CN102457248A - 压电陶瓷片振荡子及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷片振荡子及其制作方法，该压电陶瓷片振荡子包括：压电陶瓷基材及电极单元。该压电陶瓷基材具有相对的第一表面及第二表面，其机械质量因子(Q_m)大于1400。该电极单元具有第一电极及第二电极，该第一电极设置于该第一表面上，该第一电极具有第一直径，该第二电极覆盖该第二表面且延伸覆盖至该第一表面周缘的部分表面，该第二电极的覆盖该第二表面的部分具有第二直径，该第一直径与该第二直径的比率为0.498至0.502。由此，本发明的压电陶瓷片振荡子的雾化量大、使用寿命长。

Description

压电陶瓷片振荡子及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷片装置及其制作方法，且特别涉及一种压电陶瓷片振荡子及其制作方法。

背景技术

在已知技术中，压电陶瓷片振荡子(PZT Transducer)可用于雾湿器，其可于水中产生超音波，推升出一水柱，由水柱与空气界面喷出表面音波的瑞利波(Rayleigh wave)液滴，并经由风扇吹入空气输送出雾滴至周围环境，雾滴飘浮在空中达到增加环境湿度的目地。液滴大小与超音波频率有关，频率愈高、液滴则愈小，在相同的输送液滴装置下则雾化量愈小。

有些已知雾湿器以超音波喷出药物小液滴，经由鼻子吸入肺中加以吸收，达到治疗疾病(如气喘病)的功效。有些已知雾湿器以超音波喷出清洁剂液滴渗透分布于碗碟上，可用少量的水即可去除油污，达到洗碗机省水的功能。有些已知雾湿器则除了产主水滴外，同时经由高压尖端放电使产生臭氧并随水滴飘浮空中，被人体吸收后，宣称具有抗氧化的养生功效。

已知技术中设计雾湿器着重在如何以较小的输入电能，产生较大的雾化水滴量，简称雾化量(Mist amount)，设计重点着重在液滴输送装置、电源与振荡线路设计，另一方面则为避免喷雾水槽内水量逐渐减少，造成振荡子无水下仍进行超音波振荡，超音波能量无水传递出，致使振荡子聚能过热，超过居礼温度后失去功能，所以设计着重在储水液位侦测及大水槽内的水如何自动进量控制至喷雾水槽中，并使振荡子振动面与液位维持一定的距离，或者需控制振荡子与液位的倾斜角度、或加装大液滴隔除导管等，以达到较大或稳定的喷雾量等。

近年来，轻薄短小可携式雾湿器需求日增，以小电能喷雾的装置渐为发展趋势，设计上采用压电陶瓷片产生振动挤压液体经由具小孔洞的金属片产生雾滴，其诉求大都为雾湿器构造的设计，针对如何制作喷雾量大、寿命长的压电陶瓷片振荡子则少有文献及专利探讨。

以下列举数篇关于雾湿器振荡子的先前技术文献，并进行简单的说明。

1.高桥实，″超音波振动子″，冈琦清、一濑升、五十岚秀二，大野留治、山本博孝编″压电陶瓷的应用″，学献社出版，pp.184～191(1988)。

2.美国专利第4257989A号(TDK雾湿器)。

3.美国专利第5021701A号(TDK振荡子架设装置)。

4.美国专利第4976259号(医用超音波吸疗器)。

5.美国专利第5757104号(振荡子与线路最佳匹配法)。

先前技术文献1：

对制作雾湿器振荡子提出一些定性及理论的说明，未揭示振荡子电极设计和胶粘制程等对雾化量的影响。

先前技术文献2：

揭示雾湿器的结构组合和振荡子的电极布置，未说明振荡子的相关制作方法及性能。

先前技术文献3：

揭示振荡子的电极布置，未说明振荡子的相关一制作方法及性能，以符合架设装置而获得最大雾化量。

先前技术文献4：

揭示一吸疗器，其使用相同电极布置的振荡子，但未说明如何获得大雾化量。

先前技术文献5：

揭示一振荡子与线路最佳匹配法，其说明相同电极布置或改变电极布置的振荡子，可匹配最佳振荡线路获得最大振动，但未说明振荡子电极直径与陶片直径比率可获得最大振动(雾化量)。

因此，有必要提供一种创新且具进步性的压电陶瓷片振荡子及其制作方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种压电陶瓷片振荡子，包括：压电陶瓷基材及电极单元。该压电陶瓷基材具有相对的第一表面及第二表面，其机械质量因子(Q_m)大于1400。该电极单元具有第一电极及第二电极，该第一电极设置于该第一表面上，该第一电极具有第一直径，该第二电极覆盖该第二表面且延伸覆盖至该第一表面周缘的部分表面，该第二电极的覆盖该第二表面的部分具有第二直径，该第一直径与该第二直径的比率为0.498至0.502。

本发明还提供一种压电陶瓷片振荡子的制作方法，包括以下步骤：(a)提供压电陶瓷基材，该压电陶瓷基材具有相对的第一表面及第二表面，其机械质量因子(Q_m)大于1400；及(b)形成电极单元于该压电陶瓷基材，该电极单元具有第一电极及第二电极，该第一电极设置于该第一表面上，该第一电极具有第一直径，该第二电极覆盖该第二表面且延伸覆盖至该第一表面周缘的部分表面，该第二电极的覆盖该第二表面的部分具有第二直径，该第一直径与该第二直径的比率为0.498至0.502。

由选用高机械质量因子Q_m的压电陶瓷材料(Q_m＞1400)、设计压电陶瓷材料的相对二侧的第一电极直径及第二电极直径的比率在适当范围，及控制设置箔片的结合材料的厚度在适当范围下，可制作出雾化量大、使用寿命长的压电陶瓷片振荡子1。

附图说明

图1示出本发明压电陶瓷片振荡子的剖面图；

图2示出本发明压电陶瓷片振荡子的俯视图；

图3示出本发明压电陶瓷片振荡子的制作方法的流程图；

图4示出2.4MHz的压电陶瓷片振荡子产生的雾化量与直径比率(OD1/OD2)的对应关系；及

图5示出本发明压电陶瓷片振荡子的雾化量与粘胶厚度的关系。

具体实施方式

图1示出本发明压电陶瓷片振荡子的剖面图；图2示出本发明压电陶瓷片振荡子的俯视图。配合参考图1及2，在本实施例中，该压电陶瓷片振荡子为雾湿器用的压电陶瓷片振荡子，但不限于此应用。该压电陶瓷片振荡子1包括：压电陶瓷基材11、电极单元12、箔片13及结合材料14。该压电陶瓷基材11具有相对的第一表面111及第二表面112，该压电陶瓷基材11的机械品质因子(Q_m)大于1400。

该电极单元12具有第一电极121及第二电极122，该第一电极121设置于该第一表面111上，该第一电极121具有第一直径OD1。该第二电极122覆盖该第二表面112且延伸覆盖至该第一表面111周缘的部分表面，该第二电极122的覆盖该第二表面112的部分具有第二直径OD2。在本实施例中，该第一电极121及该第二电极122为银电极。该第一直径OD1与该第二直径OD2的比率为0.498至0.502。

该箔片13设置于该压电陶瓷基材11的一侧且与该第二表面112相对。在本实施例中，该箔片13为金属材质。较佳地，该箔片13为不锈钢(例如304、316不锈钢)箔片或钛金属箔片，该箔片13的厚度较佳为20至30微米。在本实施例中，该结合材料14为环氧树脂，其设置于该第二电极122与该箔片13之间。较佳地，该结合材料14的厚度小于12微米。

可理解的是，本发明的压电陶瓷片振荡子1可不具有箔片及结合材料，其同样可以作动且产生振荡功效。

图3示出本发明压电陶瓷片振荡子的制作方法的流程图。配合参考图1至3，首先，参考步骤S31，提供压电陶瓷基材11，该压电陶瓷基材11具有相对的第一表面111及第二表面112，其机械质量因子(Q_m)大于1400。

在本实施例中，步骤S31包括：步骤S311，将压电陶瓷材料配方粉煅烧后细磨调浆，并喷雾造粒形成压电陶瓷材料颗粒；步骤S312，压胚成型这些压电陶瓷材料颗粒；步骤S313，烧结压胚后的压电陶瓷材料；及步骤S314，平行研磨(lapping)烧结后的压电陶瓷材料，以形成该压电陶瓷基材11。

参考步骤S32，形成电极单元12于该压电陶瓷基材11。在本实施例中，步骤S32包括：涂布电极基材于该压电陶瓷基材11的表面，该电极基材设置于该第一表面111上，且该电极基材覆盖该第二表面112且延伸覆盖至该第一表面111周缘的部分表面；烧付该电极基材，以形成该电极单元12。其中，涂布的电极基材的厚度较佳为0.01～0.002mm。亦即，烧付该电极基材形成的该电极单元12具有第一电极121及第二电极122，该第一电极121设置于该第一表面111上，该第一电极121具有第一直径OD1。该第二电极122覆盖该第二表面112且延伸覆盖至该第一表面111周缘的部分表面，该第二电极122的覆盖该第二表面112的部分具有第二直径OD1。较佳地，该第一直径与该第二直径的比率为0.498至0.502。

在本实施例中，在该电极单元12形成之后，还包括极化该压电陶瓷基材11的步骤S33。在本实施例中，其以高压电极化该压电陶瓷基材11。并且，在极化该压电陶瓷基材11后，还包括清洗该压电陶瓷基材的步骤S34。

参考步骤S35，设置箔片13于该压电陶瓷基材11的一侧且与该第二表面112相对。在本实施例中，该箔片13为金属材质(金属箔)，且透过结合材料14设置于该第二电极122与该箔片13之间。

在超音波雾湿器的应用中，本发明的压电陶瓷片振荡子1进行焊接导线或将压电陶瓷振荡子1接触导电环，再套入防水橡胶套或特殊设计的塑料座壳中，即可制作完成具压电陶瓷片振荡子1的雾湿器。最后，压电陶瓷片振荡子1的雾化量评估可用固定的振荡线路及输入电能加以评估。

压电陶瓷片振荡子材料的选择

压电陶瓷片振荡子1经由厚度方向的振动产生超音波，如市面上雾湿器使用的压电陶瓷片振荡子1的频率f_r约在1～3MHz之间，改变压电陶瓷基材11的厚度即可改变振动频率，一般惯用的频率分别有1.65、2.4、2.8MHz，其对应的压电陶瓷基材11厚度则需逐渐递减。雾湿器内压电陶瓷片振荡子1置于水底，其振幅ξ(Vibration amplitude)与外加电压E、压电应变系数d₃₃(Piezoelectric strain constant)及在水中的机械质量因子Q_L(Mechanical quality factor)有关，以下列公式表示为：

ξ＝d₃₃·E·Q_L           (1)

在水中的机械质量因子Q_L代表压电陶瓷片振荡子1的振动时，部分动能被压电陶瓷基材11以热能消耗掉的大小，其与压电陶瓷基材11材料的机械质量因子Q_m有关。压电陶瓷基材11的机械品质因子Q_m愈大，振动时热能消耗愈少。同理，Q_L愈大，输入电能以热能方式消耗愈少、振幅相对较大。另外，压电陶瓷的特性通常是压电应变系数d₃₃愈大的材料其机械质量因子Q_m愈小。随着新的压电陶瓷材料例如低d₃₃、高Q_m压电陶瓷材料的开发，其应用于雾湿器是否能产生较大的雾化量则未知。

表1示出3种压电陶瓷片振荡子(比较例PZT-1、PZT-2和PZT-3，其中PZT-3为本发明的发明例)的压电特性比较结果，以及制成1.65MHz超音波振荡子经输入24W和28W电能驱动下的雾化量比较结果。结果显示，高Q_m值的压电陶瓷片振荡子(发明例PZT-3，Q_m大于1400)可明显获得较大的雾化量，而d₃₃较高的压电陶瓷片振荡子(比较例PZT-1及PZT-2)所得雾化量较少。

表一

在表1中，比较例PZT-1的压电特性d₃₃～450、Q_m～500，且表1示出当Q_m值大于1400时，1.65MHz压电陶瓷片振荡子于输入28W的电能驱动下可得约350c.c./小时的雾化量，已能符合市场上对雾湿器产生高雾化量的最低需求。要强调的是，使用Q_m＞2000的压电陶瓷片制作压电陶瓷片振荡子所组合的雾湿器，其雾化量优于市场上的其它雾湿装置(例如：日本TDK或Fukoku公司制的超音波振荡子)。高Q_m的压电陶瓷片振荡子置入水中，虽然有水的冷却带走热量的影响，压电陶瓷片振荡子的质量因子Q_L仍充分反应材料Q_m本质特性，使得对压电陶瓷片振荡子的振幅仍有决定性的影响。

压电陶瓷片振荡子的电极设计

在本发明中，应用于雾湿器的压电陶瓷片振荡子1的电极单元12布置，是在压电陶瓷基材11的第一表面111涂布中心圆银电极(第一电极121)，其直径为OD1，还在压电陶瓷基材11的第二表面112全部表面、压电陶瓷基材11的侧面及第一表面111周缘的部分表面涂布背面银电极(第二电极122)，该银电极的覆盖该第二表面112的部分具有第二直径OD2。

以直径为20mm的压电陶瓷基材11为例，该第一表面111的中心圆银电极直径OD1约2mm，且由该第二表面112延伸至该第一表面111的部分电极提供导电环输入电能。雾湿器用压电陶瓷片振荡子1采用厚度方向的振动，而厚度振动限制在中心圆银电极下，压电陶瓷片振荡子1的背面(位于该第二表面112的侧)接触水为输出超音波的端面。然而，要说明的是，中心圆银电极的面积(也是压电陶瓷基材11内电偶极经外加高电压极化时的排列整齐的区域)才是超音波可输出的涵盖范围，所以超音波单位面积输出的能量及输出强度与中心圆银电极的面积有关。

虽然压电陶瓷片振荡子1使用厚度振动的模态输出超音波，然而其平面振动模态的振动也同时存在，此平面振动因为压电陶瓷片振荡子1的背面银电极面积和中心圆银电极面积的差异，使得振动边界条件改变，同时改变压电陶瓷片振荡子1的机电耦合数，使得电能转换为机械能的比例改变。

表2示出比较2种振动频率(1.65MHz和2.4MHz)下，表1中的PZT-3压电陶瓷片振荡子中心圆银电极的直径OD1和背面银电极的直径OD2比率对雾化量的影响。其中，1.65MHz和2.4MHz压电陶瓷片振荡子分别输入24W和12W电能驱动。

表二

配合参考表1及表2，以PZT-3的压电陶瓷基材制作背面银电极的直径OD2为20mm、频率分别为1.65MHz和2.4MHz的压电陶瓷片振荡子，其厚度t分别为1.23～1.25mm和0.84～0.86mm，改变中心圆银电极的直径OD1分别为1.29～1.33mm和10.93～11.05mm，分别输入24W和12W的电能比较评估雾化量的差异。

表2示出，不论1.65MHz和24MHz的压电陶瓷片振荡子，欲获得最大雾化量，其中心圆银电极的直径OD1与背面银电极直径OD2具有最佳化的比率(OD1/OD2)值，随着直径比率(OD1/OD2)值的改变，雾化量急剧变化。所以雾湿器欲获得最大雾化量需严格控制中心圆银电极的直径OD1与背面银电极OD2的直径比率(OD1/OD2)。

图4示出2.4MHz的压电陶瓷片振荡子产生的雾化量与直径比率(OD1/OD2)的对应关系。在输入12W的电能下欲获得大于2.5c.c./分钟的雾化量，则(OD1/OD2)的比率较佳控制在0.498～0.502的范围。

压电陶瓷片振荡子粘贴金属箔的粘胶厚度最佳化

压电陶瓷片振荡子1应用在雾湿器中时，压电陶瓷片振荡子1的背面直接接触水或清洁剂液体等，如果是背面银电极直接接触液体，则容易腐蚀，影响压电陶瓷片振荡子1的寿命，所以较佳会粘贴抗腐蚀性能较佳的金属箔(箔片13)，该金属箔包括304、316不锈钢箔片或钛金属箔片等，其厚度约为20～30μm，以金属箔直接面对液体，防蚀性能增加，压电陶瓷片振荡子1的使用寿命得以延长。

要注意的是，粘贴金属箔片会使用粘胶(结合材料14)，使用胶粘性能较佳的环氧树脂胶(epoxy)，环气树脂胶以氢键键结二金属面(背面银电极和金属箔片)。然而，粘胶的厚度需适当控制，才不会因粘胶过厚吸收振动能量、影响超音波强度而影响雾化量；但粘胶过薄可能胶粘强度过弱，金属箔片易剥离，影响压电陶瓷片振荡子的使用寿命。

表3示出表1中的PZT-3压电陶瓷片振荡子以M200、M250、M420三种网目(Mesh)的网版印刷环氧树脂胶后，粘贴厚度30μm的金属箔片，以100、200Kg的施力于适当的温度下粘着后，再控制温度及压力使环氧树脂胶硬化后，观察分析粘胶厚度、评估雾化量。

表三

以M200、M250、M420三种网目的网版印刷粘胶，网目孔径依序渐细小，所涂覆的粘胶量可依序递减，控制粘贴时的施力，可使粘胶厚度获得控制。以M200、M250、M420三种网目印涂粘胶的压电陶瓷片振荡子，分别施力100、200Kg下粘着，并以相同条件进行硬化处理，使粘胶厚度控至在10～15μm的范围。使用孔径愈细的M420网目，其粘胶涂覆量愈少、介于金属箔片和背面银电极间的粘胶厚度愈薄，不同粘胶厚度的压电陶瓷片振荡子经评估雾化量结果如表3所示。

参考图5，其示出压电陶瓷片振荡子的雾化量与粘胶(结合材料)厚度的关系。图5示出，粘胶厚度愈薄、雾化量愈大，粘胶厚度＜12μm的压电陶瓷片振荡子的雾化量可大于25c.c./分钟。粘胶厚度约10μm的压电陶瓷片振荡子，经评估其胶结强度大于3kg，且经长期(＞1000小时以上)连续的喷雾寿命测试合格。

综上，由选用高机械质量因子Q_m的压电陶瓷材料11(Q_m＞1400)、设计压电陶瓷材料11的相对二侧的第一电极121直径及第二电极122直径的比率(OD1/OD2)在适当范围(OD1/OD2＝0.498～0.502)，及控制设置箔片13的结合材料14的厚度在适当范围(＜12μm)下，可制作出雾化量大、使用寿命长的压电陶瓷片振荡子1。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明，因此在不脱离本发明的精神的情况下本领域技术人员可以对上述实施例进行修改及变化。本发明的权利范围应如后面的权利要求所述。

参考标记说明

1   本发明的压电陶瓷片振荡子

11  压电陶瓷基材

12  电极单元

13  箔片

14  结合材料

111 第一表面

112 第二表面

121 第一电极

122 第二电极

Claims (14)

1.一种压电陶瓷片振荡子，包括：

压电陶瓷基材，具有相对的第一表面及第二表面，其机械质量因子(Q_m)大于1400；及

电极单元，具有第一电极及第二电极，该第一电极设置于该第一表面上，该第一电极具有第一直径，该第二电极覆盖该第二表面且延伸覆盖至该第一表面周缘的部分表面，该第二电极的覆盖该第二表面的部分具有第二直径，该第一直径与该第二直径的比率为0.498至0.502。

2.如权利要求1的压电陶瓷片振荡子，其中该第一电极及该第二电极为银电极。

3.如权利要求1的压电陶瓷片振荡子，还包括箔片，该箔片设置于该压电陶瓷基材的一侧且与该第二表面相对。

4.如权利要求3的压电陶瓷片振荡子，其中该箔片为金属材质。

5.如权利要求4的压电陶瓷片振荡子，其中该箔片为不锈钢箔片或钛金属箔片。

6.如权利要求3的压电陶瓷片振荡子，其中该箔片的厚度为20至30微米。

7.如权利要求3的压电陶瓷片振荡子，还包括结合材料，该结合材料设置于该第二电极与该箔片之间。

8.如权利要求6的压电陶瓷片振荡子，其中该结合材料的厚度小于12微米。

9.一种压电陶瓷片振荡子的制作方法，包括以下步骤：

(a)提供压电陶瓷基材，该压电陶瓷基材具有相对的第一表面及第二表面，其机械质量因子(Q_m)大于1400；及

(b)形成电极单元于该压电陶瓷基材，该电极单元具有第一电极及第二电极，该第一电极设置于该第一表面上，该第一电极具有第一直径，该第二电极覆盖该第二表面且延伸覆盖至该第一表面周缘的部分表面，该第二电极的覆盖该第二表面的部分具有第二直径，该第一直径与该第二直径的比率为0.498至0.502。

10.如权利要求9的方法，其中步骤(a)还包括以下步骤：

(a1)将压电陶瓷材料配方粉煅烧后细磨调浆，并喷雾造粒形成压电陶瓷材料颗粒；

(a2)压胚成型这些压电陶瓷材料颗粒；

(a3)烧结压胚后的压电陶瓷材料；及

(a4)平行研磨烧结后的压电陶瓷材料，以形成该压电陶瓷基材。

11.如权利要求9的方法，其中步骤(b)还包括以下步骤：

(b1)涂布电极基材于该压电陶瓷基材的表面，该电极基材设置于该第一表面上，且该电极基材覆盖该第二表面且延伸覆盖至该第一表面周缘的部分表面；及

(b2)烧付该电极基材，以形成该电极单元。

12.如权利要求11的方法，其中在步骤(b2)之后，还包括极化该压电陶瓷基材的步骤。

13.如权利要求9的方法，其中还包括设置箔片的步骤，该箔片设置于该压电陶瓷基材的一侧且与该第二表面相对。

14.如权利要求13的方法，其中还包括设置结合材料于该第二电极与该箔片之间的步骤。

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