CN101969097B - 叠层式压电元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种叠层式压电元件，包括多层压电材料层、多层导电层、一第一导通孔和一第二导通孔、以及多个绝缘部。压电材料层间隔设置于导电层之间。第一、二导通孔分别贯穿所述压电材料层和所述导电层，其中第一、第二导通孔内填充有一导电材料。绝缘部则一一对应地形成于导电层处，且相邻的两绝缘部分别位于第一、第二导通孔的外缘，使所在的导电层和导通孔内的导电材料电性隔绝。

Description

叠层式压电元件及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种叠层式压电元件及其制造方法，且特别是有关于一种可减少破损和减少体积的叠层式压电元件及其制造方法。

背景技术

压电材料在晶相上存在造成电荷分布不均的不对称中心，经过极化处理后，即可将输入的电压转换成机械位移，或是使之形变而产生电流。若输入的电压为交流电，则材料会随之振动并产生振波。反之，若按压压电片，使压电片产生形变位能，则弹放瞬间其位能经由压电片转变为电能。

由于特殊的材料特性，压电材料很适合应用在日常生活的许多元件中，而达到节能和环保的目的。例如：应用压电元件在小型电子产品的镜头时，如手机照相镜头，可由供给一固定电压予放置在镜头下方的压电元件，使之产生一固定膨胀量，进而推动上方镜头以进行对焦。若压电元件应用于超声波喷雾器时，可利用压电效应的高频振动原理，使压电陶瓷片产生高频率震波而将水分子分裂为极小的雾状粒子送到空气中。另外，也可利用压电效应使形变后的压电材料产生电流，例如将压电元件放置在汽车引擎的吸震材内，当引擎震动时会连带振动压电材料使之形变，进而产生电流，达到回收部分能量的节能效果。其它如喷墨打印机喷嘴的油量控制器、超声波医疗成像(medical image)或是侦测结构内部情况的非破坏检测…等等，也是常见的民生或工业用品应用。然而，绝大部分的压电材料制作的压电致动元件都是以包括了叠层多片压电材料的方式来增加驱动的变形量、或是产生较大的电流，其原因不外乎是：(1)因为压电材料变形量为非线性，以片状叠层容易控制其变型量；(2)可以用较小的电压驱动同时得到较好的频率响应。

请参照图1，其绘示一种积层型(stack type)压电致动元件的示意图。致动元件中垂直叠层的多片压电材料片2之间电性连接，并经由两侧边电性导通所述压电材料片2。当以低电压驱动该元件时，可使压电材料片2产生形变，而使整体高度自原叠层高度L膨胀至(L+ΔL)。

在应用积层型压电致动元件时，传统上还需以一具壳体功能的导电包围结构或框架来固定所述压电材料片。请参照图2，其绘示一种传统压电致动器(piezo-acturator)结构的示意图。压电致动器包括多片垂直叠层的压电材料片2、夹置于所述压电材料片2之间的电极层3、可固定所述压电材料片2的一框架4、和可电性导通多层电极层3的接触层5。其中，框架4连接压电材料片2的侧面，并通过铜线7与一外部连接器6电性连接。如图2所示，当施以一操作电压于连接器6时，若右半部和左半部的框架4分别与正极和负极连接，则由上到下偶数层和奇数层的电极层3分别带正电和负电，因而在电极层3有交叠到的中心区域M相应地产生电场，使对应于中心区域M的压电材料片2部分产生变形膨胀，膨胀方向如箭头所示。而至于对应于边缘区域R的压电材料片2部分，由于没有电场作用，则膨胀得很少。而压电材料片2两端由于被框架4限制住，也无法变形。

然而，此种传统压电致动器结构，在实际应用时仍有许多缺点。由于压电材料片2的两端被框架4固定，当压电材料片2的中心部分变形膨胀时，在侧边的总高度是不会改变的，因此压电材料片2在对应中心区域M和边缘区域R的交界处会产生拉伸应力(tensile stress)，压力分布相当不平均。所需要的变形量越高，相应而生的拉伸应力就越大，很容易产生破裂的情况。而且，只有对应中心区域M的压电材料片2部分可以有效进行变形，电极部分未交叠到的边缘区域R都无法有效进行压电效应。再者，为了固定叠层的压电材料片2必须加上框架4的设计，也会使整体体积变得更大、更笨重。

发明内容

本发明是有关于一种叠层式压电元件及其制造方法，使制造后的叠层式压电元件在应用时可令压电材料整面性均匀地变形，而减少损坏和破裂的机率，并使外观更为简化，大幅缩小整体体积。

根据本发明，提出一种叠层式压电元件，包括多层压电材料层、多层导电层、一第一导通孔和一第二导通孔、以及多个绝缘部。压电材料层间隔设置于导电层之间。第一、二导通孔分别贯穿所述压电材料层和所述导电层，其中第一、第二导通孔内填充有一导电材料。绝缘部则一一对应地形成于导电层处，且相邻的两绝缘部分别位于第一、第二导通孔的外缘，使所在的导电层和导通孔内的导电材料电性隔绝。

根据本发明，提出一种多层叠层式压电元件，由多个压电单元叠层而成。其中，每一压电单元是包括一压电材料层、一第一导电层和一第二导电层、一第一导通孔和一第二导通孔、一第一绝缘部和一第二绝缘部。：其中，压电材料层具有一上表面和一下表面。第一、二导电层分别位于压电材料层的上下表面。第一、二导通孔分别贯穿压电材料层的两侧，其中第一、第二导通孔内填充有一导电材料。第一、第二绝缘部分别形成于压电材料层的上下表面的第一、第二导电层上，并位于所在的第一、第二导通孔的外缘，以隔绝所在的导电层和导通孔内的导电材料。在一实施例中，第一、二导通孔可分别贯穿第一导电层、压电材料层和第二导电层的两侧。再者，在此多层叠层式压电元件中，每一压电单元的第一、第二绝缘部其中之一与相邻的另一压电单元的第一、第二绝缘部其中之一相互对应和接触。

根据本发明，提出一种多层叠层式压电元件的制造方法。首先，制作多个压电单元；其中每一个压电单元包括一压电材料层，具有一上表面和一下表面；一第一导电层和一第二导电层，分别位于该压电材料层的该上下表面；一第一导通孔和一第二导通孔，分别贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的两侧；和一第一绝缘部和一第二绝缘部，分别形成于该压电材料层的该上下表面的该第一、第二导电层上，并位于所在的该第一、第二导通孔的外缘。接着，叠层所述压电单元，使每一压电单元的该第一、第二绝缘部其中之一与相邻的另一压电单元的该第一、第二绝缘部其中之一相互接触，叠层后所述第一导通孔和一第二导通孔构成一第一通道和一第二通道。然后，分别填入一导电材料于该第一通道和该第二通道，使具该导电材料的该第一、第二通道分别贯穿所述压电单元。

根据本发明，再提出一种多层叠层式压电元件的制造方法。首先，制作多个第一、第二绝缘压电体，且每该第一、第二绝缘压电体包括：一压电材料层，具有一上表面和一下表面；一导电层，位于该压电材料的该上表面；和一第一绝缘材料和一第二绝缘材料，分别形成于该第一、第二绝缘压电体的该导电层处的一左半部和一右半部。接着，且交错地叠层所述第一、第二绝缘压电体，以形成一叠层元件。之后，在对应于所述第一、第二绝缘材料处，对该叠层元件进行钻孔以形成一第一通道和一第二通道，且该第一、第二通道的大小是小于所述第一、第二绝缘材料的大小，使钻孔后可在所述第一、第二绝缘压电体的所述导电层处分别形成一第一绝缘部和一第二绝缘部。然后，分别填入一导电材料于该第一通道和该第二通道，使具该导电材料的该第一、第二通道分别贯穿所述绝缘压电体。

根据本发明，又提出一种多层叠层式压电元件的制造方法。首先，制作多个第一、第二压电体，且每该第一、第二压电体包括：一压电材料层，具有一上表面和一下表面；和一导电层，是位于该压电材料的该上表面，且该第一、第二压电体的该导电层分别具有一第一开口和一第二开口，且该第一开口对应地位于该压电材料的左半部，该第二开口对应地位于该压电材料的右半部。之后，交错地叠层所述第一、第二压电体，以形成一叠层元件。接着，在对应于所述第一、第二开口处，对该叠层元件进行钻孔以形成一第一通道和一第二通道，且该第一、第二通道的大小是小于所述第一、第二开口的大小。然后，分别填入一绝缘材料于该第一、第二通道和所述第一、第二开口。接着，对该第一、第二通道再次进行钻孔，以移除位于该第一、第二通道内的绝缘材料，钻孔后可在所述第一、第二压电体的所述导电层处分别形成一第一绝缘部和一第二绝缘部。然后，再分别填入一导电材料于该第一、第二通道。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1绘示一种积层型(stack type)压电致动元件的示意图。

图2绘示一种传统压电致动器(piezo-acturator)结构的示意图。

图3A其绘示本发明实施例的一种叠层式压电元件的示意图。

图3B绘示本发明实施例的另一种叠层式压电元件的示意图。

图4A-图4H，其绘示依照本发明第一实施例的单一压电单元结构的制造方法流程图。

图5A-图5B是绘示以本发明第一实施例的压电单元结构制作一叠层式压电元件的流程示意图。

图6A和图6B是分别为第5A-5B图的俯视图。

图7是绘示应用本发明第一实施例的叠层式压电元件的示意图。

图8A-图8H，其绘示依照本发明第二实施例制作一叠层式压电元件的流程示意图。

图9A-图9G，其绘示依照本发明第三实施例制作一叠层式压电元件的流程示意图。

图10是绘示应用本发明第三实施例的叠层式压电元件的示意图。

图11A-图11H，其绘示依照本发明第四实施例制作一叠层式压电元件的流程示意图。

具体实施方式

本发明是提出一种叠层式压电元件，主要包括两片以上的压电材料，且每片压电材料上至少有两个以上导通孔，且每片压电材料至少一表面具有导电层，叠层时经由交错式平面旋转，在对位组装后可使多片压电材料的导通孔上下对位准确，并将导通孔填满导电材料，以形成具有正负电极的微小致动器元件。本发明所提出的叠层式压电元件，是在压电材料处钻孔并填入导电材料导通的方式，形成正负电极交错贯通，不但可省略传统压电致动器结构中固定压电材料片用的框架，使整面性的驱动材料平均地膨胀变形，较不容易因拉伸应力过大而造成损坏和破裂，也可大幅缩小及简化整体外观的尺寸，形成小体积的致动元件。

请参照图3A，其绘示本发明实施例的一种叠层式压电元件的示意图。叠层式压电元件10包括多层压电材料层11a-11d、多层导电层13a-13e、第一导通孔15a、第二导通孔15b、和多个绝缘部16a-16e。其中，压电材料层11a-11d是间隔地设置于所述导电层13a-13e之间。第一导通孔15a和第二导通孔15b则至少贯穿压电材料层11a-11d，例如分别贯穿压电材料层11a-11d和导电层13a-13e的左右两处，且第一、第二导通孔15a和15b内填充有一导电材料。在一实施例中，可令第一、二导通孔15a、15分别垂直地贯穿压电材料层11a-11d和导电层13a-13e的左右两侧，但本发明不仅限于垂直贯穿的实施态样。

绝缘部16a-16e是分别对应地形成于导电层13a-13e处，且相邻的两绝缘部分别位于第一、第二导通孔15a和15b的外缘，使所在的该导电层和该导通孔内的导电材料电性隔绝。例如，绝缘部16a形成于导电层13a处，绝缘部16b形成于导电层13b处，而相邻的两绝缘部16a和16b分别位于第一、第二导通孔15a和15b的外缘，使导电层13a和13b因为绝缘部16a和16b的存在而与第一、第二导通孔15a和15b内的导电材料电性隔绝。同样的，导电层13c和13e因为绝缘部16c和16e的存在而与第一导通孔15a内的导电材料电性隔绝；导电层13d因绝缘部16d的存在而与第二导通孔15b内的导电材料电性隔绝。

另外，虽然图3A中是以不同图样清楚代表第一、第二导通孔15a和15b和导电层13a-13c的位置，但实际应用时，第一、第二导通孔15a和15b内的导电材料和导电层13a-13c所使用的导电材料可以不同也可以相同，本发明对此并不特别限制。

应用如图3A所示的叠层式压电元件10时，可令第一导通孔15a和第二导通孔15b分别与负极和正极连接。当施以一操作电压于叠层式压电元件10，第一导通孔15a、导电层13d和13b带负电，而第二导通孔15b、导电层13e、13c和13a则带正电，因而使导电层13a-13e之间的压电材料层11a-11d产生变形和膨胀，膨胀方向如箭头所示。

由于叠层式压电元件10没有如传统压电致动器结构中固定压电材料片用的框架，因此压电材料层11a-11d可以整面性的平均膨胀，而不易因拉伸应力过大造成破损。再者，第一、第二导通孔15a和15b仅占压电材料层11a-11d很小部分的面积，因此对同样的压电材料层面积来说，本发明叠层式压电元件10可以进行压电效应的有效面积比例也比传统压电致动器的有效面积比例来得大；另外，若比较两者的整体外观，本发明叠层式压电元件10的体积仅需由压电材料层11a-11d和导电层13a-13e叠层而成，因此和传统压电致动器需要框架固定相比，本发明元件的尺寸也可以大幅缩小。

请参照图3B，其绘示本发明实施例的另一种叠层式压电元件的示意图。图3B和图3A相同的元件是沿用相同的符号。和图3A的元件相较，图3B的元件结构是与图3A的元件结构大致相同，除了图3B的元件还包括了多个绝缘侧壁(insulation sidewall)17b-17e，是分别与邻近的绝缘部16b-16e垂直连接。且绝缘侧壁17b-17e垂直地位于压电材料层和第一、第二导通孔15a、15b之间，以电性隔绝压电材料层和位于导通孔5a、15b内的导电材料。当施以一操作电压于叠层式压电元件20时，绝缘侧壁17b-17e可避免压电材料层11a-11d朝侧向变形和膨胀，使压电材料层11a-11d仅如箭头方向所示产生膨胀。

例如：与绝缘部16b相连接的绝缘侧壁17b是垂直地位于压电材料层11a和第二导通孔15b之间，以电性隔绝压电材料层11a和位于第二导通孔15b内的导电材料。同理，绝缘侧壁17d是电性隔绝压电材料层11c和位于第二导通孔15b内的导电材料；绝缘侧壁17c是电性隔绝压电材料层11b和位于第一导通孔15a内的导电材料；绝缘侧壁17e是电性隔绝压电材料层11d和位于第一导通孔15a内的导电材料。

虽然上述图3B和图3A的叠层式压电元件是以四层压电材料层11a-11d为例作说明，然本发明并没有限制压电材料层的层数，只要是由两层或两层以上的压电材料层叠层而成皆可。换句话说，本发明所提出的叠层式压电元件可包括n层压电材料层和(n+1)层导电层，n为大于等于2的正整数，且所述压电材料层是间隔地设置于所述导电层之间，而位于奇数层导电层的所述绝缘部是对应于第一导通孔的外缘，位于偶数层导电层的所述绝缘部是对应于第二导通孔的外缘。

以下是根据上述叠层式压电元件而提出本发明的几种实施态样，以详细说明可制造出本发明的叠层式压电元件的至少四种制造方法。然而，实施例中所提出的详细制法步骤与成形结构仅为举例说明之用，并非作为限缩本发明保护范围之用。再者，实施例的图标仅绘示本发明技术的相关元件，省略不必要的元件，以清楚显示本发明的技术特点。

第一实施例

在第一实施例中，主要是先制造多个压电单元结构，且每一压电单元结构中的压电材料层上下表面皆具有导电层，且有导通孔垂直贯穿该结构；再叠层多个压电单元结构后，将导电材料填入导通孔。并且在每一压电单元结构中形成具有如图3B所示的绝缘侧壁和绝缘部。

请参照图4A-图4H，其绘示依照本发明第一实施例的单一压电单元结构的制造方法流程图。

如图4A所示，首先提供一压电材料层31，且压电材料层31具有一上表面31a和一下表面31b。接着，在该压电材料层31的左右两侧形成一第一贯穿孔311a和一第二贯穿孔311b，并且在第一、第二贯穿孔311a、311b处分别填入绝缘材料32a、32b，如图4B所示。其中，第一、第二贯穿孔311a、311b是分别垂直贯穿压电材料层31，且绝缘材料32a、32b填入后其表面是分别与压电材料层31的上下表面31a、31b齐平。绝缘材料32a、32b例如是非导电胶体，例如环氧树脂(Epoxy)，或是其它非导电材料。而第一、第二贯穿孔311a、311b的形状没有特别限制，可以是圆形、椭圆形、方形…等任何形状。在此实施例中，是以圆形的第一、第二贯穿孔311a、311b为例作说明，且具有同尺寸的贯穿孔径L1。

接着，如图4C所示，于压电材料层31的上表面31a形成一第一导电层33；再如图4D所示，将压电材料层31翻转，于压电材料层31的下表面31b形成一第二导电层34。其中，第一、二导电层33、34亦覆盖住绝缘材料32a、32b。

之后，如图4E所示，在对应第一、第二贯穿孔311a、311b处钻孔以分别形成第一导通孔35a和第二导通孔35b，且所钻出的第一、第二导通孔35a、35b的孔径L2是小于第一、第二贯穿孔311a、311b的孔径L1，而分别形成第一绝缘侧壁37a和第二绝缘侧壁37b。其中，第一、第二导通孔35a、35b是分别垂直贯穿第二导电层34、压电材料层31和第一导电层33。

接着，在压电材料层31的上下侧，各去除一对应于第一、第二导通孔35a、35b外缘处的一部份导电层。如图4F所示，去除对应于第一导通孔35a外缘处的部份第二导电层34，以形成开口341；去除对应于第二导通孔35b外缘处的部份第一导电层33，以形成开口331。且开口331和341的孔径L₃是大于第一、第二导通孔35a、35b的孔径L₂，也大于第一、第二贯穿孔311a、311b的孔径L₁。另外，开口331和341的形状也没有特别限制，可以是圆形、椭圆形、方形…等任何形状。

然后，如图4G所示，在对应第一、第二导通孔35a、35b处填入绝缘材料38a、38b，且绝缘材料38a、38b亦填满开口331和341。其中，绝缘材料38a、38b填入后其表面是分别与第一、二导电层33、34的上下表面齐平。

接着，如图4H所示，对第一、第二导通孔35a、35b再次钻孔，以在第一、第二导通孔35a、35b的外缘处留下绝缘材料而形成第一绝缘部39a和第二绝缘部39b。钻孔后，第一绝缘侧壁37a是位于第一导通孔35a和压电材料层31之间，且与第一绝缘部39a连接；第二绝缘侧壁37b是位于第二导通孔35b和压电材料层31之间，且与第二绝缘部39b连接。再者，第一绝缘侧壁37a的底部是与压电材料层31的下表面31b齐平，而第二绝缘侧壁37b的底部是与压电材料层31的上表面31a齐平。另外，在材料选择上，作为第一、二绝缘部39a、39b的绝缘材料38a、38b可与作为第一、二绝缘侧壁37a、37b的绝缘材料32a、32b相同或不同，视实际应用状况而定，本发明对此并不多作限制。

根据上述图4A-图4H的步骤，可制作出一个压电单元结构40。

接着，垂直叠层多个如图4H所示的压电单元结构40后，导电材料填入导通孔，以形成一多层叠层式压电元件，增加应用时压电元件驱动的变形量、或是产生较大的电流。其中，叠层时是将压电单元结构40左右旋转后再与另外一个压电单元结构40交错叠层。

图5A-图5B是绘示以本发明第一实施例的压电单元结构制作一叠层式压电元件的流程示意图。图6A和图6B是分别为图5A-图5B的俯视图。请同时参照图5A-图5B和图6A-图6B。在此是以叠层5个如图4H所示的压电单元结构为例作说明。

如图5A、图6A所示，垂直叠层多个压电单元结构401-405，且叠层时是左右旋转后再与另一个压电单元结构叠层，例如左右旋转后压电单元结构402的第一导通孔35a会和下方相邻的压电单元结构401的第二导通孔35b对齐。同理，压电单元结构404的第一导通孔35a会和下方相邻的压电单元结构403的第二导通孔35b对齐。再者，如图5A所示，叠层后压电单元结构403的第一绝缘部39a是与上方相邻的压电单元结构404的第二绝缘部39b接触。叠层后所述压电单元结构401-405的第一导通孔35a和第二导通孔35b是可构成第一通道R_H和第二通道L_H。

接着，如图5B、图6B所示，分别填入导电材料501a、501b于第一通道R_H和第二通道L_H，以形成一叠层式压电元件50。其中，具导电材料501a、501b的该第一、第二通道R_H和L_H是分别垂直贯穿所述压电单元结构401-405。导电材料501a、501b例如是导电胶(如银胶)或是锡铅材料。

图7是绘示应用本发明第一实施例的叠层式压电元件的示意图。应用如图5B所示的叠层式压电元件50时，是可令第一通道R_H内填充的导电材料501a和第二通道L_H填充的导电材料501b分别与一外部电源的负极和正极电性连接。当施以一操作电压于叠层式压电元件50时，在电极层之间的压电材料层会产生变形膨胀，膨胀方向如箭头所示。当然，如熟习此技术者所知，实际应用时，可以提供一固定电压于叠层式压电元件50使之产生特定的形变量，也可提供一交流电使叠层式压电元件50产生高频振动，也可使叠层式压电元件50形变而产生电流，视不同的应用领域而定。

根据上述图4A-图4H的步骤所制成的单一压电单元结构，可参照图4H所示，主要包括一压电材料层31；分别位于压电材料层31上下侧的第一、二导电层33和34；垂直贯穿压电材料层31和第一、二导电层33、34的第一、第二导通孔35a和35b；分别形成于第一、二导电层33、34且分别围绕第一、第二导通孔35a和35b的外缘的第一、二绝缘部39a和39b；以及分别连接第一、二绝缘部39a和39b的第一、第二绝缘侧壁37a和37b。值得注意的是，若在第一、第二导通孔35a和35b中直接填入导电材料，也可以形成一个具单层压电材料的压电元件。

若是叠层如图4H所示的压电单元结构，并根据图5A-图5B制得一叠层式压电元件50，则所述第一、二绝缘部39a、39b和第一、第二绝缘侧壁37a、37b在元件50中的位置可使各层压电材料层31受到电场作用而产生压电效应。如图7中是标示出：当第一通道R_H内填充的导电材料501a和第二通道L_H填充的导电材料501b分别与一外部电源的负极和正极电性连接时，元件50各个压电材料层和第一、二导电层所相应的极性。其中，绝缘部是用以隔绝所在的导电层和相邻导通孔内的导电材料，而绝缘侧壁则用以电性隔绝所在的压电材料层和相邻导通孔内的导电材料。

另外，值得注意的是，虽然如图7所示的叠层式压电元件50中，每一压电单元结构的上下表面都具有导电层，但与本发明前述图3B的结构相较，仍可整体观之而将图7中位于叠层的压电材料层之间的两层导电层视为一体，因此依照本发明第一实施例所制得的叠层式压电元件50亦属本发明技术特征的范畴。

第二实施例

在第二实施例中，和第一实施例相同，也是先制造出上下表面皆具有导电层的多个压电单元结构，且有导通孔贯穿该结构；再叠层多个压电单元结构后，将导电材料填入导通孔。但与第一实施例不同的是，第二实施例只在压电单元结构中形成绝缘部，而没有形成绝缘侧壁。而依照第二实施例所制成的叠层式压电元件是属如本发明图3A所示的技术范畴。

请参照图8A-图8H，其绘示依照本发明第二实施例制作一叠层式压电元件的流程示意图。

如图8A所示，首先提供一压电材料层61，且压电材料层61具有一上表面61a和一下表面61b。接着，如图8B所示，于压电材料层61的上下表面61a、61b分别形成一第一导电层63和一第二导电层64。

接着，如图8C所示，在压电材料层61的左右两侧形成一第一贯穿孔611a和一第二贯穿孔611b，其中，第一、第二贯穿孔611a、611b是分别垂直贯穿第二导电层64、压电材料层61和第一导电层63。而贯穿孔611a、611b的形状没有特别限制。在此实施例中，是以圆形的第一、第二贯穿孔611a、611b为例作说明，且具有同尺寸的贯穿孔径L₄。

之后，如图8D所示，在压电材料层61的上下侧，各去除一对应于第一、第二贯穿孔611a、611b外缘处的一部份导电层。如去除对应于第一贯穿孔611a外缘处的部份第二导电层64，以形成开口641；去除对应于第二贯穿孔611b外缘处的部份第一导电层63，以形成开口631。且开口631和641的孔径L₅是大于第一、第二贯穿孔611a、611b的孔径L₄。另外，开口631和641的形状也没有特别限制，可以是圆形、椭圆形、方形…等任何形状。

接着，如图8E所示，在对应第一、第二贯穿孔611a、611b处填入绝缘材料62a、62b，且绝缘材料62a、62b亦填满开口631和641。其中，绝缘材料62a、62b填入后其表面是分别与第一、二导电层63、64的上下表面齐平。绝缘材料62a、62b例如是非导电胶体，例如环氧树脂(Epoxy)，或是其它非导电材料。

然后，如图8F所示，在对应第一、第二贯穿孔611a、611b处钻孔以分别形成第一导通孔65a和第二导通孔65b，且所钻出的第一、第二导通孔65a、65b的孔径L₄是与第一、第二贯穿孔611a、611b的孔径L₄相等。其中，第一、第二导通孔65a、65b亦分别垂直贯穿第二导电层64、压电材料层61和第一导电层63。而钻孔后，在对应第一、第二导通孔65a、65b的外缘处是留下绝缘材料而形成第一绝缘部66a和第二绝缘部66b，且第一、二绝缘部66a、66b是分别位于压电材料层61的上下两侧。

至图8F的步骤止，是完成一个压电单元结构的制作。

接着，如图8G所示，垂直叠层多个如图8F所示的压电单元结构701-705。叠层时，是将压电单元结构左右旋转后再与另外一个压电单元结构叠层，例如左右旋转后压电单元结构702的第一导通孔65a会和下方相邻的压电单元结构701的第二导通孔65b对齐。同理，压电单元结构704的第一导通孔65a会和下方相邻的压电单元结构703的第二导通孔65b对齐。再者，叠层后，压电单元结构的第一绝缘部66a是与相邻压电单元结构的第二绝缘部66b接触，例如叠层后压电单元结构703的第一绝缘部66a可与上方相邻的压电单元结构704的第二绝缘部66b接触。而叠层后所述压电单元结构701-705的第一导通孔65a和第二导通孔65b是可构成第一通道RH和第二通道L_H。

接着，如图8H所示，分别填入导电材料72a、72b于第一通道R_H和第二通道L_H，以形成一叠层式压电元件70。其中，具导电材料72a、72b的第一、第二通道R_H和L_H是分别垂直贯穿所述压电单元结构701-705。导电材料72a、72b例如是导电胶(如银胶)或是锡铅材料。

值得注意的是，若在如图8F所示的压电单元结构中，在第一、第二导通孔65a和65b中直接填入导电材料，就是一个具单层压电材料的压电元件。而如图8H所示的叠层式压电元件70，可增加应用时压电元件驱动的变形量、或是产生较大的电流。虽然第二实施例中没有如第一实施例(ex：图4H)所示的第一、第二绝缘侧壁37a、37b，但各层绝缘部是用以隔绝所在的导电层和相邻导通孔内的导电材料，因此各压电材料层仍可因电场作用而在垂直方向上产生有效形变。

再者，值得注意的是，虽然如图8H所示的叠层式压电元件70中，每一压电单元结构的上下表面都具有导电层，但仍可整体观之而将图8H中位于叠层的压电材料层之间的两层导电层视为一体，因此第二实施例实属本发明前述图3A技术特征的范畴。

第三实施例

在上述第一、二实施例中，每一压电材料层上下表面皆具有导电层。然而在第三实施例中，是在压电材料层的某一表面上形成导电层，然后在导电层上做出绝缘部，再叠层、钻孔、和填入导电材料完成导通，以形成一叠层式压电元件。

请参照图9A-图9G，其绘示依照本发明第三实施例制作一叠层式压电元件的流程示意图。如图9A所示，首先提供一压电材料层81，且压电材料层81具有一上表面81a和一下表面81b。接着，于压电材料层81的任一表面，如图9B所示的上表面81a形成一导电层82(以作为电极层)，并在导电层82处靠近压电材料层81的一侧如左侧(右侧亦可)形成一开口821，且开口821暴露出下方压电材料层81的上表面81a。其中，开口821的形状没有特别限制，可以是圆形、椭圆形、方形…等任何形状。在此实施例中，是以圆形为例作说明，且孔径尺寸为L₆。

接着，如图9C所示，在开口821处形成绝缘材料83。其中，绝缘材料83填入开口821后其表面可与导电层82的表面齐平。绝缘材料83例如是非导电胶体，例如环氧树脂(Epoxy)，或是其它非导电材料。在实际应用时可利用许多不同的方式将绝缘材料83填入开口821处，例如高温涂布方式(如大于700℃)，但本发明并不以此为限。至图9C的步骤为止，是制作出一绝缘压电体P。

之后，如图9D所示，将多个如图9C所示的绝缘压电体P垂直叠层，且叠层时是将绝缘压电体P左右旋转后再与另外一个绝缘压电体P叠层，以形成一叠层元件。以图9D为例，相邻的两个绝缘压电体，例如P1和P2，其绝缘材料83是分别形成于导电层82的右半部和左半部。在垂直方向上，绝缘压电体P4和P2的绝缘材料83位置是相对应，而绝缘压电体P3和P1的绝缘材料83位置是相对应。

接着，如图9E所示，将图9D中叠层好的绝缘压电体P1-P4进行热压烧结，以形成一叠层元件S₁。

之后，再对叠层元件S₁中对应绝缘材料83的位置进行钻孔，以形成第一通道R_H和第二通道L_H，如图9F所示。其中，钻孔造成的通道形状没有特别限制，在此实施例中，是以圆形和孔径尺寸为L₇为例作说明，且通道孔径尺寸L₇是小于开口821的孔径尺寸L₆。因此，钻孔后可在绝缘压电体P1-P4的导电层82处分别形成绝缘部85。

接着，如图9G所示，分别填入导电材料86a、86b于第一通道R_H和第二通道L_H，以形成一叠层式压电元件。其中，具导电材料86a、86b的第一、第二通道R_H和L_H是分别垂直贯穿所述绝缘压电体P1-P4。导电材料86a、86b例如是弹性导电材(如导电胶，银胶)或是锡铅材料。而填入导电材料86a、86b的步骤可利用化学镀、电镀、黄光工艺、或是其它可行的步骤，本发明对此并不多作限制。

图10是绘示应用本发明第三实施例的叠层式压电元件的示意图。应用如以图9A-图9G所制得的叠层式压电元件时，可将第一通道R_H内所填充的导电材料86a和第二通道L_H所填充的导电材料86b分别与一外部电源的正极和负极连接，而绝缘部85是用以隔绝所在的导电层和相邻通道内的导电材料(86a或86b)。图10亦标示出各导电层的极性。实际应用时，若施以一固定电压于图10的叠层式压电元件时，则导电层82之间的压电材料层81会产生变形膨胀，膨胀方向如箭头所示。

另外，依照本发明第三实施例所制得的叠层式压电元件是属本发明前述图3A技术特征的范畴。

第四实施例

第四实施例是与第三实施例的制法略有不同，但所制成的叠层式压电元件的结构相同，均属本发明前述图3A技术特征的范畴。在第四实施例中，主要是在叠层的绝缘压电体中先一次钻孔、填绝缘材料、再二次钻孔、和填入导电材料完成导通，以形成一叠层式压电元件。另外，第四实施例与第三实施例相同的元件是沿用相同标号，以利说明。

请参照图11A-图11H，其绘示依照本发明第四实施例制作一叠层式压电元件的流程示意图。如图11A所示，首先提供一压电材料层81，且压电材料层81具有一上表面81a和一下表面81b。接着，于压电材料层81的任一表面，如图11B所示的上表面81a形成一导电层82(以作为电极层)，并在导电层82处靠近压电材料层81的一侧如左侧(右侧亦可)形成一开口821，且开口821暴露出下方压电材料层81的上表面81a。其中，开口821的形状没有特别限制，可以是圆形、椭圆形、方形…等任何形状。在此实施例中，是以圆形为例作说明，且孔径尺寸为L₆。

接着，如图11C所示，将多个如图11B所示的压电体Q垂直叠层，且叠层时是将压电体Q左右旋转后再与另外一个压电体Q叠层，以形成一叠层元件。以图11C为例，相邻的两个压电体，例如Q1和Q2，其开口821是分别形成于导电层82的右半部和左半部。在垂直方向上，压电体Q4和Q2的开口821位置是相对应，而压电体Q3和Q1的开口821位置是相对应。

之后，如图11D所示，将图11C中叠层好的压电体Q1-Q4进行热压烧结，以形成一叠层元件S₂。

接着，再对叠层元件S₂中对应开口821的位置进行钻孔，以形成第一通道R_H和第二通道L_H，如图11E所示。其中，钻孔造成的通道形状没有特别限制，在此实施例中，是以圆形和孔径尺寸为L₈为例作说明，且通道孔径尺寸L₈是小于开口821的孔径尺寸L₆。

然后，如图11F所示，分别填入绝缘材料84a、84b于第一通道R_H和第二通道L_H处，并填满开口821。其中，绝缘材料84a、84b填入后其表面可与导电层82的表面齐平。绝缘材料84a、84b例如是非导电胶体，例如环氧树脂(Epoxy)，或是其它非导电材料。

接着，如图11G所示，对第一、第二通道R_H和L_H再次进行钻孔，以移除位于第一、第二通道R_H和L_H内的绝缘材料，而在压电体Q1-Q4的导电层82处分别形成绝缘部85。其中，再次钻孔的孔径尺寸是为L₈。

之后，如图11H所示，分别填入导电材料86a、86b于第一通道R_H和第二通道L_H，以形成一叠层式压电元件。其中，具导电材料86a、86b的第一、第二通道R_H和L_H是分别垂直贯穿所述压电体Q1-Q4。导电材料86a、86b例如是弹性导电材(如导电胶，银胶)或是锡铅材料。而填入导电材料86a、86b的步骤可利用化学镀、电镀、黄光工艺、或是其它可行的步骤，本发明对此并不多作限制。

应用如以图11H所制得的叠层式压电元件时，可将第一通道R_H内所填充的导电材料86a和第二通道L_H所填充的导电材料86b分别与一外部电源的正极和负极连接，其中，绝缘部85是用以隔绝所在的导电层和相邻通道内的导电材料86a或86b。实际应用时，若施以一固定电压，则导电层82之间的压电材料层81会产生如箭头方向所示的变形和膨胀。

根据本发明第一-第四实施例所提出的叠层式压电元件，是利用在压电材料处钻孔并填入导电材料导通的方式，形成正负电极交错贯通的压电元件，不论实施例所制作的元件是属图A或图3B的结构，均可达到省略传统压电致动器结构中固定压电材料片用的框架，使整面性的驱动材料平均地膨胀变形的目的，因而使压电材料片不容易因拉伸应力过大而造成破裂。再者，也可大幅缩小及简化整体外观的尺寸，形成小体积的致动元件。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims (25)

1.一种压电单元结构，包括：

一压电材料层，具有一上表面和一下表面；

一第一导电层和一第二导电层，分别位于该压电材料层的该上下表面；

一第一导通孔，完全贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层，并位于该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的内部；

一第二导通孔，完全贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层，并位于该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的内部；

至少一绝缘部，形成于该第一、第二导电层其中之一层处，并围绕该第一、第二导通孔其中之一，以隔绝该导通孔和所在的该导电层；和

与该至少一绝缘部垂直连接的绝缘侧壁(insulation sidewall)，垂直地位于该压电材料层和该至少一绝缘部所围绕的该第一、第二导通孔其中之一之间，其中，

所述第一导通孔和第二导通孔长度相等，所述绝缘部的厚度大于所述绝缘侧壁的厚度。

2.如权利要求1所述的压电单元结构，其中该第一导通孔贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的一侧，而该第二导通孔贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的另一侧。

3.如权利要求2所述的压电单元结构，其中该第一、第二导通孔分别垂直于该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层。

4.如权利要求2所述的压电单元结构，包括另一绝缘部，且该两绝缘部分别形成于该压电材料层的该上下表面的该第一、第二导电层，且该两绝缘部分别围绕所在的该导电层的该第一、第二导通孔的外缘。

5.如权利要求2所述的压电单元结构，其中该第一、第二导通孔内填充有一导电材料。

6.如权利要求5所述的压电单元结构，其中该绝缘侧壁位于该压电材料层和该导电材料之间，以电性隔绝该压电材料层和位于该导通孔内的该导电材料。

7.如权利要求5所述的压电单元结构，包括：

一第一绝缘部，形成于该第一导电层，且围绕于该第一导通孔的外缘，以隔绝该第一导电层和该第一导通孔内的该导电材料；和

一第二绝缘部，形成于该第二导电层，且围绕于该第二导通孔的外缘，以隔绝该第二导电层和该第二导通孔内的该导电材料。

8.如权利要求7所述的压电单元结构，还包括：

一第一绝缘侧壁，与该第一绝缘部连接，且电性隔绝于该第一导通孔内的该导电材料和该压电材料层之间；和

一第二绝缘侧壁，与该第二绝缘部连接，且电性隔绝于该第二导通孔内的该导电材料和该压电材料层之间。

9.如权利要求8所述的压电单元结构，其中该第一绝缘侧壁的底部与该压电材料层的该下表面齐平，该第二绝缘侧壁的底部与该压电材料层的该上表面齐平。

10.一种多层叠层式压电元件，包括：

多个压电单元叠层而成，且每一压电单元包括：

一压电材料层，具有一上表面和一下表面；

一第一导电层和一第二导电层，分别位于该压电材料层的该上下表面；

一第一导通孔和一第二导通孔，分别位于该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的两侧的内部，且均完全贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层，其中该第一、第二导通孔内填充有一导电材料，且第一导通孔和第二导通孔长度相等；

一第一绝缘部和一第二绝缘部，分别形成于该压电材料层的该上下表面的该第一、第二导电层上，并位于所在的该第一、第二导通孔的外缘，以隔绝所在的该导电层和该导通孔内的该导电材料；

一第一绝缘侧壁，与该第一绝缘部垂直连接，且垂直地位于该压电材料层和该第一绝缘部所围绕的该第一导通孔之间；和

一第二绝缘侧壁，与该第二绝缘部垂直连接，且垂直地位于该压电材料层和该第二绝缘部所围绕的该第二导通孔之间；

在该多层叠层式压电元件中，每一压电单元的该第一、第二绝缘部其中之一是与相邻的另一压电单元的该第一、第二绝缘部其中之一相互对应和接触，所述第一绝缘部和第二绝缘部的厚度大于所述第一绝缘侧壁和第二绝缘侧壁的厚度。

11.如权利要求10所述的多层叠层式压电元件，其中该第一绝缘侧壁电性隔绝于该第一导通孔内的该导电材料和该压电材料层之间，该第二绝缘侧壁电性隔绝于该第二导通孔内的该导电材料和该压电材料层之间。

12.如权利要求10所述的多层叠层式压电元件，其中每一压电单元中，该第一绝缘侧壁的底部与该压电材料层的该下表面齐平，该第二绝缘侧壁的底部与该压电材料层的该上表面齐平。

13.如权利要求10所述的多层叠层式压电元件，其中该导电材料为一导电胶体。

14.如权利要求13所述的多层叠层式压电元件，其中该导电胶体为银胶。

15.如权利要求10所述的多层叠层式压电元件，其中该第一、第二绝缘部的材料包括环氧树脂。

16.一种叠层式压电元件，包括：

多层压电材料层；

多层导电层，且所述压电材料层间隔设置于所述导电层之间；

一第一导通孔和一第二导通孔，均完全贯穿所述多层压电材料层和所述多层导电层，并位于该多层压电材料层和该多层导电层的内部，其中该第一、第二导通孔内填充有一导电材料，且第一导通孔和第二导通孔长度相等；

多个绝缘部，一一对应地形成于所述导电层，且相邻的两绝缘部分别位于该第一、第二导通孔的外缘，使所在的该导电层和该导通孔内的该导电材料电性隔绝；和

多个绝缘侧壁，一一对应地与所述绝缘部垂直连接，且垂直地位于该压电材料层和该第一、第二导通孔之间，

所述多个绝缘部的厚度大于所述多个绝缘侧壁的厚度。

17.如权利要求16所述的叠层式压电元件，包括n层压电材料层和(n+1)层导电层，n为大于等于2的正整数，而位于奇数层导电层的所述绝缘部对应于该第一导通孔的外缘，位于偶数层导电层的所述绝缘部对应于该第二导通孔的外缘。

18.如权利要求16所述的叠层式压电元件，其中所述绝缘侧壁电性隔绝该压电材料层和位于该导通孔内的该导电材料。

19.如权利要求16所述的叠层式压电元件，其中该导电材料为一导电胶体。

20.如权利要求19所述的叠层式压电元件，其中该导电胶体为银胶。

21.如权利要求16所述的叠层式压电元件，其中所述绝缘部的材料包括环氧树脂。

22.一种单层式压电元件的制造方法，包括：

提供一压电材料层，且该压电材料层具有一上表面和一下表面；

于该压电材料层的该上下表面分别形成一第一导电层和一第二导电层；

在该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的内部分别形成一第一导通孔和一第二导通孔，使之完全贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层，且第一导通孔和第二导通孔长度相等；

分别形成一第一绝缘部和一第二绝缘部于该第一、第二导电层上，且该第一、第二绝缘部分别位于该第一、第二导通孔的外缘；

形成一第一绝缘侧壁于该第一导通孔和该压电材料层之间，且该第一绝缘侧壁与该第一绝缘部垂直连接，该第一绝缘侧壁的厚度小于该第一绝缘部的厚度；

形成一第二绝缘侧壁于该第二导通孔和该压电材料层之间，且该第二绝缘侧壁与该第二绝缘部垂直连接，该第二绝缘侧壁的厚度小于该第二绝缘部的厚度；和

分别于该第一、第二导通孔中填入一导电材料，

其中，该第一导通孔和该第一导电层之间以该第一绝缘部电性隔绝，而该第二导通孔和该第二导电层之间以该第二绝缘部电性隔绝。

23.如权利要求22所述的单层式压电元件的制造方法，其中在提供该压电材料层后，在该压电材料层的左右两侧形成一第一贯穿孔和一第二贯穿孔；

在该第一、第二贯穿孔处填入一绝缘材料；

在该压电材料层的该上下表面分别形成该第一、第二导电层；

在对应该第一、第二贯穿孔处钻孔以形成该第一、第二导通孔，且该第一、第二导通孔的孔径小于该第一、第二贯穿孔的孔径而形成该第一、第二绝缘侧壁；

去除对应于该第一导通孔外缘处的一部份该第一导电层，和去除对应于该第二导通孔外缘处的一部份该第二导电层；

在对应该第一、第二导通孔处填入该绝缘材料；

对该第一、第二导通孔再钻孔，以在该第一、第二导通孔的外缘处留下该绝缘材料而形成该第一、第二绝缘部；和

分别于该第一、第二导通孔中填入该导电材料。

24.一种多层叠层式压电元件的制造方法，包括：

制作多个压电单元，且每一个压电单元包括：

一压电材料层，具有一上表面和一下表面；

一第一导电层和一第二导电层，分别位于该压电材料层的该上下表面；

一第一导通孔和一第二导通孔，分别位于该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层的两侧的内部，均完全贯穿该第一导电层、该压电材料层和该第二导电层，且第一导通孔和第二导通孔长度相等；

一第一绝缘部和一第二绝缘部，分别形成于该压电材料层的该上下表面的该第一、第二导电层上，并位于所在的该第一、第二导通孔的外缘；

一第一绝缘侧壁，与该第一绝缘部垂直连接，且垂直地位于该压电材料层和该第一绝缘部所围绕的该第一导通孔之间，该第一绝缘侧壁的厚度小于该第一绝缘部的厚度；和

一第二绝缘侧壁，与该第二绝缘部垂直连接，且垂直地位于该压电材料层和该第二绝缘部所围绕的该第二导通孔之间，该第二绝缘侧壁的厚度小于该第二绝缘部的厚度；

叠层所述压电单元，使每一压电单元的该第一、第二绝缘部其中之一与相邻的另一压电单元的该第一、第二绝缘部其中之一相互接触，叠层后所述第一导通孔和一第二导通孔构成一第一通道和一第二通道；和

分别填入一导电材料于该第一通道和该第二通道，使具该导电材料的该第一、第二通道分别贯穿所述压电单元。

25.如权利要求24所述的制造方法，在叠层步骤中，将该压电单元左右旋转后再与另外该压电单元叠层。

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