CN108462935B - 双层压电陶瓷电声元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双层压电陶瓷电声元件，包括两片压电陶瓷片；压电陶瓷片的第一面的电极包括互不连通的大电极区域和岛状电极区域，大电极区域和岛状电极区域上各开有一个通孔，压电陶瓷片第二面的电极图案由第一面的电极图案旋转180度得到；压电陶瓷片的极化方向由第一面指向第二面；第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面贴合，其中岛状电极区域重合，但其上的通孔并不对应，贴合后形成四个盲孔；贴合后的压电陶瓷片上的四个盲孔均填充有导电材料，分别将两片岛状电极区域相连，两片大电极区域相连。本发明还公开了上述双层压电陶瓷电声元件的制备方法，本发明无需采用中间金属层，提高了电声转换效率，便于安装使用，生产时破损率低。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷电声元件，特别涉及双层压电陶瓷电声元件及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷材料大量用于制造压电电声元器件(包括压电蜂鸣片、压电蜂鸣器、压电扬声器)。压电陶瓷电声元件是利用压电陶瓷材料的逆压电效应，实现机电能量转换，当给压电元件施加交流电信号时，压电元件产生机械振动，当施加的交流电信号频率在音频(20～20kHz)范围时，压电元件发出声音。
压电陶瓷材料具有谐振特性，当输入的电信号频率在压电元件的谐振频率附近，压电元件才能产生机械振动从而发出声音，压电陶瓷元件的谐振频率与其尺寸相关，谐振频率与振动方向上的尺度乘积大约为一个定值，称为频率常数。常用的PZT压电陶瓷材料的平面振动频率常数大约为2000Hz·m，因此通常制造的直径10～20mm的圆片型压电元件，其径向振动谐振频率在100～200kHz，远大于音频范围。将极化好的压电陶瓷薄片黏贴在金属薄片上，当对压电陶瓷施加交流电信号时，压电陶瓷的径向伸缩振动会因为受到金属片的影响而变成弯曲振动，相对于单独压电陶瓷片时的径向振动，黏贴金属片后的压电陶瓷/金属片复合体的弯曲振动谐振频率会大大降低，该谐振频率与复合体直径成反比，与复合体厚度成正比，制作直径10～20mm，厚度0.05～0.2mm的压电陶瓷片与同等厚度金属片黏贴复合，可制作出谐振频率处于音频范围的压电电声元件。
如果将两片经过极化的压电陶瓷薄片黏贴在一片金属片两面，且极化方向正确配置，制作的双面压电电声元件比单面压电电声元件声功率成倍增加。
现有技术采用压电陶瓷黏贴金属片的方法，将压电复合体的谐振频率降低以实现音频电声应用，金属片本身不具备压电效应，压电陶瓷在音频电信号激励下逆压电效应使其产生机械振动，在此过程中压电陶瓷片的变形促使金属片跟随变形产生音频振动，压电陶瓷的机电转换效率会因金属片而减弱，另一方面，压电陶瓷金属复合体的谐振频率正比于复合体的厚度，这其中包含了金属片的厚度，因此要制作较低频率响应的压电电声元件，需要制作很薄的压电陶瓷片，压电陶瓷制作过程中，陶瓷片厚度越薄越易碎裂。现有技术制作双面压电电声元件的另一个缺陷是需要采用连接线将两面的压电陶瓷片连接作为一极(突出的金属片作为另一极)，这限制了这种产品的应用结构设计。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种双层压电陶瓷电声元件，无需金属片，提高电声转换效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
双层压电陶瓷电声元件，包括两片压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的第一面的电极包括互不连通的两部分，一部分为大电极区域，另一部分为岛状电极区域，所述大电极区域的面积大于岛状电极区域；所述大电极区域和岛状电极区域上各开有一个通孔，其中，岛状电极区域上的通孔偏离岛状电极区域的中心位置；所述压电陶瓷片第二面的电极图案由第一面的电极图案旋转180度得到；所述压电陶瓷片的极化方向由第一面指向第二面；
第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面贴合，其中第一压电陶瓷片的第二面的岛状电极区域与第二压电陶瓷片的第一面的岛状电极区域重合，但岛状电极区域上的通孔并不对应，贴合后形成四个盲孔；所述压电陶瓷片上的盲孔均填充有导电材料，将两片压电陶瓷片的岛状电极区域相连，两片压电陶瓷片的大电极区域相连。
优选的，所述压电陶瓷片的电极为银电极。
优选的，所述第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面通过印刷环氧树脂胶水粘接，环氧树脂胶水经固化后两片压电陶瓷片形成整体。
优选的，所述导电材料为焊锡。
所述的双层压电陶瓷电声元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备压电陶瓷生坯片，在压电陶瓷生坯片上制作两个通孔；
(2)压电陶瓷生坯片烧结成瓷后，在压电陶瓷片两面印刷电极，使岛状电极区域和大电极区域上各有一个通孔；
(3)印刷电极后的压电陶瓷片经热处理后得到具有导电银电极的压电陶瓷片，然后在第一面的电极上接正极，第二面的电极上接负极进行极化，获得具有压电性能的压电陶瓷片；
(4)将第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面贴合，其中两片压电陶瓷片的岛状电极区域重合，但岛状电极区域上的通孔错开，形成四个盲孔；
(5)在贴合后的压电陶瓷片上的盲孔中填充导电材料，将两片压电陶瓷片的岛状电极区域相互连通，两片压电陶瓷片的大电极区域相互连通。
优选的，步骤(1)所述制备压电陶瓷生坯片，在压电陶瓷生坯片上制作两个通孔，具体为：
采用轧膜或挤出成型法制备生坯膜带，在圆片冲片成型模具基础上增加两个冲孔部件，在冲压制作的压电陶瓷生坯片上制作两个小通孔。
优选的，步骤(4)所述将第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面贴合，具体为：
在第一压电陶瓷片的第二面印刷环氧树脂胶水，然后与第二压电陶瓷片的第一面贴合，环氧树脂胶水经固化后两片压电陶瓷片形成整体。
步骤(5)所述在压电陶瓷片上的盲孔中填充导电材料，具体为：
在盲孔中填充焊锡，用电烙铁融化焊锡。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)采用本发明技术制作双层压电电声元件无需采用中间金属层，可提高电声转换效率。
(2)采用本发明的方法制作双层压电电声元件，无需像现有技术制造的双层压电陶瓷元件那样需要焊接引线将两片压电陶瓷片的外电极面相连，方便安装使用。
(3)本发明由于压电陶瓷电声元件采用弯曲振动模式，其谐振频率与元件厚度成正比关系，电声元件应用的压电陶瓷片通常厚度小于0.2mm，生产过程中容易碎裂，采用现有技术制作双面电声元件需要考虑附加的金属片厚度，本发明技术无需考虑金属片厚度，调节元件谐振频率只需调整压电陶瓷片厚度，因此制作相同频响范围的压电电声元件可采用厚度较厚的压电陶瓷片，陶瓷片厚度增加，生产时破损率相应降低。
附图说明
图1为本发明的实施例1的压电陶瓷片第一面(A面)的示意图。
图2为本发明的实施例1的压电陶瓷片第二面(B面)的示意图。
图3为本发明的实施例1的双层压电陶瓷电声元件俯视图。
图4为图3的A-A剖面图。
图5为本发明的实施例2的压电陶瓷片第一面(A面)的示意图。
图6为本发明的实施例2的压电陶瓷片第二面(B面)的示意图。
图7为本发明的实施例2的双层压电陶瓷电声元件俯视图。
图8为图7的A-A剖面图。
图9为图7的B-B剖面图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1～4所示，本实施例的双层压电陶瓷电声元件，包括两片压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的第一面(A面)的电极包括互不连通的两部分，一部分为大电极区域11，另一部分为岛状电极区域12，所述大电极区域的面积大于岛状电极区域；所述大电极区域开有一个通孔13，岛状电极区域上有一个通孔14，其中，岛状电极区域上的通孔偏离岛状电极区域的中心位置，本实施例将岛状电极区域设计在靠近压电陶瓷片周边位置。
所述压电陶瓷片第二面(B面)的电极图案由第一面(A面)的电极图案旋转180度得到；所述压电陶瓷片的极化方向由第一面(A面)指向第二面(B面)。
图4为本实施例制作的双层压电陶瓷元件沿直径剖面示意图。第一压电陶瓷片1的第一面1A在上，第二压电陶瓷片2第二面2B在下；第一压电陶瓷片1的第二面1B与第二压电陶瓷片2的第一面2A贴合，其中第一压电陶瓷片的第二面的岛状电极区域与第二压电陶瓷片的第一面的岛状电极区域重合，但岛状电极区域上的通孔错开，形成四个盲孔；所述压电陶瓷片上的四个盲孔均填充有导电材料，将两片压电陶瓷片的岛状电极区域相连，作为第一引出端C1，两片压电陶瓷片的大电极区域相连，作为第二引出端C2；在两个引出端之间施加音频信号即可发出声音。
本实施例采用常用的软性PZT压电陶瓷材料配方[xPb(Sb1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3- zPbZrO3，其中x＝0.02，y＝0.47，z＝0.51]，采用现有技术方法制备压电陶瓷片，包括配料、球磨、预烧合成、二次球磨、造粒、成型、烧结、电极制备、极化等制备工艺过程。
与传统压电陶瓷片制作方法不同之处在于成型工艺和银电极制备工艺技术。
坯片成型过程为：采用轧膜或挤出成型法制备生坯膜带，在常用的圆片冲片成型模具基础上增加两个冲孔部件，冲压制作的压电陶瓷生坯片上制作两个小通孔。
生坯片经高温烧结成瓷后，在两面印刷银电极浆料，第一面(A面)印刷图案见图1，在两个小通孔之中的一个周边小区域设计成独立岛状，这个岛状区域与大电极区域不相连，且岛状区域的通孔偏离岛状区域中心位置，第二面(B面)电极印刷图案(图2)与第一面(A面)相同，第一面(A面)的电极图案旋转180度得到，但小通孔与电极图案的相对位置不同。
印刷的银电极图案经高温处理制备出导电银电极。
施加直流电场对制备好银电极的陶瓷片进行极化，A面接正极，B面接负极，获得具有压电性能的压电陶瓷片。
在一片压电陶瓷片一面印刷环氧树脂胶水，然后与另一片压电陶瓷片贴合，其中一片的A面与另一片的B面相贴，且岛状区域重合，但两片的通孔并不对应，贴合后形成四个盲孔，环氧树脂经固化后两片压电陶瓷片形成整体。在压电陶瓷片的四个盲孔中，填充焊锡，用电烙铁焊锡将盲孔周边岛状电极区域与该盲孔对应的另一片压电陶瓷片的大电极区域连通，其中两个盲孔内的焊锡将两片压电陶瓷片紧贴接触的大电极区域连接，并引出到表面的岛状电极区域，另外两个盲孔内的焊锡与两片压电陶瓷片紧贴的两个岛状电极连通，并将两片压电陶瓷片外露大电极区域连接在一起。
实施例2
本实施例将岛状电极区域设计在压电陶瓷片中心位置附近。
本实施例制备压电陶瓷片的方法与实施例1类似，所不同的是将小孔和小岛电极设计在压电陶瓷片中心位置附近。制备的压电陶瓷片如图5～9所示。本实施例的双层压电陶瓷电声元件，包括两片压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的第一面(A面)的电极包括互不连通的两部分，一部分为大电极区域11，另一部分为岛状电极区域12，所述大电极区域的面积大于岛状电极区域；所述大电极区域开有一个通孔13，岛状电极区域上有一个通孔14，其中，岛状电极区域上的通孔偏离岛状电极区域的中心位置，本实施例将小通孔设计在压电陶瓷片中心位置附近。
所述压电陶瓷片第二面(B面)的电极图案由第一面(A面)的电极图案旋转180度得到；所述压电陶瓷片的极化方向由第一面(A面)指向第二面(B面)。
图8～9为本实施例制作的双层压电陶瓷元件沿直径剖面示意图。第一压电陶瓷片1的第一面1A在上，第二压电陶瓷片2第二面2B在下；第一压电陶瓷片1的第二面1B与第二压电陶瓷片2的第一面2A贴合，其中第一压电陶瓷片的第二面的岛状电极区域与第二压电陶瓷片的第一面的岛状电极区域重合，但岛状电极区域上的通孔并不对应，贴合后形成四个盲孔；所述压电陶瓷片上的四个盲孔均填充有导电材料，将两片压电陶瓷片的岛状电极区域相连，作为第一引出端C1，两片压电陶瓷片的大电极区域相连,作为第二引出端C2；在两个引出端之间施加音频信号即可发出声音。
与传统压电陶瓷片制作方法不同之处在于成型工艺和银电极制备工艺技术。
坯片成型过程为：采用轧膜或挤出成型法制备生坯膜带，在常用的圆片冲片成型模具基础上增加两个冲孔部件，冲压制作的压电陶瓷生坯片上制作两个小通孔。
生坯片经高温烧结成瓷后，在两面印刷银电极浆料，第一面(A面)印刷图案见图5，在两个小通孔之中的一个周边小区域设计成独立岛状，这个岛状区域与大电极区域不相连，且岛状区域的通孔偏离岛状区域中心位置，第二面(B面)电极印刷图案(图6)与第一面(A面)相同，第一面(A面)的电极图案旋转180度得到，但小通孔与电极图案的相对位置不同。
印刷的银电极图案经高温处理制备出导电银电极。
施加直流电场对制备好银电极的陶瓷片进行极化，A面接正极，B面接负极，获得具有压电性能的压电陶瓷片。
在一片压电陶瓷片一面印刷环氧树脂胶水，然后与另一片压电陶瓷片贴合，其中一片的A面与另一片的B面相贴，且岛状电极区域重合，但两片的通孔并不对应，贴合后形成四个盲孔，环氧树脂经固化后两片压电陶瓷片形成整体，在盲孔中填充焊锡，用电烙铁融化焊锡，焊锡将盲孔周边小岛电极与盲孔对应的另一片压电陶瓷片的银电极连通，其中两个盲孔内的焊锡将两片压电陶瓷片紧贴接触的大电极区域连接，并引出到表面的岛状电极，另外两个盲孔内的焊锡与两片压电陶瓷片紧贴的岛状电极连通，并将两片压电陶瓷片大电极区域连接在一起。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.双层压电陶瓷电声元件，其特征在于，包括两片压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的第一面的电极包括互不连通的两部分，一部分为大电极区域，另一部分为岛状电极区域，所述大电极区域的面积大于岛状电极区域；所述大电极区域和岛状电极区域上各开有一个通孔，其中，岛状电极区域上的通孔偏离岛状电极区域的中心位置；所述压电陶瓷片第二面的电极图案由第一面的电极图案旋转180度得到；所述压电陶瓷片的极化方向由第一面指向第二面；
第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面贴合，其中第一压电陶瓷片的第二面的岛状电极区域与第二压电陶瓷片的第一面的岛状电极区域重合，但岛状电极区域上的通孔并不对应，贴合后形成四个盲孔；所述压电陶瓷片上的盲孔均填充有导电材料，将两片压电陶瓷片的岛状电极区域相连，两片压电陶瓷片的大电极区域相连。
2.根据权利要求1所述的双层压电陶瓷电声元件，其特征在于，所述压电陶瓷片的电极为银电极。
3.根据权利要求1所述的双层压电陶瓷电声元件，其特征在于，所述第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面通过印刷环氧树脂胶水粘接，环氧树脂胶水经固化后两片压电陶瓷片形成整体。
4.根据权利要求1所述的双层压电陶瓷电声元件，其特征在于，所述导电材料为焊锡。
5.权利要求1所述的双层压电陶瓷电声元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备压电陶瓷生坯片，在压电陶瓷生坯片上制作两个通孔；
(2)压电陶瓷生坯片烧结成瓷后，在压电陶瓷片两面印刷电极，使岛状电极区域和大电极区域上各有一个通孔；
(3)印刷电极后的压电陶瓷片经热处理后得到具有导电银电极的压电陶瓷片，然后在第一面的电极上接正极，第二面的电极上接负极进行极化，获得具有压电性能的压电陶瓷片；
(4)将第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面贴合，其中两片压电陶瓷片的岛状电极区域重合，但岛状电极区域上的通孔错开，形成四个盲孔；
(5)在贴合后的压电陶瓷片上的盲孔中填充导电材料，将两片压电陶瓷片的岛状电极区域相互连通，两片压电陶瓷片的大电极区域相互连通。
6.根据权利要求5所述的双层压电陶瓷电声元件的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述制备压电陶瓷生坯片，在压电陶瓷生坯片上制作两个通孔，具体为：
采用轧膜或挤出成型法制备生坯膜带，在圆片冲片成型模具基础上增加两个冲孔部件，在冲压制作的压电陶瓷生坯片上制作两个小通孔。
7.根据权利要求5所述的双层压电陶瓷电声元件的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述将第一压电陶瓷片的第二面与第二压电陶瓷片的第一面贴合，具体为：
在第一压电陶瓷片的第二面印刷环氧树脂胶水，然后与第二压电陶瓷片的第一面贴合，环氧树脂胶水经固化后两片压电陶瓷片形成整体。
8.根据权利要求5所述的双层压电陶瓷电声元件的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述在压电陶瓷片上的盲孔中填充导电材料，具体为：
在盲孔中填充焊锡，用电烙铁融化焊锡。
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Address after: 511356 No. 8, Quan Quan Road, Yonghe Economic Zone, Guangzhou economic and Technological Development Zone, Guangdong Applicant after: GUANGZHOU KAILITECH ELECTRONICS Co.,Ltd. Address before: 511356 No. 8, Quan Quan Road, Yonghe Economic Zone, Guangzhou economic and Technological Development Zone, Guangdong Applicant before: GUANGZHOU KAILITECH ELECTRONICS Co.,Ltd. |
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Denomination of invention: Double layer piezoelectric ceramic electroacoustic element and its preparation method Effective date of registration: 20210701 Granted publication date: 20200717 Pledgee: Development Zone sub branch of Bank of Guangzhou Co.,Ltd. Pledgor: GUANGZHOU KAILITECH ELECTRONICS Co.,Ltd. Registration number: Y2021980005667 |
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Date of cancellation: 20220805 Granted publication date: 20200717 Pledgee: Development Zone sub branch of Bank of Guangzhou Co.,Ltd. Pledgor: GUANGZHOU KAILITECH ELECTRONICS Co.,Ltd. Registration number: Y2021980005667 |
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