形式中，该陶瓷基片的膜片部的突出量不大于横跨上述至少一个窗口中对应的一个延伸并穿过该窗口中心的最短直线的长度的5％。

在本发明的其他最佳形式中，该膜片部具有不大于5μm的平均晶粒尺寸，该膜片部具有不大于50μm的厚度，而该压电/电致伸缩单元具有不大于100μm的厚度。

在本发明的另一种最佳形式中，该陶瓷基片带有多个窗口和用来分别封闭这些窗口的多个膜片部，每个膜片部都具有凸面形状。在这种场合，压电/电致伸缩单元形成在该基片的每个膜片部的凸形外表面上。

根据本发明的第二方面提供了一种制作本发明的上述压电/电致伸缩膜元件的方法，包括以下步骤：

制备一个陶瓷基片，所述基片具有一种由一个基板和一个膜片板构成的整体结构，并且所述基片有至少一个膜片部，每个所述膜片部具有一种凸面形状并沿离开所述至少一个窗口中一个对应窗口的方向向外突出一个量H，通过控制所述基板和膜片板的烧制率、烧制速度、收缩率、所述膜片板在烧制之前的形状以及所述基板和膜片板的热膨胀系数之差中的至少一个来得到所述陶瓷基片，根据一个压电/电致伸缩层的烧制收缩和烧制后所述至少一个膜片部的需要的突出量h确定所述至少一个膜片部的突出量H；

通过一种膜形成方法在每个所述至少一个膜片部的凸形外表面上形成一个下电极和所述压电/电致伸缩层；

烧制所述压电/电致伸缩层以便所述下电极和所述压电/电致伸缩层整体地形成在所述每个膜片部的所述凸形外表面上；以及

通过一种膜形成方法在所述压电/电致伸缩层上形成一个上电极。

通过在结合附图考虑时阅读对该发明的一些最佳实施例的以下详细描述，本发明的以上及可选的目的、特征和优点将被更好地理解，这些附图中：

图1是分解透视图，表示根据本发明构成的一种压电/电致伸缩膜元件的基本结构的一例；

图2是图1的该压电/电致伸缩膜元件的剖视图；

图3是放大图，表示图1的该膜元件的剖面，该剖面是沿穿过一个窗口中心的最短途径(该窗口的短边)截取的；

图4(a)是放大的局部剖视图，表示一种制作本发明的压电/电致伸缩元件的方法的一个工艺步骤；

图4(b)是与图4(a)对应的图，表示制作该膜元件的该方法的另一个工艺步骤；

图4(c)是与图4(a)对应的图，表示制作该膜元件的该方法的又一个工艺步骤；

图5是剖视图，表示本发明的压电/电致伸缩膜元件的一个实施例；

图6是分解透视图，表示图5中所示的压电/电致伸缩膜元件；以及

图7是剖视图，表示具有五层结构的另一个压电/电致伸缩膜元件的例子。

参见表示本发明的压电/电致伸缩膜元件的一个实施例的图1和图2，一个陶瓷基片2具有一种整体结构，该结构的组成包括一个带有一个适当尺寸的矩形窗口6的基板4，和一个用来封闭该窗口6的比较薄的膜片板8。该膜片板8叠合于用作支承件的该基板4的对置的主表面之一上。该膜片板8有一个与该基板4的窗口6相对应的膜片部10。在该平面陶瓷基片2的该膜片部10的外表面上，一个下电极膜12、一个压电/电致伸缩层(下文称为P/E层)14和一个上电极膜16按此次序通过一种已知的膜形成方法叠层，以便形成一个膜状压电/电致伸缩单元(下文称为P/E单元)18。如现有技术中所公知的那样，通过各自的引线部(未画出)向该下电极12和上电极16施加一个适当的电压。

在如上所述构成的该电压/电致伸缩膜元件用作一个执行器的场合，一个电压按已知的方式施加于该P/E单元18的两个电极12、16之间，以致该P/E层14曝露于一个电场，并经受由该电场所引发的机械变形。因此，由于该P/E层14的变形的横向效应，该P/E单元18引起弯曲或偏移位移或力，以致该位移或力沿与该基片2的平面表面垂直的方向作用在该陶瓷基片2(膜片部10)上。

在本压电/电致伸缩膜元件中，该陶瓷基片2的膜片部10被弯曲以形成凸面形状，换句话说，向外即沿离开该窗口6的方向突出，如图3中所示。该P/E单元18形成在该膜片部10的这样弯曲的外表面上。于是，在该P/E单元18中产生的应力或应变高效率地转换成位移，而且即使在两个以上相邻的P/E单元18同时被驱动时也保证足够大的位移量。

在形成在该膜片部10的凸形外表面上的该P/E单元18驱动时，该膜元件向下或沿如图3中所示的X方向位移，换句话说，被凹进该窗口6。结果，在该P/E单元18中沿由图3中B标出的虚线箭头的方向产生的应变和力在其由该窗口6限定的部分沿由图3中A标出的箭头的与上述B方向相反的方向作用在该膜片部10上，以致推压该陶瓷基片2的该基板4。因此，当两个以上相邻的P/E单元18同时被驱动时该元件的位移量不容易被减小，而且当两个以相相邻的P/E单元18同时被驱动时与当单个P/E单元被驱动时之间位移量之差减小。此外，由于该P/E单元18(更确切地说，至少该下电极12和P/E层14)形成在该膜片部10的凸形外表面上，该膜片部10的刚度被有利地提高。具有这样一种凸面形状的该膜片部10具有抵抗沿指向该窗口6施加，即从对着该窗口6一侧施加的力的提高了的机械强度，保证该膜面部10和在其上形成的该P/E单元18的提高了的固有频率，及该元件的提高了的工作响应速度。

在本压电/电致伸缩膜元件中，该陶瓷基片2的膜片部10的突出量或偏移量可以适当地确定，以便实现本发明的上述目的。为了保证该元件的普遍有效的位移量，突出量被控制成使由[Y＝(h/m)×100]所表达的突出率不高于50％，式中h是该膜片部10的中部的突出量或最大突出量，而m是横跨该陶瓷基片2的窗口6延伸并穿过该窗口6中心的最短直线的长度。为了得到特别大的位移量，该突出率，即最大突出量(h)对过窗口6中心的最短直线的长度(m)之比被控制成不高于5％，即(h/m)×100≤5。

在其上支承该P/E单元18的该陶瓷基片2由已知的陶瓷材料制成，并且最好从稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝及它们的混合物中选出。特别有利地使用的是本发明人在日本专利申请第5-270912号中所公开的一种材料，该材料作为一种主要成分包含通过添加氧化钇之类的化合物而部分稳定的氧化锆，而且该材料具有主要由四方晶相或至少是四方晶相与单斜晶相两种立方体的组合或混合组成的晶相。由上述材料制成的该陶瓷基片2即使很小的厚度也表现出高机械强度和高韧性，并且不易与压电/电致伸缩材料起化学反应。该陶瓷基片2宜用以下方法制作：1)制备一个给出基板4并且通过使用金属模具或用超声波加工或机械加工形成带有一个开孔(窗口6)的生片，2)把一个给出该膜片板8(膜片部10)的薄生片叠合于用于基板4的该生片，并通过热压把这些生片粘合在一起，以及3)把这些生片烧制成一种整体结构。这样得到的该陶瓷基片2表现出高可靠性。为了保证足够高的机械强度，用于该基片2的膜片部10的该陶瓷材料的晶粒尺寸一般控制成不大于5μm，最好2μm。为了保证该元件的足够高的工作响应速度和大位移，该膜片部10的厚度一般为50μm或以下，最好30μm或以下，而15μm或以下则更好。

用于基板4和膜片板8的每个生片可以由互相叠合的多个薄片组成。虽然该陶瓷基片2的窗口6或该膜片部10在本实施例中有矩形形状，但窗口6的形状可以从其他形状中适当地选择，如圆形、多边形或椭圆形形状和这些形状的组合，视该压电/电致伸缩膜元件的应用场合或用途而定。在该窗口6具有例如圆形形状、矩形形状或椭圆形形状的场合，上述穿过该窗口6的中心的最短直线的长度(m)分别对应于该圆形的直径、该矩形的短边长度或该椭圆形的短轴长度。

上述电极12、16和P/E层14如上所述通过一种适当的膜形成方法形成在该陶瓷基片2的膜片部10上，借此提供该P/E单元18。该P/E层14通过一种诸如丝网印刷、喷涂、涂布或沉浸之类的厚膜形成方法适当的形成。该厚膜形成方法使用一种糊料或泥料，以便在该陶瓷基片2的膜片部10上形成膜状P/E层14，该糊料或泥料作为主要成分含有平均颗粒尺寸约为0.01μm至7μm，最好约为0.05μm至5μm的压电/电致伸缩陶瓷颗粒。在这种场合，所得到的膜元件表现出优秀的压电/电致伸缩特性。在上述厚膜形成方法中，丝网印刷被特别有利地采用，因为它可以以较低的成本精细制作布线图案。为了用较低的电压提供较大的P/E层14的位移，该P/E层14的厚度最好为50μm或以下，而在3μm至40μm的范围内则更好。

该P/E单元18的上、下电极16、12由一种能耐受具有相当高的温度的氧化气氛的导电材料制成。例如，电极12、16可由单一金属、一种金属合金、一种金属或合金与导电陶瓷的混合物，或者一种导电陶瓷形成。然而，该电极材料最好有一种主要成分，该成分由一种诸如铂、钯或铑之类的具有高熔点的贵金属，或者一种诸如银钯合金、银铂合金或铂钯合金之类的合金组成。电极12、16还可由铂的金属陶瓷、及用于基片2的陶瓷材料或用于P/E层14的压电/电致伸缩材料形成。更可取的是，电极12、16仅由铂制成或者作为主要成分包含一种含铂合金。在使用上述金属陶瓷的场合，基片材料的含量最好保持在约6～30％体积的范围内，而该压电/电致伸缩材料最好保持在约5～20％体积的范围内。

通过一种适当选择的已知膜形成方法之一，用上述导电材料形成电极12、16，这些方法包括如上所述的厚膜形成方法，及诸如溅射淀积、离子束法、真空汽相淀积、离子镀、化学汽相淀积和电镀之类的薄膜形成方法。诸如丝网印刷、喷涂、沉浸和涂布之类的厚膜形成方法可以有利地用来形成下电极12，而上述薄膜形成方法及厚膜形成方法可以有利地用来形成上电极16。这样形成的电极12、16的厚度一般不大于20μm，最好不大于5μm。作为这些电极12、16和P/E层14的厚度之和的P/E单元18的总厚度一般为100μm或以下，最好为50μm或以下。

用来形成该P/E单元18的P/E层14的压电/电致伸缩材料最好作为主要成分包含锆钛酸铅(PZT)、铌酸铅镁(PMN)、铌酸铅镍(PNN)、铌酸铅锰、锡酸铅梯、铌酸铅锌、钛酸铅、钽酸铅镁、钽酸铅镍、或者它们的一种混合物。此外，一种含有镧、钡、铌、锌、铈、镉、铬、钻、锑、铁、钇、钽、钨、镍、锰、锂、锶或铋的氧化物或其他化合物的材料(如PLZT)可根据需要添加于上述压电/电致伸缩材料。

在如上所述的压电/电致伸缩材料中，推荐采用一种作为主要成分包含以下混合物之一的材料：1)铌酸铅镁、锆酸铅和钛酸铅的一种混合物，2)铌酸铅镍、铌酸铅镁、锆酸铅和铁酸铅的一种混合物，3)铌酸铅镁、钽酸铅镍、锆酸铅和钛酸铅的一种混合物，以及4)钽酸铅镁、铌酸铅镁、锆酸铅和铁酸铅的一种混合物。此外，其中一部分铅(Pb)被锶和镧所取代的这些材料可以有利地用于该P/E层14。当通过一种厚膜形成方法，如丝网印刷，来形成该P/E层14时，推荐这些压电/电致伸缩材料。当采用含有三种以上成分的压电/电致伸缩材料时，其压电/电致伸缩特性依该材料的成分配方的不同而变化。然而，由铌酸铅镁、锆酸铅和钛酸铅组成的三成分材料，或者由铌酸铅镁、钽酸铅镍、锆酸铅和钛酸铅组成的四成分材料，或者由钽酸铅镁、铌酸铅镁、锆酸铅和钛酸铅组成的四成分材料最好在伪立方晶相、四方晶相和三角晶相的相面附近有个配方。

为了保证足够高的压电常数和电机械耦合系数，特别希望采用以下配方之一，即，1)一个含有15～50mol％铌酸铅镁、10～45mol％锆酸铅和30～45mol％钛酸铅的配方，2)一个含有15～50mol％铌酸铅镁、10～40mol％钽酸铅镍、10～45mol％锆酸铅和30～45mol％铁酸铅的配方，或者3)一个含有15～50mol％铌酸铅镁、10～40mol％钽酸铅镁、10～45mol％锆酸铅和30～45mol％钛酸铅的配方。

如上所述在该陶瓷基片2的膜片部10的外表面上形成的该电极膜和P/E层(12、14、16)可以或者在这些膜和层中的每一个形成之后在不同的步骤中进行热处理(烧制)以与基片2成整体，或者在所有这些膜和层都形成在该膜片部10上之后在一个步骤中同时进行热处理(烧制)以与基片2成整体。此外，可能并不需要电极膜(12、16)的热处理(烧制)，视形成这些膜的方法而定。使电极膜及P/E层与该膜片部成整体的热处理(烧制)温度一般控制成在500℃至1400℃的范围内，最好在1000℃至1400℃的范围内。为了避免在高温下该P/E层14的压电/电致伸缩材料的成分发生变化，希望在热处理或烧制该P/E层14的同时控制烧制气氛以包括该电压/电致伸缩材料的蒸发源。还推荐烧制该P/E层14时用适当的覆盖件把它覆盖以便该P/E层14的表面不直接曝露于烧制气氛。该覆盖件可以由与陶基片2的材料类似的材料来形成。

如上所述构成的压电/电致伸缩膜元件可以用包括以下三种方法在内的本专业的技术人员所公知的各种方法来制作。在第一种方法中，该陶瓷基片2的膜片部10在烧制该P/E单元18的P/E层14时通过控制该陶瓷基片2和P/E单元18的热膨胀系数而外凸。在第二种方法中，当烧制该P/E单元的P/E层14时对该膜片部10施加一个压力力，以致该膜片部10具有一种凸面形状。在第三种方法中，该膜片部10在形成该P/E单元18(更具体地说，至少该下电极12和P/E层14)时，通过在虑及该P/E层14的烧制收缩的同时控制该基片2和P/E单元18的以上热膨胀系数而外凸。最好，一开始制备有如图4(a)中所示的向外突出的凸面膜片部10的陶瓷基片2，然后在该凸面膜片部10的外表面上形成P/E单元18。鉴于较高的生产效率，这种方法被有利地采用。

根据如上所述的最佳方法，一开始制备的该陶瓷基片2具有以如图4(a)中所示的量H向外即沿离开窗口6的方向突出的凸面膜片部10。然后，用适当的膜形成方法在该凸面膜片部10的外表面上依次叠层下电极12和P/E层14，如图4(b)中所示。在按需要形成了上电极16之后，烧制该P/E层14，从面提供本发明的压电/电致伸缩膜元件，如图4(c)中所示。在对其烧制时出现的该P/E层14的烧制收缩被以较大的量(H)向外突出的该凸面膜片部10所吸收，因而在该P/E层14的烧制之后，该膜片部10的突出量减小到值h(该值小于H)，如图4(C)中所示。因此，有效地减小了由于其烧制收缩而在该P/E层14中产生的应力，并有效地改善了该P/E层14的烧结，于是保证该P/E层14的提高了的密度。

用于以上方法中的带有如图4(a)中所示的凸面膜片部10的陶瓷基片2可通过控制基板4和膜片板8(图1和图2)的烧制率或速度，或在其烧制之前适当选择该膜片8的形状，或利用这两个板4、8的热膨胀系数之差而很容易地获得。更具体地说，当给出该膜片板8的生片的烧结先于给出该基板4的生片的烧结时，或者当在烧制或烧结用于该基板4的生片时测得的收缩率大于用于该膜片板8的生片的收缩率时，该膜片部10向外突出。

虽然该陶瓷基片2的膜片部10的突出量H根据该P/E层14的烧制收缩和最终产品的膜片部10的想要的突出量(h)适当地确定，但是该量H一般为上述穿过窗口6的中心的最短直线的长度(m)的1～55％，最好为该长度(m)的2～10％。如果该突出量H太小，则在烧制该P/E层14时，该膜片部10凹进窗口6中。如果该突出量H太大，则在该P/E单元18动作时，所得到的膜元件的膜片部10不能经受足够大的位移。

在上述方法中，用上述膜形成方法在陶瓷基片2的膜片部10的外表面上形成下电极膜、P/E层和上电极膜12、14、16，然后在上述烧制温度下烧制，由此提供具有想要的厚度值的各自的膜和层。于是，在膜片部10上整体地形成P/E单元18。虽然希望在P/E层14刚在下电极12上形成之后，即在上电极16形成之前来烧制该P/E层14，但是可以在上电极16在层14上形成之后进行该P/E层14的烧制。

在根据本发明这样得到的压电/电致伸缩膜元件中，该陶瓷基片2的膜片部10有凸面形状即向外突出，这导致一些优点，如该膜片部10的提高了的刚度、提高了的机械强度和提高了的固有频率，以及该膜元件的提高了的工作响应速度。此外，当在该陶瓷基片2的各自的膜片部10上提供多个P/E单元18时，当两个以上相邻的P/E单元18同时被驱动时产生的每个膜片部10的位移量几乎等于当仅一个P/E单元18被驱动时产生的位移量。当该膜元件用于传感器、执行器和其他用途时，这个特征特别有利。

在形成在该膜片部10的外表面上的P/E单元18驱动时有效地经受位移的本压电/电致伸缩膜元件有利地用作各种压电/电致伸缩膜元件。例如，本发明的膜元件可以有利地用作用于动力器件和通信器件的滤波器、诸如加速度传感器或冲击传感器之类各种传感器、变换器、拾音器、诸如扬声器之类的发声体、及各种振子和谐振器。此外，该膜元件可以特别有利地用作单晶、双晶或其他类型的压电/电致伸缩执行器，这些执行器以弯曲或偏移的形式产生位移，并用于显示器件、伺服位移元件、脉冲驱动马达、超声波马达等，这些元件和马达在森北(Morikita)出版社出版的、日本工业技术中心的内野宪治(Kenji Uchno)所著《压电/电致伸缩执行器的应用基础》中介绍。

下面参照示意地表示根据本发明的压电/电致伸缩膜元件的一例的图5，并参照作为该膜元件的分解透视图的图6，压电/电致伸缩膜元件20有一种整体结构，该结构包括一个陶瓷基片22和多个在该基片22的一些薄壁膜片部(26)的凸形外表面上形成的压电/电致伸缩单元(下文称为P/E单元)24。在工作中，在对对应的P/E单元24施加电压时，该陶瓷基片的每个膜片部(26)被变形或偏移。

更具体地说，该陶瓷基片22有一种整体叠层结构，其组成包括一个较薄的封闭板(膜片板)26、一个连接板(基板)28、和一个夹在该封闭板26与该连接板28之间的隔板(基板)30。这些板26、28、30由氧化锆材料形成。连接板28有三个穿过该板28的厚度以其间适当的间隔形成的沟通孔32。这些沟通孔32的数量、形状、尺寸、位置和其他参数可以根据该膜元件20的具体用途适当地确定。隔板30形成带有多个方形窗口36(在本实施例中为三个)。此隔板30这样叠合于连接板28上，以致连接板28的各沟通孔32与各自的窗孔36相通。封闭板26叠合于隔板30的远离连接板28的一个主表面上，以便封闭该隔板30的诸窗口36的开口。借助于这样互相叠合的封闭板26、事板30和连接板28，在该陶瓷基片22中形成三个压力腔38，以致这些腔38通过各自的沟通孔32与外界空间沟通。陶瓷基片22是一个如上所述由诸如氧化锆材料之类适当的陶瓷材料形成的整体烧制体。虽然本实施例的该陶瓷基片22是一种由封闭板26(膜片板)、隔板30(基板)和连接板28(基板)组成的三层整体结构，但是该基片可以形成一种有四个以上层或板的四层或其他多层结构，如图7中所示。

膜状P/E单元24形成在封闭板26的外表面上，以致在与封闭板26平行的平面中观看时这些单元24与各自的压力腔38对正。每个P/E单元24包括一个下电极40、一个压电/电致伸缩层(下文称为P/E层)42和一个上电极44，它们用一种适当的膜形成方法或多种方法依次形成在该封闭板26的处于与该隔板30的窗口36之一对正位置的部分上，即在该陶瓷基片22的一个膜片部的外表面上。在工作中，在对应的P/E单元24驱动时，压力腔38中的压力升高，以致该压力腔38中所包容的流体能经对应的沟通孔32有效地排出。这样构成的压电/电致伸缩膜元件不仅可以用作一个执行器，也可以用作一个传感器之类，该传感器适合于产生一个代表该陶瓷基片22的膜片部(26)的挠曲位移的电压信号。

虽然根据本发明的压电/电致伸缩膜元件可以用作执行器和传感器，特别有利地用作显示器件、扬声器、伺服位移元件、超声波传感器、加速度传感器和冲击传感器的一个构件，但是应该指出，本膜元件还可以有利地用于其他已知应用场合。

[实例]

为了进一步阐明本发明，下面将描述本发明的压电/电致伸缩膜元件的某些实施例。然而应该指出，本发明并不限于以于实例的细节，而是可以用各种变动、修改和改进来实施，本专业的技术人员可以进行这些变动、修改和改进而不脱离所附权利要求书中所规定的该发明的原则和范围。实例1

一开始，制备一个带有四个各有0.5mm×0.7mm的尺寸的矩形窗口的矩形陶瓷基片。这些矩形窗口排列成窗口的短边(长0.5mm)沿该基片的纵向延伸，如图6中所示，且这些窗口以0.2mm的间隔互相相等地离开。这些窗口由该基片的各自的10μm厚度的膜片部所封闭。该陶瓷基片的膜片部和基部由被氧化钇部分稳定的，有0.4μm的平均颗粒尺寸的氧化锆粉末形成。使该部分稳定的氧化锆粉末形成生片然后用已知的方法烧制之。在基片烧制之后测量时该基片的基部有200μm的厚度。

在陶瓷基片的每个膜片部的外表面上，用丝网印刷印上铂糊料，在120℃下干燥，10分钟，并在1350℃下烧制两小时，以提供具有5μm厚度的下电极。然后，用一种由铌酸铅镁、锆酸铅和铁酸铅组成的压电/电致伸缩材料在该下电极上形成一个压电/电致伸缩层。用丝网印刷印上此材料，在120℃下干燥20分钟，并在1300℃下烧制，以提供具有30μm厚度的压电/电致伸缩层。带着在该陶瓷基片的各自的膜片部上形成的该下电极和P/E层，把一个带有凸面形状的氧化铝销插入该基片的每个窗口，以致压住或推靠部分地限定该窗口的对应膜片部的内表面。在此状态下，在1300℃下再次烧制该陶瓷基片，以致每个膜片部都以20μm的量(h)向外突出。

此后，通过溅射淀积在形成于该陶瓷基片的每个凸面膜片部上的该下电极和P/E层上形成一层Cr薄膜和一层Cu薄膜，以提供具有0.3μm总厚度的上电极。这样，即得到一个根据本发明的原拟的压电/电致伸缩膜元件。通过在每个压电/电致伸缩单元的上下电极之间施加100V，使这样得到的膜元件经受极化处理。

作为一个对照例，用如上所述制备的该陶瓷基片，并借助于导电粘合剂向该基片的每个膜片部粘贴一个由压电/电致伸缩材料制成的30μm厚度的板，制作了一种常规的压电/电致伸缩膜元件。

为了评定如上所述的本膜元件和常规膜元件的压电/电致伸缩特性，在每个元件的每个P/E单元的上下电极之间，沿着进行以上极化处理的同一方向施加一个30V的电压，并且用激光多普勒装置测量各P/E单元的位移量。这样，逐个驱动所有四个P/E单元，并计算这些P/E单元的位移的第一平均值。与此同时，测量每个元件的陶瓷基片的膜片部的固有频率。同样，向每个元件的所有四个P/E单元施加一个30V的电压以便同时驱动它们，并测量各P/E单元的位移量。也计算同时被驱动的四个P/E单元的位移量的第二平均值。根据这样得到的结果，按表达式(第二平均值/第一平均值)×100(％)计算出驱动所有P/E单元(整体驱动)时测得的位移对驱动单个P/E单元(单个驱动)时测得的位移的比值(％)。此外，通过沿着朝向对应的窗口内侧的方向把一个0.2mm直径的压头压靠位于每个元件的每个膜片部的中部上的P/E单元的外表面，测量一个压溃载荷。以上测量结果示于下面的表1中。

                               表1

试件号	整体驱动/单个驱动	固有频率	致断载荷	单个驱动
					1*	100％	400KHz	150g	0.25μm
2*	50％	250KHz	30g	0.18μm

No.1：本发明的压电/电致伸缩膜元件

No.2：常规的压电/电致伸缩膜元件

从表1中所示的结果可以看出，其中在陶瓷基片的膜片部的凸形外表面上形成P/E单元的本发明的压电/电致伸缩膜元件，在所有P/E单元同时被驱动的场合与仅一个P/E单元被驱动的场合，表现出大体上相同的位移量。这比起常规的压电/电致伸缩膜元件是个巨大的改进，对于后者来说，在驱动所有P/E单元时测得的位移对在驱动单个P/E单元时测得的位移之比为50％。该发明的膜元件与常规元件相比还表现出膜片部的明显提高了的固有频率和改善了的压溃强度。实例2

一开始，用一种已知的方法把具有0.4μm的平均颗粒尺寸并由80％重量的被3mol％氧化钇所部分稳定的氧化锆粉末与20％重量的氧化铝组成的陶瓷粉末与粘合剂、增塑剂和有机溶剂混合，以便制备一种泥料。用一种刮板法使此泥料形成一个生片，该生片经烧制后提供该陶瓷基片的有200μm厚度的基板。

另一方面，用一种已知的方法把被3mol％氧化钇所部分稳定的并具有0.3μm的平均颗粒尺寸的氧化锆粉末与粘合剂、增塑剂和有机溶剂混合，以便制备一种泥料。用一种逆辊涂布机使此泥料形成一个生片，该生片经烧制后提供该陶瓷基片的有10μm厚度的膜片板。

此后，用于基板的该生片借助于一种适当的金属模按图案冲孔以形成窗口。然后，把用于膜片板的生片叠合在用于基板的生片上，并通过在100kg/cm²的压力下以80℃热压1分钟而粘合在一起。这样得到的整体叠层结构在1500℃下烧制两小时，以便提供带有以30μm的量(H)向外突出的膜片部的陶瓷基片。

接着，按与实例1中所用者相同的方式，在这样得到的陶瓷基片的每个凸面膜片部的外表面上形成下电极和P/E层。在对该下电极和P/E层烧制之后，该膜片部的突出量减小到20μm(＝h)。然后，按与实例1中所用者相同的方式，在每个P/E单元的烧制了的P/E层上形成上电极，以便提供一个根据本发明构成的压电/电致伸缩膜元件。

针对这样得到的膜元件，按与实例1相同的方式，测量在驱动所有P/E单元时的位移对在驱动单个P/E单元时的位移之比，及这些膜片部的固有频率和压溃强度。这些测量的结果表示，本膜元件表现出像就实例1的元件所得到的那样优透的特性。实例3

按与实例1相同的方式制作压电/电致伸缩膜元件的另一例，所不同的是当该基片被再次烧制时把一个具有不同的凸面形状(不同的突出量)的氧化铝销压靠于该陶瓷基片的膜片部。通过使用该氧化铝销，所得到的膜元件的那些膜片部向外突出40μm(＝h)。

针对这样得到的膜元件，按与实例1相同的方式测量在驱动所有P/E单元时的位移对在驱动单个P/E单元时的位移之此，及这些膜片部的固有频率和压溃强度。这些测量的结果示于下面的表2中，其中还示出针对根据实例1所制作的本发明的膜元件得到的测量结果。

                          表2

试件号	整体驱动/单个驱动	固有频率	致断载荷	单个驱动
					1*	100％	600KHz	200g	0.16μm
2*	100％	400KHz	150g	0.25μm

No.3：本发明的实例3的P/E膜元件，它带有其突出率

  [(h/m)×100(％)]为8％的膜片部

No.1：本发明的实例1的P/E膜元件，它带有其突出率

      [(h/m)×100(％)]为4％的膜片部

从以上结果可以看出，具有8％的突出率的实例3的膜元件的膜片部，与其膜片部具有4％的突出率的实例1的膜元件相比，表现出更高的固有频率和提高了的压溃强度。然而，当单个P/E单元被驱动时，实例1的膜元件表现出更大的位移量。

通过其中该膜片部完全覆盖那些窗口的实施例来介绍本发明，但是本发明也可以适用于该膜片部分地覆盖该窗口的场合。

Claims (12)

1.一种压电/电致伸缩膜元件，该元件包括：一个有至少一个窗口(6，36)和一个用来封闭每个所述至少一个窗口的、作为它的一个整体部分形成的膜片部(10，26)的陶瓷基片(2，22)；及一个包括一个下电极(12，40)、一个压电/电致伸缩层(14，42)和一个上电极(16，44)的膜状压电/电致伸缩单元(18，24)，这些下电极、压电/电致伸缩层和上电极按叙述次序通过一种膜形成方法叠层地形成在所述膜片部上，其特征在于：

所述膜片部具有一种凸面形状并沿离开所述至少一个窗口中一个对应窗口的方向向外突出，所述压电/电致伸缩单元形成在所述膜片部的凸形外表面上。

2.根据权利要求1所述的压电/电致伸缩膜元件，其中所述陶瓷基片的所述膜片部的突出量h不大于一条横跨所述至少一个窗口中一个对应的窗口延伸并穿过该窗口的中心的最短直线的长度的50％。

3.根据权利要求2所述的压电/电致伸缩膜元件，其中所述陶瓷基片的所述膜片部的突出量h不大于所述最短直线长度的5％。

4.根据权利要求1～3中任何一项所述的压电/电致伸缩膜元件，其中所述膜片部具有不大于5μm的平均晶粒尺寸。

5.根据权利要求1～3中任何一项所述的压电/电致伸缩膜元件，其中所述膜片部具有不大于50μm的厚度。

6.根据权利要求5所述的压电/电致伸缩膜元件，其中所述膜片部具有不大于30μm的厚度。

7.根据权利要求1～3和6中任何一项所述的压电/电致伸缩膜元件，其中所述压电/电致伸缩单元具有不大于100μm的厚度。

8.根据权利要求1～3和6中任何一项所述的压电/电致伸缩膜元件，其中所述陶瓷基片有多个窗口和多个用来分别封闭所述多个窗口的膜片部，每个所述膜片部具有一种凸面形状，所述压电/电致伸缩单元形成在每个所述膜片部的凸形外表面上。

9.一种制作如权利要求1所述的压电/电致伸缩膜元件的方法，包括以下步骤：

制备一个陶瓷基片(2，22)，所述基片具有一种由一个基板(4，28，30)和一个膜片板(18，26)构成的整体结构，并且所述基片有至少一个膜片部(10，26)，每个所述膜片部具有一种凸面形状并沿离开所述至少一个窗口中一个对应窗口的方向向外突出一个量H，通过控制所述基板和膜片板(4，28，30；8，26)的烧制率、烧制速度、收缩率、所述膜片板(8，26)在烧制之前的形状以及所述基板和膜片板(4，28，30；8，26)的热膨胀系数之差中的至少一个来得到所述陶瓷基片(2，22)，根据一个压电/电致伸缩层(14，42)的烧制收缩和烧制后所述至少一个膜片部(10，26)的需要的突出量h确定所述至少一个膜片部(10，26)的突出量H；

通过一种膜形成方法在每个所述至少一个膜片部的凸形外表面上形成一个下电极(12，40)和所述压电/电致伸缩层(14，42)；

烧制所述压电/电致伸缩层以便所述下电极和所述压电/电致伸缩层整体地形成在所述每个膜片部的所述凸形外表面上；以及

通过一种膜形成方法在所述压电/电致伸缩层上形成一个上电极(16，44)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述上电极在烧制该压电/电致伸缩层之前即形成在所述压电/电致伸缩层上。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述陶瓷基片的所述每个膜片部的所述突出量H处于一条横跨所述至少一个窗口中一个对应的窗口延伸并穿过该窗口的中心的最短直线的长度的1～55％的范围内。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述陶瓷基片的所述每个膜片部的所述突出量H处于一条横跨所述至少一个窗口中一个对应的窗口延伸并穿过该窗口的中心的最短直线的长度的2～20％的范围内。

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