CN100385699C - 压电器件和其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种压电器件和其制造方法，包括交替地来回延伸的连续压电元件(10)，其形成了多个堆叠在一起的平行的笔直部分(14)，并在笔直部分(14)的相对端部处形成了中间连接部分(15)。各笔直部分(14)构造和设置有电极(12，13)，其可在被激励时沿着堆叠笔直部分(14)的堆叠方向并以在笔直部分(14)的两个半体(16，17)中具有相反曲率的形式弯曲，从而在笔直部分(14)的端部之间产生了沿着堆叠方向的位移，该位移可通过堆叠而串联地加在一起。该压电元件(10)的连续性本质使得制造更容易。

Description

压电器件和其制造方法

技术领域

本发明涉及压电器件。特别是，本发明涉及在被激励时会产生相对位移的器件。在其它方面，本发明还涉及制造这种压电器件的方法。

背景技术

压电材料在受到所施加电场的电激励时会产生变形，或者相反，它可响应于所施加的变形而产生电场。已知有许多类型的压电器件，其使用了设有电极的压电材料来施加电场或检测电场。

最简单类型的压电器件是压电材料块，其通过在极化方向上施加激励电压而以膨胀-收缩的方式被激励。然而，由于压电效应较小，通常在10^-10m/V的数量级，因此尺寸的变化相对较小，对于典型的器件来说不足1微米。因此，已经开发出了具有更复杂结构的压电器件，以便实现较大的位移。

例如，压电器件的一种已知结构为弯曲件结构，例如具有两层压电材料的双压电晶片弯曲件结构或具有超过两层压电材料的多压电晶片弯曲件结构。在弯曲件结构中，这些层就膨胀-收缩方式被激励，在层之间的长度方面具有不同的变化，通常是一个层膨胀而另一层收缩。由于这些层相互连接在一起而受到限制，因此，长度的这种不同变化就伴随有围绕横穿过层的轴线沿厚度方向的弯曲。因此，在器件的端部处存在着相对位移。

图1显示了具有双压电晶片弯曲件结构的压电器件1，图1是沿器件1长度的剖视图。压电器件1为已知的类型，例如在“反弯的压电应变放大激励器系统”，Ervin和Brei，IEEE/ASME Transactionson Mechatronics，第3卷第4期，1998年12月中所公开的那种。器件1包括两层平行的压电材料层2。中心电极3在两个层2之间沿器件1的整个长度平行于层2延伸，而外部电极4在层2之外沿器件1的整个长度平行于层2延伸。层2在沿器件1长度上的两个半体5和6中沿相反的方向被极化，各层2在各半体5和6内沿相反的方向被极化，如箭头P所示。

通过对外部电极4施加相反极性的激励电压，同时保持中心电极3接地，从而形成如箭头E所示的在两个层2上均为相同方向的电场，便可电激励器件1。作为极化P和电场E的相对方向的结果，在各半体5和6中，器件1垂直于层1而弯曲，但在两个半体5和6内具有相反的曲率。因此，如图2所示，这一弯曲在器件1的端部7和8之间引起了相对位移，其量为d。此外，由于两个半体5和6具有相等的长度，并且器件1的结构沿其长度是均匀的，因此在端部7和8之间不存在相对旋转。

然而，对于这种已知的结构来说，位移d的大小受到器件1的长度的限制，而器件1的长度本身受到实际因素的限制。为了得到更大的位移，上面引用的Ervin和Brei的文章还公开了如图1所示类型的单独器件1的阵列，它们机械式地串联且相互平行，使得总位移等于串联在一起的器件的位移总和。这种阵列在原理上是有利的，但在实践中很难制造。特别是，尤其随着阵列中的器件数量增多，很难将所有器件在该阵列内正确地对齐、物理性相连且电连接。例如，Ervin和Brei的文章报道了一个实用的实施例，其中在器件之间通过环氧树脂将各个层粘合，这使得制造是繁重的过程，要求在构建阵列时高精度地正确对齐各器件。另一问题是在端部7和8之间产生的杠杆作用。这意味着器件之间的连接必须充分地不具刚性，以防止杠杆刚性会使整个器件1扭转，这种情况会减小所需方向上的位移。

发明内容

希望提供一种具有这样结构的器件，该结构能够实现较大的位移，同时制造起来比较容易。

根据本发明，提供了一种压电器件，包括交替地来回延伸的连续压电元件，其形成了多个堆叠在一起的平行的笔直部分，并在笔直部分的相对端部处形成了中间连接部分，各笔直部分构造和设置有电极，其可在被激励时沿着堆叠笔直部分的堆叠方向并以在笔直部分的两个半体中具有相反曲率的形式而弯曲，从而在笔直部分的端部之间产生了沿着堆叠方向的位移。

在这种压电器件中，在被激励时，各笔直部分以在其两个半体中具有相反曲率的形式而弯曲，从而在各笔直部分的端部之间产生了相对位移。因此，各笔直部分自身以与上述已知的器件1类似的方式工作。然而，由于压电器件具有堆叠设置的多个平行的笔直部分，因此在被激励时位移便通过该堆叠体而串联地加在一起。因此，可以得到与各笔直部分的位移之和相等的总位移。这意味着压电器件可被设置成能产生较大的位移。总的来说，通过选择适当数量的笔直部分，就可以实现任何所需的位移。此外，可以实现这种较大的位移，同时将单个笔直部分的长度保持在较低的水准，从而避免上述类型的问题。

此外，在将压电器件形成为交替地来回延伸的连续压电元件时，压电器件制造起来比较简单。例如，根据压电元件的结构，它可通过使连续压电元件产生变形来形成，或通过切割压电元件薄片以形成从该薄片的相对侧面延伸出来的交迭缝隙来形成。与机械式串联相接的单个压电器件的阵列相比，不存在正确地对齐、物理性连接以及将单个器件电连接在一起的困难。

可以设计出能导致弯曲的不同类型结构的压电元件。

在第一种类型的结构中，压电元件具有弯曲件结构，最好是包括有两层压电材料的双压电晶片的弯曲件结构，然而也可以是单压电晶片或多压电晶片的弯曲件结构。

通过这种弯曲件结构，就能够比较简单地制造压电器件，这是通过将直的可变形的连续压电元件的一些间隔开的部分弯曲180°，形成中间连接部分并在它们之间留下笔直部分来实现的。

或者，根据本发明，双压电晶片弯曲件的连续的和共焙烧的(co-fired)堆叠体可采用固体堆叠的多层压电陶瓷领域中已知的工艺和方法来制造，但对它们进行一些新颖的改进以实现堆叠的反弯或S形的弯曲件。

在第二种类型的结构中，连续压电元件是压电材料的薄片，其具有从相对的侧面延伸出来的交迭缝隙，从而在这些缝隙之间形成了笔直部分，并且在薄片的各主要表面上成对地设置了相反的电极，它们沿笔直部分延伸并分隔开。

通过这种结构，在笔直部分上分隔开了两对相反的电极。在被激励时，在各对相反的电极之间产生了电场，电场平行于压电材料被极化的方向。结果，各对相反的电极之间的压电材料以膨胀-收缩方式被激励，因此沿着笔直部分产生了不同的长度变化。在使用中，笔直部分被激励，并且各对相反的电极之间的材料在长度上产生了不同的变化。由于形成为一体，因此这两个区域受到约束，这样，长度的不同变化伴随有笔直部分的侧向弯曲，这种弯曲是围绕着平行于薄片厚度的轴线来进行的。这与发生在具有已知的弯曲件结构的器件中的弯曲形成了对比，在已知的弯曲件结构中，弯曲垂直于层的厚度而产生，即围绕着横穿过层的轴线来进行。

第二种类型的结构的优点在于它比相当尺寸的第一种类型的结构、即已知的弯曲件结构的器件更刚硬，因而产生了更大的力。这是由于弯曲发生在笔直部分的宽度上而不是发生在薄片的厚度上的事实而带来的。在要求压电器件移动更大质量的许多应用中，产生更大的力是有利的。

另外，第二种类型的结构在制造方面提供了若干优点。首先，制造根据本发明压电器件比较简单，通过在压电材料的薄片中切出交迭的缝隙即可。

在第二种类型的结构中，其制造比第一种类型的结构更简单，并且成本更低，这是因为由于没有埋入式电极，该结构允许在焙烧压电材料薄片后再施加所有电极。

在已知的双压电晶片弯曲件结构中，至少中心电极必须在烧结压电元件时与各层一起共焙烧。因此，中心电极必须使用能够耐受烧结期间的高温的材料，例如贵金属。这种材料比较昂贵。相反，由于在第二种类型的结构中不存在埋入式电极，电极可在烧结薄片后施加，例如通过无电淀积或通过沉积金属墨水来实现。这就简化了制造，避免了需要用可耐受烧结的昂贵材料来形成电极。这一优点源于器件的几何形状，其中电极对在笔直部分的宽度上间隔开，而不是在多层元件的厚度上间隔开。

附图说明

为了更好地进行理解，下面将通过非限制性示例并参考附图来介绍本发明的实施例，在附图中：

图1是具有双压电晶片弯曲件结构的已知压电器件的剖视图，该剖视图是沿器件的长度来进行剖切的；

图2是图1所示的压电器件在被激励时的剖视图。

图3是压电器件的透视图，其包括具有双压电晶片弯曲件结构的压电元件；

图4是图3所示的压电器件在被激励时的透视图；

图5和6分别是双压电晶片弯曲件的连续堆叠体的一部分的剖视图和分解视图；

图7是用于制造多个压电器件的薄片形式的可变形元件的透视图；

图8是用于弯曲可变形元件的第一装置的侧视图；

图9是用于弯曲可变形元件的第二装置的侧视图；

图10和11是形式为薄片的其它可变形元件的透视图；

图12和13是在弯曲后在图10和11所示薄片上进行的蒸发沉淀工艺的侧视图；

图14是压电器件的透视图，其包括具有第二种类型结构的压电元件；

图15是包括具有第二种类型结构的压电元件的压电器件的侧视图；和

图16是具有交替电极结构的中间连接部分的局部侧视图。

具体实施方式

下面将介绍具有连续压电元件的压电器件，该压电元件具有可在被激励时弯曲的两种类型的结构。在这两种情况下，压电材料沿着元件是连续的。使用其它可在被激励时弯曲的结构同样可实施本发明。

连续压电元件的第一种类型的结构是弯曲件结构，优选为双压电晶片弯曲件结构。

图3显示了包括具有双压电晶片弯曲件结构的连续压电元件的压电器件10，该结构由两层平行的压电材料层11构成。在垂直于层11的方向上，压电元件10具有矩形截面，该截面沿着元件10的长度是均匀的。元件10具有平行于层11而延伸的成对的外部电极12以及一个中心电极13。为清晰起见，在图中层11在垂直于层11的方向上的厚度被放大了。层11可由任何压电材料制成，例如为压电陶瓷如锆钛酸铅(PZT)，或者是聚合物如聚偏氟乙烯(PVDF)。

对连续压电元件11进行弯曲，使其交替地来回延伸，形成了多个平行的笔直部分14，它们设置成相互重叠，从而形成了一个沿着堆叠方向S的堆叠体。连续元件10在图3中显示为具有三个笔直部分14，这仅是出于说明的目的。通常来说，元件10可进一步交替地来回延伸，从而形成任意数量的笔直部分14。连续压电元件10上的处于笔直部分14之间的部分15被弯曲了180°，这样便在堆叠体上形成了位于笔直部分14的相对端部处的连接部分15。

中心电极13沿着元件10的整个长度延伸，而外部电极12在元件10的长度上被分隔开。具体地说，外部电极12在各笔直部分14的长度上于两个半体16和17分隔开一定的间隙18，使得外部电极12的对在两个半体16和17之间电绝缘。这两个半体16和17最好具有相等的长度。为清晰起见，间隙18在图3中显示为被放大的长度，但在实际上它可以是任何足以将沿各笔直部分14延伸的两对外部电极12隔开的尺寸。为了防止间隙18对元件10的操作有明显的影响，间隙18最好比笔直部分14的长度短至少一个数量级。外部电极12在相邻的笔直部分14之间围绕着连接部分15连续地延伸，但这并非是必需的。

在使用中，外部电极12与一个电路(未示出)电连接，其用于在被激励时在外部电极12之间提供电压或检测该电压。如下文中更详细地介绍，元件10的结构设置避免了需要在被激励时形成到中心电极13的电连接。

在各笔直部分14的各半体16和17中，层11沿相同的方向P被极化。极化方向P相对于层11而言在元件10的长度上处于相同的方向，这样，由于连接部分15弯曲了180°，因此对于堆叠体上的连续笔直部分14来说，极化方向P处于交替的方向。

在元件10的使用期间，在外部电极12上施加激励电压，从而在层11上产生了能够促动层11的电场E。在激励期间所施加的电场E的方向总是平行于极化方向，因此层11要么膨胀要么收缩，这取决于电场E和极化P的相对激励。在各笔直部分14的各半体16和17中，极化P和所施加电场E的相对方向选择成使得其中一个层11膨胀而另一个层11收缩。这就使得各笔直部分14的各半体16和17围绕着横穿过笔直部分并平行于层11而延伸的轴线弯曲，这是因为层11因通过中心电极13连接在一起而受到约束。

为了进行电激励，对所有的外部电极12同时施加激励电压，其极性如下所述。施加在器件一侧上的各笔直部分14的半体16的外部电极12上的激励电压的极性为第一极性，而施加在各笔直部分14的另一半体17的所有外部电极12上的激励电压为相反的第二极性。结果，在中心电极13上感应了电压，其处于施加到两个半体16和17中的外部电极12上的电压的中间。所施加的激励电压最好为相同的大小，这样，由于器件是对称的，因此中心电极便在0V的感应电压左右飘游，就象它被接地一样。结果，对于两个层11来说，在沿元件10长度上的所有点处，所施加的电场E均处于相反的方向。此外，对于各笔直部分14的各半体16和17来说，在单个给定层11上的施加电场E处于相反的方向。因此，笔直部分14以在两个半体16和17中存在相反曲率的方式而弯曲。

在图4中显示了在被激励时的器件。由于笔直部分14沿堆叠方向S弯曲，并且在两个半体16和17中存在相反的曲率，这就使得在各笔直部分14的端部之间存在着沿堆叠方向的相对位移。此外，各笔直部分14的端部之间的相对位移在笔直部分14的堆叠体上串联地相加，从而使元件10的端部产生相对位移。

优选但不必需使电极12和13在可能保持不被促动的连接部分15的周围连续地延伸。由于电极12和13在连接部分15的周围连续地延伸，因此连接部分的激励就为元件10的端部之间的位移提供了额外的贡献。具体地说，在被激励时，连接部分15弯曲并向外打开，使得与之相邻的笔直部分14产生相对旋转，导致笔直部分用作悬臂梁，这就使元件10的端部进一步移动。在这种情况下，优选设置偶数数量的连接部分15(即奇数数量的笔直部分14)，使得由连接部分15的激励所引起的旋转在元件10的半体16或17的连接部分之间被抵消。

也可采用极化P和电场E的方向的其它组合，以在被激励时产生相同的弯曲。

作为图3所示的元件10的双压电晶片弯曲件结构的一种替代，本发明还可应用于具有由一层压电材料和一层非活性材料构成的单压电晶片弯曲件结构的元件中，或应用于具有由超过两层压电材料构成的多压电晶片弯曲件结构的元件中。这种弯曲件结构本身是已知的，其以与上述双压电晶片弯曲件结构大致相同的方式操作。

通过对外部电极12施加激励电压便可电气式促动压电器件，从而在元件10的端部之间导致机械位移。在这种情况下，器件可用作执行元件，其能够使置于元件端部上的物体产生相对运动。反过来，通过使元件10的端部产生相对运动便可机械式促动压电器件，从而在外部电极12上产生激励电压。在这种情况下，由于能检测激励电压，因此压电器件可用作传感器。

下面将介绍包括有第一种类型结构的元件的压电器件的制造方法。

该方法主要包括提供直的可变形的连续压电元件10，其具有所需的弯曲件结构，使该元件的一些间隔开的部分弯曲180°以形成中间连接部分15，并在中间连接部分15之间留下笔直部分14。为了能够进行这种弯曲，初始提供的元件10必须具有足够程度的柔性以允许产生变形。层11的压电材料优选为处于生坯状态(green state)的压电陶瓷如PZT，其含有聚合物以便为材料提供柔性。在成形后对元件进行烧结，从而使压电材料固化。利用这种处于生坯状态下的压电陶瓷并之后进行烧结的制造技术本质上是已知的，并很容易应用到本发明中。

下面将更详细地来介绍该制造方法。

首先，采用传统的技术制出直的可变形的压电元件10。对于压电材料层11和中心电极13来说，优选的技术是共挤压。在使用这种技术时，中心电极13必须比较厚，这是因为在其生坯状态下，中心电极具有与生坯状态下的层11的材料相似的流变性。这些层的可能材料为PZT，而中心电极13可由含银PZT制成，在这种情况下层11也添加了少量银以防止扩散。

作为替代，可通过对压电材料层11进行层压来形成连续压电元件10。在这种情况下，中心电极13可由金属油墨、例如添加有铂、银或钯的油墨印刷而成。优选在中心电极13的边缘与层11之间的周向外界面之间保持一定的间隙，以防止与在使用中保持飘游的中心电极13形成偶然的电连接。可变形元件10最初可形成为具有一定的尺寸，以便能够被弯曲成一个压电器件。

作为另一替代，可采用新型的层压或堆叠工艺来形成连续压电元件。堆叠同样是众所周知的，并主要用于装配压电片的多层堆叠体。

例如在已公布的美国专利申请No.01/0009344中介绍了一种已知的堆叠工艺，该申请通过引用结合于本文中，作为压电堆叠体的制造工艺的已知工序。

为了制造弯曲件的堆叠体，对该工艺在一些如下所述的重要方面进行了改进。

弯曲件堆叠体基于单个的弯曲件单元，这些单元通过对单层压电带生坯进行堆叠来制造。在图5中显示了根据本发明这一变型的堆叠体的头两个单元，其中包括有两层压电材料(PZT)153，154的第一双压电晶片弯曲件单元152-1安装在基底151上。两个中心电极155，156嵌入在这两层之间。两个外表面电极157，158分别覆盖了弯曲件单元的上、下表面。第二单元152-2以相反的方位安装在第一单元的边缘159上。因此，多个弯曲件单元能够安装成一个堆叠体。箭头显示了所需的极化方向和激励场方向。极化方向用实线箭头示出。为产生激励而施加的电场用虚线箭头示出。在极化期间，中心电极155，156保持飘游。

如下所述，单元的所有四个侧面均具有引出点，其用于制造工艺中的不同阶段和堆叠体的激励期间。

一种可能的设置是将外表面电极157，158与左右表面相连，如图6所示，而中心电极布置成使得一个半体经由前表面相连，而另一半体经由后表面相连。由于通过以交替的方位来堆叠弯曲件单元而装配出该堆叠体，因此在使用中处于同一电位下的所有电极可经由堆叠体的相同侧面而接触到。

在图7中显示了弯曲件单元152的一个分解视图，图中显示了其制造所需的层和印刷的顺序。图中标号与图6中所用的相同。下方的外表面电极157被丝网印刷在下方的PZT层153上。中心电极155，156被印刷在第一层153的顶面或第二PZT层154的底面上，或部分地印刷在这两个PZT层上。上方的外表面电极158被印刷在第二层154的顶面上。

在制造这种结构时一项重要的考虑是，如何在边缘159处熔合或层压双压电晶片弯曲件单元152，同时在单元的其余部分之间保持一定的间隙。

在本发明中，在弯曲件单元之间放置了易失层(fugitive layer)或可除去层160。这种层可在生坯带(green tape)的层叠工艺期间沉积到外部电极层的顶面上，从而保护了电极的印刷部分。然后可在对该结构进行干燥后物理性地除去这种带状材料，或者在除去粘结剂的阶段中烧掉。已经发现，如果外部垂片保留下来的话，就可在对层压物进行干燥后除去聚乙烯薄片。或者，易失层160可由例如碳的材料制成，其在烧结阶段中被烧掉。

可在一层生坯带上平行地制出若干印刷部分。通过以适当的顺序来堆叠这些层，就可在一次焙烧工艺中制造出包括有一系列弯曲件单元的生坯带。在引入易失层或可除去带之后，将弯曲件单元的第二生坯带层堆叠在第一生坯带上。通过重复这些步骤便得到了生坯带的堆叠体，其可形成弯曲件单元的多重堆叠，各单元通过易失带分隔开，但在边缘部分处除外，在这里这些单元设计成形成了连续或准连续的粘合。在压制生坯带堆叠体、干燥并除去任何可除去的或易失的带部分之后，烧尽堆叠体并进行焙烧。因此，通过共焙烧工艺便制出了反弯的或S形弯曲的完全堆叠体，相反，在现有技术中通过焙烧后的粘合来制出这种堆叠体。而且，相邻的单元提供了额外的支撑，以防止在焙烧工艺期间垂直对齐的单元之间的间隙被破坏。

通过设计外表面电极的样式以使所有的外部电极156，157具有共同的导电路径或迹线，就可在烧结之后但在将组件切成单个单元之前使单元各层的整个堆叠体极化。为了按照图6中实线箭头所示的方向来极化压电层，应在外表面电极156，157上施加适当的极化电压VP(+)和VP(-)，而中心电极并不必保持在确定的电位下，即保持在飘游电位下。

在极化后，弯曲件单元各层的堆叠体被切开以形成如图6所示的单个堆叠体。在切开后，端子或表面电极经由沿适当表面延伸的压印电极而与中心电极155，156的引出点相连。外表面电极在激励期间保持飘游，因此不需要在堆叠体的侧面设置接头。

虽然已知有一些其它的方法用于极化和激励反弯的或S形的双压电晶片弯曲件，然而对于连续堆叠体来说，上述具体结构提供了至少两项显著的优点：仅使用了外表面电极157，158的极化工艺允许在切割前对一批堆叠体进行极化，以及在激励期间每弯曲件单元仅具有两个端子电极，这促进了使端子电极沿堆叠体表面的沉积。

通过共焙烧处于其生坯状态下的层压弯曲件单元，陶瓷部分便熔合而形成了连续的或基本连续的压电弯曲件的堆叠体。

作为形成弯曲件的连续堆叠体的上述方法的替代，最初可以薄片的形式来提供直的元件，该薄片可通过垂直于连接部分围绕其而弯曲的轴线的平面切割而被切开，从而形成了多个根据本发明的压电器件。图7显示了这种薄片20的一个例子，其包括有两层压电材料层11。薄片20在其长度L上具有与图3所示的单个器件的压电元件10相同的结构。在弯曲后，通过沿其长度L垂直于薄片20来进行平面切割，便可将薄片20切开成单独的元件10。薄片20具有多个在薄片20的宽度W上间隔开并沿长度L延伸的中心电极13，平面切割在电极13之间进行。

用于从直的压电元件中生产出压电器件的下述技术也可同样地应用到将形成单个器件的可变形元件10中，或应用到将被切成多个器件的如图7所示的薄片20中。

可变形元件10最初未设有外部电极12。然而，可变形元件优选设有外部牺牲层，其平行于压电层11延伸并由可除去的材料形成，例如可由在烧结期间被烧掉的材料如碳形成。这种牺牲层提供了弯曲后的笔直部分14之间的间隙，从而放宽了弯曲工艺所需的公差。牺牲层例如可以是层压在元件10上的填充有碳的带。

然后弯曲该可变形元件，具体地说是将元件的一些间隔开的部分弯曲180°，从而形成了中间连接部分15并在它们之间留出笔直部分14。存在多种进行弯曲的方法。

图8显示了一种通过从相对侧顺序地压制元件来进行弯曲的装置。该装置包括一对可旋转的压力机30，其具有四个(实际上可以是任何数量)径向延伸的交叉臂31，在臂31的端部安装有圆柱体32。压力机30同步地旋转，同时可变形元件10在交叉臂31之间被驱动辊33所驱动。结果，圆柱体32从相对侧对元件10顺序地加压，从而使间隔开的部分15弯曲并在它们之间留下了笔直部分14。图8所示的装置将间隔开的部分弯曲小于180°的角，从而使带10呈波纹状，不会使笔直部分14相互间平行。为了将连接部分15弯曲成完整的180°，在一个后续阶段中，将元件10的端部压在一起，使得笔直部分相互间平行。

图9显示了用于弯曲连续元件10的第二装置，其使用了设置成两组的多个铰链板40，当连续元件被驱动辊41和42驱动到位时在元件10的各侧分别设有一组铰链板。一旦可变形元件10就位，铰链板40就相对元件10旋转，并交替地使用元件10的相对两侧上的两组铰链板40中的铰链板40。这些铰链板40旋转到铰链板40相互间平行的最终位置，从而从相对侧顺序地对元件10施压，并围绕铰链板的端部来弯曲连接部分15，而且在铰链板40之间的间隙内留下笔直部分14。当所有铰链板40均已旋转之后，将铰链板从笔直部分14之间的间隙中直线式地抽出，留下成形的元件10。

同样可构思出其它用于弯曲元件10的技术，例如将元件10压在两个带有互锁突起的刚性压力机之间，元件10在互锁突起之间被弯曲成形。

当弯曲元件10时，中间连接部分15的曲率半径通常等于元件10的厚度。由于其处于生坯状态，因此在元件10的笔直部分14之间存在着较大的间隙。这并不是太大的问题，因为弯曲的中间连接部分15本身对元件10端部的相对位移有一定的贡献。作为选择，为了减小曲率半径，可在弯曲元件10之前挤压中间连接部分15以减小其厚度。

下一阶段是采用传统的烧结技术来烧结压电材料以使之固化。例如，典型的工艺是首先在高达600℃的温度下烧结元件10，之后通过在通常1000℃到1200℃之间的温度下进一步烧结来使层11的材料致密化。

之后，施加外部电极12。由于电极12在烧结后施加，因此外部电极12就不必使用能够耐受烧结的材料，而是可以使用更便宜的材料。

下一阶段是使层11的压电材料极化。元件10沿着元件10的长度(即就象元件10被拉直一样)相对于层11在相同的方向上极化，这样，由于连接部分15被弯曲了180°，对于接连几个笔直部分14来说极化处于相反的方向。极化可通过从相对侧将极化电极插入到笔直部分14之间的间隙中来实现。在从相对侧插入的电极上施加足以使层11的压电材料极化的极化电压。这最好通过将元件11和极化电极浸入到具有高介电常数、至少大于空气的介电常数的流体中来进行，以便降低极化电极和压电材料之间的不可避免的间隙上的场降。这种对层进行极化的技术特别适用于笔直部分14之间的间隙比较大的较大器件。

外部电极12可通过单独地浸渍元件10的各个半体16和17来形成。适当的浸渍工艺是将半体16和17中的第一半体浸入到光致抗蚀剂中，然后对整个元件10进行电镀，之后除去光致抗蚀剂，然后对半体16和17中的第二半体重复该工艺。这种浸渍工艺特别适用于笔直部分14之间的间隙比较大的压电器件。浸渍工艺的精度需要保证在两个半体16和17中的外部电极12之间存在足够的间隙18，该精度受到笔直部分之间的间隙中的流体的毛细作用的限制，这种情况随着间隙的变窄而变得更糟。

用于施加电极的另一种方法是蒸发沉淀工艺。下面将介绍这种工艺的一个例子，其在薄片形式的元件上进行，该薄片之后将被切割成单独的元件10。

采用分别如图10和11所示的薄片50或60。除下述几处之外，薄片50和60具有与图7所示薄片20相同的结构。

薄片50和60均形成有沟槽51，其在将形成有中间连接部分15的位置处横穿过薄片50和60的宽度而延伸。通过使薄片50和60从具有可形成沟槽51的凸印形状的辊中通过，便可制出沟槽51。

薄片50还形成有几组凸台52，各组凸台52在薄片50的宽度W上间隔开，并且各个凸台均在薄片50的一部分宽度上延伸，这一部分可在切开薄片50后形成单个元件。如果在薄片50上设有压电材料，那么凸台可在之后通过丝网印刷形成。作为选择，可采用第二丝网印刷操作来在如上所述的可除去材料的凸台52之间的间隙内施加牺牲层。丝网印刷可能需要重复若干次，以得到适当厚度的牺牲层。凸台52比中心电极13更宽，因此当将薄片50切成单个元件时，凸台51横跨在各笔直部分14的整个宽度上。

图11所示的薄片60具有凹槽62，其图案与图10所示的薄片50的凸台52完全相同。

之后采用上述技术来弯曲薄片50或60，沟槽51用作对齐点，以使连接部分15处于正确的位置，并且凸台52或凹槽62正好处于笔直部分14上的一半位置处，从而可将笔直部分14分成两个半体16和17。

在弯曲后对薄片50或60进行烧结。如果使用了如上所述的牺牲层，那么就对薄片进行压制，以保证能够很好地控制生坯状态下的尺寸。

在烧结后采用例如如图12和13所示的蒸发沉淀工艺来施加外部电极12。具体地说，将薄片50或60与源材料70一起置于高真空中。可以使用任何适当的材料，例如铜或铝。将源材料70加热以使其蒸发，并沉积在薄片50或60上。薄片50的凸台52或薄片60的凹槽62形成了未沉积有电极材料的阴影区域。

可将源70相对薄片50或60放置成不同的角度，重复进行沉积工艺，以便将电极13的材料沉积在所有需要的表面上。

如薄片50那样使用凸台52的优点在于，它们可通过使用与用于层压薄片50的相同的标准丝网印刷设备来制造。

如薄片60那样使用凹槽62的优点在于，它们可在与用于形成沟槽51的相同的凸印工艺中形成。此外，在蒸发工艺期间，可精确地设定两个半体16和17之间的外部电极12中的切口宽度，不要求源70在角度方面有精密的公差，并且不要求下凹的深度有严格的公差。另一方面，在使用凸台52时，阴影区域以及半体16和17之间的间隙18的宽度很大程度上取决于凸台52的高度以及源材料70相对薄片50的角度。

沉积工艺将电极材料沉积到凸台52或凹槽62之间的间隙内，从而在薄片50或60上的各笔直部分14的两个半体16和17中的外部电极12之间提供了电连接。之后对薄片50或60进行极化，这可通过与薄片50或60的各主要表面上的外部电极12形成一个接头来进行，外部电极12在薄片50或60的整个长度上通过沉积于凸台52或凹槽62之间的电极材料而电连接。因此，不必如上所述地将极化电极插入到笔直部分14之间的间隙内。

在极化后，通过沿着薄片长度的平面切割来切开薄片50或60，从而形成如图3所示的单个压电元件10。在这样切割薄片50或60时，薄片50或60的宽度上的处于凸台52或凹槽62之间的部分被除去，因此在笔直部分14的两个半体16和17中的外部电极12之间不存在电连接。

上述方法涉及到在烧结后施加外部电极。作为一种选择，可在烧结前将外部电极丝网印刷到可变形元件10上，其方式与中心电极相同。这种选择不是理想的选择，首先由于外部电极12必须使用能够耐受烧结的材料，而这种材料比较昂贵，其次可变形元件的增大的厚度使得中间部分15的曲率半径增大，从而增大了笔直部分14之间的间隙。

最好，元件10的各半体16和17的外部电极12在元件10的两侧上连接到一起，使得各半体16和17的外部电极12通过一个接头便可与电路相连。实现该目的的一种方式是使用如上所述的蒸发沉淀工艺，但源材料朝向器件上的待形成穿过两层11的电连接的那一侧。在各笔直部分的半体16和17之间的间隙18上设置屏障，以阻止在各半体16和17的外部电极12之间沉积出电连接。该工艺最好以源材料相对器件形成不同角度的方式重复多次，使得在层11的侧面和表面之间的成角度的角部周围形成可靠的连接。然后可在器件侧面上串级链式地施加铜丝或导电带，以便将笔直部分14的相应半体16和17连接在一起。丝或带可通过使用钎焊工艺或导电环氧树脂工艺相连。丝或带稍稍套在笔直部分14之间，允许进行适当的位移而不会影响电连接。

下面将介绍压电元件具有第二种类型的结构的压电器件。

图14显示了这种包括有薄片形式的压电元件101的压电器件100。元件101具有从相对侧面交替地延伸出来的交迭缝隙。因此，压电元件101在缝隙102的周围来回地交替延伸，并且在缝隙102的交迭部分之间形成了多个笔直部分103。连接部分104由元件101上的位于缝隙102的端部以外并处于笔直部分103中间的部分形成。

元件101可由任何适当的压电材料制成，例如为压电陶瓷如锆钛酸铅(PZT)，或者是压电聚合物如聚偏氟乙烯(PVDF)。

压电元件的材料在薄片101的主要表面之间的厚度方向上被极化。另外，电极105沿着各笔直部分103来设置，如下所述。电极105在元件101的各个相对的主要表面上具有相同的图案，在图14中只能看到其中的一个主要表面。电极105沿各笔直部分的长度设置成在笔直部分103的宽度上间隔开的两对，在各对之间存在有间隙106，因此电极105的各对相互间电绝缘。电极105沿笔直部分103的长度延伸，但在各笔直部分的两个半体107和108之间分隔开一定的间隙111，因此电极105在两个半体107和108之间电绝缘。这两个半体107和108最好具有相同的长度。为清晰起见，间隙111的长度在图14中被放大，但实际上该间隙可以是任何足以隔离电极105的尺寸。为了防止间隙111对元件101的操作有显著的影响，间隙111最好比笔直部分的长度至少小一个数量级。

在使用中，电极105与一个电路(未示出)电连接。该电路可施加激励电压以电激励笔直部分103，或者可检测由元件101的机械激励所产生的激励电压。

在被激励时，在各对相反的电极105之间形成了电场，即该电场形成于在各笔直部分103的宽度上间隔开的两个区域109和110中。也就是说，电场形成为穿过笔直部分103的厚度。电场E的方向平行于极化方向，因此区域109和110中的各笔直部分的材料以膨胀-收缩方式被激励。实际上，在各对相反的电极105之间施加相反极性的激励电压，使得电场在笔直部分103的宽度上的两个区域109和110中处于相反的方向。因此，在笔直部分103的宽度上的两个区域109和110之间的笔直部分103的长度存在不同的变化，这样，由于区域109和110因相互间形成一体而受到约束，该长度的不同变化就伴随有笔直部分103的平行于其宽度的弯曲。

这与具有已知的弯曲件结构的元件的弯曲类似，在已知的弯曲件结构中，弯曲也是由长度的不同变化所引起的。然而，元件101的弯曲围绕着平行于产生电场的厚度方向的轴线发生在笔直部分103的宽度上。这是因为区域109和110中的电极105的对在笔直部分103的宽度上隔开。相反，在已知的弯曲件结构中，产生了不同长度变化的层在层的厚度上间隔开，因此弯曲围绕着延伸穿过垂直于电场的层的轴线而产生，如上参考图2和4所述。

此外，施加激励电压以使各笔直部分103的两个半体107和108以相反的曲率弯曲。由于极化在整个压电元件101上为相同的方向，这一目的就可通过在各笔直部分103的两个半体107和108上施加相反极性的激励电压来实现。

极化P和电场E的方向同样可以是其它的组合。

图15显示了在被激励时的器件，其具有与图14所示相同的结构，但笔直部分103的数量不同。由于在两个半体107和108中存在曲率相反的堆叠方向S，这就使得在各笔直部分103的端部之间产生了沿堆叠方向的相对位移。为清晰起见，该相对位移在图15中被放大了。此外，各笔直部分103的端部之间的相对位移通过笔直部分103的堆叠而串联地相加，因此各笔直部分103的端部之间的相对位移便加在一起。

至于第二种类型的结构的相对尺寸，优选使各笔直部分103的长度L、宽度W和厚度T设置成使得L＞＞W＞T。厚度T必须足够小，以允许对给定的激励电压来说能在元件101上产生强电场。宽度W选择成大于厚度T，优选大得多。例如，在宽度W为几毫米的情况下，典型的厚度T为不足1毫米。

由于弯曲产生在宽度方向上，因此笔直部分103在弯曲方向上是刚硬的。这意味着所产生的力增大，虽然与之相关的是位移减少。因此，与具有相当尺寸的元件的第一种类型结构的器件相比，第二种类型的结构的一个特别的优点是可提供较大的力，然而位移减小。

在上述实施例中，中间连接部分104未形成有电极，因此它们保持不被促动。然而，作为选择，相邻笔直部分103上的两对电极可围绕中间连接部分104在笔直部分103之间连续地延伸，例如作为压电元件101的局部视图的图16所示，图中显示了中间连接部分104。在这种情况下，中间连接部分104的形状是弯曲的。

结果，在被激励时，连接部分104也以与笔直部分103相同的方式弯曲。这就使得中间部分104打开和闭合，导致与之相邻的笔直部分103产生相对旋转。这又对元件101的端部之间的位移提供了额外的贡献，这是通过改变作为悬臂梁的笔直部分的方位来实现的。

多个压电器件100可设置成并联地操作，这是通过以各薄片的主要表面相互面对的方式来堆叠元件101而实现的。

压电器件100的制造方法比较简单。基本上来说，通过初始提供作为可被切割以形成缝隙102的完整薄片的元件101，然后采用传统技术来施加电极，便形成了该压电器件。

这种工艺的成本低且简单，因为压电材料的薄片是很容易买到的。该方法可应用于任何类型的压电器件中。优选的材料是压电陶瓷如PZT。在这种情况下，元件101可在烧结之前或之后被切割，然而切割优选在烧结后进行，这样，在烧结期间不可避免会发生的收缩过程中，缝隙102不会导致元件101产生变形。

电极105可通过任何适当的技术来施加，例如金属油墨的无电淀积。原则上，电极可在烧结之前或之后施加，然而优选在烧结后施加，这样就不必用能够耐受足以烧结压电材料的温度的材料来制造电极。电极可由任何适当的金属制成。

施加电极的优选方法是将元件101传送通过两对带有适当图案的油墨的辊，从而在元件101的两个主要表面上同时施加电极105。或者，可在烧结前在狭长部件上沉积电先质如活性剂，以便进行无电沉积。在这种情况下，在烧结之后，通过将元件101浸入到适当的无电镀液中来产生电极。

在施加了电极103之后，通过施加足以使元件101上的处于各对相反电极105之间的区域109和110内的材料极化的极化电压，从而使元件101的材料极化。

Claims (35)

1.一种压电器件，包括交替地来回延伸的连续压电元件，其形成了多个堆叠在一起的平行的笔直部分，并在所述笔直部分的相对端部处形成了中间连接部分，各所述笔直部分构造和设置有电极，其可在被激励时沿着堆叠所述笔直部分的堆叠方向并以在所述笔直部分的两个半体中具有相反曲率的形式弯曲，从而在所述笔直部分的端部之间产生了沿着所述堆叠方向的相对位移，所述相对位移可通过所述堆叠体而串联地加在一起。

2.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述连续压电元件具有弯曲件结构，其包括有多个层，其中至少一层由压电材料制成，该压电材料在所述至少一层上被极化，所述至少一层设有平行于所述层并沿所述笔直部分延伸的电极，以便在所述至少一层压电材料上施加激励电压。

3.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于，所述连续压电元件的弯曲件结构包括两层压电材料。

4.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于，所述连续压电元件的中间连接部分弯曲了180°。

5.根据权利要求4所述的压电器件，其特征在于，所述电极围绕着所述中间连接部分在相邻的笔直部分之间连续地延伸。

6.根据权利要求5所述的压电器件，其特征在于，所述压电器件具有奇数数量的笔直部分。

7.根据权利要求4所述的压电器件，其特征在于，所述中间连接部分比所述笔直部分更薄。

8.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于，各所述笔直部分的两个半体中的电极分隔开，所述至少一层压电材料在各所述笔直部分的各半体中沿相同的方向被极化。

9.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述连续压电元件包括弯曲元件的堆叠体，它们在所述中间连接部分处通过共焙烧而熔合在一起。

10.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述连续压电元件为压电材料的薄片，其在所述薄片上被极化，并具有从所述薄片的相对侧延伸出来的交迭缝隙，从而在所述缝隙之间形成了笔直部分，在所述薄片的各主要表面上设有成对的相反电极，所述电极沿着所述笔直部分延伸并间隔开。

11.根据权利要求10所述的压电器件，其特征在于，各所述笔直部分的两个半体中的电极分隔开，所述压电材料薄片在各所述笔直部分的各个半体中沿相同的方向被极化。

12.根据权利要求11所述的压电器件，其特征在于，所述电极对围绕着所述中间连接部分在相邻的笔直部分之间连续地延伸，并且在所述薄片的各主要表面上相对。

13.根据权利要求12所述的压电器件，其特征在于，所述压电器件具有奇数数量的笔直部分。

14.根据权利要求3所述的压电器件，其特征在于，各所述笔直部分具有至少两个嵌入在中心并可独立地接触到的电极，从而形成了所述笔直部分的两个半体。

15.根据权利要求14所述的压电器件，其特征在于，所述中心电极具有通到所述器件的不同侧面上的引出线。

16.根据权利要求14所述的压电器件，其特征在于，所述各笔直部分具有单个极化方向。

17.根据权利要求14所述的压电器件，其特征在于，所述各笔直部分具有表面电极，其能够在工作期间保持在飘游电位下。

18.一种用于制造压电器件的方法，所述压电器件包括交替地来回延伸的连续压电元件，其形成了多个堆叠在一起的平行的笔直部分，并在所述笔直部分的相对端部处形成了中间连接部分，每个笔直部分，所述连续压电元件具有弯曲件结构，其包括有多个层，这些层至少一层由压电材料制成，该压电材料在所述至少一层上被极化，所述至少一层设有平行于所述层并沿所述笔直部分延伸的电极，以便在所述至少一层压电材料上施加激励电压，该多个层和电极安排成使该连续压电元件弯曲，其可在被激励时沿着堆叠所述笔直部分的堆叠方向并以在所述笔直部分的两个半体中具有相反曲率的形式弯曲，从而在所述笔直部分的端部之间产生了沿着所述堆叠方向的相对位移，所述相对位移可通过所述堆叠体而串联地加在一起，

所述方法包括：

将直的可变形的连续压电元件上的间隔开的部分弯曲180°，形成中间连接部分并在所述中间连接部分之间留下笔直部分，所述连续压电元件具有包括了多个层的弯曲件结构，其中至少一层为压电材料；

烧结所述弯曲的连续压电元件，使之固化。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述可变形的连续压电元件具有由可除去材料制成的外部牺牲层。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，弯曲所述可变形的压电元件的所述步骤通过从相对侧连续地对所述元件加压来形成。

21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述中间连接部分变薄。

22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述烧结步骤之后施加外部电极，使之平行于所述连续压电元件的至少一个外表面上的层。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述电极在各所述笔直部分的两个半体之间分隔开。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述笔直部分的两个半体中沿相同的方向极化所述至少一层压电材料。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，通过从所述压电元件的相对侧将极化电极插入到所述笔直部分之间，并且在从所述相对侧插入的电极上施加极化电压，从而来执行所述极化步骤。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，通过将所述连续压电元件浸入到具有高介电常数的流体中来执行所述极化步骤。

27.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，通过单独地浸渍所述笔直部分的各个半体来执行所述施加电极的步骤。

28.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述施加电极的步骤通过蒸发沉淀来执行，所述连续压电元件形成为在所述笔直部分的两个半体之间具有凸台或凹槽，从而通过所述凸台或凹槽的阴影来形成分隔。

29.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法为同时制造多个压电器件的方法，其包括弯曲压电薄片的所述步骤，所述压电薄片具有包括了多个层的弯曲件结构，其中至少一层为压电材料，所述方法还包括在所述弯曲步骤之后，通过进行垂直于所述薄片的平面切割来将所述薄片切成单独的连续压电元件。

30.一种制造压电器件的方法，所述压电器件包括交替地来回延伸的连续压电元件，其形成了多个堆叠在一起的平行的笔直部分，并在所述笔直部分的相对端部处形成了中间连接部分，所述连续压电元件为压电材料的薄片，其在所述薄片上被极化，并具有从所述薄片的相对侧延伸出来的交迭缝隙，从而在所述缝隙之间形成了笔直部分，在所述薄片的各主要表面上设有成对的相反电极，所述电极沿着所述笔直部分延伸并间隔开，所述笔直部分和电极被安排成能引起该连续压电元件弯曲，其可在被激励时沿着堆叠所述笔直部分的堆叠方向并以在所述笔直部分的两个半体中具有相反曲率的形式弯曲，从而在所述笔直部分的端部之间产生了沿着所述堆叠方向的相对位移，所述相对位移可通过所述堆叠体而串联地加在一起，

所述方法包括在压电材料的薄片中切出交迭的缝隙，并且在所述切割薄片的步骤之前或之后施加所述电极。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述切割薄片的步骤之前或之后烧结所述薄片，所述施加电极的步骤在烧结所述薄片之前或之后进行。

32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述电极通过印刷来施加。

33.一种制造压电器件的方法，所述压电器件包括交替地来回延伸的连续压电元件，其形成了多个堆叠在一起的平行的笔直部分，并在所述笔直部分的相对端部处形成了中间连接部分，各所述笔直部分构造和设置有电极，其可在被激励时沿着堆叠所述笔直部分的堆叠方向并以在所述笔直部分的两个半体中具有相反曲率的形式弯曲，从而在所述笔直部分的端部之间产生了沿着所述堆叠方向的相对位移，所述相对位移可通过所述堆叠体而串联地加在一起，所述方法包括步骤：

堆叠多组生坯带的层，以在所述堆叠组之间设置可除去的材料层或易失材料层，其中各堆叠组包括至少两层压电材料和至少一层可形成埋入式中心电极的层，各所述层可形成至少一个所述笔直部分；和

烧结所述堆叠组，以便在所述相对端部处垂直地熔合相邻的笔直部分。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：使各所述堆叠组形成有笔直部分的水平阵列。

35.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：采用外表面电极来沿一个方向极化各所述笔直部分，同时将所述中心电极保持在飘游电位，并使垂直相邻的笔直部分之间的所述极化方向相反。

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