CN1082256C - 陶瓷膜结构体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷膜结构体包括一个具有至少一个窗口部分的陶瓷基体，和一被层压以便覆盖窗口部分的陶瓷薄膜片，其中将该陶瓷膜结构体整体形成以便使该陶瓷薄膜部分在窗口部分的相反方向上向外凸出，并且陶瓷连接层将该陶瓷薄膜片连接到陶瓷基体上。该陶瓷膜结构体具有高共振频率，高强度，优异质量和高可靠性。

Description

陶瓷膜结构体及其制造方法
本发明涉及一种陶瓷膜结构体及制造该陶瓷膜结构体的方法。特别是，本发明涉及一种具有薄膜部分特殊构型的陶瓷膜结构体和有利地制造该陶瓷膜的方法。
按常规已经将膜结构体用于各种传感器的部件或类似部件。最近人们已将注意力集中到作为压电/电致伸缩致动器部件的膜结构体上。该膜结构体包括一个具有至少一个窗口部分的基体和一个由覆盖该窗口部分的韧性的薄膜材料形成的薄膜。当该膜结构体被用作传感器部件时，将该膜结构体如此构成以便用适当的方法探测由用膜部分测量的标的物(object)引起的弯曲位移。当该膜结构体被用作压电/电致伸缩致动器部件时，该膜结构体应用条件是：通过压电/电致伸缩元件使该膜部分变形，在膜结构体内形成的空部分中产生一个压力。
将基体与形成膜的膜部件整体复合来生产这样的膜结构体。出于可靠性，热阻性，抗腐蚀能力等方面的考虑，人们曾考虑通过整体烧制一种陶瓷来形成这样的膜结构体。在JP(特开)63-292032，和JP(特开)5-49270中，本发明人已公开了一种压力探测器或一种压电/电致伸缩致动器，其中使用了一由整体烧制获得的陶瓷膜结构体。
通常通过烧制一种整体层压物来获得该陶瓷膜结构体，而该层压物组成为：(1)一具有预定构型和一窗口部分的基体陶瓷坯，(2)一覆盖该窗口部分的薄片陶瓷坯。然而，本发明人发现：在整体烧制操作中有些问题，即由片陶瓷坯形成的并位于基体陶瓷坯窗口部分的膜部分变形为凹下(沉陷)形状(膜部分在窗口部分相反方向上凸起的形状为凸出形状)或有裂纹。在膜部分中，这样的沉陷或裂纹阻碍该膜的功能和操作并使该膜的可靠性减小。
另外，就这种陶瓷膜结构体来说，通常尽量使膜部分变平。然而，在这样的平面膜部分中，还有些问题。因为强度不足，所以增加共振频率和使该部分变薄是困难的。还有，在表面上形成的电极膜或压电/电致伸缩膜不能被满意地烧结。
因此，在JP(申请)6-122733中，本发明人已在先公开了一种陶瓷薄膜结构体。该膜结构体在膜部分中不会沉陷，开裂等，并能增加该膜的共振频率。还有，该膜结构体强度优异，并能满意地烧结在该膜部分的表面上形成的各种膜而烧结不会受阻。
通过控制基体陶瓷坯和覆盖窗口部分的薄片陶瓷坯之间的烧结速度和烧制收缩率来生产该陶瓷膜结构体。然而，当一个基体由许多结构体组成，而每个结构体有大量的窗口部分时，膜部分有时有沉陷或有凸出高度的变化。
本发明是在这种情况做为背景的条件下完成的。本发明的一个目的是提供一具有高度可靠性的陶瓷薄膜结构体。即该膜结构体具有一由许多膜结构体组成，而每个膜结构体又有大量的窗口部分(膜部分)的基体时，该膜部分也不会有任何沉陷或开裂，并且能增加共振频率。该膜部分强度优异，并能烧结在膜部分的表面上形成的各种膜。本发明另一个目的是提供一种有利地生产该膜结构体的方法。
本发明的一个方面是提供一种陶瓷膜结构体，它包括：具有至少一个窗口部分的陶瓷基体；一被层压以便覆盖窗口部分的陶瓷薄膜片，其中整体形成陶瓷膜结构体以便使陶瓷薄膜部分以窗口部分的方向相反凸起，并且陶瓷连接层将陶瓷薄膜片连接到该陶瓷基体上。
该陶瓷膜片优选地由做为主要成分含有稳定氧化锆部分稳定氧化锆、氧化铝或它们的混合物的材料组成。
每个陶瓷基体，陶瓷膜片，陶瓷连接层的平均晶体颗粒尺寸最好是5μm或更小。还有，该膜部分具有30μm或更小的厚度。该陶瓷连接层具有50μm或更小的厚度。该膜部分由相对密度至少为90％的致密材料组成。
本发明的另一个方面是提供一种制造陶瓷膜结构体的方法，它包括步骤：(a)制备一基体陶瓷坯；(b)在基体陶瓷坯上形成一具有预定厚度的连接层陶瓷坯；(c)在其上形成连接层陶瓷坯的基体陶瓷坯上形成至少一个窗口部分；(d)制备一具有预定厚度的薄片陶瓷坯；(e)通过将该片陶瓷坯层压在具有至少一个窗口部分的基体陶瓷坯上面以便覆盖在连接层陶瓷坯一面的窗口部分来制备整体形成的层压体坯；(f)烧制该层压体坯以获得整体的烧结体，其中在基体陶瓷坯的窗口部分形成薄膜部分，且与层压体坯的烧制同时发生，该膜部分以窗口部分的方向相反凸起。
在该方法中，调整基体陶瓷坯，片陶瓷坯和连接层陶瓷坯以便使中等烧结温度和收缩率满足公式：
S(基体)-S(片)≥-0.08{T(基体)-T(片)}-1
0≤T(基体)-T(片)≤300
S(基体)-S(片)≤20
和
300≥T(基体)-T(连接层)≥20
或
-350≤T(基体)-T(连接层)≤-50
[S(基体)和S(片)代表当在与层压体坯烧制温度相同的温度下分别烧制基体陶瓷坯和片陶瓷坯时，沿表面方向上的收缩率(％)。T(基体)、T(片)和T(连接层)代表当在与层压体坯烧制温度相同的温度下分别烧制该基体陶瓷坯、片陶瓷坯和连接层陶瓷坯时，在沿表面方向的收缩率(％)达到70％时的烧制温度(℃)。]
该片陶瓷坯优选地由含有完全稳定氧化锆材料、部分稳定氧化锆材料、氧化铝材料的材料或做为主要成分含有它们的混合物的材料形成，每种材料的平均粒径为0.05-1.0μm。该材料可以含有30％或更少的烧结助剂，例如粘土、二氧化硅、氧化镁、过渡金属氧化物等。
图1表示本发明氧化锆薄膜结构体基本结构的一个技术方案。
图2是表示图1所示的膜结构体底部的底面图。
图3是表示将片陶瓷坯与基体陶瓷坯复合以制备图1所示的膜结构体的一个技术方案的草图。
图4是表示图1所示的膜结构体一被放大的重要部分的部分截面草图。
图5是表示压电/电致伸缩膜元件的一个技术方案的截面图，其中使用了本发明陶瓷薄膜结构体。
图6是图5所示的分解了的压电/电致伸缩膜元件的透视图。
图7是一膜结构体(包括一隔片和四基体片的5层制品)的截面图。
图8是用于实例的一膜结构体的底层平面图。
图9是一具有9个用于实例的膜结构体的基体的一底层平面图。
在本发明中，膜部分在陶瓷膜结构体中形成向外凸出的形状，其中薄膜部分整体形成以便覆盖在陶瓷基体上设置的窗口部分。在图1和2中表示了本发明陶瓷膜结构体的一个技术方案。顺便说一下，该技术方案的陶瓷膜结构体只有一个窗口部分。
这样，在图中，膜结构体2由一具有一长方形窗口部分6并作为支撑体的陶瓷基体4和一覆盖该窗口部分6的薄膜片8整体组成，该片被放在陶瓷基体4的一个表面上，基体4具有预定的厚度，窗口部分6具有预定的尺寸。相对于该陶瓷基体4窗口部分6的膜片8的一部分是膜部分10。像如图3所示那样来生产该膜结构体2。薄片陶瓷坯12产生陶瓷膜片8。在其上形成连接层陶瓷坯18的基体陶瓷坯14产生陶瓷基体4。将薄片陶瓷坯12放在基体陶瓷坯14上以便使片12覆盖窗口部分16以经受热压配合来获得整体的层压体。将整体的层压体烧制来获得一陶瓷膜结构体2。顺便说一下，通过层压大量的片部件或基体部件可以分别形成片陶瓷坯12和基体陶瓷次坯14。该膜结构体2的窗口部分6的形状，也就是说，该膜部分10的形状在图中是一长方形。然而，该形状不限于长方形，可相应地选择任何形状，例如：环、多边形、椭园等、或它们的复合体。
在本发明中，将膜结构体2如此构成以便使窗口部分6向外凸出，也就是说，相对于窗口部分6具有一曲面形状，这样消除了一些缺陷，如沉陷或开裂的发生，并具有了平面形状的膜部分10不能获得的优点，例如：共振频率增加、抵抗外力的强度得到提高、避免在该膜部分10的外表面上形成的膜的烧结的障碍。因此，该膜结构2的应用被明显地扩大。因为共振频率f正比于 这里2A代表膜片8的外直径，H代表凸出高度，E代表材料的扬氐模量ρ，ρ代表材料的密度。因此，通过调整凸出高度能任意地改变共振频率f。特别是，当增加凸出高度时，甚至使用薄的膜片8，也能增加刚性，并增加共振频率f。
在该膜结构体2中，凸出量取决于该膜结构体2的应用。一般地，为了获得具有上述足够效率的膜结构体，凸出率y[y＝h/m)×100]是1或更高。在此，＂m＂代表在陶瓷基体中通过窗口部分6中心的最短尺寸，＂h＂是膜部分10中心周围的凸出量，换言之，最大凸出量。尽管要适当地确定凸出率y的上限，但该上限一般约为50％。
在本发明膜结构体2中，能从各种已知的陶瓷原料中适当地选择用于陶瓷基体4，陶瓷膜片8和陶瓷连接层1的原料。在它们之中，陶瓷膜片8一般由做为主要成分含有稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝、莫来石、氧化铍、夹晶石、二氧化钛、氮化铝、氮化硅或它们的混合物的材料形成。在它们之中，该陶瓷膜片8最好是由做为主要成分含有稳定二氧化锆、部分稳定二氧化锆、氧化铝或它们的混合物的材料形成。特别是，优选的材料，做为主要成分，含有由四方晶体形成的部分稳定二氧化锆或混合晶相，像本发明人在JP(特开)5-270912所公开的那样，该混合晶相含有选自于四方晶体、立方晶体和单斜晶体中的至少两种晶相。由这样的材料形成的膜片8不仅具有高强度，高热阻性，高抗腐蚀性的优异性能，而且又薄又有韧性。因此，该膜片8能产生有效的膜结构体。顺便说一下，为了获得膜结构体2的整体结构，陶瓷基体4和陶瓷连接层1最好由用于陶瓷膜片8的前述原料形成。然而，对于陶瓷基体4或陶瓷连接层1，也能使用其它陶瓷原料，如玻璃陶瓷，堇青石等。
另外，出于力学强度的考虑，构成陶瓷基体4，陶瓷膜片8(膜部分10)和陶瓷连接层1的陶瓷优选地具有一般为5μm或更小，希望为3μm或更小，更希望为1μm或更小的平均晶体颗粒尺寸。陶瓷膜片8在陶瓷基体4的窗口部分6处形成薄膜部分10。出于振动性能的考虑，陶瓷膜片8希望具有30μm或更小，特别优选为3-20μm的厚度。此外，出于材料性能如强度、扬氏模量等的考虑，陶瓷膜片8具有优选为90％或更多，更优选为95％或更多，再进一步优选为98％或更多的相对密度(松散密度/理论密度)。
陶瓷连接层1优选地具有50μm或更小的厚度。当陶瓷连接层太厚时，它将影响膜部分的凸出形状。
顺便说一下，出于制造的考虑，尽管陶瓷基体4的厚度优选是50μm，但根据陶瓷基体4的使用目的，可相应地选择基体4的厚度。没有特别限制构成膜结构体2的陶瓷基体4的烧结程度，而且根据膜结构体2的使用目的，相应地确定该烧结程度。陶瓷基体4能有复层结构。如果陶瓷基体4是由类似于膜片8的陶瓷材料形成，该膜结构体在层叠表面间的可靠性等方面是有利的。
在普通技术人员专业知识的基础上能用各种方法来生产陶瓷膜结构体。特别是，本发明有利方法之一是应用下列(a)-(f)步骤的方法。
首先，在(a)步骤中，如图3所示那样制备基体陶瓷坯14。在(b)步骤中，在基体陶瓷坯14上形成一具有预定厚度的连接层陶瓷坯18。在(c)步骤中，在其上形成连接层陶瓷坯18的基体陶瓷坯14上形成至少一个窗口部分16。在(d)步骤中，制备一具有预定厚度的薄片陶瓷坯12。
顺便说一下，前述陶瓷原料适用于制造基体陶瓷坯14，连接层陶瓷坯18和片陶瓷坯12。在它们之中，片陶瓷坯12由平均粒径为0.05-1.0μm、粉状、并做为主要成分含有稳定二氧化锆、部分稳定二氧化锆氧化铝或它们的混合物的材料或烧制后含有这些成分的材料形成。在陶瓷原料中，加入胶结剂、塑化剂、分散剂、烧结助剂、有机溶剂等按常规方法制备料浆或浆体。按常规已知的方法，如刮浆、辗压、印刷、反辊覆涂法等由该料浆或浆体来形成都具有预定厚度的基体陶瓷坯14和片陶瓷坯12。然后，如果需要，对基体陶瓷坯14和片陶瓷坯12进行处理，如切割、模切割等或将许多片层压来获得都具有预定形状和预定厚度的基体陶瓷坯14和片陶瓷坯12。通过用前述料浆或浆体印刷或喷涂在基体陶瓷坯14上形成一连接层陶瓷坯18。顺便说一下，也可采用层压连接层陶瓷坯18的方法，其中像基体陶瓷坯14和片陶瓷坯12那样首先形成片陶瓷坯，然后将该片陶瓷坯层压在基体陶瓷坯14上。在(e)步骤中能马上层压该连接层陶瓷坯18。
在下一步骤(e)中层压准备好的片陶瓷坯12来形成一层压体。也就是，在前述基体陶瓷坯14上层压一薄片陶瓷坯12以便覆盖基体陶瓷坯14的窗口部分16。然后对该片陶瓷坯加压，使它与基体陶瓷坯14等相接触以便获得整体层压体。
之后，在(f)步骤中，烧制该层压体以便获得整体的烧结体。在该步骤中，在基体陶瓷坯14的窗口部分16上形成一薄膜部分10。该膜部分10相对于窗口部分16或6向外凸出以便在烧制该层压体的同时使膜部分10具有曲面形状。这样便获得如图1和4所示的陶瓷膜结构体2。顺便说一下，烧制温度一般为1200-1700℃，优选为1300-1600℃。
为了在烧制由片陶瓷坯12，基体陶瓷坯14和连接层陶瓷坯18组成的层压体的同时使该膜部分向外凸出成曲面形状，要选择陶瓷原料、粉末原料的粒径、添加剂如胶结剂、分散剂、烧结助剂和它们的数量。另外，要控制用于获得料浆或浆体的原料的混合条件和烧制温度，进而控制片陶瓷坯12，基体陶瓷坯14，和连接层陶瓷坯18的烧结速度和烧制收缩率以便当烧制时由片陶瓷坯12形成的膜部分10向外凸出成曲面形状。
特别是，在本发明中，调整片陶瓷坯12、基体陶瓷坯14和连接层陶瓷坯18以便使中等烧结温度和收缩率满足下列公式(a)：
S(基体)-S(片)≥-0.08{T(基体)-T(片)}-1
0≤T(基体)-T(片)≤300
S(基体)-S(片)≤20
和
300≥T(基体)-T(连接层)≥20
或
-350≤T(基体)-T(连接层)≤-50
[S(基体)和S(片)代表当在与层压体烧制温度相同的温度下分别烧制基体陶瓷坯和片陶瓷坯时，沿表面方向上的收缩率(％)。T(基体)，T(片)和T(连接层)代表当在与层压体烧制温度相同的温度下分别烧制该基体陶瓷坯、片陶瓷坯和连接层陶瓷坯时，且当沿平面方向的收缩率达到70％时的烧制温度(℃)。]
通过这样调整，在烧制由基体陶瓷坯14、片陶瓷坯12和连接层陶瓷坯18组成的层压体的同时，膜部分向外凸出。
在前述公式(a)中，在膜结构体表面预定方向上的收缩率能用公式[(烧制前长度-烧制后长度)/烧制前长度]×100(％)表达。当表面上的收缩率达到70％时的温度表示当膜结构体收缩率达到收缩率S的70％(即0.7S)时候的温度，当在与前述层压体烧制温度相同的温度下分别烧制基体坯、片坯和连接层坯时，通过从前述公式中计算得到收缩率S。也就是，T是观察烧结性的尺度。要求薄片陶瓷坯12的烧结速度几乎等于或高于基体陶瓷坯14的烧结速度。甚至满足该要求时，膜部分有时具有凸出形状或平面形状，其取决于在获得膜结构体的烧制温度时的收缩率S。因此，也要求该条件满足表示S和T之间关系的公式(a)。还有，要求满足在公式(a)中表示T(基体)和T(连接层)之间关系的公式之一。每个公式都表明：当形成具有大量膜结构体，而每个膜结构体又有许多窗口部分的基体时，为了形成优异的凸出形状，连接层陶瓷坯的烧结速度是高于，或者低于基体陶瓷坯的烧结速度。
当片陶瓷坯12的烧结性与基体陶瓷坯14的烧结性差别太大时，也就是说，当T(基体)-T(片)的值高于300时，凸出形状变得不稳定或产生裂纹。S表示当在整体烧制膜结构体的烧制温度下分别烧制各片时的收缩率。当收缩率彼此差别太大时，即当S(基体)-S(片)的值高于20时，将发生膜结构体在烧制后获得太大的曲率以致膜片8有裂纹的问题。
当基体陶瓷坯14的烧结性与连接层陶瓷坯18的烧结性差别太大时，也就是说，当T(基体)-T(连接层)的值大于300或小于-350时，将引起凸出形状变得不稳定，产生裂纹，或膜结构体曲率太大的问题。
在前述本发明制造陶瓷膜结构体的方法中，出于膜部分凸出形状的稳定性、该结构体的曲率度、膜片中残余应力等的考虑，将调整整片陶瓷坯12和基体陶瓷坯14以便满足下列公式(b)：
S(基体)-S(片)≥-0.08{T(基体)-T(片)}+0.8
10≤T(基体)-T(片)-≤200
S(基体)-S(片)≤10
更优选地，调整片陶瓷坯12和基体陶瓷坯14以便满足下列公式(c)：
S(基体)-S(片)≥-0.08{T(基体)-T(片)}+0.8
10≤T(基体)-T(片)≤100
S(基体)-S(片)≤5
在其中形成具有大量的膜结构体，而每个膜结构体又有许多窗口部分的基体的方法中，出于膜部分凸出形状的稳定性、烧制后膜片残余应力等的考虑，调整基体陶瓷坯14和连接层陶瓷坯18以便满足下列公式(d)：
30≤T(基体)-T(连接层)≤200
或
-200≤T(基体)-T(连接层)≤-80
更优选，
30≤T(基体)-T(连接层)≤130
或
-200≤T(基体)-T(连接层)≤-100
这样获得本发明陶瓷薄膜结构体2。因为该膜结构体2在膜部分10中不会有任何沉陷或开裂，该膜结构体具有高质量和高可靠性且强度优异，并能具有高共振频率。另外，在膜部分10的外表面上形成的膜被相应地烧结。因此，该膜部分能被用于各种用途，如传感器、致动器等。另外，能将该陶瓷膜结构体用于，例如，具有严重腐蚀条件的设备，管等的一部分上，以便用作具有抗腐蚀性并与各种探测装置，如失真表相结合来监测内压力的压力传感器。还有，该膜结构体，与驱动力源，如空气压力和挤压棒的结合，能被用于尽管频率低但位移量大的致动器。
通过在膜部分的一个表面上提供一压电/电致伸缩操作部分能将本发明陶瓷薄膜结构体有利地用于压电/电致伸缩膜元件。特别是，能将该膜结构体有利地用于产生或探测弯曲位移或力的压电/电致伸缩膜元件，例如：用于致动器、过滤器、显示器、加速传感器、冲击传感器、超声传感器、角速度传感器、变压器、扩音器、声音振荡器如扬声器、鉴别器，用于动力或通讯的振动器或振荡器的单压电晶片元件。图5大致表示了具有本发明陶瓷薄膜结构体的压电/电致伸缩膜致动器。图6表示该分解后的致动器的透视图。该图表示：通过将膜结构体22与被布置在该膜部分外表面上的压电/电致伸缩操作部分24整体连接形成压电/电致伸缩膜元件22。该压电/电致伸缩操作部分24使膜结构体22的膜部分根据所加电压具有-弯曲位移。
为了更加详尽，该膜结构体22使用了本发明的构型。隔片26由陶瓷材料如氧化锆，制得并形成具有薄片形状的膜部分。连接片28由陶瓷材料如氧化锆制得并形成基体。在这些片26和28之间，设置一用陶瓷材料如氧化锆制得的陶瓷连接层1和一也用陶瓷材料如氧化锆制得的垫片30以便形成具有整体形成的层压体结构的基体。该连接片28以预定的间隔具有许多(图中是3个)贯穿孔32以便内部空间与外部空间相连。该垫片30具有许多正方形的(图中是3个)窗口部分36，它以预定的间隔被布置在该片的长边方向上。该垫片30被放在连接片28上以便连接片28上的每个贯穿孔32与垫片30上的每个正方形窗口部分36相匹配。顺便说一下，每个窗口部分36的贯穿孔32的数目不限于1个，能布置多于1个的贯穿孔，其取决于压电/电致伸缩膜元件20的应用。还有，能根据它的应用相应地选择贯穿孔32的构型或尺寸，将隔片26也放在垫片30的与连接连接片28的表面相对的那个表面上。该隔片26覆盖了窗口部分36的开口。这样，在膜结构体内部形成许多通过通过贯穿孔32与外部连接的压力腔38。顺便说一下，不仅在膜片和垫片之间，而且在垫片30和连接片28之间也能使用陶瓷连接层。图5和6中所示的技术方案具有由-隔片(膜)，一垫片(基体部分)和一连接片(基体部分)组成的三层结构，陶瓷连接层除外。然而，可以有三层以上的膜结构体。图7表示了一具有五层结构的技术方案。
通过整体烧制由预定的陶瓷原料，如上述的氧化锆，形成该膜结构体22。该膜结构体的膜部分在窗口部分36的相反方向上向外凸出。特别是用预定的陶瓷材料、胶结剂、溶剂等来制备料浆或浆体。其次使用用于刮浆、反辊覆涂、网板印刷的普通设备形成片坯的膜。如果需要，对该片坯进行切割、模切割，以形成窗口部分36、贯穿孔32等。这样，形成各片26，28，30，1的前体，然后层压该前体和进行热压配合以便获得整体的层压体。接着，烧制该层压体以获得整体的膜结构体22。另一方面，用前述方法使形成膜部分的隔片26具有向外凸出的形状。
该膜结构体22装有压电/电致伸缩操作部分24，每个操作部分24在隔片26凸出形状的外表面上对应于每个压力腔38。通过在膜部分的外表面上用膜形成方法将下部电板40，一压电/电致伸缩层42，和上部电极44依次层压形成压电/电致伸缩操作部分24。
这样，压电/电致伸缩操作部分具有两个电极膜44和40和一压电/电致伸缩层42，它们在膜结构体22的隔片26的外表面上形成。通过整体烧制形成该膜结构体22。用任何形成膜的已知方法，例如：形成厚膜的方法如网格印刷、喷射、浸渍和覆涂，或形成薄膜的方法如离子束、溅射、气相沉积、离子镀膜、CVD、金属镀膜，来形成电极膜44和40和压电/电致伸缩层42。任何已知的材料都能用于形成电极膜40和44和压电/电致伸缩层42。这样形成的电极膜40和44。压电/电致伸缩层42组成压电/电致伸缩操作部分24。压电/电致伸缩操作部分24的厚度一般为100μm或更小。电极40或44的厚度一般为20μm或更小，优选为5μm或更小。压电/电致伸缩层42的厚度优选为50μm或更小，进一步优选为3μm或稍大一点和40μm或稍小一点以便在低电压操作下得到较大的位移。
对于压电/电致伸缩膜元件20，其中在膜部分26上膜结构体22装有压电/电致伸缩操作部分24，按照压电/电致伸缩操作部分24的操作有效地传导该膜部分26的位移，并使压力腔38受压。结果，有效地喷出压力腔38中的气体。
在本发明膜结构体一个有利的技术方案中，膜结构体22的膜部分26具有向外凸出的形状，因而有效地增加了装有一压电/电致伸缩操作部分24的膜部分26的硬度。还有，增加了该膜部分的力学强度和固有频率且有利于增加相应的速度。同时，能有利地避开膜如在膜部分26的外表面上形成的压电/电致伸缩层42等的烧结障碍，应力和应变能有效地转变成位移。即使同时驱动许多压电/电致伸缩操作部分24，与分别驱动每个压电/电致伸缩操作部分24相比，每个压电/电致伸缩操作部分24的位移量不会降低太多。位移量不随着该压电/电致伸缩操作部分24的驱动形式而受影响。因此，表明位移量稳定，并且压电/电致伸缩膜元件20具有稳定的质量。
顺便说一下，将本发明的薄膜陶瓷结构体有利地用于如上述技术方案的压电/电致伸缩膜元件的结构部件。然而，也能使用具有与前述元件不同结构的压电/电致伸缩膜元件。除扬声器、传感器、振动器、振荡器、过滤器、显示器和变压器外，还能将该膜结构体有利地用做各种已知的用途如压电/电臻伸缩膜致动器或单压电晶片或双压电晶片的类似器件的结构部件，而单压电晶片和双压电晶片的器件用于伺服-位移元件、脉冲驱动器、超声马达等，它们已被KenjiUchino在＂压电/电致伸缩致动器＂(日本工业中心编写，Morikita出版公司出版)(edited by Japan Industrial Center and Published by MorikitaPublishing Company)中公开。
(实施例)
之后，参考实施例描述本发明。
为了获得用于图5、6所示的压电/电致伸缩膜元件20的膜结构体，通过向含有3mol％Y2O3的部分稳定的氧化锆粉末中加入氧化铝来制备表1、2和3中所示的各种陶瓷原料。顺便说一下，极少量的氧化铝可加速氧化锆的烧结，而大量的氧化铝阻碍氧化锆的烧结。将莫来石用于试样22的连接层坯。将莫来石和尖晶石分别用于试样29，和31的基体坯。
用上述各种陶瓷原料按照普通方法形成具有不同厚度的片坯。如果需要，对该片坯进行切割、模切割等以形成各种隔片26、连接片28、和垫片30的坯体。该坯体用于形成图5和6中所示的压电/电致伸缩膜元件20的膜结构体22。用于模制片坯的料浆按如下过程制备。
用球磨机将100份(体积)预定陶瓷粉末，总量为60份(体积)的作为胶结剂用的聚乙烯醇缩丁醛树脂和作为塑化剂的邻苯二甲酸二丁酯如果需要加入索氏体脂肪酸酯分散剂，和500份(体积)由50％(体积)甲苯和50％(体积)的异丙醇组成的混合物为溶剂相互混合5-100小时。对这样获得的料浆除泡并调整粘度，用于隔片26的料浆粘度为2000mPa·s，用于连接片28或垫片30的料浆粘度为20000mPa·s。用反辊覆涂法形成隔片26的片坯，用刮浆法形成连接片28或垫片30的片坯。通过控制压坯的密度或控制烧制时的最高温度来控制各个片坯的烧制收缩率，而通过调整球磨混合时间和加入索氏体脂肪酸酯分散剂来控制该压坯密度。顺便说一下，当球磨混合时间长时，收缩率小。此外，通过加入索氏体脂肪酸酯分散剂，收缩率将变小。而且，烧制时的最高温度低时，收缩率低。
在被层压的片坯之间的界面上用网板印刷法形成连接层坯，以便使连接层烧制后的厚度变为6μm。顺便说一下，用球磨机将100份(体积)预定陶瓷原料粉末，总量为110份(体积)的作为胶结剂的聚乙烯醇缩丁醛树脂和作为塑化剂的邻苯二甲酸二丁酯，600份(体积)做为分散介质的丙酮，和450份(体积)2-乙基己醇相互混合10小时来制备用于印刷连接层坯的浆体。在真空干燥机中将这样获得的料浆保持在80℃以便除去丙酮(包括一部分2-乙基己醛)。用揉混机将这样获得的料浆揉混30分钟以便获得粘度为20000-50000mPa·s的浆体。
按照表1、2和3中所示的结合通过层压坯体将这样获得的各种隔片26、连接片28(每片都有在其上印刷的连接层坯)和垫片30的坯体用于制造整体的层压制品，并在100℃的条件下用40kgf/cm2攪的压力对该层压体热压配合1分钟。顺便说一下，由与垫片30的坯体的组成相同的坯片制造连接片28的坯体(烧制后两个坯片的厚度是：连接片28为200μm，垫片30为100μm)。烧制后，隔片26的坯体具有10μm的厚度。
将这样获得的整体的层压体在表1、2和3中所示的温度下烧制3小时，以便获得各种膜结构体22。该膜结构体22的垫片30的窗口部分36的构型，也就是说，该膜的构型如图8所示是尺寸为0.5×0.7mm的长方形。在长度为0.5mm的一侧的方向上以每个窗口部分之间为0.3mm的间隔形成十个窗口部分，在长度为0.7mm的一侧的方向上以每个窗口部分之间为1mm的间隔形成4个窗口部分。用图9中所示的具有九(3×3)个膜结构体22的基体测定膜部分形成凸出形状的等级。如图8和9所示测定点的数目是：10×4×9＝360。用×(不合格)、◎(优异)、○(良好)和△(一般)表示测定形成凸出形状等级的结果。测定为◎的膜部分具有最小的凸出量变化。结果示于表1、2和3中。从制造各种膜结构体的结果中很明显地看出：通过满足前述公式(a)给出的条件，即使在具有大量膜结构体，而每个膜结构体又有许多窗口部分的基体的情况下，有效地避免了沉陷或开裂的发生，并有利地形成了凸出构型。
从以上描述中很明显地看出：本发明的陶瓷膜具有形状向外凸出的膜部分，因而它具有传统平面形状的膜不能获得的优点，例如：能有利地增加共振频率、提高抵抗来自窗口部分相反方向的外力的强度/并且不阻碍用厚膜方法等在膜部分的外表面上形成的膜(例如：电极膜或压电/电致伸缩膜)的烧结。因此，按照本发明能获得具有优异质量和高度可靠性的陶瓷薄膜结构体。因为该陶瓷膜结构体是层压体，它能有高度重叠。此外，因为该膜结构体是一整体烧制体，所以它具有高的可靠性和高的再加工性能，并能自由地设计膜结构体的形状。还有，因为能容易地控制凸出部分的高度，所以生产率高，并能实现极薄膜部分的生产。
此外，本发明方法能制造具有大量陶瓷膜结构体的基体，而该陶瓷膜结构体具有如上所述的优异性能。这使得陶瓷膜结构体的工业化生产更加容易。
具有本发明陶瓷膜结构体的压电/电致伸缩膜元件提高了高度操作可靠性。因此，将该压电/电致伸缩膜元件有利地用于致动器、显示器、过滤器、扩音器、声音振荡器(扬声器等)、各种传感器、各种振动器、振荡器等。
表1                                               测定  (1)
试样号     片坯(  (膜片)  )     基体坯     连接层坯     基体片     基体连接层 凸出形状的稳定性测定 烧成温度(℃)
    氧化铝(wt％)     A.P.O.(μm)     氧化铝(wt％)     A.P.D.(μm)     氧化铝(wt％)     A.P.D.(μm)     ΔT(℃)     ΔS(％)     D.of S.Tcmp.(℃)
    2     0.0 0.4 0.0     0.7     0.5 0.2 100 0     +290     Δ     1600
    3     0.5 0.4     1190     ○     1550
    45678910 0.25     5.0     20     +120 ◎ 1450
    0.15     0.1     10 +60
5.0     5.0 20
    10.0 +70
    0.08 0.0     40
    5.0     20     +50
    0.15 10     +40
    11     0.5     0.25     +30
    121617 0.25 5.0     0.25 0.4     20     +20     Δ
15.0 20 -50 Δ
    20.0     -80 ○
    18     0.0     0.2     0.5     15.0     -90
    19     0.25     0.4     5.0     40.0     -120 ◎
    2021 0.5     0.2     0.25 0.2     20.0     10     -180
    0.05     0.5     40.0     1.0     20     -340     Δ     1650
说明：ΔT＝T(基体)-T(片)，ΔS＝S(s基体e)-S(片)，A.P.D.：平均粒经D.of S.Temp.：烧结温度差＝T(基体)-T(连接层)
                                       表2                测定(2)
试样号 片坯(膜片)         基体坯 连接层坯 基体片 基体连接层 凸出形状的稳定性测定 烧成温度(℃)
氧化铝(wt％) 平均粒径(μm) 氧化铝(wt％) 平均粒径(μm) 氧化铝( wt％) 平均粒径(μm) ΔT(℃) ΔS(％) 烧结温度差(℃)
23  40.0  0.05  0.5  1.0  0.15  0.4 60   -3   +80   ◎   1600
2425 0.5 0.4 40.0 0.2 0.5 0.2 +6 +140 ○ 1550
0.05 0.00 0.4 40 +15 -60 △
26 5.0 0.2 0.5 100 +5 +40 ◎
27  0.5 0.05  0.5  0.7  15.0  0.7   150   -10   -90   ○   1450
28 0.25 10.0 1.0 10.0 0.05 250 -15 +210 △ 1550
29  0.5  0.2  莫来石  0.05  0.25  0.2   200   +9   +180   ○   1600
  说明：未加氧化铝
    ΔT＝T(基体)-T(片)，ΔS＝S(基体)-S(片)，
    烧结温度差＝ T(基体)-T(连接层)
             表3 测定  (对比例)
试样号 片坯(膜片)   基体坯 连接层坯 基体片 基体连接层 凸出形状的稳定性测定 烧成温度(℃)
氧化铝(wt％) 平均粒径(μm) 氧化铝(wt％) 平均粒径(μm) 氧化铝(wt％) 平均粒径(μm) ΔT(℃) ΔS(％) 烧结温度差(℃)
  1  20.0   0.7   40.0   1.0 0.5  0.2   100 0   +340 × 1650
13 0.5 0.4 0.25 0.4 0.4 10 +10 1450
1415 0.25 5.0 5.0 20 0
10.0 -30
223031 0.5 0.05 0.5 0.2 莫来石 -360 1650
0.0 1.0 0.15 1.0 360 -10 +140 1600
1.0 夹晶石 0.02 0.0 50 +22 -110 1650
说明：未加氧化铝
      ΔT＝T(基体)-T(片)，ΔS＝S(基体)-S(片)，
      烧结温度差＝T(基体)-T(连接层)

Claims (9)

1.一种陶瓷膜结构体包括：
一具有至少一个窗口部分的陶瓷基体；和
一被层压以便覆盖所说窗口部分的陶瓷薄膜片，
其中整体形成所说的陶瓷膜结构体以便使陶瓷薄膜部分以所说的窗口部分的方向相反凸出，并且陶瓷连接层将所说的陶瓷薄膜片连接到所说的陶瓷基体上。
2.权利要求1的陶瓷膜结构体，其中所说的陶瓷膜片由选自于稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝和它们混合物的材料组成。
3.一种权利要求1或2的陶瓷膜结构体，其中各个所说的陶瓷基体，所说的陶瓷膜片和所说的陶瓷连接层的平均晶体颗粒尺寸是5μm或更小。
4.权利要求1-2任何之一的陶瓷膜结构体，其中所说的膜部分具有30μm或更小的厚度。
5.权利要求1-2任何之一的陶瓷膜结构体，其中所说的陶瓷连接层具有50μm或更小的厚度。
6.权利要求1-2任何之一的陶瓷膜结构体，其中所说的膜部分由相对密度至少为90％的致密材料组成。
7.一种制造陶瓷膜结构体的方法，包括步骤：
制备一基体陶瓷坯；
在所说的基体陶瓷坯上形成一具有一预定厚度的连接层陶瓷坯；
在其上具有所说的连接层陶瓷坯的所说的基体陶瓷坯上形成至少一个窗口部分；
制备一具有预定厚度的薄片陶瓷坯；
通过在具有至少一个窗口部分的所说基体陶瓷坯上层压所说的片陶瓷坯以覆盖在连接层陶瓷坯一侧的窗口部分来制备整体形成的层压体坯；
烧制所说层压体坯以获得整体烧结体，其中在所说的基体陶瓷坯的窗口部分上形成一薄膜部分，并且在烧制所说的层压体坯的同时，所说的膜部分以所说的窗口部分的方向相反凸出。
8.权利要求7的制造陶瓷膜结构体的方法，其中调整所说的基体陶瓷坯，所说的片陶瓷坯和所说的连接层陶瓷坯以便使中等烧结温度和收缩率满足公式：
S(基体)-S(片)≥-0.08{T(基体)-T(片)}-1
0≤T(基体)-T(片)≤300
S(基体)-S(片)≤20
和
300≥T(基体)-T(连接层)≥20
或
-350≤T(基体)-T(连接层)≤-50
式中S(基体)和S(片)代表当在与所说层压体坯烧制温度相同的温度下分别烧制所说基体陶瓷坯、所说片陶瓷坯时，沿表面方向上的收缩率(％)、T(基体)、T(片)和T(连接层)代表当在与所说层压体坯烧制温度相同的温度下分别烧制所说基体陶瓷坯、所说片陶瓷坯和所说连接层陶瓷坯时且当沿表面方向上的收缩率(％)达到70％时的烧制温度(℃)。
9.权利要求7或8制造陶瓷膜结构体的方法，其中所说片陶瓷坯由选自完全稳定的氧化锆材料、部分稳定的氧化锆材料、氧化铝材料和含有它们的混合物的材料的材料组成，该材料的平均颗粒直径为0.05-1.0μm。
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