CN109888086A - 一种基于剪切振动的压电变压器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于剪切振动的压电变压器及其制备方法。该压电变压器包括压电材料，所述压电材料在其厚度方向上极化；所述压电材料在其宽度方向的两个表面覆盖电极，其中至少一个表面的电极包含多个彼此分离的独立电极，形成多个振动基元；所述多个振动基元中不同位置和数量的振动基元作为变压器的输入端或输出端，通过输入端与输出端的振动基元的比例来调节变压比。本发明的压电变压器可以实现变压比的自主调节，并提高了变压器的转换效率，生产成本低，性能高，能够实现小型化、轻薄化。
Description
技术领域
本发明属于压电变压器应用领域，具体涉及一种基于剪切振动的压电变压器及其制备方法。
背景技术
随着电子工业与电子产品的发展和科学技术水平的不断提高，作为电子设备中重要元件的变压器，在生产生活中起着越来越重要的作用。传统电磁变压器是利用线圈之间的电磁耦合实现变压，其通常由于功率需求而增加了整个电子系统的体积和重量，大多应用在一些电力以及大功率电子设备中。然而，电子信息技术集成化和微型化的发展趋势，推动电子产品日益向微型、轻量、薄型、多功能和高可靠的方向发展，传统电磁变压器无法在保证变压效果和可靠性的前提下实现微型化。于是，很多研究者将目光转向变压针对性强、性能优越的压电陶瓷变压器。
压电变压器(Piezoelectric Transformer，PT)是20世纪50年代后期开始研制的一种新型压电器件，最早由C.A.Rosen于1956年发明，但当时使用的钛酸钡(BaTiO3)材料耐压强度和压电系数低，升压比仅有50～60倍，输出电压为3kV，实用价值不大。直到20世纪70年代，锆钛酸铅(简称PZT)压电陶瓷的出现，有效的提高了压电变压器的升压比(300～500倍)和机电耦合系数，这才使压电变压器的研制取得了显著的进展。80年代侧重于驱动电路等方面的研究工作，这个时期的压电变压器已经应用到电视机、雷达终端显示器等高压电源领域。但是当时对小功率、小尺寸的电源变压器的市场需求量小，市场上可供选择的压电变压器产品少，加之电子设备设计者和生产商对其了解甚少，使得压电变压器的发展依然比较缓慢。进入90年代，多层片式电容器制备技术成功应用到压电变压器中，它克服了早期用有机粘结剂粘结多层陶瓷变压器导致的性能低、性能不稳定、无法大规模生产等不足，在90年代末已经将压电变压器大量用于空气净化器和除尘器中。如今，笔记本电脑、智能手机和数码相机等便携式设备的快速发展，对小型化电力电子元件的需求不断增加，压电陶瓷变压器的应用不断增多。
压电陶瓷变压器是实现机电能量转换的第三代固体电子变压器。其工作原理是利用压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应。通过对压电陶瓷体的电极和极化方向取向的不同进行设计，在压电陶瓷输入端输入电压信号，通过逆压电效应转换成机械振动，再通过正压电效应使与输出端连接的压电陶瓷产生电压。在压电陶瓷的电能-机械能-电能的机电能量的二次变换中实现阻抗变换，从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。
压电变压器的压电元件尺寸决定了其谐振频率，故它的效率、变比都和负载阻抗及工作频率有关。电磁变压器由于加到初级电路的绝大多数能量传输到负载，其效率和变比与负载阻抗关系不大。同时压电变压器作为一种新型电子器件，与传统的电磁变压器相比，具有体积小、重量轻、升压比大、转换效率高、输出波形好、使用时不会击穿、变压器本身耐高温、不怕燃烧、无电磁噪声和抗电磁干扰，以及结构简单、制作简便、易批量生产、能节约有色金属、不用磁芯等优点，可以与其他器件集成实现设备的小型化。已被应用在警用电击器高压电源、液晶显示器背景光源、笔记本和手机等手持设备背光电源、静电复印机高压电源、静电除尘器、负离子发生器、小功率激光管电源等场合以及AC-DC转换器、DC-DC转换器等领域。
由于压电变压器是利用机电能量的二次变换在谐振频率上获得升压输出，因此要求材料具有高的机电耦合系数(其平方正比于机械能和电能之间的转换效率)，以获得高的升压比。通过早期研究发现，对于压电陶瓷材料，其压电常数d15普遍大于d33和d31，部分类型压电陶瓷的机电耦合系数k15与k33相当。由此可见，利用压电陶瓷的剪切振动模态对提高机电耦合系数和能量传递效率有着潜在优势。
发明内容
为了提高压电变压器的性能，以及满足电源设备小型化、电子集成领域发展的需求，本发明采用基于剪切振动的压电材料制备压电变压器，通过输入端与输出端电极所占面积的比例来调节变压比。变压器输入端通过逆压电效应产生形变，传递给输出端，输出端通过压电效应产生高电压，由于输入输出端阻抗不同，实现变压性能。该变压器通过应用剪切振动模态来提高变压器的能量转换效率。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于厚度剪切振动模式的压电变压器，包括压电材料，所述压电材料在厚度方向上极化；所述压电材料在宽度方向的两个表面覆盖电极，其中至少一个表面制备出多个彼此分离的独立电极，形成多个振动基元。可根据具体应用情况分别将不同位置和数量的振动基元选作变压器的输入端或输出端，输入端或输出端的振动基元所占比例不同，用以实现压电变压器变压比的调节。
进一步地，所述压电材料为具有高机电耦合系数和机械品质因数的压电材料，可以是压电陶瓷、压电晶体等。
进一步地，所述压电材料中，可以使用压电材料的一阶剪切振动模态，也可以使用三阶、五阶等高阶振动模态。振动模态的调节，可通过调节压电材料的厚度、宽度、长度实现。
进一步地，所述变压器可以通过改变压电材料的厚度、宽度、长度，实现对输出阻抗的调节，以适应不同负载情况下的需求，以达到提高转换效率的目的。
进一步地，所述变压器也可采用基于高阶d15振动模态的压电陶瓷制备(剪切振动模态，其低阶和高阶最大机电耦合系数几乎相同，但是变压器的厚度可以进一步降低，以适应集成电路需求)。
进一步地，在所述压电变压器的多个振动基元间，可通过电学串联或者并联的方式实现变压比以及输出阻抗调节。
进一步地，所述压电变压器的电极之间的距离应足够大，且应保证在工作电压下不被击穿。
进一步地，所述压电变压器的电极之间可使用环氧树脂等绝缘材料涂敷，以进一步防止在高电压下，击穿电极附近的空气，造成器件损坏。
本发明的上述压电变压器可通过拼接的方式组合成阵，实现大功率输出。据此，本发明提供一种大功率输出的压电变压器阵列装置，包括以拼接的方式组合在一起的至少两个压电变压器，所述压电变压器为上面所述的基于剪切振动的压电变压器。
本发明还提供一种制备上述基于剪切振动的压电陶瓷变压器的方法，包括以下步骤：
1)制备厚度方向极化的压电陶瓷；
2)在与压电陶瓷极化方向垂直的方向上制备一体化电极或图形化电极；对于一体化电极，将其分隔为相互绝缘的多个部分，形成多个彼此分离的独立电极；
3)在电极上引出导线。
进一步地，如果步骤1)得到的厚度方向极化的压电陶瓷的上下表面含有电极，则先将上下表面的电极去除，然后进行步骤2)。
进一步地，步骤2)用磁控溅射、蒸镀、低温导电银浆等方式制备所述一体化电极，或用丝网印刷的方式制备所述图形化电极。
进一步地，步骤3)通过机械切割、激光刻蚀等方式将所述一体化电极分隔为相互绝缘的多个部分。
本发明的有益效果如下：
本发明的压电变压器，基于具有较高机电耦合系数和机械品质因数的剪切振动模态的压电材料制备，可以实现变压比的自主调节，并提高了变压器的转换效率。该变压器由一整块压电材料制备而成，生产成本低，性能高。同时，采用高阶剪切振动模态的压电变压器可以减小变压器的厚度，实现小型化、轻薄化。
附图说明
图1是基于剪切振动的压电陶瓷变压器结构示意图。
图2是基于剪切振动的压电陶瓷变压器多种输入(输出)方式示意图，其中(a)图是最大输出阻抗方式，(b)图是最小输出阻抗方式。
图3是基于剪切振动的压电陶瓷变压器的制备方法流程图。
图4是基于剪切振动的压电陶瓷变压器的一个实施例结构示意图。
图5是基于剪切振动的压电陶瓷变压器测量系统连接示意图。
图6是基于剪切振动的压电陶瓷变压器变压比随谐振频率变化趋势，其中(a)图是在双基元输入单基元输出的情况，(b)图是单基元输入双基元输出的情况。
图7是基于剪切振动的压电陶瓷变压器变压比、效率随负载电阻变化趋势。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面以压电陶瓷为例，通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
1.基于剪切振动的压电陶瓷变压器的结构
本发明的基于剪切振动的压电陶瓷变压器如图1所示，该压电变压器是用一整块具有高机电耦合系数和机械品质因数的压电陶瓷材料制成。图中厚度方向(Z方向)为压电陶瓷的极化方向(图中P表示极化)，宽度方向(X方向)为变压器的电场方向。长度方向(Y方向)通过彼此独立的电极分割成N个振动基元。每个振动基元单独引出电线，即可作为变压器的输入端也可作为变压器的输出端。图1中虚线部分为压电陶瓷在电场作用下产生的形变，输入端基元的这种形变传递给输出端基元，从而使得输出端产生电信号。
变压器的不同振动基元可以具有共同负极，以降低变压器的制备成本，也可以具有独立负极，便于振动基元之间进行串并联连接，从而调节变压比、变流比以及输出阻抗，使其适用于各种不同应用情况。图2给出两种不同的连接方式，分别是最大输出阻抗方式和最小输出阻抗方式，这两种情况下分别为输入基元并联和输出基元并联。此外，还可以分别实现输入基元串联和输出基元串联，抑或输入基元并联且输出基元串联实现输出变压比最大化。
2.基于剪切振动的压电陶瓷变压器的制备工艺流程
上述基于剪切振动的压电陶瓷变压器制备工艺相对简单，如图3所示，具体包括以下步骤：
1)取一完整的厚度方向极化的压电陶瓷块，使用砂纸或者精密研磨机去除上下表面电极(如果得到的压电陶瓷块的上下表面没有电极则忽略该步骤)；
2)在压电陶瓷宽度方向的两个相对表面制备电极(如溅射电极)；可以用磁控溅射、蒸镀、低温导电银浆等方式制备一体化电极，也可以用丝网印刷的方式制备图形化电极。
3)对于一体化电极，通过机械切割、激光刻蚀等方式将电极按长度方向分隔为相互绝缘的多个部分，形成振动基元，并焊接引线。当不同振动基元需要使用共同负极时，负极不需分隔为多个部分。
3.基于剪切振动的压电陶瓷变压器的实验验证
本发明对基于剪切振动的压电陶瓷变压器进行了相关研究。应用PZT-5H型压电陶瓷制备了一款压电变压器，如图4所示。其由长宽高分别为50mm、18mm和15mm的压电陶瓷块体构成，压电陶瓷块体极化方向为高度方向，电场方向为宽度方向。压电陶瓷在长度方向上被分割成三个基元，其中中间基元电极长度为10mm，两侧基元长度为19mm，电极之间间隔为1mm。左右两端基元并联连接作为输入端时中间基元独立作为输出端。反之，则左右两端基元并联连接作为输出端时中间基元独立作为输入端。
压电陶瓷变压器的测试系统如图5所示。由信号发生器、功率放大器、电流电压传感器、电阻箱、示波器和电压电流探头组成。研究发现，该款压电变压器在开路状态下的变压比随频率变化趋势如图6所示。由图中可以看出，在双基元输入单基元输出的情况下，谐振点75.43kHz附近，变压比可达35。在单基元输入双基元输出的情况下，谐振点78.67kHz附近，变压比可达25，在79.4kHz附近，变压比可达23。该款压电变压器变压比及效率随负载电阻变化趋势如图7所示。图中给出数据是在双基元输入单基元输出的情况下，谐振频率为75.43kHz时，调节负载电阻测量出的变压比及效率曲线。从图中可以看出，当负载为10000欧姆时，转换效率较高达到70％左右，此时变压比可达10倍。
从以上数据可以看出，该结构可以实现压电变压器的功能。
本发明另一实施例提供一种大功率输出的压电变压器阵列装置，包括以拼接的方式组合在一起的至少两个压电变压器，所述压电变压器为上面所述的基于剪切振动的压电变压器。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种基于剪切振动的压电变压器，其特征在于，包括压电材料，所述压电材料在其厚度方向上极化；所述压电材料在其宽度方向的两个表面覆盖电极，其中至少一个表面的电极包含多个彼此分离的独立电极，形成多个振动基元；所述多个振动基元中不同位置和数量的振动基元作为变压器的输入端或输出端，通过输入端与输出端的振动基元的比例来调节变压比。
2.根据权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述压电材料为具有高机电耦合系数和机械品质因数的压电材料，包括压电陶瓷、压电晶体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压电陶瓷为采用基于高阶d15振动模态的压电陶瓷，通过降低厚度适应集成电路需求。
4.根据权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述压电材料使用其一阶剪切振动模态或高阶振动模态，通过调节压电材料的厚度、宽度、长度实现振动模态的调节。
5.根据权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，通过改变所述压电材料的厚度、宽度、长度，实现对输出阻抗的调节，以适应不同负载情况下的需求。
6.根据权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述多个振动基元通过电学串联或者并联的方式实现变压比以及输出阻抗的调节；不同振动基元具有共同负极以降低制备成本，或者具有独立负极以便于振动基元之间进行串并联连接。
7.根据权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述多个彼此分离的独立电极之间的距离保证在工作电压下不被击穿；和/或所述多个彼此分离的独立电极之间使用绝缘材料涂敷以防止击穿。
8.一种大功率输出的压电变压器阵列装置，其特征在于，包括以拼接的方式组合在一起的至少两个压电变压器，所述压电变压器为权利要求1～7中任一权利要求所述的基于剪切振动的压电变压器。
9.一种制备权利要求1所述基于剪切振动的压电变压器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备厚度方向极化的压电陶瓷；
2)在与压电陶瓷极化方向垂直的方向上制备一体化电极或图形化电极；对于一体化电极，将其分隔为相互绝缘的多个部分，形成多个彼此分离的独立电极；
3)在电极上引出导线。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如果步骤1)得到的厚度方向极化的压电陶瓷的上下表面含有电极，则先将电极去除，然后进行步骤2)；步骤2)用磁控溅射、蒸镀或低温导电银浆方式制备所述一体化电极，用丝网印刷的方式制备所述图形化电极；步骤3)通过机械切割或激光刻蚀方式将所述一体化电极分隔为相互绝缘的多个部分。
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