CN105900253A - 压电器件 - Google Patents

Abstract

提供了一种多层压电器件。该器件包括顶部电极、第一压电层，其上表面位于所述顶部电极的下表面上；第一中间电极，其上表面位于所述第一压电层上表面上；绝缘层，其上表面位于所述第一中间电极的下表面上；第二中间电极，其上表面位于所述绝缘层的下表面上；第二压电层，其上表面位于所述第二中间电极的下表面上；以及底部电极，其上表面位于所述第二压电层的下表面上。所述绝缘层基本上位于所述压电器件的纵向中心。所述第一中心电极电连接到第二中心电极。

Description

压电器件

技术背景

压电效应是一种能量转换方式，电能和机械能可以通过该效应直接互相转化。当在压电材料上施加电压时，材料将会产生应力或形变。类似地，当机械能施加到压电材料时，该材料内会产生电压。压电性能的物理机制是其结晶性、域态以及其他微观结构的作用。

发明内容

本发明公开的方面和实施例为与压电器件相关的系统以及方法。

本发明的至少一个方面公开了一种多层压电器件。所述器件包括顶部电极、第一压电层，其上表面位于所述顶部电极的下表面上；第一中间电极，其上表面位于所述第一压电层下表面上；绝缘层，其上表面位于所述第一中间电极的下表面上；第二中间电极，其上表面位于所述绝缘层的下表面上；第二压电层，其上表面位于所述第二中间电极的下表面上；以及底部电极，其上表面位于所述第二压电层的下表面上。所述绝缘层基本上位于所述压电器件的纵向中心。所述第一中心电极电连接到第二中心电极。

在一些实施例中，所述第一顶部电极、第一压电层、第一中间电极、绝缘层、第二中间电极、第二压电层以及底部电极通过高温熔接在一起。在一些实施例中，绝缘层采用与第一和第二压电层相同的材料形成。所述第一中间电极电耦合到第二中间电极。在一些实施例中，所述第一顶部电极电耦合到底部电极。在一些实施例中，所述器件可以包括第二顶部电极，其下表面位于所述第一压电层的上表面上，所述第二顶部电极与第一顶部电极电隔离。在一些实施例中，所述第二顶部电极电耦合到第一中间电极和第二中间电极中的一个。

本发明的至少一个方面公开了一种压电器件阵列。所述阵列包括第一压电柱和第二压电柱。所述第一压电柱和第二压电柱分别与夹具耦合。所述第一压电柱和第二压电柱沿与所述夹具基本上垂直的方向延伸。压电柱配置为彼此同相位振动。

在一些实施例中，当第一压电柱和第二压电柱静止时，第一压电柱的表面基本上与第二压电柱的表面相接触。在一些实施例中，该阵列可以包括与第一压电柱耦合的第一质量体以及与第二压电柱耦合的第二质量体，选择所述第一质量体和第二质量体从而使得所述第一压电柱和第二压电柱同相位振动。

本发明的至少一个方面公开了一种压电传感器，包括第一压电柱，其第一端固定在夹具上。所述第一柱包括内嵌到第一柱中并用于传送测试液体的沟道。在一些实施例中，所述传感器包括具有固定到夹具的第二端的第二压电柱，所述第二柱包括内嵌到第二柱中并用于传送测试液体的第二沟道。在一些实施例中，所述第一柱用于检测测试液体中第一被分析物的存在，第二柱用于检测测试液体中与第一被分析物不同的第二被分析物的存在。在一些实施例中，第一和第二柱都用于检测测试液体中第一被分析物的存在。在一些实施例中，当第一和第二压电柱静止时，第一压电柱的表面基本上与第二压电柱的表面相接触。

本发明的至少一方面公开了一种用于制备多层压电器件的方法。所述方法包括形成下压电层、中间压电层以及上压电层。所述方法包括在下压电层的下表面上淀积下电极。所述方法可以包括在下压电层的上表面上淀积第一中间电极。所述方法可以包括在上压电层的上表面上淀积上电极。所述方法可以包括在上压电层的下表面上淀积第二中间电极。所述方法可以包括将中间压电层的下表面放置在第一中间电极的上表面上。所述方法可以包括将中间压电层的上表面放置在第二中间电极的下表面上。所述方法可以包括将下电极接合到第一压电层，第一压电层接合到第一中间电极，第一中间电极接合到中间压电层，中间压电层接合到第二中间电极，并且第二中间电极接合到上压电层以及将上压电层接合到上电极。

在一些实施例中，形成下压电层、中间压电层以及上压电层可以包括准备压电材料浆体并且将所述浆体流延成型以形成下压电层、中间压电层以及上压电层。在一些实施例中，所述方法可以包括烧结下压电层、中间压电层以及上压电层。在一些实施例中，所述方法可以包括在下压电层、中间压电层以及上压电层中的一个内形成沟道。在一些实施例中，在下压电层的下表面上淀积下电极进一步包括将导电材料丝网印刷到下压电层的下表面上。

这些以及其他的方面和实施例将在下文中进行详细讨论。前述信息和接下来的详细描述包括各方面的示例性例子和实施例，并且提供了用于理解所声明的方面和实施例的属性和特征的概述或框架。附图提供了对于本发明各方面和实施例进一步的理解和说明，其并入此说明书中并且构成本说明书的一部分。

附图说明

附图并不一定按照比例绘制。相同和相似的参考数字和标记表示相同的元素。简要起见，并不是每一个组件在每幅图中都进行标记。

图1A-1D示出了不同的示例性多层压电器件的透视图；

图2A示出了根据示例性实施例的压电悬臂式构件的侧视图；

图2B示出了根据示例性实施例的压电柱构件的侧面；

图2C示出了根据示例性实施例的包括两个压电柱的阵列构件的侧视图；

图3A示出了根据示例性实施例的压电悬臂式传感器的透视图；

图3B示出了根据示例性实施例的压电悬臂式传感器顶部截面图；

图3C示出了根据示例性实施例的多层压电传感器阵列的侧面截面图；

图4示出了根据示例性实施例的用于制备多层压电器件的工艺流程图。

具体实施方式

以下是关于压电器件的各种相关概念以及实施例的更为详细的描述。上文所引入并且将在下文进行更为详细的讨论的各种概念可以通过各个实施例中的任意一种来实施，正如所描述的概念并不限于任何一种特定的实施方式。特定的实施例以及应用仅出于描述性目的。

能量采集指的是将来自环境的外界免费能量转换为有用的形式，最常见的为电力。根据这一定义，例如风力发电、水力发电点、太阳能和地热能的大型站点型功率站都可以被认为是能量采集。对于能量采集的最为关键的定义为捕获个人或小型器件附近的外界能量。

压电能量采集器件可以包括但不限于：单层体块压电器件，其设计为通过器件的单纯压缩来采集能量；多层体块压电器件，其设计为通过器件的单纯压缩来采集能量；多层器件，包括接合到一个压电层的一个压电层使器件弯曲，从而在压电层中引发纵向应力；多层器件，包括多个压电层使器件弯曲从而同时在多个压电层中引发纵向应力。

压电致动器的重要性能参数包括位移和阻挡力。简单的膨胀和收缩位移被测量为器件表面的向上、向下或向旁侧的位移量。在单一悬臂式柱的情况下，可以在距离夹具最远的一端对弯曲位移进行测量。在三点弯曲测试的情况下，当柱在其长度最远端下方被支撑时，可以在柱的中间测量向上位移。在压电盘形致动器的情况下，当在盘形的外围从下对盘形进行支撑时，可以在盘形的中心测量向上自由位移。阻挡力被定义为当压电致动器被施加了贯穿其压电层电极的电压时，在非负的方向上所能够支撑或移动的力的最大值。

图1A-1D示出了各种示例性多层压电器件的透视图。图1A中所示的压电器件100由多层材料形成。所述器件100包括底部电极102，顶部电极104以及两个中间电极106a和106b(通称为中间电极106)。中间电极106由压电层108a和108b(通称为压电层108)从底部电极102和顶部电极104分离开。绝缘层110放置在两个中间电极106之间。虽然器件100在图1A中示出为长方形柱，其他形状的元素也可以使用。例如，器件100可以具有立方形或圆柱形形状。

压电器件100的相邻层可以利用胶、环氧树脂或其他粘合剂来接合在一起。在一些实施例中，这些层可通过高温被化学地或物理地熔接在一起。在操作中，压电器件100可在被施加了贯穿电极102、104以及106的电压时改变形状。例如施加电压可导致压电层108膨胀或收缩。这种性能已知为逆压电效应。这种膨胀或收缩可以用来对与器件100接触的其他物体施加力。当对压电层108施加作用力、压力或应力时，可以跨越电极102、104以及106生成电压。这种性能被称为直接压电效应。

在一些实施例中，可以选择器件100的层的相对尺寸从而提高器件100可以获得最大位移以及阻挡力。例如，增加两个中间电极106和绝缘层110的总厚度，降低压电层108的厚度。压电层108的厚度降低可以导致在给定电压下每个压电层108内的电场的增加。电场可以定义为电势除以其作用的距离。此外，当绝缘层110的厚度增加时，压电层108的应力和形变作用在距离器件100的中心水平面更远位置的范围上。这样，压电层108的收缩和膨胀效应可以使器件产生更大的弯曲。当器件100以这样的方式用于能量采集时，较薄的压电层108中增加的应力产生了更多功率。

在一些实施例中，根据器件100的层刚度和整体刚度，层的尺寸可以改变。例如，如果中间电极106和绝缘层110的弹性模量基本上等于压电层108的弹性模量，则中间电极106和绝缘层110所增加的厚度可以为顶部压电层108b减小的厚度的一半以及反映为底部压电层108a减小得到厚度的一半，从而使得器件的总厚度保持不变。如果中间电极106和绝缘层110的弹性模量与压电层108的弹性模量不同，则中间电极106和绝缘层110的厚度的增加可以被压电层108的厚度的减小所抵消，从而使整个器件100的刚度保持恒定。在这种情况下，最终的器件100的厚度与原始器件不同。

在一些实施例中，中间电极106和绝缘层110可以用单一中间电极所代替。然而，为了利用单一中间电极达到相同的厚度，可以采用更多的电极材料以及复杂的接合工艺。在一些实施例中，在中间电极106之间引入绝缘层110可以通过降低为了获得给定厚度所需要的电极材料的量来克服这些问题。

绝缘层110的目的在于使中间电极106远离器件100的中心水平面，从而获得上文所讨论的性能提高。在一些实施例中，绝缘层110可以制造为具有与压电层108相同的热膨胀系数从而使得由器件各层之间的收缩适配引起的问题最小化或消除。此外，为了便于制备，绝缘层110可以具有和压电层108相同的材料。

在一些实施例中，压电层108可以用任何铁电和铁磁材料形成。例如，压电层108可以包括例如锆钛酸铅(PZT)和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)的含铅陶瓷。在其他实施例中，压电层108可以采用无铅陶瓷来形成，例如铌酸锂和钛酸钡。在其他的实施例中，压电层可以采用压电聚合物或填充了导体的聚合物来形成。

在一些实施例中，下电极102、上电极104以及中间电极106可以采用例如铂或银钯(silver palladium)的导电材料形成。例如，这些导体可以在约为1000摄氏度到约1400摄氏度范围内的温度与PZT压电层108共烧结。也将银或金用于下电极102、上电极104以及中间电极106上。在一些实施例中，下电极102、上电极104以及中间电极106可以由例如镍、铜以及钨的基体金属来形成。在又一些实施例中，下电极102、上电极104以及中间电极106可以用导电陶瓷材料形成。

在器件100的使用期间，两个中间电极106必须保持相同的电势。这可以通过将两个中间电极106进行电连接来实现。将中间电极106电连接或“短路”的进一步的优势在于在器件100的使用期间不需要与新电极层进行的额外电连接。在一些实施例中，中间电极106可以通过在位于中间电极106之间的器件100的一个面上涂覆导电材料而被短路。例如，图1B示出了在类似器件100的器件101中将中间电极106a耦接到中间电极106b的导电材料112上。在一些实施例中，导电材料112由与形成中间电极106相同的材料形成。可以在淀积了器件101的其它层之后淀积导电材料112。由于绝缘层110不导电，因此导电材料112可以直接放置为直接与绝缘层110相接触而不会负面地影响器件101的性能。

图1B中所示的器件101要求三个电连接-一个到底部电极102，一个到顶部电极104以及一个到中间电极106。在一些实施例中，可以不需要单独的到底部电极102和顶部电极104的电气连接。例如，图1C示出了器件103，其中使用导电材料114来电耦合底部电极103和顶部电极104。导电材料被施加到器件103的一个面上。为了避免错误地将中间电极106耦合到底部电极102或顶部电极104，中间电极106可以为相对于压电层108和绝缘层110为凹陷的，如图1C所示。

图1D示出了被设计为进一步简化到器件的电连接的多层压电器件105。所述器件105包括底部电极102以及两个中间电极106a和106b(统称为中间电极106)。所述中间电极106分别由压电层108a和108b(统称为压电层108)从底部电极102和顶部层相隔开。绝缘层110放置在两个中间电极106之间。此外，器件105包括两个位于顶层的间隙116，其限定了三个相隔开的电极118、120和122。

在一些实施例中，器件105可能非常薄，使得很难在器件105的各个层之间形成电连接。在制备时，可在中间电极106或底部电极102以及电极区域118、120以及122之间形成电连接。器件的用户因此可以仅需要电连接到器件105的上区域118、120以及122即可向各个层施加电压。在上区域118、120和122之间的连接可以用各种方式来形成，包括沿着器件105的一个面淀积导电材料，如图1B和图1C所示。在其他的实施例中，可以通过器件105的中心形成连接。间隙116可以通过例如从器件105的顶部层去除材料的蚀刻工艺来形成。

图2A示出了根据描述性实施的压电悬臂式构件200的侧视图。构件200包括在其左手端硬性地固定到夹具204的柱202。质量体206固定在柱202的右手边。如上所述，由于周围环境中的力而导致的柱202的偏转可能产生电压。这样，构件200可以用来从环境中采集能量。

当柱202偏转、振动或共振时，其右手端将在页面平面内向上以及向下偏转。除了柱202的厚度以及使用的任意质量体206的厚度，这种向上和向下的偏转必须作为参数用于器件的“工作体积”的计算中。器件的工作体积V_W可以如下限定：

V_W＝(t_b+t_m+d_d+d_u)lw+V_c

其中t_b为柱202的厚度，t_m为质量体(如果有)的厚度，d_u为柱在偏转、振动或共振中最大的向上位移，d_d为柱在偏转、振动或共振中最大的向下位移，l为柱的长度，w为柱的宽度并且V_c为夹具的体积。

如果两个或多个类似的自由放置的振动或共振构件200放置得尽可能接近，两个相邻柱202的中心平面(与柱202的厚度方向正交或垂直)必须分开至少(t_b+t_m+d_u+d_d)。这个间隔将允许多个柱202自由偏转、振动或共振，而不会彼此相碰撞。这样，这种柱堆叠的总工作体积为：

V_W＝n(t_b+t_m+d_d+d_u)lw+V_c

其中n为堆叠中柱的数目。然而，在一些实施例中，可通过保证堆叠中所有柱200可以完全“同相”地偏转、振动或共振而降低最小间距。也就是说，所有的柱200将同一地一起向上偏转并且所有的柱200将同一地一起向下偏转。在一些实施例中，可以通过将所有的柱200构建在构件中使得其具有相同的弯曲模量，从而使得这种相同的完全同相振动可以发生，其中弯曲模量为考虑了柱200的几何形状的效应以及柱200中的所有层的弹性模量的参数。如果制造这样的多个相同的柱200并且将其堆叠在一起，则两个相邻的柱200的中心平面的距离在理论上可以接近t_b+t_m。这样这种柱堆叠的总工作体积为：

V_W＝(n(t_b+t_m)+d_d+d_u)lw+V_c

由此，将同相的柱堆叠和异相柱堆叠进行比较，器件的总工作体积的量降低了：

ΔV＝(n-1)(d_d+d_u)lw

相同的原则适用于在两端被支撑并且在其长度的中心点处获得了最大偏转的偏转、振动或共振的柱。下面将参照图2B和图2C对这些例子进行进一步的讨论。

在一些实施例中，构件200可以用作致动器。可以将电压施加到构件200上。所施加的电压的结果是，柱202可以改变形状。由于柱202的一端固定在夹具204上，柱202的形状改变可能导致柱的自由端向上或向下致动。有几种配置为致动器的构件200的可能的应用。

例如，在一个或多个例子中，构件200可以用于向手持电子器件的用户提供触觉反馈。构件200可以被嵌入到手持电子器件的柔性表面。构件200可以配置为接收所施加的电压并且可以抵靠着表面而制动柱202的自由端，导致表面轻微地变形。所述表面可以是用户使用器件的过程中所握持的表面，因此用户可以感觉到当柱202被致动时所发生的表面的形变。控制器可用于向构件200施加致动电压从而通过例如触觉反馈向用户示警。

在一些实施例中，构件200可被用作微流量输液泵。例如，所述构件200可以嵌入到用于输送液体的微流量输液沟道。所述构件200可以对准从而使得柱202的致动导致柱202基本上沿着沟道内液体流动的方向移动。柱202的致动可以因此被用来增加微流量输液沟道中的压力，在施加致动电压的情况下驱动液体通过沟道。

在另一个例子中，构件200可以嵌入到微流量输液沟道中从而实施微流量输液阀。构件200可以在沟道内定位，从而在未制动的状态下，使柱202阻挡沟道内的液体流。柱202的致动可以移动柱到沟道外面，增加了沟道的横截面直径并且允许更多的液体流动。因此，为了打开微流量输液阀，可以将电压施加到构件200上从而致动柱202。为了关闭阀，可以去除电压，使柱202回到其未致动状态而阻挡液体流。这里所描述的微流量输液泵以及阀可以用来实施药剂分发器件、喷油嘴或喷墨打印机。

在其他实施例中，构件200可以用作致动器从而精确地控制光学器件的位置。例如，构件200可以用来控制显微镜台的位置。可以施加致动电压到构件200，导致柱202向上或向下致动。柱202可以与显微镜台机械耦合并且可以被致动从而通过将一个或多个显微镜台驱动到期望的位置来调整显微镜的局部平面。

图2B示出了根据一个示例性的实施例的压电柱构件201的侧面。构件201包括由两个夹具210a和210b(统称为夹具210)支撑的柱208。如同悬臂式构件200的情况，在一些实施例中，这种三点弯曲柱构件201也可以通过质量体来调整，虽然在图2B中没有示出质量体。压电柱208的偏转可以产生电压。例如，施加到柱208的中间部分的向上或向下的力可以导致柱208弯曲。在一些实施例中，构件200可以由于环境扰动而弯曲并且因此从其环境中采集能量。构件201受限于上文中结合图2A所讨论的相同的间隔要求。最小的间隔可以通过确保两个相邻构件彼此同相地振动来类似地降低。

图2C示出了根据描述性实施的包括两个压电柱212a和212b(统称为柱212)的阵列构件203的侧视图。每个柱212a在其两端固定到电极214a和214b。柱212可以在页面平面内向下或向上偏转。在一些实施例中，在构件203的柱212之间的间隔可以选择得尽可能小。例如，柱212可以设计为具有基本上相同的弯曲特性，例如其物理尺寸和弯曲模量。通过确保柱212基本上同相振动，相对于具有不同振动相位的柱而言，柱212可以在阵列构件203中更为接近地堆叠。

在一些实施例中，阵列构件203的柱212可以构造在层中，在制备过程中利用牺牲材料分隔柱212。例如，在柱212之间的牺牲材料的量可以基于成品中所希望的柱212的间隔来选择。在一些实施例中，牺牲材料可以在制备工艺的最后去除从而留出间隙，允许柱212振动。在一些实施例中，牺牲材料可以是碳基化合物。例如，所述牺牲材料可以包括多醣体、丙烯酸树脂、乙烯基、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺。

降低柱212之间的间隔增加了阵列构件203的功率密度。在一些实施例中，阵列构件203可以包括任意数量的柱212，并且所有的柱都可以设计为同相振动。因此阵列构件203可以获得很高的功率密度。为了进一步增加功率密度，柱212可以设计为具有上文中结合附图1A-1D所述的性能增强特征的多层压电器件。

如上所述，阵列203可以用作能量采集器件。施加到柱212的力可以导致柱变形，产生贯穿电极214的电势。电能可以用来为电子器件提供能量或通过存储器件进行储能，例如电容器或可充电的电池。

在一些实施例中，阵列203可以用于采集风能。例如，阵列可以位于经常经受高风速的户外区域。阵列203可以耦合到配置为引导风能从而施加力到柱212的另一个器件。在一些实施例中，阵列203可以耦合到风力叶片或另一个具有与风力正交的大表面区域的器件。风力叶片或其他器件可以配置为根据风力将力施加到柱212。施加到柱212的力可以导致柱212变形，跨越电极214而生成电压。所生成的电压接着可用于对电子器件进行供能。

在一些实施例中，阵列203可以从水中采集能量。在一个例子中，阵列203可以位于河流或溪流中，并且可以从流动的水中采集动能。阵列203的柱212可以耦合到用于从流动的水提取能量的桨或螺旋桨。例如，所述桨或螺旋桨可以用于施加力道柱212，使柱变形并且产生贯穿电极214的电压。

在一些实施例中，阵列203可以采集震动能量。例如，阵列203可以安装到或放置为与泵、发电机或其他通常会经受震动力的器件相接触。这种器件的震动通常代表损失到环境中的机械能，由于震动没有在这些器件内起到功能性的作用。因此，利用阵列203来捕获震动能量可以提高这些系统的能量效率。阵列203所安装到的器件的震动可以使柱212周期性地变形，由此产生贯穿电极214的电压。在一些实施例中，柱212可以配置为具有基本上等于阵列203所安装到的震动器件谐振频率的谐振频率。这种配置可以增加由阵列203将振动能转化为电能的量。在一些实施例中，阵列203采集的能量可以再次引入震动器件。例如，震动器件具有耦合到电极214的电池。该技术有助于降低震动系统中的能量损失。

在一些实施例中，阵列203可以用做运动激活的开关。由于施加到柱212的力产生了贯穿电极214的电压，因此缺乏电压指的是没有力被施加到柱212上。所述阵列203可因此在应用中作为开关，该应用中的运动(即，加速)为间歇性的。例如，阵列203可以固定到手持电子器件上，例如便携式计算机、游戏控制器、远程控制或医疗器件。阵列203作为传感器的一部分用于确定器件何时使用。阵列203的电极214可以耦合到配置为当器件处于使用时将功率施加到电子器件的开关。所述开关可以配置为检测贯穿电极214的电压存在或不存在。当用户拿起手持电子器件，器件(以及固定到器件的阵列203)经历加速。柱212可以由于用户拿起器件所施加的力而变形，产生贯穿电极214的电压。所述开关可以检测到电压，并且可以在用户拿起器件时打开电子器件。当手持电子器件在使用中时，柱212将频繁地处于由用户手中的器件运动引起的应力之下，并且因此电压将会频繁地贯穿电极214出现。当出现电压时，开关可以检测到该电压并且确定器件正在使用。所述开关因此可以配置为当器件正在使用时允许将功率施加到器件上。当开关检测不到贯穿电极214的电压时，表示该器件处于休息并且不再使用，开关可以关断供给器件的功率。阵列203可以以此方式来使用从而通过协同开关工作以在器件未使用时关断供给器件的功率从而节约功率。

类似地，阵列203可以被并入安装到运输箱体的传感器。所述传感器可用于测量环境参数，例如温度、湿度或位置并且可以将所测量到的值传输到远程服务器从而提供跟踪运输容器的方法。阵列203可以被用来确定何时运输箱体在运动。例如，当运输箱体从静止的位置移动时，将会经受导致安装到运输箱体的阵列203的柱212的变形的力。结果是，当运输箱体移动时将产生贯穿电极214的电压，且该电压在运输箱体静止时不会出现。在一些实施例中，阵列203可以耦合到用于向耦合到传感器的传输器提供功率的开关上。例如，通过测量贯穿电极214的电压，开关可以检测到运输箱体的移动。因此开关可以仅当容器在运动时为传输器提供功率，并且当箱体静止时去除功率从而节约能量。

图3A示出了根据示例性实施例的压电悬臂式传感器300的透视图。传感器300包括接合到非压电层304的压电层302。在一些实施例中，所述非压电层304可以由玻璃、铜、锡或镍形成。压电层302以及非压电层304的一端固定到夹具306上，同时其另一端可自由移动。

当电压施加到压电层302的厚度方向时，其将沿着长度方向和宽度方向拉长或收缩取决于场的极性。然而，非压电层304并不变形且约束了压电层302的移动，导致了传感器300的交流弯曲(例如，在交流电下的震动)。传感器300的谐振频率可以通过电学方法测量。

用阻抗分析器来测量相位角(θ)比对频谱，其中θ＝tan^-1(Im(Z)/Re(Z))为复数电阻抗Z的相位角，并且Im(Z)和Re(Z)为电阻抗的实部和虚部。在远离谐振时，传感器300表现为具有接近-90°的相位角的电容器。在谐振或接近谐振处，由震动引发的应变所引发的相内电压将使得电阻抗的实部Re(Z)达到峰值，相位角也因此达到峰值。在谐振处或接近谐振处，由震动引发的应变所引发的相内电压将在相位角处产生峰值。

传感器300可以视为在挠曲震动中一端固定另一端自由的薄的柱。用于蛋白质检测的重要参数将在下面进行讨论。在x-y平面中，x为薄柱的纵轴而y为轴，薄的柱的自然横向震动由贝努里-欧拉(Bernoulli-Euler)等式决定：

$D\frac{{\∂}^{4}z}{\∂x^2}+ml\frac{{\∂}^{2}z}{\∂t^2}=0$

其中弯曲模量(D)以及每单位长度质量(ml)独立于位置(均匀柱)。利用贝努里-欧拉(Bernoulli-Euler)等式的通解：

z(x，t)＝[C₁sin(kx)+C₂cos(kx)+C₃sinh(kx)+C₄cosh(kx)]e^iωt

并且压电悬臂式传感器的边界条件可以确定。一端被夹紧并且不能震动，因此：

$\{\begin{array}{c}z=0,\\ \frac{dz}{dx}=0,\end{array}@x=0$

另一端为自由的，因此：

$\left\{\begin{array}{c}D\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dx}}^2}=0,\\ D\frac{d^{3}z}{{\mathrm{dx}}^3}=0,\end{array}\right.@x=1$

波矢量(波数)：

$k^4=w^2\frac{m}{D}$

在数字上降低。利用这个波矢量，长度为L以及宽度为W的传感器300，其包含着厚度为t_p、密度为p_p以及杨氏模量y_p的压电层以及厚度为t_n、密度为p_n以及杨氏模量y_n的非压电层的传感器300的谐振频率降低为：

$\begin{array}{c}{f}_n=\frac{v_n^2}{2\mathrm{\π}}\frac{1}{L^2}\sqrt{\frac{D_p}{m}}\\ D_p=\frac{y_p^2{t}_p^4+y_n^2{t}_{n+}^{4}2Y_p{Y}_n{t}_p{t}_n(2t_p^2+2t_n^2+3t_p{t}_n)}{12(Y_p{t}_p+Y_n{t}_n)}\\ m={\mathrm{\ρ}}_p{t}_p+{\mathrm{\ρ}}_n{t}_n\end{array}$

其中D_p为每单位宽度的弯曲模量，m为每单位区域的质量并且υ_n ²为无量纲的n阶模式特征值，其通过波因子乘以长度的积来定义。每单位宽度的弯曲模量可以重写为：

$\begin{array}{c}{D}_p=\frac{Y_{eff}{t}^3}{12}\\ Y_{eff}=\frac{y_p^2{t}_p^4+y_n^2{t}_{n+}^{4}2Y_p{Y}_n{t}_p{t}_n(2t_p^2+2t_n^2+3t_p{t}_n)}{12(Y_p{t}_p+Y_n{t}_n)}\\ r_p=\frac{t_p}{t};r_n=\frac{t_n}{t}\end{array}$

利用这个形式的数学关系，可以看出传感器300的有效杨氏模量Y_eff仅取决于材料的杨氏模量以及无量纲的厚度分数。进一步，每单位区域的质量可以重写为：

m＝tρ_eff

ρ_eff＝ρ_pr_p+ρ_nr_n

利用这些每单位区域质量、每宽度弯曲模量的修正，悬臂的谐振频率可以以更为方便的形式表述为：

$f_n=\frac{v_n^2}{2\mathrm{\π}\sqrt{12}}\frac{t}{L^2}\sqrt{\frac{r_{eff}}{{\mathrm{\ρ}}_{eff}}}$

谐振可以由于质量加载、吸收诱发的有差异的表面应力而改变。表面应力可以影响弹性常量，谐振频率可以利用下述关系式来表述：

$f_n^{\′}=\frac{{v_n^{\′}}^3}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K+\mathrm{\Δ}X}{M_e+\mathrm{\Δ}m}}$

其中f′_n为频率，ΔK为弹性常量由于吸收诱发的表面应力而发生的变化。表面应力将诱发轴向力N以及力矩M

$N={\∫}_0^{L}sdl=sl$

$M=\frac{slt}{2}$

其为沿着传感器300的正中面而作用的力。在等式中s代表每单位长度的应力，l代表长度，t为厚度。每单位长度的应力s等于作用于悬臂上的应力之和(s＝s₁+s₂)，其中s₁作用在顶表面，s₂作用在底表面。悬臂的拉伸或收缩力由最终的表面应力s₁以及s₂的符号来确定。谐振频率通过首先在贝努里-欧拉(Bernoulli-Euler)等式中考虑轴向力而得出：

$D\frac{{\∂}^{4}z}{\∂x^2}-N\frac{{\∂}^{2}z}{\∂x^2}+m_l\frac{{\∂}^{2}z}{\∂t^2}=0$

假设由表面应力引起的轴向力为常数并作用于柱的自由端，该轴向力由悬臂有效刚度的表面应力引起，并且忽视悬臂的弯曲刚度。对于这个模型，用于拉紧弦的方程式可重写为：

$N\frac{{\∂}^{2}z}{\∂x^2}+m_l\frac{{\∂}^{2}z}{\∂t^2}=0$

并且由此可以导出谐振频率：

$f=\frac{1}{4l}\sqrt{\frac{N}{n_g{m}_l}}=\frac{1}{4}\sqrt{\frac{s_1+z_2}{n_g{m}_b}}$

其中基础模式横波长为41，n_g为针对不同形状悬臂的几何系数，m₁为每单位长度的质量并且m_b为悬臂柱的质量。一般而言，整个传感器300也被用作质量块并行连接到两个弹簧上，所述弹簧具有整体特征系数K和表面应力系数Ks。由于表面吸收而引起的弹性常量的变化由下式给出：

$\mathrm{\Δ}K=\frac{{\mathrm{\π}}^2\frac{M_e}{m_b}}{4n_g}({\mathrm{\δs}}_1-{\mathrm{\δs}}_2)$

其中δsδs为吸收前和吸收后表面应力的改变。当ΔM＜＜m_b并且ΔK＜＜K时，吸收后的谐振频率可以逼近：

$f_2=f_1\[1+\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{\Δ}K}{K}-\frac{\mathrm{\Δ}M}{m_e})\]$

在生物传感应用中，器件必须以允许其完全浸没在水离子缓冲区且没有短路的方式电绝缘。器件还必须被浸没在包含有待检测的被分析物的外部储液池中。在一些实施例中，外部储液池为流动单元，其中溶液在选择为有助于抗原检测的条件下再循环。在一些实施例中，传感器300位于沟道的中心线上，并且位于与流体相切的面上。流体单元的原理为使得抗原以以增加选择性和敏感度并减小探测时间的方式与传感器300相接触。这通过保持层流流体来获得。当针对特定系统所计算的雷诺数(Re)小于约2000，流体被称为为“层流”，当Re超过2000，流体被命名为“紊流”。层流流体为这样一种流体，其特征在于，相邻层中运动的液体具有相同速度和压力流体。在层流流体中，由于流体由侧壁经过沟道的中心并且到向远端的侧壁运动，流体的速度和压力属性连续地变化。由此，可以获得数学等式，从而基于液体的物理属性、容积流率以及通过其液体进行流动的沟道的几何形状来预测空间中在给定点处的流体属性。

根据下面的方程，Re为密度ρ、动态粘滞度μ、液体的平均速度v，以及流体流动的沟道的特征长度D的函数：

$R_e=\frac{\mathrm{\ρ}D\stackrel{\‾}{v}}{\mathrm{\μ}}$

当液体流沟道的截面为矩形时，其特征长度为其宽度，当其截面为圆形时，其特征长度为圆形的直径。在沟道或导管中的液体的平均速度如下所示：

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{Q}{A}$

其中Q为液体的容积流率，并且A为流体沟道的横截面面积。流体为层流并且沟道的深度至少大于宽度的结果是，可以利用下面的针对层流流体速度数据轮廓的二维方程：

$v\left(z\right)=\frac{3}{2}\stackrel{\‾}{v}(1-{\left(\frac{2z}{h}\right)}^2)$

该方程示出，液体速度v是距离沟道中心线的距离z的函数，其中h为流体沟道的总宽度，此外，为在沟道中的流体的平均速度。通过审视此方程，，可以看出在沟道中流动的液体的速度轮廓为抛物线，并且其在沟道的侧壁处减小为零。速度在流体沟道的侧壁处消减到零的事实对于层流和紊流来说都成立并且被称为“无滑移”条件。注意到z＝0处被定义为沟道的中心且流体速度数据轮廓关于这个点对称。此外，可以看到在沟道的中心达到V_max，其中在沟道的中心处的液体速度被定义为：

$V\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{3}{2}\stackrel{\‾}{v}=v_{max}$

在一些实施例中，针对最大抗原检测的流体的优化可被应用于嵌入在压电悬臂的流体沟道中，例如传感器300。这种设计的优势在于流体单元和传感器为自容纳的，并且压电器件的机械震动可作为在腔内再循环溶液的泵。

图3B示出了根据示例性实施例的压电悬臂传感器301的顶部截面图。传感器301包括固定到夹具312的柱310。在柱310内嵌入沟道314。沟道314还流经夹具312。在一些实施例中，夹具312可以作为包含被分析物的溶液的入口和出口。随着溶液流经沟道314，一些被分析物可以接合到传感器301，改变其震动特性。可以通过例如测量传感器301谐振频率的改变来检测该改变。基于谐振频率改变，可以确定在溶液中是否出现了被分析物以及如果有，其浓度如何。

图3C示出了根据示例性实施例的多层压电传感器阵列303的侧视截面图。该阵列包括两个压电传感器320a和320b(统称为传感器320)。每个传感器320由两个压电层形成-上层322和下层324。传感器320在一端固定到夹具326上。嵌入式沟道328位于传感器320和夹具326内。

在一些实施例中，每个传感器的上层322可作为实验性传感器，而传感器的下层324作为控制传感器。在一些实施例中，传感器320a可以用来检测第一被分析物，传感器320b可以用来检测第二被分析物。阵列303可以包括任意数目的类似于传感器320a和320b的传感器。例如，可引入附加的传感器用来检测在测试溶液的单一样本中的任意数目的被分析物。在其他实施例中，两个传感器320可以用来检测相同的被分析物。

在一些实施例中，阵列303可以配置为生物传感器器件。例如阵列303可以用来检测细胞、寄生虫、细菌、病毒或其他可能指示着病人的医疗状况的被分析物的存在。为了实现这些被分析物的检测，传感器320可以包括设计为有助于将被分析物粘附到传感器320的表面的涂层。涂层可以配置为吸引并且粘附液体样本中的细胞，由此改变传感器320的震动特性。

在一些实施例中，测试液体可以是病人的体液样本。例如，引入到传感器阵列303中的测试液体可以是血样。病人可能显现出了一种或多种疾病的症状，并且传感器320可用于检测已知的可导致所怀疑的疾病的被分析物是否存在。在其他实施例中，测试液体可以为其中引入了来自病人的生物物质或其他感兴趣的对象的溶液。

在一些实施例中，阵列303的传感器320可被用于检测特定被分析物的浓度，而不仅仅其是否存在。例如，传感器可基于测试液体中被分析物的浓度而表现出不同的震动响应。相较于当测试液体中包含的被分析物浓度降低时粘附到传感器320的被分析物的质量而言，施加到传感器320表面的涂层可以配置为当测试液体中包含的被分析物浓度增加时粘附质量增加的被分析物到传感器320。传感器320的谐振频率可根据其质量的改变而改变。当阵列303用作生物传感器件时，确定测试液体中被分析物的浓度的能力较之检测其是否存在的能力而言更为有用。

在一个例子中，高的白血球数量可能指示着病人有感染、过敏或创伤。由于白血球通常也存在于健康人身体中，仅仅检测其在血液样本中是否存在并不能提供对于医生有用的信息。然而，阵列303可以配置为将白血球粘附到传感器320的表面。传感器320可以配置为基于在样本液体中的白血球的浓度而改变其谐振频率。从而使阵列303可以用来确定在血液样本中的白血球浓度。该信息可以被医生用来提供诊断或处方处置。

在一些实施例中，阵列303可以用来检测在单一液体样本中的几种不同的被分析物的存在或浓度。例如，阵列303可以包含任何数量的传感器320。每个传感器包含将特定被分析物进行粘附的不同涂层。这样，第一被分析物的存在可能影响一个传感器320的谐振频率，但是不会影响其他传感器320的谐振频率。阵列303的这种配置可以用来确定病人所表现出来的症状的特定原因。一个症状可能具有几个潜在原因，其中每一个由病人血液中存在的不同病毒来表征。阵列303可以设计为具有至少一个配置为检测这些被分析物的存在的传感器。可以将血液样本引入阵列303中，使得可通过测量传感器320的频率变化分析被分析物在血液样本中是否存在，，从而有助于医生进行诊断。

在一些实施例中，其他生物被分析物可以由阵列303的传感器320来检测。例如，传感器303可以配置为粘附液体样本中不同的蛋白质、DNA、RNA、糖分或脂肪。在一些实施例中，流体样本可以为液体，例如如上所讨论的血液等。在其他实施例中，流体样本可以为气体。在气态流体内的特定物质可以由传感器320检测到。在一个例子中，传感器320可以配置为粘附出现在气体样本中的孢子。传感器320谐振频率的改变可以被测量从而确定气体样本中是否存在孢子。

在一些实施例中，在这里所描述的压电器件的几个应用可被合并。例如，可以将压电能量采集器和压电生物传感器进行结合从而创建自行供能的传感器。在一个实施例中，自供能传感器可以用来监视水处理厂的水中的病原体。能量采集组件可以安装在水处理厂内的震动泵上并且可以如上面所讨论地从泵的震动采集能量。该能量可以接着被用来对传感器组件进行供能，其可以用于检测水供应中的一个活多个病原体。在一些实施例中，阵列303可以用来实施传感器组件。类似地，压电能量采集器可以用来对致动器进行供能，例如在图2A中示出的构件200。

图4示出了根据描述性实施的用于制备多层压电器件的工艺400的流程图。简要概览，工艺400包括形成下压电层，中间压电层，以及上压电层(块405)，在下压电层的下表面上淀积下电极(块410)，在下压电层的上表面上淀积第一中间电极(块415)，在上压电层的上表面上淀积上电极(块420)，在上压电层的下表面上淀积第二中间电极(块425)，将中间压电层的下表面放置在第一中间电极的上表面上(块430)，将中间压电层的上表面放置在第二中间电极的下表面上，将中间压电层的上表面放置在放置第二中间电极的下表面上(块435)，并且将下电极接合到第一压电层，将第一压电层接合到第一中间电极，第一中间电极接合到中间压电层，中间压电层接合到第二中间电极，并且将第二中间电极接合到上压电层，以及将上压电层接合到上电极(块440)。

再次参照图4，并且更为详细地，工艺400包括形成下压电层，中间压电层以及上压电层(块405)。在一些实施例中，压电层可以由例如PZT、PMN-T、P-PZT、NKN、LiNb或BT的陶瓷材料形成。例如，可以准备浆类陶瓷粉，并且利用诸如流延成型、注浆成型或碾压的技术来形成为薄片。每个薄片可以代表下压电层、中间压电层以及上压电层中的一个。

工艺400包括将下电极淀积在下压电层的下表面上(块410)。在一些实施例中，下电极可以由导电材料来形成，诸如铂或银钯、银、金、镍、铜或钨。下电极可以通过丝网印刷、漏板印刷、光刻或其他材料淀积技术来淀积。工艺400还包括将第一中间电极淀积在下压电层的上表面上(块415)，将上电极淀积在上压电层的上表面上(块420)，并且将第二中间电极淀积在上压电层的下表面上(块425)。在一些实施例中，第一中间电极、第二中间电极以及上电极可以由类似于可以用来形成下电极的导电材料的导电材料形成，并且可以根据相似的技术来淀积。在一些实施例中，工艺400还可以包括在压电层内限定通孔并且利用导电材料来填充通孔从而将一个或多个电极彼此电耦合。例如，在一些实施例中，下电极可以电耦合到上电极。类似地，在一些实施例中，下电极可以电耦合到上电极。类似地，在一些实施例中，第一中间电极可以耦合到第二中间电极。

工艺400包括将中间压电层的下表面放置在第一中间电极的上表面(块430)并且将中间压电层的上表面放置在第二中间电极的下表面上(块435)。在一些实施例中，工艺400可以包括在淀积电极的压电层内限定基准标记。基准标记可以有助于将多层器件的层进行对准。在一些实施例中，放置步骤(块430和块435)可以包括将器件的各个层的表面彼此相接触。

工艺400包括将第一压电层的下电极接合到第一压电层，第一压电层接合到第一中间电极，第一中间电极接合到中间压电层，中间压电层接合到第二中间电极，并且第二中间电极接合到上压电层以及上电极(块440)。在一些实施例中，接合步骤可以是在约20摄氏度到约300摄氏度的范围内的温度执行的层压技术。压电器件的各层可以同时彼此相接合。在其他实施例中，相邻的层可以单独地接合从而一层一层地建立起器件。

在一些实施例中，工艺400还可以包括在一个或多个压电层内限定沟道。例如，可以将牺牲材料注入压电层从而限定沟道。工艺400可以接着包括素烧步骤，其中器件经受约为500摄氏度的温度，其可导致牺牲材料分解，留下沟道嵌入在压电层之内。在一些实施例中，工艺400还可以包括烧结步骤从而增进压电层和电极的密实化。例如，可以在将电极材料淀积到压电层上之后对压电层以及电极进行共同烧结。在一些实施例中，所述共同烧结过程可以在约600摄氏度到约1500摄氏度的范围内的温度进行。

虽然在此对各种创新性的实施例进行了描述和说明，本领域的技术人员很容易构思出各种其他的装置和/或结构用以完成这里所描述的功能以及/或获得这里所描述的结果以及/或一个或多个优势，并且这种变形和/或修改的每一个被视为在这里所描述的创新性的实施例的范围内。更通常地，本领域的技术人员将轻易地理解这里所描述的所有参数、尺度、材料和配置都意味着是示例性的并且实际的参数、尺度、材料和配置将取决于特定的应用或应用们，针对其使用了创新性的教导。本领域的技术人员将会认识到或能够清楚的是无需利用对于这里所描述的特定创新性的实施例来说的常规实验过程以及很多等同物之外的事务。因此可以理解的是，上面的实施例仅作为示例而提出并且在权利要求及其等同物的范围内，可以实践特别描述和要求权利的之外的创新性实施例。本公开的创新性实施例指向这里所描述的各个个体特征、系统、物件、材料、工具以及/或方法。此外，如果这些特征、系统、物件、材料、工具以及/或方法彼此不相违，则这种特征、系统、物件、材料、工具以及/或方法中的两个或多个的任意组合包括在本公开的创新性范围内。

Claims (20)

1.一种多层压电器件，包括：

第一顶部电极；

第一压电层，其上表面位于所述顶部电极的下表面上；

第一中间电极，其上表面位于所述第一压电层下表面上；

绝缘层，其上表面位于所述第一中间电极的下表面上；

第二中间电极，其上表面位于所述绝缘层的下表面上；

第二压电层，其上表面位于所述第二中间电极的下表面上；以及

底部电极，其上表面位于所述第二压电层的下表面上，其中：

所述绝缘层基本上位于所述压电器件的纵向中心；以及

所述第一中心电极电连接到第二中心电极。

2.根据权利要求1的多层压电器件，其中所述第一顶部电极、第一压电层、第一中间电极、绝缘层、第二中间电极、第二压电层以及底部电极通过高温熔接在一起。

3.根据权利要求1的多层压电器件，其中所述绝缘层采用与第一和第二压电层相同的材料形成。

4.根据权利要求1的多层压电器件，其中所述第一中间电极电耦合到第二中间电极。

5.根据权利要求1的多层压电器件，其中所述第一顶部电极电耦合到底部电极。

6.根据权利要求1的多层压电器件，进一步包括第二顶部电极，其下表面位于所述第一压电层的上表面上，所述第二顶部电极与第一顶部电极电隔离。

7.根据权利要求6的多层压电器件，其中所述第二顶部电极电耦合到第一中间电极和第二中间电极中的一个。

8.一种压电器件阵列，所述阵列包括第一压电柱和第二压电柱，所述第一和第二压电柱分别与夹具耦合，并沿与所述夹具基本上垂直的方向延伸，其中所述压电柱配置为彼此同相位振动。

9.根据权利要求8的压电器件阵列，其中，当第一和第二压电柱静止时，所述第一压电柱的表面基本上与第二压电柱的表面相接触。

10.根据权利要求8的压电器件阵列，进一步包括与第一压电柱耦合的第一质量体以及与第二压电柱耦合的第二质量体，选择所述第一质量体和第二质量体使所述第一和第二压电柱同相位振动。

11.一种压电传感器，包括第一压电柱，其第一端固定在夹具上，所述第一压电柱包括内嵌到第一压电柱中并用于传送测试液体的沟道。

12.根据权利要求11的压电传感器，进一步包括第二压电柱，其第二端固定在夹具上，所述第二压电柱包括内嵌到第二压电柱中并用于传送测试液体的第二沟道。

13.根据权利要求12的压电传感器，其中所述第一柱用于检测测试液体中第一被分析物的存在，所述第二柱用于检测测试液体中与第一被分析物不同的第二被分析物的存在。

14.根据权利要求12的压电传感器，其中第一柱和第二柱都用于检测测试液体中第一被分析物的存在。

15.根据权利要求12的压电传感器，其中当第一压电柱和第二压电柱静止时，第一压电柱的表面基本上与第二压电柱的表面相接触。

16.一种用于制备多层压电器件的方法，所述方法包括：

形成下压电层、中间压电层以及上压电层：

在下压电层的下表面上淀积下电极；在下压电层的上表面上淀积第一中间电极；

在上压电层的上表面上淀积上电极；在上压电层的下表面上淀积第二中间电极；

将中间压电层的下表面放置在第一中间电极的上表面上；

将中间压电层的上表面放置在第二中间电极的下表面上；并且

将下电极接合到第一压电层，第一压电层接合到第一中间电极，第一中间电极接合到中间压电层，中间压电层接合到第二中间电极，第二中间电极接合到上压电层并将上压电层接合到上电极。

17.根据权利要求16的方法，其中，形成下压电层、中间压电层以及上压电层包括：

准备压电材料浆体；以及

将所述浆体流延成型以形成下压电层、中间压电层以及上压电层。

18.根据权利要求16的方法，进一步包括烧结下压电层、中间压电层以及上压电层。

19.根据权利要求16的方法，进一步包括在下压电层、中间压电层以及上压电层中的一个内形成沟道。

20.根据权利要求16的方法，其中，在下压电层的下表面上淀积下电极进一步包括将导电材料丝网印刷到下压电层的下表面上。