CN107068847A - 一种压电器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电器件及其制作方法，所述压电器件包括叠置的参考电极层、第一导电层以及第二导电层，所述参考电极层、第一导电层以及第二导电层中的至少之一的表面上设置有保护膜层。通过设置保护膜层，提高压电器件表面金属电极的抗腐蚀性和耐磨损性，利于压电器件的保存；此外，通过给不同电极加工不同厚度不同材料的保护膜层，能够使表面电极与外界绝缘，降低外界对压电器件工作的影响，提高压电器件工作的稳定性，实现不同的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及压电器件领域，具体涉及一种叠置有保护膜层的压电器件及其制作方法。
背景技术
由于压电器件体积小、结构简单、设计灵活，因此被广泛应用于微电子技术、光电子技术、传感技术、医用仪器、航空航天以及家用电器等方面。压电器件主要是利用正压电效应或逆压电效应，实现机械能与电能之间的相互转换。压电器件常用的压电材料有压电单晶、压电陶瓷以及压电薄膜，上述压电材料的表面电极一般通过蒸镀或者溅射的方法在压电材料本体表面形成一层0.1～5μm厚的金属层，用作压电器件的电极。
常用作金属电极的材料主要有：金、银、铜、铝、铂、钛、铬等。由于金属电极长期暴露在空气中很容易被氧化、侵蚀或者因为不当操作而受损，影响压电器件的正常使用。
以压电变压器为例，压电变压器的表面电极一般分为输入电极、输出电极以及参考电极。除金属电极容易被氧化、侵蚀外，又由于压电变压器是频率依赖型元件，其谐振频率通常几十kHz以上。并且压电变压器的功率密度很高，理论上在应力极限的下，其功率密度可达300W/cm3～600W/cm3。工作中的压电变压器因为高频振动和热量的聚集，其电极部分容易受损或者老化，导致压电变压器的性能下降，工作稳定性变差，无法满足正常的工作需求。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中的压电变压器容易受损或者老化的缺陷。
有鉴于此，本发明提供一种压电器件，包括叠置的参考电极层、第一导电层以及第二导电层，所述参考电极层、第一导电层以及第二导电层中的至少之一的表面上设置有保护膜层。
可选地，所述参考电极层、第一导电层以及第二导电层的每个与外部空间相接触的表面上均设置有保护膜层。
可选地，所述表面中用于与外部散热装置相接处的表面上设置的保护膜的厚度大于其它表面上设置的保护膜的厚度。
可选地，所述第一导电层和第二导电层材料与外部空间相接处的表面上的保护膜层均由第一材料构成，所述参考电极层与外部空间相接触的表面上的保护膜层由第二材料构成。
可选地，所述保护膜设置在所述参考电极层与外部散热装置相接触的表面上。
可选地，所述保护膜的膜厚为0.5μm至200μm。
可选地，所述保护膜的膜厚为21μm。
可选地，所述保护膜层的材料为聚对二甲苯或石墨烯。
相应地，本发明还提供一种压电器件的制作方法，包括如下步骤：
提供压电材料本体；
在所述压电材料本体的第一面上形成第一导电层和第二导电层；
在所述压电材料本体的第二面上形成参考电极层；
在所述第一导电层、所述第二导电层、所述参考电极层中的至少之一的表面上形成保护膜层。
可选地，所述形成保护膜层的方法为表面处理法。
可选地，所述表面处理法为真空化学气相沉积。
可选地，所述保护膜的膜厚为0.5μm至200μm。
可选地，所述保护膜的膜厚为21μm。
可选地，所述保护膜层的材料为聚对二甲苯或石墨烯。
可选地，所述压电器件为压电变压器、压电马达、压电泵、压电振荡器、压电滤波器、压电换能器、压电惯性传感器、压电水声器件、铁电器件、热电器件。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的压电器件，通过在参考电极层、第一导电层以及第二导电层中的至少之一的表面上设置有保护膜层，从而提高压电器件表面金属电极的抗腐蚀性和耐磨损性，利于压电器件的保存。
2.本发明提供的压电器件，通过给不同电极加工厚度不同的保护膜，在不影响压电器件能量转换效率的情况下，实现不同的应用需求。
3.本发明提供的压电器件，通过给不同电极采用不同材料的保护膜，能够使表面电极与外界绝缘，降低外界对压电器件工作的影响，提高压电器件的工作稳定性。
4.本发明提供的压电器件的制作方法，采用表面处理法在参考电极层、第一导电层以及第二导电层中的至少之一的表面上形成有保护膜层，由于各电极层的形成方法同样适用于保护膜层，该制作方法工艺简单，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中压电器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1中不同膜厚的压电变压器在悬置状态下的输出和效率的关系曲线图；
图3为本发明实施例1中不同镀膜方式下压电变压器电极面磨损百分比和压电变压器工作时长的关系曲线图；
图4为本发明实施例2中压电器件的结构示意图；
图5为本发明实施例3中压电器件制作方法流程图；
附图标记：1a-压电材料本体；2a-第一导电层；3a-第二导电层；4a-参考电极层；5a-保护膜层；6a-散热装置；
1b-压电材料本体；2b-第一导电层；3b-第二导电层；4b-参考电极层；5b-保护膜层；6b-散热装置；
51-膜厚为4.5μm的压电变压器在悬置状态下的输出和效率关系曲线；52-膜厚为2.5μm的压电变压器在悬置状态下的输出和效率关系曲线；53-膜厚为7μm的压电变压器在悬置状态下的输出和效率关系曲线；54-膜厚为0.05μm的压电变压器在悬置状态下的输出和效率关系曲线；55-膜厚为0μm的压电变压器在悬置状态下的输出和效率关系曲线；71-直接接触方式下，电极面磨损百分比与压电变压器工作时长关系曲线；72-镀6μm厚的聚对二甲苯薄膜方式下，电极面磨损百分比与压电变压器工作时长关系曲线；73-镀21μm厚的聚对二甲苯薄膜方式下，电极面磨损百分比与压电变压器工作时长关系曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种压电器件，如图1所示，该压电器件包括压电材料本体1a、以及叠置的参考电极层4a、第一导电层2a和第二导电层3a，以及散热装置6a。本领域技术人员可以理解，散热装置6a的数量和位置可以根据实际应用场景进行设定，例如可以与参考电极层4a、第一导电层2a和第二导电层3a中的至少一个相接触。在本实施例中，压电器件只设有1个散热装置6a，其设置在参考电极层4a与外界直接接触的表面。参考电极4a与散热装置6a之间还设置有保护膜层5a，厚度范围可以为0.5μm至200μm。
本实施例中参考电极层4a作为第一导电层2a和第二导电层3a的公共电极，在工作过程中，由于保护膜层5a的设置，减少由于压电器件的高频振动以及热量的聚集所导致的参考电极层4a与散热装置6a直接接触的部分受损或老化，从而延长压电器件的使用寿命以及保证其工作的稳定性。
保护膜层5a的材料可以为聚对二甲苯或石墨烯。
聚对二甲苯(又称为Parylene)具有优良的力学性能和电学性能，其介电常数和介电损耗比较小。聚对二甲苯化学惰性，不溶于酸碱、并能抗水解剥蚀；其表面呈疏水性，对水汽和腐蚀性气体有很低的渗透性，并有较高的电绝缘性和热稳定性。经聚对二甲苯材料在压电材料器件表面形成的膜能有效地提高压电器件的抗腐蚀性能和耐磨损性能，减少压电器件受环境波动的影响。
石墨烯具有很高的导热性、导电性，并且具有超高的强度。在生产中很容易制备大面积，晶体结构完整，产品质量很高的石墨烯薄膜。表面生长石墨烯薄膜的压电器件，耐物理磨损，其散热能力得到改善，其导电性能也得到加强。
实验使用尺寸为30×20×0.4mm3的矩形轮廓振型的带辅助散热装置的压电变压器，在其和散热装置直接接触的参考电极表面镀聚对二甲苯膜层。测试镀膜的压电变压器在工作的时候的温升，转换效率，以及长期工作下对镀膜表面电极的保护作用。
图2示出了本实施例中不同膜厚的压电变压器在悬置状态下的输出和效率的关系曲线图，具体地，压电变压器(Piezoelectric transformer，简称PT)在每个状态下工作三分钟，然后采集三组数据，三组数据计算结果取平均作为PT在这个状态下的输出。在PT输出140Vpp附近时，膜厚0μm和0.05μm的PT的转换效率最低，约为88％，膜厚为7μm的PT，转换效率90％左右。
膜厚为2.5μm和4.5μm的PT的输出效率最大，91％附近。
在悬置条件下工作，镀一定厚度的膜的效率要比不镀膜的转换效率要高一些。
图3示出了本实施例中不同镀膜方式下压电变压器电极面磨损百分比和压电变压器工作时长的关系曲线图，具体地，压电变压器持续工作80小时，平均磨损速率约为0.6％每10小时。使用6μm厚Parylene薄膜的压电变压器在散热装置中工作的磨损速率比使用高导热石墨薄膜的方式的磨损速率明显减小。使用Parylene膜的压电变压器的磨损在持续100小时的工作中，初始压电变压器的磨损速率非常低，随后稍有突增，但磨损速率基本保持不变，平均磨损速率为0.15％每10小时。因为Parylene膜良好的绝缘性和表面强度，对压电变压器的电极面形成保护层，在压电变压器的工作中，由于压电变压器良好的附着能力，压电变压器电极面和Parylene薄膜之间无相对运动，Parylene薄膜和散热铜片直接接触，工作磨损首先产生在Parylene薄膜上。随着压电变压器的持续工作，Parylene薄膜磨损的位置处的电极面“裸露”出来，“裸露”出来的电极面和散热铜片直接接触，并被迅速磨损，在随后的过程中压电变压器电极面的磨损速率和Parylene膜磨损基本一致。21μm厚的Parylene薄膜的压电变压器的磨损过程和6μm压电变压器的磨损过程相同。由于Parylene膜厚增加，在持续的工作中更不容易磨损，因此压电变压器的磨损速率更低，在持续720小时的工作中，平均磨损损率仅为0.01％每10小时。
实施例2
本实施例提供一种压电器件，如图4所示，包括压电材料本体1b、叠置的参考电极层4b、第一导电层2b和第二导电层3b，以及散热装置6b。与前一实施例不同的是，本实施例的压电器件在第一导电层2b、第二导电层3b与外界空间直接接触的表面以及参考电极层4b与散热装置6b接触的表面均设置有保护膜层5b。
由于参考电极层4b、第一导电层2b以及第二导电层3b常采用银、铜、铝、铂、钛、铬等金属材料制成，通过在参考电极层4b、第一导电层2b以及第二导电层3b的表面上设置有保护膜层5b，可防止金属电极长时间与外部空间相接触所引起的金属电极表面被氧化或侵蚀，从而提高压电器件表面金属电极的抗腐蚀性和耐磨损性，利于压电器件的保存。
作为本发明的一种可选的本实施例，不同的电极上的保护膜的厚度可以选用不同的材料，从而满足实际需求。不影响压电变压器能量转换效率的情况下，用于与外部散热装置相接处的表面上设置的保护膜的厚度可以大于其它表面上设置的保护膜的厚度。即压电器件和散热装置直接接触的参考电极层的保护膜层5b，厚度可略微增大，与散热装置不接触的第一导电层2b以及第二导电层3b可以选择不镀膜或者膜厚度偏薄，以减少对压电变压器的能量转换效率的影响。
在本实施例中，第一导电层2b和第二导电层3b材料与外部空间相接处的表面上的保护膜层5b均由第一材料构成，参考电极层4b与外部空间相接触的表面上的保护膜层5b由第二材料构成。本实施例中的第一材料或第二材料选自但不限于聚对二甲苯或石墨烯，现有技术中所有能实现本发明目的的材料均属于本发明的保护范围。
通过实施例1和实施例2可以得知，保护膜层5b即可以设置在电极与散热装置之间，以减少散热装置对电极的损耗，也可以设置在电极与外部相接触的表面上，以防止空气对电极的损耗。也即保护膜层5b可设置在参考电极层4b、第一导电层2b以及第二导电层3b中的至少之一的表面上。
实施例3
本实施例提供一种压电器件的制作方法，如图5所示，该方法包括如下步骤：
S01：提供压电材料本体，本实施例中的压电材料本体为压电单晶、压电陶瓷或压电薄膜；
S02：在压电材料本体的第一面上形成第一导电层和第二导电层，作为本发明可选的一种实施例，第一导电层和第二导电层同层制备；
S03：在压电材料本体的第二面上形成参考电极层，本实施例中的参考电极层与第一导电层配合使用构成压电器件的驱动部分，参考电极层与第二导电层配合使用构成压电器件的输出部分；
S04：在第一导电层、第二导电层、参考电极层中的至少之一的表面上形成保护膜层，作为本发明的一种可选本实施例，采用表面处理法形成保护膜层。
本实施例中，选自但不限于真空化学气相沉积法形成保护膜层，该保护膜的膜厚为0.5μm至200μm，当制成的保护膜层的膜厚为21μm时，压电器件的工作输出稳定，能量转换效率有所提高，压电变压器的平均温升不高，对电极面的保护作用明显。
本实施例中的保护膜层的材料选自但不限于聚对二甲苯或石墨烯，现有技术中所有能实现本发明目的的材料均属于本发明的保护范围。
本实施例中的压电器件为压电变压器、压电马达、压电泵、压电振荡器、压电滤波器、压电换能器、压电惯性传感器、压电水声器件、铁电器件、热电器件。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (15)
1.一种压电器件，包括叠置的参考电极层、第一导电层以及第二导电层，其特征在于，所述参考电极层、第一导电层以及第二导电层中的至少之一的表面上设置有保护膜层。
2.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述参考电极层、第一导电层以及第二导电层的每个与外部空间相接触的表面上均设置有保护膜层。
3.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于，所述表面中用于与外部散热装置相接处的表面上设置的保护膜的厚度大于其它表面上设置的保护膜的厚度。
4.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层材料与外部空间相接处的表面上的保护膜层均由第一材料构成，所述参考电极层与外部空间相接触的表面上的保护膜层由第二材料构成。
5.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述保护膜设置在所述参考电极层与外部散热装置相接触的表面上。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的压电器件，其特征在于，所述保护膜的膜厚为0.5μm至200μm。
7.根据权利要求6所述的压电器件，其特征在于，所述保护膜的膜厚为21μm。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的压电器件，其特征在于，所述保护膜层的材料为聚对二甲苯或石墨烯。
9.一种压电器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供压电材料本体；
在所述压电材料本体的第一面上形成第一导电层和第二导电层；
在所述压电材料本体的第二面上形成参考电极层；
在所述第一导电层、所述第二导电层、所述参考电极层中的至少之一的表面上形成保护膜层。
10.根据权利要求9所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述形成保护膜层的方法为表面处理法。
11.根据权利要求10所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述表面处理法为真空化学气相沉积。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述保护膜的膜厚为0.5μm至200μm。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述保护膜的膜厚为21μm。
14.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述保护膜层的材料为聚对二甲苯或石墨烯。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述压电器件为压电变压器、压电马达、压电泵、压电振荡器、压电滤波器、压电换能器、压电惯性传感器、压电水声器件、铁电器件、热电器件。
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