CN104993045A - 一种基于单晶面切模式的压电变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单晶面切模式的压电变压器，包括具有平行的第一表面和第二表面的面切模式压电单晶片，在第一表面上设有相互电气绝缘的第一电极和第二电极，在第二表面上设有第三电极。第一电极为输入电极，第二电极为输出电极；或者对调。第三电极为接地电极。当在输入电极施加一定频率的激励信号时，压电单晶片激发出k36面切模式的机械振动，并在输出电极输出能量。与目前的工作在K31模式或K33模式压电变压器相比，该压电变压器具有较高机电耦合系数和功率密度、较低的工作频率、低的激励电压和发热量。尤其适用于紧凑的AC/DC适配器/转换器/充电器、通信设备、个人计算机、液晶显示背景光源等应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电变压器，具体涉及一种基于单晶面切模式的压电变压器，属于能源技术领域。
背景技术
压电变压器作为一种新型电子器件，与传统的铁芯线绕电磁变压器相比，具有体积小、使用时不击穿、无电磁干扰，且结构简单，易批量生产等优点。在紧凑的AC/DC或DC/DC适配器/转换器/充电器、通信设备、个人计算机、荧光灯镇流器、便携式电源充电器、液晶显示背景光源中有着潜在的应用前景。
经对现有技术的文献检索发现，2008年，夏定豪申请了基于径向振动的压电变压器的专利《一种径向振动压电变压器及其制备方法》(专利申请号：200810118024.1)，其不足在于：径向K31模式机电耦合效率低，体积大且需要高驱动电压，易引起高的温升。2010年，中山大学黄以华等申请了专利《一种弯曲振动型压电变压器》(专利申请号：201010183331.5)。其不足在于：该压电变压器也是基于K31模式，机电耦合效率低，体积大且需要高驱动电压，易引起高的温升。
发明内容
本发明针对现有技术的不足以及工程应用的需要，提出一种基于压电单晶k36面切模式的低压高效驱动的压电变压器，利用高机电耦合系数和压电系数的新型压电单晶材料制成。具体技术方案为：
一种基于单晶面切模式的压电变压器，包括面切模式压电单晶片、第一电极、第二电极和第三电极，面切模式压电单晶片具有平行的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面均为正方形；在第一表面上设有相互电气绝缘的第一电极和第二电极，第一电极位于第一表面的外部，第二电极位于第一表面的中部，第一电极和第二电极之间是绝缘区；在第二表面上设有第三电极。第二电极为圆形或者正方形，相应的绝缘区为环形或者回形。工作时，第一电极为输入电极，第二电极为输出电极；或者，第二电极为输入电极，第一电极为输出电极。第三电极始终为接地电极。当在输入电极施加一定频率的激励信号时，压电单晶片激发出k36面切模式的机械振动，并在输出电极输出能量。
优选地，面切模式压电单晶片的材料为[011]c极化、±45°切向的PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。
优选地，第一电极、第二电极、第三电极均由金或银制成。通过化学沉积、真空溅射镀膜或喷涂的方式将金或银转移到第一表面或第二表面形成电极。
与现有的工作在K31模式压电变压器相比，本发明利用新型压电单晶材料[011]c极化的面切模式具有超大压电系数、高功率密度和高机电耦合系数的优势，设计得到低压高效低热驱动的单晶面切模式压电变压器，该压电变压器具有较高机电耦合系数和功率密度、较低的工作频率、低的激励电压和发热量。尤其适用于紧凑的AC/DC适配器/转换器/充电器、通信设备、个人计算机、液晶显示背景光源等应用场合。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明面切模式压电单晶片的坐标示意图；
图2为本发明一个较佳实施例的基于面切模式的压电变压器的俯视示意图；
图3为图2所示压电变压器沿剖面线2B-2B剖开后的剖视结构示意图；
图4为本发明另一个较佳实施例的基于面切模式的压电变压器的俯视示意图；
图5为图4所示压电变压器沿剖面线3B-3B剖开后的剖视结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为面切模式压电单晶片的坐标示意图。面切模式压电单晶片的长度、宽度和厚度方向分别是沿[011]c、[100]c和[011]c方向，极化方向[011]c被定义为坐标轴Z，[011]c和[100]c方向分别被定义为坐标轴X和Y。所有的材料常数符号都是基于该正交坐标系。
如图2至图5所示，基于单晶面切模式的压电变压器包括面切模式压电单晶片3、第一电极1、第二电极2和第三电极4，面切模式压电单晶片3作为铁电弛豫器件。面切模式压电单晶片3的材料为[011]c极化、±45°切向的PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。图3和图5中的箭头5所指的是单晶材料的极化方向。
面切模式压电单晶片3具有平行的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面垂直于[011]方向，第一表面和第二表面均为正方形。在第一表面上设有相互电气绝缘的第一电极1和第二电极2，第一电极1位于第一表面的外部，第二电极2位于第一表面的中部，第一电极1和第二电极2之间是绝缘区。在第二表面上设有第三电极4。第二电极2为圆形(如图2)或者正方形(如图4)，相应的绝缘区为环形或者回形。第二电极2、第一电极1、第三电极4均由金或银制成，通过化学沉积、真空溅射镀膜或喷涂的方式将金或银转移到第一表面或第二表面形成电极。
本实施例具体工作的实现包括以下过程：
当第一电极1作为输入电极，施加一定频率的激励信号时，压电单晶片3激发出k36面切模式的机械振动，并在第二电极2作为输出电极输出能量，这时，该变压器作为升压变压器，第三电极4为接地电极。当第二电极2作为输入电极，施加一定频率的激励信号时，压电单晶片3激发出k36面切模式的机械振动，并在第一电极1作为输出电极输出能量，这时该变压器作为降压变压器，第三电极4仍为接地电极。
通过改变该压电变压器的输入激励信号强度，可以改变面切模式压电单晶片3的机械振动幅值，进而改变压电变压器的输出能量大小。通过改变输入电极、输出电极的面积，可以决定的该压电变压器的升压比、效率和阻抗特性。本发明利用新型压电单晶材料[011]c极化的面切模式具有超大压电系数、高功率密度和高机电耦合系数的优势，相比现有的工作在K31模式压电变压器，该压电变压器具有较高机电耦合系数和功率密度、较低的工作频率、低的激励电压和发热量。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述压电变压器包括面切模式压电单晶片、第一电极、第二电极和第三电极；所述面切模式压电单晶片具有平行的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均为正方形，所述压电单晶片能激发出k36面切模式的机械振动；在所述第一表面上设有相互电气绝缘的所述第一电极和所述第二电极，所述第一电极位于所述第一表面的外部，所述第二电极位于所述第一表面的中部，所述第一电极和所述第二电极之间是绝缘区，在所述第二表面上设有所述第三电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第二电极为圆形，所述绝缘区为环形。
3.根据权利要求2所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第一电极为输入电极，所述第二电极为输出电极，所述第三电极为接地电极。
4.根据权利要求2所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第二电极为输入电极，所述第一电极为输出电极，所述第三电极为接地电极。
5.根据权利要求1所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第二电极为正方形，所述绝缘区为回形。
6.根据权利要求5所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第一电极为输入电极，所述第二电极为输出电极，所述第三电极为接地电极。
7.根据权利要求5所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第二电极为输入电极，所述第一电极为输出电极，所述第三电极为接地电极。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述面切模式压电单晶片的材料为[011]c极化、±45°切向的PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极均由金或银制成。
10.根据权利要求9所述的一种基于单晶面切模式的压电变压器，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极是通过化学沉积、真空溅射镀膜或喷涂的方式将金或银转移到所述第一表面或所述第二表面上制成。
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