CN104882277A - 层状复合结构可调控电容和压电应力调控介电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种包括铁电压电片和铁电介电体的层状复合结构的可调控电容和通过施加静电场和利用压电效应产生的压电应力来调控复合结构中介电体电容的调控方法。所述铁电压电片和铁电介电体通过紧密粘接或共烧在一起构成多种层状复合结构；介电体为被调控的片状介电体；在静电场作用下，压电片产生的压电应力或应变传递给被调控的片状铁电介电体，铁电介电体因外应力作用其电畤界面状态发生变化，从而实现对介电电容的调控。本发明有效克服现有可调控电容存在的结构复杂及可调频率范围窄等缺点，具有制作工艺简单，便于实际使用等优点，可广泛用于可调控智能电子器件和设备领域。
Description
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，涉及智能可调控电容器件技术，尤其涉及一种具有层状复合结构的可调控电容和压电应力调控介电的方法。
背景技术
电容器是基本的电子器件，在常用电子器件中有着广泛的应用，比如能量存储、功率因数更正、过滤和滤波、信号耦合、协调电路、传感器以及脉冲功率器件等。当前，可调微波器件和智能电子器件的迅速发展扩大了对可调控电感的需求。现有研究致力于发展可调量大、结构简单及其频率范围大的可调控电容器。在过去十年中，现有技术表明介电材料的介电常数对外场有所响应，例如外界应力场、偏置电场以及温度场等。尽管直流偏置电场可以调节介电材料的电容，但是偏置电场直接施加在介电材料上，这对器件的应用有所限制(S.Lu,B.Neese,B.Chu,Y.Wang,and Q.Zhang,Appl.Phys.Lett.93(4),042905,2008)。已有研究尝试通过改变温度场以及介电薄膜的晶格匹配改变介电体的介电常数，从而实现对电容的调控(F.H.Schader,E.Aulbach,K.G.Webber,and G.A.Rossetti,Jr.,J.Appl.Phys.113(17),174103,2013)，这种方式实际操作却很困难。
在外应力作用下，铁电体内大量电畤界面状态发生改变，导致其介电常数产生相应的变化，因而外应力可以改变介电体的介电常数。现有技术主要依靠外加机械载荷而产生应力，从而改变介电体的电容。也就是说，外界应力是采用较为笨重的机械装置而产生的，这使得可调电容的微型化和集成化变得困难(G.Yang,Z.Yue,Z.Gui,and L.Li,J.Appl.Phys.104(7),074115,2008)。也有考虑使用非机械装置施加应力，例如，将介电材料与磁致伸缩材料层状复合，通过改变磁性材料的杨氏模量(利用磁致伸缩材料的ΔE效应)，从而使介电体的电容改变(Y.Yao,Y.Hou,S.Dong,and X.Li,J.Appl.Phys.110(1),014508,2011)。但是，基于这种设计原理，介电体的电容只是在磁性材料谐振频率附近的很窄频率范围有所改变，并不是宽频的、均匀的改变。现有技术也有直接在电介质材料上施加直流偏置电场来改变介电常数，但变化范围较小，且电路上使用不方便。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种新的层状复合结构可调控电容和压电应力调控介电的方法，通过新型的压电静电应力产生方式实现对介电电容的调控。即设计压电和铁电介电材料构成的层状复合结构，通过在压电元件上施加电压，所产生的压电静电应力直接作用到铁电介电体上，铁电介电体因外应力作用其电畤界面状态发生变化，从而实现在较宽频下均匀线性的介电调控。这一过程称为压电应力-介电调控；本发明压电元件通过静电场产生的纵向或弯曲应变，实现对复合在一起的电介质电容的调控。
本发明提供的技术方案是：
一种层状复合结构可调控电容，所述可调控电容为静电场-应力应变耦合可调控电容，包括铁电压电片和铁电介电体，所述铁电压电片和铁电介电体均为片状，铁电压电片的厚度大于铁电介电体的厚度，而且铁电压电片和铁电介电体通过紧密复合在一起构成多种层状复合结构；所述层状复合结构至少包括一个铁电压电片和一个片状铁电介电体；，所述压电单晶片由一个铁电压电片与一个片状铁电介电体组成；所述铁电介电体为被调控的片状铁电介电体(铁电介电片)。
上述层状复合结构可调控电容通过压电应力调控介电的方法，该方法通过施加静电场和利用压电效应产生的压电应力来调控复合结构中的介电体电容，在静电场作用下，铁电压电片产生应变，并且将所产生的应变传递给复合在一起的被调控的片状铁电介电体，使铁电介电体的电容在应变作用下被调控。
针对上述层状复合结构的压电应力调控的介电可调控电容，进一步地，铁电压电片和铁电介电体均为矩形或圆形。
优选地，所述较厚的铁电压电片的厚度大于较薄的铁电介电体厚度两倍以上。
多种层状复合结构包括：
A)铁电压电片和铁电介电体均为矩形；一个较厚的矩形压电片和一个较薄的矩形片状介电体复合在一起构成一个矩形压电单晶片(unimorph)，形成层状复合结构；在静电场作用下，较厚的压电片产生沿纵轴方向应变，迫使复合在一起的较薄的片状介电体产生弯应变，从而实现对铁电介电体的电容调控；
B)铁电压电片和铁电介电体均为圆形；一个较厚的圆形铁电压电片和一个较薄的圆形片状铁电介电体构成一个圆形压电单晶片(unimorph)，形成层状复合结构；在静电场作用下，较厚的铁电压电片产生沿径向应变，迫使复合在一起的较薄的圆形片状(圆片)铁电介电体产生弯应变，从而实现对铁电介电体的电容调控；
C)一对较厚的压电片组成压电双晶片(bimorph)结构，所述压电双晶片再和一个或一对较薄的片状介电体复合在一起，形成层状复合结构；在静电场作用下，较厚的压电双晶片产生弯曲应变，迫使复合在一起的一个或一对较薄的片状介电体也发生弯应变，通过应力调控实现对介电体的电容调控；
D)多个较厚的压电片和多个较薄的片状介电体交替紧密复合形成多种层状复合结构，包括：两个压电片与一个片状介电体交替叠加形成的矩形或圆形三明治复合结构，或者多个(N>2个)较厚的压电片与多个(N-1个)较薄的片状介电体交替叠加形成的矩形或圆形多层复合结构；在静电场作用下，较厚的压电片产生纵向应变，迫使复合在一起的片状介电体也发生纵应变，通过应力调控实现对介电体的电容调控。所述片状介电体的材料为铁电钛酸钡陶瓷或铁电钛酸钡基改性掺杂陶瓷。
所述压电片的材料为铁电压电陶瓷材料，包括锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷、铌镁酸铅-锆钛酸铅单晶或铌锌酸铅-钛酸铅单晶中的一种或者多种，或者是无铅系列压电陶瓷或单晶中的一种或多种，优选如铌酸钾钠等。
所述压电陶瓷材料沿其厚度方向极化。
所述压电片的厚度大于所述介电体的厚度。优选地，所述较厚的压电片的厚度大于较薄的介电体厚度两倍以上。
所述片状介电体的上下表面被有银、金或铜镍金属电极膜。
所述压电片和介电体通过绝缘的环氧树脂紧密粘接在一起或通过共烧方法复合在一起。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的压电静电应力可调控电容，通过结构的优化设计，由片状压电材料和片状介电材料构成层状复合结构电容，通过压电材料的机电耦合效应(电-力-介电耦合)，压电片元件在静电场作用下可产生纵向或者弯曲应变，实现对电介质电容的调控。本发明在±4kV/cm的外加电场作用下，其电容可调量可达±10％，并且在宽频率范围内均匀可调，从而扩展了静电-应力可调电容的应用范围。本发明提供的压电-介电层状复合材料制作而成的可调控电容结构可有效克服现有可调控电容存在的结构复杂以及可调频率范围窄等缺点，并且具有制作工艺简单的优点，便于实际使用，可用于可调控智能电子器件和设备领域。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的采用上下对称复合有长片状介电体、通过长条形压电双晶片(bimorph)结构产生弯应变调控介电体电容的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的采用一面复合有长片状介电体、通过长条形压电双晶片(bimorph)结构产生弯应变调控介电体电容的结构示意图；
图3是本发明实施例三提供的采用一个长片状介电体复合在一对长片状压电片中间的三明治复合结构、通过片状压电体的纵向伸缩应来调控介电体电容的结构示意图形成；
图4是本发明实施例四提供的采用N个(N>2)长片状压电片与(N-1)个长片状介电体形成多层复合结构、通过多层片状压电体的纵向伸缩应来调控多层介电体电容的结构示意图；
图5是本发明实施例五提供的采用圆片形压电片与介电体圆片形成单晶片(Unimorph复合结构)、通过压电圆片的径向、弯应变调控介电体电容的结构示意图；
图6是本发明实施例六提供的采用一对圆形压电片与介电体圆片形成三明治复合结构、通过压电圆片的径向应变调控介电体电容的结构示意图；
图7是本发明实施例六提供的采用N个(N>2)圆片形的压电片与(N-1)个圆片形介电体形成多层结构的可调控电容、通过多层圆片状压电体的经向伸缩应来来调控介电体电容的结构示意图；
图1～图7中，1—铁电压电片材料；2—片状铁电介电体材料；3—绝缘的环氧树脂；4—压电材料施加电压接地端；5—压电材料电压控制端；6—介电材料测试端；P—极化方向。
图8是本发明实施例中电容量在不同频率下随外加电场发生变化的示意图；
其中，曲线1～5分别表示将压电材料控制端和地端施加-4kV/cm、-2kV/cm、0kV/cm、2kV/cm和4kV/cm的静电场后，介电体材料测试端6连接至LCR表或者阻抗分析仪上所测到的电容量在不同静电场下随工作频率的变化。
图9是本发明实施例中电容的可调量在不同外加静电场下与工作频率的关系示意图；
其中，曲线1～5分别表示将压电材料施加-4kV/cm、-2kV/cm、0kV/cm、2kV/cm和4kV/cm的静电场后，将介电材料测试端6连接至LCR表或者阻抗分析仪上，得到的电容的可调量在不同外加电场下随工作频率的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种铁电压电片和铁电介电体层状复合结构电压可调控电容，介电可调控电容为静电场-应力应变耦合可调控电容，包括铁电压电片和铁电介电体，所述铁电压电片和铁电介电体均为片状，铁电压电片的厚度大于铁电介电体的厚度，而且铁电压电片和铁电介电体通过紧密复合在一起构成多种层状复合结构；所述层状复合结构包括至少一个压电单晶片结构(unimorph，层状复合板结构单元)，所述压电单晶片由一个铁电压电片与一个片状铁电介电体组成；所述铁电介电体为被调控的片状铁电介电体(铁电介电片)。
实现对介电体电容的调控是在静电场作用下，压电片产生应变，并且将所产生的应变传递给被调控的片状介电体，使介电体的电容被调控。
针对上述层状复合结构电压可调控电容，进一步地，
铁电压电片和铁电介电体均为矩形或圆形。
优选地，所述较厚的铁电压电片的厚度大于较薄的铁电介电体厚度两倍以上。
所述片状介电体的材料为铁电钛酸钡陶瓷或铁电钛酸钡基改性掺杂陶瓷。
所述压电片的材料为铁电压电陶瓷材料，包括锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷、铌镁酸铅-锆钛酸铅单晶或铌锌酸铅-钛酸铅单晶中的一种或者多种，或者是无铅系列压电陶瓷或单晶中的一种或多种，优选如铌酸钾钠等。
所述压电陶瓷材料沿其厚度方向极化。
所述压电片的厚度大于所述介电体的厚度。优选地，所述较厚的压电片的厚度大于较薄的介电体厚度两倍以上。
所述片状介电体的上下表面被有银、金或铜镍金属电极膜。
所述压电片和介电体通过绝缘的环氧树脂紧密粘接在一起或通过共烧方法复合在一起。本发明提供的压电-介电层状复合结构静电场-压电应力应变可调控电容，主要由压电片和介电体通过绝缘的环氧树脂或通过共烧方法复合为一体。以下实施例以锆钛酸铅铁电陶瓷片作为压电施力材料、钛酸钡铁电陶瓷片作为介电材料为例，说明本发明的压电-介电层状复合结构静电场-压电应力应变可调控电容的结构和工作原理。其中，锆钛酸铅陶瓷片采用固相反应工艺烧结而成，实施例中，锆钛酸铅陶瓷片的材料型号为PZT-5H(Pb(Zr,Ti)O3简写为PZT)。将锆钛酸铅陶瓷加工成型至长条状或者圆片状薄片，然后在其上下表面烧制银电极，再用高压直流电源对其沿厚度方向做极化处理。将钛酸钡陶瓷介电材料制备成长条状或者圆片状薄片，其厚度一般小于压电陶瓷片的厚度，并且在表面被上银或者金电极。然后，按照实施例的不同设计方案，用绝缘的环氧树脂((ECCOBONDTM 45,Emerson&Cuming Co.,Ltd.,USA)将锆钛酸铅陶瓷与钛酸钡陶瓷的介电材料紧密粘接。整个过程在室温下完成，并固化24个小时。也可采用共烧方法将两种材料制备成一个复合体。
图1是本发明的压电-介电层状复合结构静电场-压电应力应变可调控电容的实施例一提供的结构示意图，其中压电部分为长条形的压电双晶片(bimorph)结构，上下对称复合有长片状介电体。如图1所示，极化方向P用“↑”来表示，本发明的压电-介电层状复合结构静电场-压电应力应变可调控电容，由压电材料1(形成双晶片结构)、介电材料2、绝缘的环氧树脂3、压电材料施加电压接地端4、压电材料电压控制端5以及介电材料测试端6所构成。按照图1所示，通过电压控制端5施加直流电压后，压电双晶片产生纵-弯应变。由于介电材料与压电材料紧密粘接，压电材料的弯曲应变可以传递给介电材料，本实施例中选取的钛酸钡介电材料的电容值对应变敏感，因此介电材料的电容值可随施加于压电材料的电压变化而改变。其中上下两片介电材料再压电双晶片的纵-弯应变作用下，它们的电容产生差分变化；这种某些电路应用中可产生差分信号输出。
图2是本发明的压电-介电层状复合结构静电场-压电应力应变可调控电容的实施例二提供的结构示意图，其中压电部分为长条形的双晶片(bimorph)结构，一面复合有长片状介电体。压电双晶片产生的纵-弯应变可以传递给介电材料，介电材料的电容值可随施加于压电双晶片的电压变化而改变。
图3是本发明的压电-介电层状复合结构静电场-应力应变可调控电容的实施例三提供的结构示意图，其中一对长片状压电体与一个长片状介电体形成三明治复合结构。介电体的电容调控是通过片状压电体的纵向伸缩来实现。
图4是本发明的压电-介电层状复合结构静电场-应力应变可调控电容的实施例四提供的结构示意图，其中长片状压电部分与长片状介电体交替叠加形成多层复合结构。介电体的电容调控也是通过片状压电体的纵向伸缩来实现的，由于本实施例是多个压电材料与多个介电材料的多层复合结构，可调节的介电材料的电容值可以形成串联或者并联，从而拓宽其应用的范围。
图5是本发明的压电-介电层状复合结构静电场-应力应变可调控电容的实施例五提供的结构示意图，其中圆片形压电部分与介电体圆片形成双层unimorph复合结构。介电体的电容调控是通过圆片状压电体的径向伸缩和弯应变来实现。
图6是本发明的压电-介电层状复合结构静电场-应力应变可调控电容的实施例六提供的结构示意图，其中圆片形压电部分与介电体圆片形成三明治复合结构。介电体的电容调控是通过一对圆片状压电体的径向伸缩来实现。
图7本发明的压电-介电层状复合结构静电场-应力应变可调控电容的实施例六提供的结构示意图，其中圆片形的压电部分与圆片形介电体交替叠加形成多层结构。介电体的电容调控也是通过片状压电体的径向伸缩来实现的，由于本实施例是多个压电材料与多个介电材料的多层复合结构，可调节的介电材料的电容值可以形成串联或者并联，从而拓宽其应用范围。
以上实施例中，将接线端6连接至LCR表或者阻抗分析仪上，再用直流电源通过压电控制端导线5对其施加正负向电压(导线4接地)，便可获得各实施例提供的可调控电容的电容量在不同频率下随外加电场的变化，如图8所示，其中，曲线1～5分别表示将直流电源电压-4kV/cm、-2kV/cm、0kV/cm、2kV/cm和4kV/cm施加到压电材料控制端与接地端后，在LCR表或者阻抗分析仪上所测到的电容量在不同频率下随外加电场发生的变化；以及各实施例提供的可调控电容的可调量在不同频率下随外加电场的变化，如图9所示。由图8可以看到，在外加正电场的作用下，本发明提供的压电-介电层状复合结构静电场-压电应力应变可调控电容的电容值随电场增大明显增大，并且在很宽的频率范围内均匀改变。由图9可以看到，在±4kV/cm电场的作用下，本发明提供的压电-介电层状复合结构静电场-压电应力应变可调控电容可以得到±10％的可调量，并且在宽频内可调，这扩展了静电可调控电容的应用范围。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种层状复合结构可调控电容，所述可调控电容为静电场-应力应变耦合可调控电容，包括铁电压电片和铁电介电体，所述铁电压电片和铁电介电体均为片状，铁电压电片的厚度大于铁电介电体的厚度，而且铁电压电片和铁电介电体通过紧密复合在一起构成多种层状复合结构；所述层状复合结构包括至少一个铁电压电片和一个片状铁电介电体；所述铁电介电体为被调控的铁电介电片。
2.如权利要求1所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述铁电压电片和铁电介电体通过绝缘的环氧树脂紧密粘接在一起或通过共烧方法复合在一起。
3.如权利要求1所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述片状铁电介电体的材料为铁电钛酸钡陶瓷或铁电钛酸钡基改性掺杂陶瓷。
4.如权利要求1所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述片状铁电介电体的上下表面被有银、金或铜镍金属电极膜。
5.如权利要求1所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述铁电压电片的材料为铁电压电陶瓷材料，包括锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷、铌镁酸铅-锆钛酸铅单晶或铌锌酸铅-钛酸铅单晶中的一种或者多种，或者是无铅系列压电陶瓷或单晶中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述无铅系列压电陶瓷或单晶为铌酸钾钠。
7.如权利要求5所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述铁电压电陶瓷材料沿其厚度方向极化。
8.如权利要求1所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述铁电压电片的厚度大于铁电介电体厚度两倍以上。
9.如权利要求1～8任一所述的层状复合结构可调控电容，其特征是，所述铁电压电片和铁电介电体均为矩形片或圆形片；所述多种层状复合结构为A)～D)中的任一种：
A)铁电压电片和铁电介电体均为矩形片；一个较厚的矩形压电片和一个较薄的矩形片状介电体复合在一起构成一个矩形压电单晶片层状复合结构；
B)铁电压电片和铁电介电体均为圆形片；一个较厚的圆形铁电压电片和一个较薄的圆形片状铁电介电体复合在一起构成一个圆形压电单晶片层状复合结构；
C)一对较厚的压电片组成压电双晶片结构，所述压电双晶片再和一个或一对较薄的片状介电体复合在一起，形成层状复合结构；
D)多个较厚的压电片和多个较薄的片状介电体交替紧密复合形成多种层状复合结构，包括：两个压电片与一个片状介电体交替叠加形成的矩形或圆形三明治复合结构，或者多个(N>2个)较厚的压电片与多个(N-1个)较薄的片状介电体交替叠加形成的矩形或圆形多层复合结构。
10.权利要求1～8任一所述的层状复合结构可调控电容通过压电应力调控介电的方法，所述方法通过施加静电场和利用压电效应产生的压电应力来调控复合结构中的介电体电容，所述层状复合结构可调控电容在静电场作用下，铁电压电片产生应力应变，并且将所产生的应力应变传递给复合在一起的被调控的铁电介电片，从而使铁电介电片的电容在应力应变作用下被调控。
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