CN102077332A - 具有整体式铜电极的夹层式压电设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了用于使得压电设备中的裂缝最小化并对其进行补偿的装置和整套方法，从而维持设备的长期的功能性。裂缝的补偿是通过以下方式实现的：在压电设备的整个表面上施加整体式导电电极，并且使得电极延伸超过压电设备的边界。通过这种方式，甚至在出现裂缝的情况下也可以维持电连接。通过施加厚度可变的绝缘支撑材料，通过使得压电设备的局部弯矩最小化，压电设备的裂缝得到限制。
Description
技术领域
本发明的主题涉及信号发生器。具体而言，本发明的主题涉及具有整体式铜电极的压电发生器。
背景技术
已经证明的是，电子设备与轮胎结构的结合可以产生很多实际的优点。轮胎电子装置可以提供其自身的电源，这种电源的运行取决于与轮胎相关的现象，轮胎电子装置还可以包括传感器和其它部件，用于获取与轮胎的各种物理参数有关的信息，例如温度、压力、轮胎的转数、轮胎转速等等。这样的信息在轮胎监测和警报系统中可能是有用的，并且甚至可以用于反馈系统以监测适当的轮胎压力水平。
美国公布专利申请2003/0209063(Adamson等)涉及使用压电纤维复合材料(piezoelectric fiber composites)从旋转轮胎的机械能量产生电功率的系统和方法。
美国公布专利申请2003/0056351(Wilkie等)涉及一种压电微纤维复合材料致动器以及一种用于制造该制动器的方法。
美国专利No.6,093,997(Zimnicki等)涉及一种嵌入在电绝缘基底组件内的压电谐振器(piezoelectric resonator)，例如多层印刷电路板。
美国专利No.5,747,916(Sugimoto等)涉及一种压电变压器单元，其将输入电压转变为输出电压，并且包括由较大的电功率驱动的压电变压器元件。
美国专利No.5,305,507(Dvorsky等)涉及一种用于封装嵌入复合结构中的陶瓷设备的方法。
欧洲专利EP1724849A2(Guenther等)涉及一种导电支撑本体，其具有施加至本体的压电材料。
虽然已经开发了压电发生器的各种实现形式，并且已经实现了各种接触配置，但是，还没有出现这样的设计，其一般地包括根据本发明的主题技术在下文中呈现的全部所需特征。
发明内容
考虑到在现有技术中遇到并且被本发明的主题解决的已知特征，已经提供了一种改进的装置和整套方法，通过提供整体式电极，即使面对来自正常运行的结构性损害，该装置和方法也可以延长压电设备的运行寿命。
在示例性实施方式中，本发明的主题涉及一种压电设备，包括：压电材料层，所述压电材料层具有第一表面、第二表面和边界；导电材料的第一层，所述导电材料的第一层完全覆盖所述第一表面并且延伸超过所述压电材料的边界；以及导电材料的第二层，所述导电材料的第二层完全覆盖所述第二表面并且延伸超过所述压电材料的边界。第一和第二导电层延伸超过所述压电材料的边界一段足够的距离，以避免由所述压电材料中的裂缝引起的在第一或第二导电层中产生的任何裂缝的影响。第一绝缘层支撑所述压电材料以及所述导电材料的第一和第二层。
在另外的实施方式中，焊盘可以结合至导电材料的第一和第二层，可以提供第二绝缘层，所述第二绝缘层可以具有与所述第一绝缘层相同或不同的厚度。在优选实施方式中，绝缘材料可以是FR4，导电材料可以是铜，压电材料可以是锆钛酸铅(PZT)。
在另外的实施方式中，所述设备可以包括弹性材料层，所述弹性材料层包括平顶部分，所述第一绝缘层可以通过粘合剂紧固在所述平顶部分上。在特别的配置中，所述粘合剂可以是Chemloc
所述弹性材料可以是橡胶。
本发明的主题也涉及用于在存在由应力引起的裂缝的情况下保留压电设备功能性的整套方法。这些整套方法包括提供具有第一表面、第二表面和边界的压电材料层，并且用导电材料的第一和第二层完全覆盖第一和第二表面。导电材料的第一和第二层都延伸超过压电材料的边界一段足够的距离，以避免由所述压电材料中的裂缝引起的在第一或第二导电层中产生的任何裂缝的影响。
通过使用这些整套方法，在第一和第二导电层中存在由压电材料中形成的裂缝引起的裂缝的情况下，通过延伸超过压电材料的边界的导电材料，可以保持建立的导电路径。
本发明主题的附加目的和优点根据本文中的具体描述而得以说明，或者说对于本领域普通技术人员而言将变得明朗。同样，应该进一步认识到，在不背离本发明主题的精神和范围的情况下，在本发明的各种实施方式和用途中可以对具体说明、参考和讨论的特征及其元件进行修改和改变。各种改变可以包括(但不限于)对于说明、参考或讨论的等同装置、特征或步骤的替换，以及各种部件、特征、步骤等等的功能性、操作性或位置性颠倒。
另外，应该理解，本发明主题的不同实施方式(以及现在优选的不同实施方式)可以包括现在公开的特征、步骤或元件、或者它们的等效形式的各种组合或配置(包括没有在附图中特意显示、或者没有在这种附图的具体描述中说明的特征、部件、或步骤的组合或者它们的配置)。
本发明主题的附加实施方式(其不一定在发明内容部分得以表达)可以包括并合并在上述发明内容的目的部分参考的特征、部件或步骤和/或在本申请中另外讨论的其它特征、部件或步骤的各方面的各种组合。在阅读本说明书的其余部分之后，本领域普通技术人员将会更好地认识到这样的实施方式(以及其它实施方式)的各种特征和各个方面。
附图说明
对于本领域普通技术人员而言，在本说明书中参考附图对本发明的完整可实施的公开内容(包括其最佳实施方式)进行了说明，在附图中：
图1以图示的方式说明了根据本发明的技术构建的示例性压电发生器；
图2以图示的方式说明了先前已知的压电发生器构造；
图3a-图3c以图示的方式说明了可以用在根据本发明技术的发生器的构造中的各种夹层式构造的整套方法；
图4a说明了一种轮胎补丁，其包括安装在其上的根据本发明的技术构建的发生器；
图4b说明了在图4a中说明的轮胎补丁的线4-4处的部分的横截面；并且
图5说明了根据本发明的技术构建的双压电传感器配置。
在整个说明书和附图中重复使用的附图标记用于表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
根据发明内容部分的讨论，本发明的主题特别地涉及用于压电发生器的电极配置。
另外，应该认识到，术语“发生器”意在表达本发明的技术的压电设备的挠曲将会穿越在设备上提供的输出终端而产生输出电压。此外，由于本发明的技术的设备可以分别或协同地用作传感器以及发生器，在下文中术语发生器和传感器可以互换使用。
公开的技术的各个方面的选定组合对应于本发明的多个不同实施方式。应该注意到，在这里展现和讨论的每个示例性实施方式都不应构成对本发明主题的限制。作为一个实施方式的一部分而进行说明或描述的特征或步骤可以用于与另一实施方式的各个方面组合，以产生另外的实施方式。此外，特定的特征可以与执行相同或相似功能的没有特意提及的相似设备或特征进行互换。
现在参考附图，首先简单地参考图2，其说明了一种先前已知的压电发生器200，根据本发明的技术已经在其上提出了改进。从图2中可以看出，先前已知的压电发生器200对应于安装在支架220上的压电元件210。导电电极的蚀刻图案设置在压电元件210的示出的上表面212上作为电极图案230，并且设置在隐藏在图2中的下侧。这些电极图案分别连接至压电元件210的上侧和下侧的终端232、234。
在图2中所示的这类压电发生器已经在包括轮胎的若干使用环境中使用，但是已经发现的是，在这种环境中，例如由于安装压电发生器200的轮胎的挠曲而导致施加至压电元件210的应力，从而裂缝(例如由裂缝242、244所示)常常在压电元件210中逐渐形成。
本领域普通技术人员将会认识到，在压电元件210中形成的这种裂缝242、244最终会导致导电电极图案中的裂缝和中断，从而减小或者甚至消除终端232、234处的电荷聚积。例如在裂缝穿过从电极图案230到终端232的单一连接线的位置246，没有电荷能够到达终端232，从而导致压电发生器200完全不起作用。
现在参考图1，可以注意到，根据本发明的技术构建的压电发生器100具有安装在支架120上的压电设备110，该支架120完全被电极130所覆盖。应该认识到，在图1中压电设备110实际上由于电极130而被隐藏。
此外，电极130实际上延伸超过压电设备110的边缘，如导电延伸部分136所示，该电延伸部分136形成为电极130的整体部分。电极130的导电延伸部分136延伸超过压电设备110的边界一段足够的距离，以避免由电极130之下的压电设备110中的裂缝引起的在导电层130中产生的任何裂缝的影响。电极130及其延伸部分136通过附加的导电线路142结合至焊盘132。将会认识到，相似的电极和延伸部分设置在压电设备110的下侧，并且通过导电线路144连接至焊盘134。在示例性的配置中，包括延伸部分136、线路142、144和焊盘132、134的导电电极130可以用铜实现。当然，也可以使用其它合适的导电材料。
提供这样的整体式导电电极并不能防止压电材料破裂，但是只要边界导电线路136保持完好并且破裂的压电设备110的裂片保持粘附至支架120，则至少可以具有从甚至严重破裂的压电设备收集能量的持续能力。
现在参考图3a-图3c，将要注意到根据本发明的技术构建的压电设备的各个构造性方面。如上文所述，本发明的主题涉及夹层式构造。如图3a中所示，这样的构造的示例性实施方式显示为对应于夹在导电层320、322之间的压电层310，它们都被绝缘支撑层330所支撑。在示例性配置中，压电层310可以对应于锆钛酸铅(PZT)层，导电层320、322可以对应于铜层，绝缘支撑层330可以对应于阻燃绝缘材料，通常称为FR4。
在如图3b中所示的另外的示例性实施方式中，可以添加另一绝缘支撑层332(其可以也对应于FR4)以完成夹层式结构。包括双绝缘支撑层的特别优点在于以下能力：通过对支撑层或多个支撑层的厚度进行优化，而使得压电层310的峰值局部弯矩最小化并且从而使得破裂的程度降到最低。
对于本领域普通技术人员而言明确的是，这样的优化需要对绝缘层或多个绝缘层的厚度进行明智的选择。例如，对于非常大的厚度，将会防止压电层的所有弯曲，从而避免出现产生信号的电压。显然，随着厚度变得越来越小，附加的弯曲可能出现，从而导致从局部弯矩减小获得的好处最终消除。提供双层绝缘支撑材料的附加的好处来自于通过这样的双绝缘层对压电层进行封装，从而为压电层提供了附加的物理保护。
图3c说明了夹层式结构的另一实施方式。在这种情况下，绝缘层332’比绝缘层332厚。从一个绝缘层到另一个绝缘层的这样的厚度改变使得压电层从夹层式结构的中心中间平面偏移，并且提供了进一步调节能量产生的机会。绝缘层332’可以通过更厚的绝缘材料层而提供，或者通过提供两个或更多分离的材料层。应该认识到，两个或更多层其本身可以具有不同的厚度，也可以具有相同的厚度，或者这些情况的组合。
现在参考图4a和图4b，说明了一种示例性轮胎补丁400，其合并了根据本发明的技术构建的夹层式结构的压电设备。图4b说明了在图4a的线4-4处取得的轮胎补丁400的一部分的放大横截面。如图4a中所示，对应于弹性材料支架410和整体形成的中心平顶412的轮胎补丁400可以用于支撑夹层式结构压电设备420。压电设备420可以通过粘合剂层紧固至平顶的上表面。在示例性实施方式中，弹性材料支架410和整体平顶412对应于橡胶，粘合剂430可以对应于可从LORD公司获得的Chemloc
粘合剂。在示例性构造中，Chemloc
可以涂敷至夹层式结构的表面，该结构和橡胶材料一起放置在模具中，然后进行固化。
如图4a和图4b所示，夹层式结构压电设备420可以对应于基本上覆盖平顶412的整个上表面的设备，并且事实上可以实际上稍微伸出平顶412的上表面，如图4b中的伸出部分414所示。
现在参考图5，说明了根据本发明的技术构建的夹层式结构压电设备500的另一实施方式。可以看出，夹层式结构压电设备500对应于安装在公共绝缘支撑层520上的一对夹层式结构压电设备510、510’。如同前面的实施方式，绝缘层520可以对应于FR4的层。此外，根据关于图3b的描述，可以提供附加绝缘层(也可以是FR4)。此外，根据参考图3c进行的讨论，这样的绝缘材料附加层的厚度可以变化或者可以设置为多层以实现厚度变化。
进一步参考图5，将会注意到，夹层式结构压电设备510、510’并行地通过导电线路532、534电结合至连接终端530以及通过导电线路542、544电结合至连接终端540。基于前面的描述应该认识到，夹层式结构压电设备510、510’的每一个都对应于包括第一导电层和第二导电层的夹层式结构，在示出的夹层式结构压电设备510、510’的情况下，第一导电层对应于显示为通过线路542、544连接在一起的层，第二导电层对应于通过线路532、534连接在一起的层。
应该进一步认识到，虽然示出的一对夹层式结构压电设备510、510’显示为并行地连接，其它连接方案也是可能的，包括串联连接以及通过附加的分离终端对而单独地连接。此外，应该认识到，示出的一对共同安装设备510、510’可以一起安装以产生如图4a中所示的轮胎补丁。此外，本领域普通技术人员将会认识到，对于本申请公开的内容，可以提供多对共同安装的设备，并将其以任何需要的方式(从并联到串联，从单独到组合)进行电结合，所有这些都在本发明主题的范围内。在另一配置中，通过使用覆盖多个设备的两侧的导电材料的单层，多个压电设备可以共同安装并且并行连接。
虽然已经针对本发明主题的具体实施方式对本发明主题进行了具体描述，但是将会认识到，在获得了对于上文内容的理解之后，本领域技术人员可以容易地提出这些实施方式的修改、变化以及等效形式。因此，本文公开的内容的范围是示例性的而不是限制性的，本申请的主题内容并不是不包括对于本领域普通技术人员而言显而易见的本发明主题的那些修改、变化和/或附加形式。
Claims (17)
1.一种压电设备，包括：
压电材料层，所述压电材料层具有第一表面、第二表面和边界；
导电材料的第一层，所述导电材料的第一层完全覆盖所述第一表面并且延伸超过所述压电材料的边界；
导电材料的第二层，所述导电材料的第二层完全覆盖所述第二表面并且延伸超过所述压电材料的边界；以及
第一绝缘层，所述第一绝缘层支撑所述压电材料以及所述导电材料的第一和第二层。
2.根据权利要求1所述的压电设备，进一步包括：
第一焊盘，所述第一焊盘电结合至所述导电材料的第一层；以及
第二焊盘，所述第二焊盘电结合至所述导电材料的第二层。
3.根据权利要求1所述的压电设备，进一步包括：
第二绝缘层，
其中所述压电层夹在所述第一和第二导电层之间，并且所述第一绝缘层和所述第二绝缘层形成所述压电层以及所述第一和第二导电层的夹层结构外层。
4.根据权利要求3所述的压电设备，其中所述第一绝缘层和所述第二绝缘层具有不同的厚度。
5.根据权利要求1所述的压电设备，其中所述绝缘层是FR4。
6.根据权利要求1所述的压电设备，其中所述第一和第二导电层以及第一和第二导电线路是铜。
7.根据权利要求1所述的压电设备，其中所述压电材料包括锆钛酸铅PZT。
8.根据权利要求1所述的压电设备，进一步包括：
弹性材料层，所述弹性材料层具有基座部分和平顶部分，
其中所述第一绝缘层通过粘合剂紧固至所述弹性材料层。
9.根据权利要求8所述的压电设备，其中所述弹性材料层是橡胶层。
10.根据权利要求8所述的压电设备，其中所述粘合剂是Chemloc
11.一种用于在存在由应力引起的裂缝的情况下保留压电设备功能性的方法，包括：
提供具有第一表面、第二表面和边界的压电材料层；
用导电材料的第一层完全覆盖所述第一表面；
使得所述导电材料的第一层延伸超过所述压电材料的边界；
用导电材料的第二层完全覆盖所述第二表面；以及
使得所述导电材料的第二层延伸超过所述压电材料的边界。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
将至少一个绝缘支撑层粘附至所述导电材料的第一和第二层的至少一个，
从而可以限制所述压电材料的局部弯矩。
13.根据权利要求12所述的方法，其中粘附包括将绝缘支撑层粘附至所述导电材料的第一和第二层两者。
14.根据权利要求13所述的方法，其中粘附绝缘支撑层包括粘附具有不同厚度的绝缘支撑层。
15.根据权利要求11所述的方法，其中提供压电材料层包括提供锆钛酸铅PZT的层。
16.根据权利要求12所述的方法，其中粘附至少一个绝缘支撑层包括粘附至少一个FR4层。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述导电材料是铜。
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