CN1047341C - 制造带有凸膜部分的陶瓷膜结构的方法及所制得的膜结构 - Google Patents

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Abstract

一种制造陶瓷膜结构(2)的方法，该陶瓷膜结构包括陶瓷基体(4)，和一个叠放在陶瓷基体上的陶瓷膜片(8)，上述膜片包括至少一个膜部分(10)，上述至少一个膜部分的每一部分都向外凸出，在上述每一个膜部分的凸形形成期间或形成之后，用一个带有平面或凹面的模子(14、15、22、23)压着上述至少一个膜部分(10)的每一个的顶部，使至少上述的顶部有一个平面(10a)或预定曲率半径的曲面(10b)，由此控制上述每一个膜部分的凸出量。

Description

制造带有凸膜部分的陶瓷膜结构的方法及所制得的膜结构
本发明涉及一种陶瓷膜结构，以及一种制造膜结构的方法，更具体地讲涉及一种带有向外凸出的薄的凸形陶瓷膜部分的陶瓷膜结构，它具有优良的操作特性。更具体地讲本发明涉及一种能有效控制陶瓷膜部分凸出量的方法，以及一种根据该方法获得的陶瓷膜结构。
膜结构一直被广泛用于各种传感器等，其结构有一个其中形成至少一个窗口或开口的基板或基体，和一个由柔性材料形成的薄膜片，用来封闭窗口或开口，由此形成了膜部分。近年来，这种类型的膜结构被广泛用于压电/反压电致动器。当这种膜结构被用作传感器的一个元件时，该传感器具有适当方式来探测膜结构的膜部分的弯曲或挠曲位移量，这种位移是由要被传感器测量的目标而引起。当膜结构用作压电/反压电致动器的一个元件时，该结构的膜部分通过形成在膜部分上的压电/反压电要素而变形或挠曲，由此增加在膜结构内形成的压力室中的压力。
上述的膜结构可以通过形成一个整体来制造，该整体包括作为基体或载体的基板，和由基板支撑的膜元件(膜片)，该膜片形成膜部分。为了提高操作可靠性，以及耐热性和耐蚀性，已经提出将膜结构形成为一个整体烧结的陶瓷体，用于压力传感器或压电/反压电致动器，这在本申请人持有的U.S.No.4894 635(对应于JP-A-63-292032)和U.S.No.5210 455(对应于JP-A-5-49270)两个专利中有叙述。
上述的整体陶瓷膜结构通常是这样来形成的，即将具有合适形状的窗口的陶瓷素坯基体层压在一个用来封闭窗口的薄的陶瓷素坯片上，由此形成一个整体的素坯层压结构，该结构带有一个在其两个相对的开口中的一个开口封闭窗口的膜部分。然后将素坯层压结构烧结为整体膜结构。本发明人发现在陶瓷素坯基体窗口的上部由陶瓷素坯片形成的膜部分在烧结时容易下凹变形或凹陷，或产生开裂。膜部分的下陷和开裂会损伤膜的预期的功能和操作，从而降低其操作可靠性。
上述的陶瓷膜结构通常都带有一个(或多个)平的膜部分。但是，很难将这种平膜的本征频率显著提高。此外，对于施加到膜的外表面的力而言，平膜不具有足够的机械强度，因此难以降低膜的厚度。另外，电极膜，压电/反压电膜以及其它的形成在平膜部分上的膜不能得到令人满意的烧结。
为了解决上述问题，本发明人在共同未决的美国专利No.08/386677提出了一种陶瓷膜结构，它包括至少具有一个窗口的陶瓷基体，以及一个叠放在陶瓷基体上以封闭上述窗口的陶瓷膜片。上述陶瓷基体和膜片共同烧结为一个完整烧结体，使膜片包括至少一个与窗口齐平的膜部分。在上述公开的结构中，每一膜部分均向外凸出，与对应的窗口方向相反，从而形成一个凸形。这种形成的凸膜部分不会产生凹陷和开裂，并且本征频率增加，机械强度也提高。此外，凸膜部分不会影响在其外表面上形成的薄膜(即：电极膜和压电/反压电层)的烧结，从而保证了得到陶瓷膜的高可靠性。
上述陶瓷膜结构的膜部分的凸形可以通过各种方法来获得，例如：a)控制膜部分和陶瓷基板的烧结速度和收缩率，或b)向膜部分施加压力以使膜部分向外凸出，或c)利用膜部分和基体的热膨胀系数不同。在上述任何一种方法中，难以做到将膜部分的凸出量控制在期望的数值。因此，在一个陶瓷膜结构中形成的多个膜部分或者不同膜结构中的膜部分的凸出量可能有波动，使得各个膜部分的特性发生变化。
因此，本发明的第一个目的是提供一种制造带有至少一个向外凸出的凸膜部分的陶瓷膜结构的方法，其中凸膜的凸出量很容易控制到一个目标值，保证了各个膜部分凸出量的高度一致，由此降低了这些膜部分特性的差异。
本发明的第二个目的是提供一种带有至少一个向外凸出的膜部分的陶瓷膜结构，这使得控制例如在凸膜部分的外表面形成的压电/反压电单元的薄膜或厚膜的厚度变得容易。
根据本发明的第一个方面可以实现第一个目的，这它提供了一种制造陶瓷膜结构的方法，其中陶瓷膜结构包括一个带有至少一个窗口的陶瓷基体，和一个叠放在上述陶瓷基体之上以便封闭这些窗口的陶瓷膜片，该方法包括下面的步骤：将膜片与陶瓷基体烧结形成一整体烧结体，使得膜片形成至少一个分别与上述至少一个窗口齐平的膜部分；使每一膜部分向外凸出，与相对应的窗口方向相反，使膜部分形成凸形；控制一个(或多个)膜部分的凸出量，通过向具有凸形的膜部分的顶部压上一个带有一个平面或凹表面的模子，使得至少其顶部具有一个平面或曲率半径为预定值的弯曲表面。
在根据本发明的上述方法中，陶瓷膜结构的每一个膜部分都向外凸出，形成一个凸形，由于用一个带有平面或凹面的模子与凸膜部分紧密接触，因此可以很容易控制膜部分的凸出量。因此，膜部分包括一个带有平面或凸面的顶部，凸面比凸形的曲率半径要大。通过将膜部分的凸出量控制在预定的目标值，可以有效降低各个膜部分或膜结构的特性之间的差异。
上述的控制凸出量的步骤可以在膜部分(一个或多个)的凸形形成期间或形成之后完成。
在本发明的一个优选形式中，该方法还包括以下步骤：(a)制备一个带有至少一个窗口的陶瓷素坯基体，它形成为陶瓷基体；(b)制备一薄的陶瓷素坯片，它形成为陶瓷膜片；和(c)将陶瓷素坯片叠放在陶瓷素坯基体上以封闭上述的至少一个窗口，由此形成一个整体的素坯层压结构。此外，将坯层压结构烧结形成为整体烧结体，使得陶瓷素坯片形成分别与在陶瓷素坯基体中形成的至少一个窗口齐平的至少一个膜部分，并使每一膜部分在素坯层压结构烧结期间向外凸出。
在本发明的另一个优选形式中，该方法还包括上述步骤(a)至(c)，并且在素坯层压结构烧结之前，分别与陶瓷素坯基体的至少一个窗口齐平的陶瓷素坯基片的至少一部分向外凸出，形成凸形。此外，将素坯层压结构烧结形成整体的烧结体，使得陶瓷素坯片的具有凸形的上述部分形成为向外凸出的膜部分，其方向与对应窗口方向相反。在这种情况下，可在整体素坏层压结构烧结期间，将具有一个平面或凹面的模子压在具有凸形的陶瓷素坯片的每一部分的顶部，以便控制这样形成的膜部分的凸出量。
在本发明的另一个优选的形式中，该方法还包括以下步骤：在陶瓷膜片上放置具有预定厚度的至少一个框架，使得每个膜部分位于框架之间或框架的相对部分，并在框架上叠放具有一个平面或凹面的模子，使得膜部分的凸出量控制在由预定的厚度确定的值，这是通过膜部分与平面或凹面紧密接触而达到的。在这种情况下，可在烧结后形成陶瓷膜片的陶瓷素坯片的适当部分形成一个陶瓷素坯层，该层可形成上述的框架。
在本发明的另一优选形式中，该方法还包括以下步骤：形成一个带有多个基脚以及一个平面或凹面的模子；将带有基脚的模子叠放在陶瓷膜片上，使得可通过带基脚的膜部分与平面或凹面紧密接触来控制上述至少一个膜部分的凸出量。
根据本发明的第二方面可以实现第二个目标，它提供了一种陶瓷膜结构，包括：具有至少一个窗口的陶瓷基体，和叠放在陶瓷基体上以封闭上述窗口的一个陶瓷膜片，膜片与陶瓷基体一起烧结形成一个整体的烧结体。膜片包括分别与上述窗口齐平的至少一个膜部分，并且每一个膜部分沿着与窗口相反方向向外凸出，形成一个凸形。每一膜部分包括一个凸形顶部，它有一个平面或有一个预定曲率半径的曲面。
在上述构成的陶瓷膜结构中，每一膜部分沿与窗口相反方向向外凸出，形成一个凸形。与常规的平膜部分相比，本结构的膜部分的本征频率和机械强度均有提高。此外，膜部分不影响例如在膜部分的外表面上通过厚膜形成方法形成的膜(如电极和压电/反压电层)的烧结，保证了得到的陶瓷膜结构有高质量和高的操作可靠性。此外，由于凸膜部分的顶部存在的平面或轻微弯曲的曲面，可以很容易控制通过印刷或其它方法在膜部分形成的每种膜的厚度，从而保证了膜厚的高度均匀性。
如上所述的陶瓷膜结构可以很好地用作压电/反压电的膜元件，从而保证了这些膜元件的操作可靠性明显增加。因此，该膜结构可以很有利地用于致动器，显示装置，滤波器，麦克风，传声体(如扬声器)、各种传感器，各种振动器和谐振器。
在本发明的上述一个优选形式中，陶瓷膜片是由含以下主要组分的材料形成的，这种主要组分选自由稳定氧化锆，部分稳定氧化铝，氧化铝及其混合物组成的一组。
优选地，陶瓷基体和陶瓷膜片的平均晶粒度不超过5μm，膜部分的厚度不超过30μm，并为一种相对密度(体积密度/理论密度)至少为90％的致密体。
通过结合附图，阅读下面对本发明优选实施方案的详细叙述，将加深对本发明的上述及其它目的，以及特性和优点的了解，附图中：
图1A-1C示出了制造本发明陶瓷膜结构的方法的一个实施方案。
图2A-2C示出了制造本发明陶瓷膜结构的方法的另一个实施方案。
图3示出了用来制造根据本发明的膜结构的陶瓷素坯片和陶瓷素坯基体的实例；
图4A示出了一陶瓷膜结构，它带有多个向外凸出的膜部分，和高度相同的框架部分，以及用来控制膜部分凸出量的压平模子；
图4B是与图4A相似的一个视图，示出了具有不同高度的相对框架部分的陶瓷膜结构；
图5是与图4A相对应的视图，示出了带基脚的压平模的另一个例子；
图6示出了带基脚和凹面的弯曲模子，其中凹面与陶瓷膜结构的膜部分紧密接触；
图7是一个截面图，说明了使用根据本发明制得的陶瓷膜结构的压电/反压电膜元件的一个实例；
图8是图7所示压电/反压电膜元件的分解透视图；和
图9是一个部分方案图，示出了通过印刷在实施例1,3,5和7的整体层压结构的陶瓷素坯片的表面形成的陶瓷素坯层的图案。
在制备带有陶瓷基体和与基体整体地形成在一起以便封闭其窗口的薄膜部分的陶瓷膜结构时，使膜部分向外凸出形成凸形，由于用带有一平面或如下所述凹面的模子与其紧密接触，凸膜部分的顶部被压平或形成具有相对较大曲率半径的凸面。以这种方式，可以很容易控制膜部分的凸出量达到高的精度。参考图1A至图1C，它描述了作为本发明的一个优选实施方案的制造陶瓷膜结构的方法。在该实施方案中，膜结构仅有一个在陶瓷基体上形成的窗口。
首选参照图1A，陶瓷膜结构10有一个陶瓷基体或基板(该基体有一个尺寸合适的矩形窗口6)和一个薄陶瓷膜片8，膜片8叠放在陶瓷基体4的两个相对主表面的一个面上，并封闭窗口6的两个相对开口的一个。膜片8包括一个膜部分10，它与陶瓷基体4的窗口6齐平，这从膜片8的平面可以看出。膜部分10沿着与窗口6相反方向向外凸出，以形成一个如图1A所示的凸形，这可通过以下方法来进行，如a)控制陶瓷基体4和膜结构2的膜片8的烧结速率和收缩率，或b)在烧结之前向膜片8施加压力，以形成膜部分10的凸形，或c)利用基体4和膜片8之间的热膨胀系数的不同。如图1A所示的陶瓷膜结构2在后续步骤中还要进一步处理，通过压平模控制膜部分10的凸出量。在陶瓷膜片8上整体形成一对具有预定厚度的框架部分12,12，使得在框架部分12,12之间插入一个凸膜部分10(对应于窗口6)。框架部分12是用与陶瓷膜片8相同的陶瓷材料制成的。
接着，在膜结构2上放上作为压平模的陶瓷板14，使得板14的表面与膜部分10相对地紧贴。然后，在升温情况下，将陶瓷板14压向膜部分10，直至如图1B所示，板14在膜部分10的对侧与框架部分12,12紧贴。由于从陶瓷板14的平贴表面施加的压力，使凸膜部分10的顶部变形或压平，从而形成图1C所示的平膜部分10a。这样形成的平膜部分10a的高度“h”基本上由在膜部分10的对侧形成的框架部分12的厚度所确定。
通过用作为压平模的陶瓷板14与膜结构2的凸膜部分10的顶部接触，来压平并使上述顶部变形从而形成平膜部分10a，可以有效并简单地将凸膜部分10的凸出量h控制为一预定的目标值。由于凸模部分10的凸出高度h是由框架部分12确定的，因此可以很容易确定上述的目标值。这明显降低了因为膜部分10的凸出高度h的波动引起的各个陶瓷膜结构2的特性的变化。当陶瓷膜结构有多个膜部分时，由于膜部分的凸出量的波动引起的膜部分的特性的变化可以得到显著降低。
对于带有平膜部分10a的膜结构2(平膜部分10a是通过压平凸膜部分10的顶部而形成)，可在膜部分10的平膜部分10a的外表面通过印刷形成构成压电/反压电元件的膜。在这种情况下，很容易将这些膜厚控制在期望的数值，而不象在一个曲面上形成膜时那样会遇到这样的问题：即因为膜材料在周边部分的流动而引起周边部分厚度的波动。因此，膜部分10的平膜部分10a保证了在其上形成的膜的厚度的均匀性有所提高。
上述的压平模14也可用一带凹面的弯曲模代替，弯曲模可以是带有一个曲率半径比图2A所示的膜部分10的凸面曲率半径大的凹紧贴面15a的陶瓷板15。如上述那样，用陶瓷板15压着膜部分10，形成了一个曲率半径与凹紧贴面15a相同的弯曲部分10b，达到与上述相同之目的。尤其是，如图2c所示的膜部分10的凸形比图1C所示的更优越，因为膜部分10的弯曲外表面不会影响在其上形成的电极膜和压电/反压电膜的烧结。
模15的凹紧贴面15a的曲率半径(在包括通过陶瓷基体4的窗口6的中心的最短线(m)的平面内测得)大于图2A所示在控制这部分10的凸出量之前凸膜部分10的曲率半径。此外，最好使凹紧贴表面15a的曲率半径不小于50μm，优选不小于200μm。因此，最好也使由模板形成的曲面10b的曲率半径不小于50μm(在上述的包括最短线(m)的平面内测得)，优选地不小于200μm。
可以根据膜结构2的特定应用和用途来适当确定膜部分10的凸出控制量h。为了确保由膜部分10的凸形所带来的效果，通常控制膜部分10的中心部分的凸出量h(或最大凸出量)与通过陶瓷基体4的窗口的中心的最短线的长度m的百分比，也就是由[y=(h/m)×100]表示的凸出百分比不小于1％。凸出百分比(y)的上限可以适当确定，通常约为50％。优选地，凸出百分比(y)可保持在约2-10％范围内。可通过适当确定框架部分12的厚度来实现期望的凸出百分比。
在制造如上所构造的膜结构2时，形成陶瓷基体4和陶瓷膜片8的材料可从各种已知的陶瓷材料中适当选取。通常，陶瓷膜片8由含以下主要组分的材料形成的，其中的主要组分选自莫来石、尖晶石、碳化硅、氮化硅、堇青石、氮化铝、氧化钛、氧化铍、稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝及其混合物。在这些陶瓷材料中，优选使用稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝或其混合物。特别优选的材料是本发明人在JP-A-5-270912中叙述的材料，它含有通过添加氧化钇或其它化合物部分稳定的氧化锆作为主要组分，其晶相主要由四方相构成，或由立方相、四方相和单斜相中至少两相的结合构成。由上述材料制成的膜片8具有高的机械强度，以及高的耐热性和耐蚀性，其厚度小时具有高的可挠曲性，因此可形成期望的膜结构。为了实现膜结构2的整体性，陶瓷基体4优选地由用作上述陶瓷膜片8的一种材料制成。但是，基体4也可由其它陶瓷材料形成，如玻璃陶瓷。
为了保证膜结构2有足够高的机械强度，最好使陶瓷基体4和陶瓷膜片8(膜部分10)的陶瓷材料的晶粒度不超过5μm，优选不超过3μm，更优选不超过1μm。形成对应于陶瓷基体4的窗口6的薄膜部分10的陶瓷膜片8可以由1层或多层构成。考虑到其振动特点，最好控制膜片8的厚度不超过30μm，优选在3至20μm范围内。考虑到膜材料的强度；杨氏模量和其它特性，最好控制膜片8的密度使其相对密度(体积密度/理论密度)不低于90％，优选不低于95％，最优选不低于98％。
膜结构2的陶瓷基体4的厚度和可烧结性不局限于特定范围，而可根据膜结构2的特定用途和应用来适当确定。尽管陶瓷基体4可由一层或多层构成，但基体4优选地由与膜片8相同或相类似的陶瓷材料形成，以增加在基体和片4,8的界面的可靠性。
膜结构2的窗口6的形状，换句话说，就是膜部分10的形状不局限于本实施方案中的矩形形状，而可根据膜结构2的使用或用途来适当选择。例如，膜部分10可以为圆形，多边形或椭圆形，或这几种不同形状的组合。
可由本领域熟练技术人员所公知的任一种方法来制造如上述所构成的陶瓷膜结构2。当在膜结构2上形成多个膜部分时，例如，可将形成陶瓷膜片8的薄陶瓷素坯片16叠放在形成陶瓷基体4的陶瓷素坯基体18上，以封闭在素坯基体18中形成的窗口20，如图3所示。陶瓷素坯片16和陶瓷素坯基体18可由单片或多片厚度更小的薄片构成。然后，通过使陶瓷素坯片16和基体18相互结合起来，形成一个整体的素坯层压结构，再烧结就形成了整体的膜结构。尽管可通过本领域熟练技术人员熟知的任何一种方法使膜部分沿与对应窗口相反方向向外凸出，但优选使用根据本发明的方法来制造带有这种膜部分的膜结构，该方法包括以下步骤(a)至(d)：
首先，在第一步(a)中制得带有至少一个窗口20的陶瓷素坯基体18，在第二步(b)中制得相对厚度较小的陶瓷素坯片16，如图3所示。前面已经叙述的陶瓷材料可以适合用来形成陶瓷素坯片16和陶瓷素坯基体18。尤其是，陶瓷素坯片16优选地由含以下主要组分的材料形成，该主要组分选自部分稳定氧化锆、全部稳定氧化锆、氧化铝及其混合物，或者一种在烧结后能形成上述材料之一的材料。用于素坯片16的陶瓷材料是平均粒度为0.05-1.0μm的粉末。在如后面所述的那样形成浆料或料团之前，最好使陶瓷粉末在300℃-1200℃下进行热处理，以适当控制烧结之后素坯片16的收缩百分数。然后，以已知方式将用于素坯片16和素坯基体18的陶瓷材料与合适的粘合剂、增塑剂、分散剂、助烧剂、有机溶剂等混合形成浆料或料团。然后，使用流延机、压延辊、或反向辊涂机(reverse roll coater)用已知方法，或通过印刷将料浆或料团形成为预定厚度的陶瓷素坯片16和陶瓷素坯基体18。如果需要，多层薄的素坯片可以层压或叠放在一起，或者可对原始制得的素坯片进行切割，切削，打孔或其它处理，以制得具有期望的厚度和形状的素坯片和基体16,18。
在第三步(c)中，将这样制成的陶瓷素坯片16和陶瓷素坯基体18叠合在一起，形成素坯层压结构。更具体地说，将相对较薄的陶瓷素坯片16叠放在陶瓷素坯基体18上，以封闭窗口20，并通过热压粘合其上，由此形成整体的素坯层压结构。
在下一步(d)中，将这样得到的整体素坯层压结构烧结形成整体的烧结体，它有与陶瓷素坯基体18的窗口20齐平形成的膜部分(10)。在素坯层压结构烧结时，膜部分10向外凸出，也就是沿与窗口20(6)相反方向凸出，形成如图1A所示的凸形。通常将烧结温度控制在1200℃至1700℃范围内，优选地在1300℃至1600℃范围内。
为了在整体素坯层压结构烧结期间，使陶瓷素坯片16的膜部分10向外凸出，通过适当选择用于素坯片和基体16、18的陶瓷材料、所选择陶瓷材料粉末的粒度、粘合剂的数量和种类、分散剂、助烧剂以及其它添加剂的种类和数量，来控制素坯片16和素坯基体18的烧结速度和收缩率，以使在素坯层压结构在烧结时，由陶瓷素坯片16形成的膜部分10向外弯曲。
带有凸膜部分的陶瓷膜结构也可由另一种方法来制造，它包括上述步骤(a)至(c)，以及下述步骤(e)和(f)。也就是说，在步骤(c)获得的整体素坯层压结构在下一步(e)中进一步处理，使得与陶瓷素坯基体18的窗口20齐平的陶瓷素坯片16的那部分沿着与窗口相反方向向外凸出。在下面的(f)步骤中，带有素坯片的素坯层压结构(它有一个凸起部分)被烧结为整体的烧结体，使得素坯片16的凸起部分形成向外凸出并与烧结体的陶瓷基体的窗口齐平的凸膜部分(10)。
在上述方法的步骤(e)中，可以通过向素坯片16的相关部分施加机械力来形成与窗口20齐平的陶瓷基体素坯片16的每个凸起部分，可以通过用合适的模子插入对应窗口20，或从窗口20的内部施加流体压力，或在素坯片16的相关部分的外表面施加负压等方式来施加机械力。
在图1A-1C和图2A-2C所示的实施方案中，通过用作为压平模或弯曲模的陶瓷片14、15与膜部分10的紧密接触来将陶瓷膜结构2的凸膜部分10的高度“h”或凸出量控制在期望的值。以合适的方式将厚度与期望高度h相等的框架部分12、12放在陶瓷膜片8的适当部分，以控制膜部分10的高度h。典型地，通过印刷来形成框架部分12，或将形成框架部分12的素坯片叠放在形成陶瓷膜片8的陶瓷素坯片16的合适部分。更具体地讲，可在陶瓷素坯片16的合适部分形成制得框架部分12的陶瓷素坯层，再将陶瓷素坯片16叠放在陶瓷素坯基体18上，由从形成一个整体素坯层压结构。任选地，可首先将陶瓷素坯片16和陶瓷素坯基体18形成一个整体层压结构，再在整体层压结构的陶瓷素坯片16的适当部分通过印刷或叠放来形成制得框架部分12的陶瓷素坯层。通过烧结由上述两种方法的任一种方法得到的整体层压结构，可使陶瓷素坯层烧结形成与陶瓷膜片8整体结合的框架部分12。
可以根据要求来选择框架部分12的位置，形状及其它细节，只要框架部分12放置在陶瓷膜片8上，使得至少一个膜部分10插入框架部分12之间，框架部分12至少位于一个(或多个)膜部分10的对侧。例如，可以这样布置框架部分使其包围膜部分10(或窗口6)，或可将两个独立的框架部分12、12放置在膜部分10的相对两侧。此外，框架部分12可在陶瓷膜片8上的相关部分连续或不连续地延伸。
尽管框架部分12可以牢固地结合到陶瓷膜片8上，也可以从膜片8上卸下，考虑到生产效率的缘故，最好使框架部分12固定在，尤其是与膜片8整体结合一起。因此，形成框架部分12的陶瓷素坯层最好用与膜片8或陶瓷基体4相同材料制成，并与形成膜片8的素坯片16一起烧结形成整体的烧结体。
压平模或弯曲模最好由陶瓷材料制成，因为在将其用来控制膜部分10的凸出量时，模子要经历热处理。在本实施方案中，陶瓷板14用作压平模，并提供一个与膜部分10紧密接触的压平表面，陶瓷板15用作弯曲模，它提供一个与膜部分10紧密接触的凹面或弯曲面。在高温下用陶瓷板14、15压向膜部分10，膜部分10变形直至陶瓷板14、15与框架部分12,12接触，并使陶瓷板14、15的移动受阻。以这种方式，使凸膜部分10的顶部形成为平膜部分10a或具有相对较大曲率半径的弯曲部分10b。
为了促进膜部分10的变形，需将在陶瓷板14,15压力作用下的膜结构2加热至等于或高于使膜部分10发生蠕变变形的温度。通常，加热温度最好与膜结构2的烧结温度近似。过高的烧结温度会导致膜结构2性能的恶化。
下面参考图4A和4B；示出了两个有多个向外凸出的膜部分10的陶瓷膜结构2的实例，膜部分10的凸出量被陶瓷板14控制。在图4A实例中，相同高度的框架部分12与膜结构2整体形成在一起，使框架部分12至少位于膜部分10的相对两侧。然后，在高温下使陶瓷板14压向膜部分10，直到陶瓷板14与框架部分12接触，使凸膜部分10的顶部变形形成平膜部分10a。作为控制膜部分10的凸出量的压平处理的结果，使膜部分10的高度h基本上与框架部分12的高度相等，并由此控制在一恒定值。由于该压平处理只需放置在膜结构2的相对的两端的两个框架部分12，位于结构2的中间部分的另外两个框架部分12可以省去。
在图4B的实例中，从膜部分10(窗口6)被相互分开的这个方向看，在膜结构2的相对两端设置具有不同高度的框架部分12a、12b，然后，用陶瓷板14压向膜部分10直到板14与框架部分12a、12b接触，使得靠近低框架部分12a的膜部分10变形相对较大的量，而靠近高框架部分12b的膜部分10变形相对较小的量。以这种方式，使膜结构2带有不同面积的平膜部分10a，换句话说，膜部分10具有不同的凸出量h或高度。因此，如图4B所示，使用有不同高度的框架部分12来支撑作为压平模的陶瓷板14，可以形成具有不同凸出量的膜部分10。
尽管在上述的实例中，框架部分12被固定在陶瓷膜结构2的膜片8上，可以在膜片8上放置与框架部分12具有相同高度的合适垫片，以便通过作为压平模的陶瓷板14与垫片的接触来控制凸膜部分10的凸出量。也可以使用通过使陶瓷片14与框架部分12整体结合在一起而形成的压平模。图5示出了一个这种压平模的一个实例，即模子22带有多个与上述框架部分12高度相同的基脚24，基脚24在模子22的两个相对主表面的一个面上与模子22形成为一个整体。模子22是由具有高的耐热性、如耐热陶瓷材料制成。模子22的基脚24与陶瓷膜片8接触，使得基脚24位于膜结构2的每个或两个或多个膜部分10的相对两侧上。以这种方式，膜部分10的顶部在模子22作用下变形，形成凸出或高度合适控制的多个平膜部分10a。
在这种情况下，用来控制凸膜部分10的高度的压平处理仅需位于膜结构2的相对两端的两个基脚24,24(从膜部分10被相互分隔的角度来看)。因此，在模子22的中间部分的另外两个基脚可以省去。如果在模子相对两端部分形成的两个基脚具有不同的高度，则如图4B所示，膜结构2带有具有不同高度或凸出量的膜部分10。
也可以使用图6所示的模子23，它具有多个凹接触面23a，以及多个作为其整体部分的基脚24。用模子23压向膜结构2时，凸膜部分10的顶部将如图6所示变形，从而形成凸出量或高度h得到合适控制的各个弯曲部分10b。
尽管在上述例子中，是在烧结膜结构10之后，通过陶瓷板14、15或模子22、23来控制凸膜部分10的凸出量，也可在膜结构2被烧结过程中来控制膜部分10的凸出量。
更详细地说，带有基脚的模子22,23可以叠放在由陶瓷素坯片16和陶瓷素坯基体18构成的整体素坯层压结构上，或者可将陶瓷板14,15叠放在整体素坯层压结构上，这种整体素坯层压的陶瓷素坯片16上形成有制成框架部分12的陶瓷素坯层。在烧结整体素坯层压结构时，陶瓷素坯片16与窗口20齐平的部分的凸出量因为这些部分与模子22,23或陶瓷板14,15紧密接触而受到限制，由此使得到的膜部分10的凸出量有效地控制在期望的数值上。
任选地，由素坯片16和素坯基体18构成的整体层压结构，或附加包括有形成框架部分12的整体层压结构可以形成一个向外凸出的凸膜部分，这部分与待形成的膜部分10对应。然后，将模子22,23或陶瓷板14,15叠放在整体素坯层压结构上，使层压结构的凸膜部分被模子22,23或陶瓷板14,15压着而变形。在这种条件下，烧结素坯层结构以形成凸出量控制在目标值的膜部分10。
因此，在烧结素坯层结构时，可以有效控制凸膜部分10的凸出量，换句话说，在烧结时，由于用压平模如陶瓷板14或带基脚的模子22，或弯曲模如板15或带基脚的模子23与层压结构的凸膜部分的顶部接触而形成膜部分10的形状。即，在烧结素坯层压结构时，平膜部分10a或弯曲部分10b形成为膜部分10的顶部。
因为这样获得的陶瓷膜结构2的膜部分10的凸出量h被精确控制在预定的目标值，因此可以有效降低各个膜结构或各个膜部分的特性的波动，从而保证膜结构的高质量和高的可靠性。此外，根据本发明制得的陶瓷膜结构2表现出高的机械强度，以及对形成在膜部分10的外表面的膜厚的灵活控制，这是因为存在平膜部分10a或具有相对较大曲率半径的弯曲部分10b而造成的。因此，陶瓷膜结构2可以有利地用于各种领域，如传感器和致动器。此外，由于本文中所用陶瓷材料的优越性能，本发明的膜结构2还可与各种探测装置如应变仪等一起用于需要高耐蚀性的装置、导管等中的一部分，以形成监测上述装置或导管的内压及其它参数的耐蚀压力传感器。膜结构2还可与适当的驱动源(如气压或推棒)一起使用，形成一个以相对低的频率提供相对较大位移的致动器。
根据本发明制得的陶瓷膜结构可以有利地用于压电/反压电膜元件，其中压电/反压电单元形成在膜结构的膜部分的两个相对主表面的一个主表面上。更具体地说，本发明的膜结构适合用作单变体(uni-morph)或其它类型的压电/反压电膜元件，这些膜元件适合作为产生或探测处于弯曲、或挠曲形式的位移和力，它们可在电力装置或通讯装置上用作致动器，滤波器，显示装置，过载传感器，冲击传感器，变压器，麦克风，传声体(如扬声器)，各种谐振器或振动器。图7示意地说明了一个压电/反压电膜元件的实例，其中包括用上述一种方法制得的薄的陶瓷膜结构，而图8是一个该膜元件的分解透视图。这些图中所示的压电/反压电膜元件30有一个膜结构32，和一个装在膜结构32上的压电/反压电单元(本文以下称P/E单元)34。更详细地讲，P/E单元34结合在膜结构32的膜部分的外表面上并形成一个整体。在操作时，通过向P/E单元施加电压来调整P/E单元34使结构32的对应膜部分挠曲或变形。
更详细地讲，根据本发明制得的膜结构32具有一个层压结构，它由一个相对薄的封闭片(膜片)36，一个连接板(基板)38和一垫片(基片)40构成，其中基片40插入封闭片和基板36,38之间。这些片36,38,40是由合适的陶瓷材料如氧化锆制成。连接板38有多个连通孔(本例中有三个孔42)，它们在板38的长度方向以预定的间隙隔开，如图8所示。这些连通孔42与一个外部空间相连。垫片40有多个方的窗口或孔46(本例中有三个)。这些窗口46在垫片40的长度方向以预定的间隙相互隔开。将垫片40叠放在连接板38上，使得连接板38上的连通孔42分别对着各个窗口46。尽管在本例中每个窗口仅有一个连通孔，根据压电/反压电膜元件30的特定用途，每个窗口可设有两个或更多的连通孔。连通孔42的形状，位置和尺寸可以根据膜元件30的应用按要求确定。封闭片36叠放在垫片40的两个相对立表面的一面上，并与连接片38隔开，从而封闭垫片40的窗口46。在这种安排下，在膜结构32中形成多个压力室，使压力室48通过各个连通孔42与结构32的外部连通。
如上所述，膜结构32形成为一种整体烧结体，它基本上由合适的陶瓷材料，如氧化锆制成，具有与垫片40的窗口46齐平的膜部分36，该部分沿与窗口46相反方向向外凸出，形成一个凸形。此外，通过压平模或弯曲模，使膜部分的顶部被成形为一个平面或轻微弯曲的表面，从而将凸膜部分的凸出量调节或控制到一个目标值。为了制得膜结构32，使用常规的机器如流延机，反向辊涂机或网板印刷机，以及由合适的陶瓷材料，粘合剂以及溶剂制成的料浆或料团制成素坯片。然后根据需要对素坯片进行切割、切削、打孔或其它处理，以形成窗口46和连通孔42，因而形成了产生片36,38,40的前体。然后，将这些前体相互层压，并通过热压结合一起，成为一个整体的素坯层压结构。再将素坯层压结构烧结为整体的膜结构32，使得作为封闭片36的一部分的膜部分通过上述一种方法向外凸出，并通过压平模将凸膜部分的凸出量调节或控制在预定的目标值。
压电/反压电单元34形成在膜结构32的封闭片36的外表面，使得从封闭片36的平面来看，单元34与对应的压力室48齐平。每一个P/E单元34包括一个下电极50，一个压电/反压电层(本文以下称P/E层)52，和一个上电极54，它们通过合适的成膜方法，按顺序层压在封闭片36对应膜部分的外表面。P/E单元34可以有如在转让给本申请人的共同未决的美国专利申请No.08/239856和在美国专利No.5210455中建议的任何一种结构。
可以通过任何一种已知方法包括厚膜成型法，如网板印刷、喷涂，浸涂和涂覆，以及薄膜成型法，如离子束法，溅射法，真空蒸发沉积，离子镀，CVD以及电镀，在膜结构32的封闭片36的对应膜部分的外表面形成每个P/E单元34的上和下电极膜54,50以及P/E层52。用于形成电极膜50,54以及P/E层52的材料可从各种已知材料以及上述的美国专利申请及美国专利公开的那些材料中选择。由电极膜50,54和P/R层52构成的P/E单元34的厚度通常不超过100μm。每一电极膜50,54的厚度一般不超过20μm，优选不超过5μm。P/E层52的厚度优选不超过50μm；更优选在3至40μm之间，以使得形成P/E单元34的膜部分在施加低电压情况下可产生足够大的弯曲位移。
在压电/反压电膜元件30的操作中(其中压电/反压电单元在膜结构32的相应膜部分36上与之形成为一整体)，在对应的P/E单元34的启动下，膜部分36发生明显弯曲位移，由此使压力室48内的压力增加，进而使压力室48内的流体从室48中排出。
在上述使用根据本发明制得的膜结构32的实例中，承受P/E单元34的膜部分36向外凸出，形成一个凸形，因此膜部分36的刚性、机械强度和本征频率得到明显提高。因而，膜部分36的操作响应得以增强，而在P/E单元34产生的应变和应力可与高频一起转化为对应膜部分36的位移。此外，凸膜部分36的凸出量被均匀而有效控制在一个预定的目标值上，结果各个膜结构或膜部分的特性的波动得以降低。例如，膜部分的位移量不会由于P/E单元34的启动的状态而变化，从而保证了压电/反压电膜元件30位移量和质量的高度均匀性。如上述所构成的膜元件也可用作传感器，以产生指示弯曲位移或在膜部分探测到的力的电压信号。
尽管根据本发明制得的膜结构可有利地用作上述实例中的压电/反压电膜元件的部件，应该明白上述膜结构也可用作其它类型的压电/反压电膜元件，或用作扬声器，传感器，振动器，谐振器，滤波器，显示装置和变压器。此外，本发明的膜结构可以有利地用作单变体，双变体或其它类型的压电/反压电致动器，它们可用作服伺位移元件，脉冲驱动马达以及超声波马达，这在由Morikita shuppan,Japan出版的“Funda mentals To Applications of Piezoelectric/Elec-trostrictive Actuators”,Kenji Uchino,Japan Industrial Technology Center中有叙述。实施例
为了进一步澄清本发明的原理，下面将描述一些根据本发明制得的陶瓷膜结构的实施例。但应该明白本发明并不局限于下面实施例的细节，而可以包括一些对本领域熟练技术人员而言可以想到的改变，改进及变化，而不背离本发明的范围。实施例1,2
为了制得实施例1和2的膜结构2的一些试样，首先以如下方式制得了陶瓷素坯片(16)和陶瓷素坯基体(18)。每个膜结构在其长度方向设置了10个矩形窗口。窗口宽0.5mm，长0.7mm，并且这样布置使相邻窗口的0.7mm长的边相互间隔0.3mm。陶瓷素坯基体(18)的制备
组成
用3％(摩尔)氧化钇部分稳定的
氧化锆粉末(平均粒度0.8μm)                  100重量份
聚乙烯醇缩丁醛树脂(粘合剂)                    9重量份
邻苯二甲酸二丁酯(增塑剂)                      4重量份
含脱水山梨醇脂肪酸酯的分散剂                  2重量份
甲苯和异丙醇的混合物(溶剂)
(50∶50体积比)                               70重量份
将上述配料以常规方法在球磨机中混合，形成初始粘度为1000厘泊(CPS)的料浆。对获得的料浆脱气，并将其粘度控制在10000厘泊。然后，用流延法将料浆成型为烧结后厚度约200μm的片状素坯基体。素坯基体在80℃下干燥3小时。陶瓷素坯片(16)的制造
组成
用3％(摩尔)氧化钇部分稳定
的氧化锆粉末(平均粒度0.8μm)                  99重量份
氧化铝粉末(平均粒度0.2μm)                     1重量份
聚乙烯醇缩丁醛树脂(粘合剂)                    11重量份
邻苯二甲酸二丁酯(增塑剂)                       5重量份
含脱水山梨醇脂脂酸酯的分散剂                   2重量份
甲苯和异丙醇的混合物(溶剂)
(50∶50体积比)                                75重量份
将上述配料以常规方法在球磨机中混合，形成初始粘度为1000厘泊的料浆。对得到的料浆进行脱气处理，将其粘度控制在3000厘泊。然后，通过反向辊涂机将料浆成型为素坯片，使素坯片在烧结之后形成厚度20μm的膜部分(10)。素坯片在60℃下干燥10分钟。
用一个金属模根据窗口20的合适图案对以上述方法得到的陶瓷素坯基体(18)打孔。然后，将该基体(18)和陶瓷素坯片(16)叠放在一起，在100kgf/cm2，和80℃下热压1分钟，以形成一个整体的素坯层压结构。
使用以上述方式获得的整体素坏层压结构，制备了10个根据本发明实施例1的膜结构的试样(该结构还带有烧结之后厚度为20μm的形成框架部分(12)的陶瓷素坯层(28))。更详细地说，如图9所示，通过网板印刷，在整体层压结构的素坯片(16)的外表面形成陶瓷素坯层(28)，它是由与制备陶瓷素坯片16的料浆组成相同的料浆制得的。由图9可以看出，使用与陶瓷素坯基体(18)的料浆组成相同的料糊(paste)将陶瓷素坯层(28)印在素坯片16上，并包围与陶瓷素坯基体(18)的窗口(20)齐平的膜部分。
另一方面，使用不带素坯层(28)的，由陶瓷素坯片(16)和素坯基体(18)构成的整体素坯层压结构，制得了10个根据本发明实施例2的膜结构。
带有形成框架部分(12)的陶瓷素坯层(28)的实施例1的素坯层压结构在1500℃烧结2小时后，将一个由高纯氧化铝制成的光滑，致密坯体形成的陶瓷板(14)放在层压结构烧结体的一侧，膜部分在该侧向外凸出。然后，在陶瓷板(14)压力作用下，层压结构被重新加热，于1500℃下再烧结2小时。以这种方法，控制凸膜部分的凸出量。
在不带陶瓷素坯层(28)的实施例2的素坯层压结构于1500℃下烧结2小时后，如图5所示，将一带有20μm高的基脚(24)的模子(22)放在层压结构烧结体的一侧，膜部分在该侧向外凸出。模子(22)是一个由高纯氧化铝制得的光滑，致密体。然后，在模子(22)的压力作下，加热层压结构，由此在1500℃下再烧结2小时。以这种方式，控制凸膜部分的凸出量。
对这样得到的根据本发明实施例1和2的膜结构试样，测量膜部分的凸出量，得到每个实施例的10个样品的平均凸出量，同时，测出每个实施例中各试样的凸出量的变化或波动程度。测量结果列于下表1。为了比较，制备了带有形成框架部分(12)的陶瓷素坯层(28)的素坯层压结构的烧结体作为对比实施例1，制备了不带陶瓷素坯层(28)的素坯层压结构的烧结体作为对比实施例2。以同样方式测量了每个对比实施例的10个试样的膜结构的凸出量，并计算出凸出量的平均值及变化程度。结果也列于下表1。
                                      表1
     膜部分的凸出量(h)
    平 均   偏差(δn-1)
实施例1实施例2对比例1对比例2    21.1μm22.0μm29.7μm28.3μm     0.4μm1.0μm3.2μm2.8μm
从表1结果可以明白，由于用作为压平模的陶瓷板(14)或带基脚的模子(22)控制了凸出量，对根据本发明的实施例1和2的膜结构，凸膜部分凸出量较接近，并且变化范围较小。
然后，在根据本发明实施例1和2，以及对比实施例1和2的膜结构的对应膜部分的外表面上形成本领域中常用的压电/反压电单元，以制成压电/反压电膜元件。结果发现，实施例1和2的不同膜部分以及不同试样之间的位移特性变化程度比对比实施例1和2的变化程度小一半。实施例3
在上述实施例1中制得的带有形成框架部分(12)的陶瓷素坯层(28)的素坯层压结构用于本实施例，层压结构在1500℃下烧结2小时，而将由高纯氧化铝制得的光滑，致密的陶瓷片(14)置于陶瓷素坯片(16)的一侧。在层压结构进行烧结的过程中，素坯片(16)的膜部分向外凸出，由于凸出的膜部分与陶瓷板(14)的平面接触，因而可以调整并限制这个凸出量。得到膜结构的膜部分的平均凸出量为20.5μm，凸出量的偏差为0.5μm。实施例4
在本实施例中，使用在上述实施例2制得的素坯层压结构，它不带有陶瓷素坯层(28)。层压结构在1500℃烧结2小时，而将实施例2所用的带基脚的模子(22)(它是光滑、致密的氧化铝烧结体)放在陶瓷素坯片(16)的一侧。烧结期间，凸出的膜部分与带基脚的模子(22)接触，从而控制膜部分的凸出量。得到膜结构的膜部分的平均凸出量为21.5μm，而凸出量的偏差为1.1μm。实施例5
为了获得如实施例1和2所示在长度方向有10个矩形窗口的膜结构的试样，首先以如下方式制得了陶瓷素坏片(16)和陶瓷素坯基体(18)。陶瓷素坯基体(18)的制备
组成
用5％(摩尔)氧化钇部分稳定的
氧化锆粉末(平均粒度0.4μm)                   100重量份
聚乙烯醇缩丁醛树脂(粘合剂)                    12重量份
邻苯二甲酸二辛酯(增塑剂)                       6重量份
含脱水山梨醇脂肪酸酯的分散剂                   2重量份
二甲苯和正丁醇的混合物(溶剂)
(50∶50体积比)                                85重量份
将上述配料以常规方法在球磨机中混合，形成初始粘度为1000厘泊(CPS)的料浆。对获得的料浆脱气处理，并将其粘度控制在10000厘泊。然后，用流延法将料浆成型为烧结后厚度约200μm的片状素坯基体。素坯基体在80℃下干燥3小时。陶瓷素坯片(16)的制造
组成
用5％(摩尔)氧化钇部分稳定
的氧化锆粉末(平均粒度0.3μm)                 100重量份
聚乙烯醇缩丁醛树脂(粘合剂)                    11重量份
邻苯二甲酸二辛酯(增塑剂)                       5重量份
含脱水山梨醇脂脂酸酯的分散剂                   2重量份
二甲苯和正丁醇的混合物(溶剂)
(50∶50体积比)                                82重量份
将上述配料以常规方法在球磨机中混合，形成初始粘度为1000厘泊的料浆。对得到的料浆进行脱气处理，将其粘度控制在3000厘泊。然后，通过反向辊涂机将料浆成型为素坯片，使素坯片在烧结之后形成厚度20μm的膜部分(10)。素坯片在60℃下干燥10分钟。
用一个金属模根据窗口20的合适图案对以上述方法得到的陶瓷素坯基体(18)打孔。然后，将该基体(18)和陶瓷素坯片(16)叠放在一起，在100kgf/cm2，和80℃下热压1分钟，以形成一个整体的素坯层压结构。通过印刷，根据与图9所示相似的图案，在该层压结构A的陶瓷素坯片(16)的表面形成一个陶瓷素坯层(28)，它在烧结之后形成厚度为20μm的框架部分(12)。由此制得带有素坯层(12)的整体素坯层压结构B。
然后，通过陶瓷素坯基体(18)的窗口(20)，向带有框架的整体素坯层压结构B施加气压，使得陶瓷素坯片(16)与窗口(20)齐平的素坯膜部分向外凸出大约35μm。
然后，使带有向外凸出的素坯膜部分的素坯层压结构B在1500℃下烧结两小时，再将由高纯氧化铝制成的光滑，多孔的陶瓷板(14)叠放在层压结构B的膜部分上。在这种条件下，层压结构B在陶瓷板(14)的压力下重新加热，并在1500℃再烧结2小时，以将凸膜部分的凸出量控制在预定目标数值。得到膜结构的膜部分的平均凸出量为21.0μm，凸出量的偏差为0.7μm。另一方面，没有在陶瓷板(14)作用下重新烧结的层压结构B的烧结体的膜部分平均凸出量为27.5μm，偏差为3.8μm。
当带有凸出的素坯膜部分的整体素坯层压结构B在1500℃烧结2小时，同时用由高纯氧化铝制成的光滑、多孔陶瓷板(14)压在层压结构B的陶瓷素坯片的一侧，膜部分的凸出量被控制使得其平均值为20.4μm，其偏差为0.9μm。实施例6
首先，制备实施例5中的整体层压结构A。然后，通过陶瓷素坯基体(18)的窗口(20)，向素坯层压结构(A)施加气压，使陶瓷素坯片(16)与窗口(20)齐平的素坯膜部分向外凸出大约35μm。
然后，带有凸出膜部分的素坯层压结构A在1500℃下烧结2小时，并如图5所示，用一个由高纯氧化铝制成的多孔体形成的带有20μm高的基脚(24)的模子(22)叠放在烧结的层压结构A的陶瓷膜片上。在这种状态下，烧结体在模子(22)的重力下重新加热，并在1500℃下重新烧结2小时，以控制凸膜部分的凸出量。结果，凸出量的平均值为22.1μm，不同膜部分的凸出量的公差为1.2μm。另一方面，没有在模子(22)的作用下重新烧结的素坯层压结构A的烧结体，其膜部分的平均凸出量为26.7μm，偏差为3.6μm。
带有凸出的素坯膜部分的整体素坯层压结构A在1500℃烧结2小时，并且由高纯氧化铝多孔体构成的，带有基脚的模子(22)放在层压结构A的陶瓷素坯片的凸出膜部分上，这样膜部分的凸出量得以控制，其平均值为21.4μm，偏差1.3μm。实施例7
首先制备实施例1中由陶瓷素坯片(16)和陶瓷素坯基体(18)构成的整体素坯层压结构。然后，通过网板印刷，在层压结构的陶瓷素坯片(16)的外表面形成陶瓷素坯层(28)，该层由与制备陶瓷素坯片(16)组成相同的料浆制得，从而形成一个烧结后厚度为10μm的框架部分(12)。在带有陶瓷素坯层(28)的层压结构于1500℃烧结2小时后，以实施例1相同方式，将带有凹接触面(15a)的作为弯曲模的陶瓷板(15)放在烧结的膜结构(2)中膜部分(10)向外凸出的那一侧。陶瓷板(15)由高纯氧化铝致密体制成，其接触面(15a)的曲率半径(2268μm)比膜部分(10)的曲率半径(1067μm)大。在这种状态下，陶瓷膜结构(2)在陶瓷板(15)的重力作用下再加热，并于1500℃重新烧结2小时，以控制凸膜部分(10)的凸出量。
结果，膜部分(10)形成有凸出或弯曲表面(10b)，其曲率半径基本上与陶瓷板(15)的凹接触面(15a)的曲率半径相等。膜部分(10)的平均凸出量为19.2μm，而凸出量的偏差为0.6μm。

Claims (12)

1．一种制造陶瓷膜结构(2)的方法，该陶瓷膜结构包括带有至少一个窗口(6)的陶瓷基体(4)，和一个叠放在上述陶瓷基体上以封闭上述的至少一个窗口的陶瓷膜片(8)，所述的膜片与上述陶瓷基体一起绕结形成一个整体烧结体，上述膜片包括至少一个分别与上述至少一个窗口齐平的膜部分(10)，上述至少一个膜部分的每一部分都沿与上述至少一个窗口中对应窗口相反方向向外凸出，从而形成一个凸形，该方法的特征在于：
在上述每一个膜部分的凸形形成期间或形成之后，用一个带有平面或凹面的模子(14,15,22,23)压着上述至少一个膜部分(10)的每一个的顶部，使至少上述的顶部有一个平面(10a)或预定曲率半径的曲面(10b)，由此控制上述每一个膜部分的凸出量。
2．根据权利要求1的方法，包括以下步骤：
制备一个带有至少一个窗口(20)的陶瓷素坯基体(18)，它形成陶瓷基体(4)；
制备一个形成上述陶瓷膜片(8)的薄的陶瓷素坯片(16)：
将上述陶瓷素坯片叠放在上述陶瓷素坯基体上，以封闭上述的至少一个窗口，由此形成一个整体素坯层压结构；
烧结上述素坯层压结构为整体烧结体，使上述陶瓷素坯片形成分别与上述至少一个窗口(6)齐平的至少一个膜部分(10)；以及
在烧结上述素坯层结构期间，使所说的至少一个膜部分沿与对应窗口相反方向向外凸出。
3．根据权利要求1的方法，包括以下步骤：
制备一个带有至少一个窗口(20)的陶瓷素坯基体，它形成为上述陶瓷基体(4)；
制备一个形成上述陶瓷膜片(8)的薄的陶瓷素坯片(16)；
将上述陶瓷素坯片放在上述陶瓷素坯基体上，以封闭上述的至少一个窗口，由此形成一个整体素坯层压结构；
在上述素坯层压结构烧结之前，使上述陶瓷素坯片分别与上述陶瓷素坯基体的至少一个窗口齐平的至少一个部分凸出，从而使陶瓷素坯片的上述至少一个部分的每一部分具有一个凸形；以及
烧结上述整体素坯层压结构，其中该结构包括具有凸形的上述陶瓷素坯片的至少一个部分，以形成上述的整体烧结体，其中上述至少一个膜部分的每一部分都沿着与对应的窗口相反方向向外凸出。
4．根据权利要求3的方法，基中在上述整体素坯层压结构烧结期间，用上述带有平面或凹面的模子压着上述陶瓷素坯片具有凸形的至少一个部分的每一部分的顶部，以控制由上述陶瓷素坯片的至少一个部分形成的至少一个膜部分的凸出量。
5．根据权利要求1-4的任一项的方法，包括以下步骤：
在上述陶瓷膜片上形成具有预定厚度的至少一个框架(2)使上述至少一个膜部分(10)的每一部分位于上述至少一个框架之间；和
将上述带有平面或凹面的模子(14.15)叠放在上述的至少一个框架上，从而因为上述模子的平面或凹面与上述至少一个膜部分的紧密接触，通过上述的预定厚度，将上述至少一个膜部分的凸出量控制在预定值上。
6．根据权利要求5的方法，基中形成至少一个框架的步骤包括：在陶瓷素坯片(16)上形成至少一个陶瓷素坯层(28)，其中的陶瓷素坯片在烧结后形成陶瓷膜片，陶瓷素坯层则形成为上述的至少一个框架。
7．根据权利要求1至4的任一项的方法，还包括以下步骤：
在带有平面或凹面的上述模子(22,23)上形成多个基脚(24)，以及
将上述带有基脚的模子叠放在上述陶瓷膜片，通过上述基脚使上述模子的平面或凹面与至少一个膜部分紧密接触，从而控制上述至少一个膜部分的凸出量。
8．一种陶瓷膜结构，它包括带有至少一个窗口(6)的陶瓷基体(4)，和一个叠放在上述陶瓷基体上以封闭上述的至少一个窗口的陶瓷膜片(8)，所述的膜片与上述陶瓷基体一起烧结形成一个整体烧结体，上述膜片包括至少一个分别与上述至少一个窗口齐平的膜部分(10)，上述至少一个膜部分的每一部分都沿与上述至少一个窗口对应的那个窗口相反方向向外凸出，形成一个凸形，其特征在于：
上述每一个膜部分都有一个包括上述凸形的顶部，它有一个平面(10a)或具有预定曲率半径(大于上述凸形的曲率半径)的曲面(10b)。
9．权利要求8的陶瓷膜结构，其中所述的陶瓷膜片是由含下面主要组分的材料形成，该主要组分选自由稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝及它们的混合物组成的一组。
10．根据权利要求8或9的陶瓷膜结构，其中所述的陶瓷基体和陶瓷膜片的平均晶粒度不超过5μm。
11．根据权利要求8或9的陶瓷膜结构，其中所述的至少一个膜部分的厚度不超过30μm。
12．根据权利要求8或9的陶瓷膜结构，其中所述的至少一个膜部分是相对密度(体积密度/理论密度)至少为90％的密实体。
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Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3471447B2 (ja) * 1994-11-16 2003-12-02 日本碍子株式会社 セラミックダイヤフラム構造体およびその製造方法
US6140746A (en) * 1995-04-03 2000-10-31 Seiko Epson Corporation Piezoelectric thin film, method for producing the same, and ink jet recording head using the thin film
JP3320596B2 (ja) * 1995-09-27 2002-09-03 日本碍子株式会社 圧電／電歪膜型素子及びその製造方法
US6217158B1 (en) † 1996-04-11 2001-04-17 Seiko Epson Corporation Layered type ink jet recording head with improved piezoelectric actuator unit
DE69707359T2 (de) * 1996-06-14 2002-06-27 Ngk Insulators Ltd Verfahren zur Herstellung einer keramischen Membranstruktur
US5895702A (en) * 1996-07-16 1999-04-20 Ngk Insulators, Ltd. Ceramic member
EP1070239B1 (de) * 1997-12-23 2002-04-24 Unaxis Balzers Aktiengesellschaft Kapazitive vakuummesszelle
WO1999034185A1 (de) 1997-12-23 1999-07-08 Unaxis Trading Ag Membrane für eine kapazitive vakuummesszelle
JP3508682B2 (ja) 1999-03-02 2004-03-22 セイコーエプソン株式会社 圧電アクチュエータ、インクジェット式記録ヘッド、これらの製造方法及びインクジェットプリンタ
DE10203024B4 (de) * 2002-01-26 2009-11-26 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Keramiksubstrats
US7141915B2 (en) * 2003-07-22 2006-11-28 Ngk Insulators, Ltd. Actuator device
JP4746988B2 (ja) * 2003-07-22 2011-08-10 日本碍子株式会社 アクチュエータ素子及びアクチュエータ素子を有する装置
US20050133808A1 (en) * 2003-09-11 2005-06-23 Kyocera Corporation Package for housing light-emitting element, light-emitting apparatus and illumination apparatus
DE102004018999B4 (de) * 2004-04-20 2006-04-20 Forschungszentrum Jülich GmbH Federelement sowie Herstellung und Verwendung derselben
JP5026796B2 (ja) * 2004-12-22 2012-09-19 日本碍子株式会社 ダイヤフラム構造体
DE102008046336A1 (de) * 2008-09-09 2010-03-11 Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung LTCC-Schichtstapel
EP2405514B1 (en) 2010-07-07 2013-05-08 Technical University of Denmark A method for sintering
IT1401220B1 (it) * 2010-07-15 2013-07-12 Metallux Sa Sensore e metodo di fabbricazione.
DE102010063065A1 (de) * 2010-12-14 2012-06-14 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung+
US9070862B2 (en) * 2011-02-15 2015-06-30 Fujifilm Dimatix, Inc. Piezoelectric transducers using micro-dome arrays
US9882512B2 (en) * 2012-09-25 2018-01-30 Sang-Cheol Bae Piezoelectric element for power generation and power generation device using same
US9851272B2 (en) 2015-02-06 2017-12-26 Viatran Corporation Pressure sensor diaphragm
US9882115B2 (en) * 2015-04-02 2018-01-30 The Boeing Company Integrated compliant boundary for piezoelectric bimorph actuator
KR102377658B1 (ko) * 2016-03-23 2022-03-24 엔지케이 인슐레이터 엘티디 코디어라이트질 소결체, 그 제법 및 복합 기판
US10571348B2 (en) * 2016-08-30 2020-02-25 Honeywell International Inc. Overforce control through sense die design
CN106582295B (zh) * 2016-11-28 2023-05-12 昆明理工大学 一种压电陶瓷滤膜及使用装置
CN107932706B (zh) * 2017-10-27 2018-12-04 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 凝胶注模成型米级碳化硅陶瓷素坯无阻力干燥装置及方法
CN109551614B (zh) * 2018-10-11 2021-04-20 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种用于粉末压制成型的超声波装置
CN110636420B (zh) * 2019-09-25 2021-02-09 京东方科技集团股份有限公司 一种薄膜扬声器、薄膜扬声器的制备方法以及电子设备
CN113532704A (zh) * 2020-04-14 2021-10-22 联合汽车电子有限公司 压力传感器

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60111600A (ja) * 1983-11-21 1985-06-18 Mitsubishi Mining & Cement Co Ltd 電気機械変換素子
GB2161647A (en) * 1984-07-10 1986-01-15 Gen Electric Co Plc Piezoelectric devices
JPS62213399A (ja) * 1986-03-12 1987-09-19 Omron Tateisi Electronics Co 圧電磁器
JPH0731091B2 (ja) * 1987-05-27 1995-04-10 日本碍子株式会社 歪検出器
US5255427A (en) * 1989-03-07 1993-10-26 Pfister Gmbh Ceramic hollow bodies and method of manufacturing such bodies
US5089455A (en) * 1989-08-11 1992-02-18 Corning Incorporated Thin flexible sintered structures
DE4042336A1 (de) * 1990-02-12 1991-08-14 Fraunhofer Ges Forschung Drucksensoranordnung mit einem drucksensor und einem referenzelement
US5210455A (en) * 1990-07-26 1993-05-11 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostrictive actuator having ceramic substrate having recess defining thin-walled portion
JP3120260B2 (ja) * 1992-12-26 2000-12-25 日本碍子株式会社 圧電／電歪膜型素子
JP3280799B2 (ja) * 1993-10-14 2002-05-13 日本碍子株式会社 薄肉ジルコニアダイヤフラム構造体及びその製造法並びにそれを用いた圧電／電歪膜型素子
US5545461A (en) * 1994-02-14 1996-08-13 Ngk Insulators, Ltd. Ceramic diaphragm structure having convex diaphragm portion and method of producing the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP0701112A2 (en) 1996-03-13
DE69519706T2 (de) 2001-05-31
US5634999A (en) 1997-06-03
EP0701112B1 (en) 2000-12-27
CN1128199A (zh) 1996-08-07
EP0701112A3 (en) 1997-02-05
US5798168A (en) 1998-08-25
DE69519706D1 (de) 2001-02-01

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