CN114628572A - 触压振动一体式压电器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种触压振动一体式压电器件，包括外壳和设置在所述外壳内部的振动层和触压感应层；其中，所述振动层的一侧与所述外壳上的按压部相连，所述触压感应层设置在所述振动层远离所述按压部的一侧。本发明提供的触压振动一体式压电器件振动效果好、触压灵敏度高且普适性强。

Description

触压振动一体式压电器件

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，更为具体地，涉及一种触压振动一体式压电器件。

背景技术

压电材料同时具有正压电效应和逆压电效应，其中，正压电效应使压电器件可以感知应变并转化为电信号，因此可以作为感知用户按压动作的触压传感器；逆压电效应使压电材料可以根据驱动电信号发出相应的振动效果，因此可以作为触觉反馈器件与振动器件。

目前，作为触压振动一体的压电器件主要分为单晶压电陶瓷器件和双晶压电陶瓷器件两种。单晶压电陶瓷器件一般为单层结构，结构简单，厚度小，触压灵敏度高，但是振动效果不佳，振感弱；双晶压电陶瓷器件通常为多层独石结构，根据极化方向与电场方向是否一致在厚度方向分为两部分，在电信号控制下，一部分在长宽方向伸长同时另一部分在长宽方向收缩，二者耦合为厚度方向的弯曲变形(如附图1所示)。

双晶压电陶瓷容值大，厚度大，振感强，但是作为触压传感器使用时，由于双晶压电陶瓷的厚度比较大，与按压面(为器件外壳上用于供外物接触的按压面，需要与双晶压电陶瓷直接相连)厚度相当，且双晶压电陶瓷与按压面耦合后受力情况较为复杂，靠近按压面的一面一般为压应力面(也有可能无应力面或拉应力面，与压电陶瓷器件和按压表面材料的厚度与弹性模量有关)，靠近空气一面为拉应力面，中间逐步过渡(如图2所示)。因此各层压电陶瓷所受应力情况结合其极化方向所产生的电信号可能不尽相同，很容易同时存在正信号、无信号、负信号。在实际过程中，若所需信号为正信号，那么产生负信号和无信号的部分均会严重降低整个双晶压电陶瓷器件对触压信号的灵敏度。

此外，除了灵敏度低的问题，对于不同材质与厚度的按压面，产生相同位移，双晶压电陶瓷器件产生的信号也有较大区别，缺乏普适性。

基于上述技术问题，亟需一种振动效果好、触压灵敏度高且普适性强的压电器件。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种振动效果好、触压灵敏度高且普适性强的压电器件。

本发明提供的触压振动一体式压电器件包括外壳和设置在所述外壳内部的振动层和触压感应层；其中，

所述振动层的一侧与所述外壳上的按压部相连，所述触压感应层设置在所述振动层远离所述按压部的一侧。

此外，优选的方案是，所述振动层为双晶压电陶瓷制件。

此外，优选的方案是，所述振动层包括第一振动部和第二振动部；其中，

所述第一振动部与所述按压部相连，所述第二振动部设置在所述第一振动部与所述触压感应层之间。

此外，优选的方案是，在所述第一振动部与所述第二振动部之间以及所述第二振动部与所述触压感应层之间均设置有压电陶瓷分隔层。

此外，优选的方案是，所述第一振动部、所述第二振动部以及所述触压感应层均包括至少两层电极层和至少一层压电陶瓷层；其中，

所述电极层和所述压电陶瓷层交替堆叠设置。

此外，优选的方案是，所述第一振动部和所述第二振动部的伸长或收缩受其内部的压电陶瓷层的极化方向以及电极层的电信号方向的控制；并且，

当所述第一振动部伸长时，所述第二振动部收缩；所述第一振动部收缩时，所述第二振动部伸长。

此外，优选的方案是，压电陶瓷层采用压电材料或电致伸缩材料，其中，所述压电材料包括锆钛酸铅、钛酸钡、铌酸钾钠以及氮化铝，所述电致伸缩材料为在电信号驱动下产生伸缩振动的材料；并且，

所述压电陶瓷层的厚度范围为10～200μm，所述电极层的厚度范围为0.1～10μm。

此外，优选的方案是，在所述触压感应层内设置有第一触压电极和第二触压电极，在所述第一振动部内设置有第一振动电极和第二振动电极，在所述第二振动部内设置有第三振动电极和第四振动电极；其中，

所述第一触压电极的第一面电极设置在所述触压感应层的顶面。

此外，优选的方案是，在所述触压感应层的顶面上还设置有分别与所述第二触压电极、所述第一振动电极、所述第二振动电极、所述第三振动电极以及所述第四振动电极相连的引出电极。

此外，优选的方案是，所述第二触压电极、所述第一振动电极、所述第二振动电极、所述第三振动电极以及所述第四振动电极均通过侧电极或孔电极与相应的所述引出电极相连。

和现有技术相比，上述根据本发明的触压振动一体式压电器件，有如下有益效果：

本发明提供的触压振动一体式压电器件在原有双晶压电陶瓷的基础上，在厚度方向增添一层触压感应层，并将该触压感应层设置在双晶压电陶瓷与外壳按压部的相合表面的另一面，即朝向空气的一面，由于这部分为双晶压电陶瓷与按压部粘贴后受压应变最大的位置，因此，在该位置设置触压感应层能够使触压灵敏度高达到最高。此外，双晶压电陶瓷仅作为压电器件的振动反馈部分，对于其正压电效应的功能不再使用，能够有效地避免双晶压电陶瓷对触压信号的灵敏度较低的问题。另外，由于触压感应层的内部的压电陶瓷的厚度较小，因此触压感应层对振动效果几乎没有损失，能够确保其振动反馈精度。所以，本发明提出的触压振动一体式压电器件同时具有较高的触压传感灵敏度和良好的振动反馈效果。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为现有的双晶压电陶瓷器件的原理图；

图2为现有的双晶压电陶瓷器件的内部应力图；

图3为根据本发明实施例的触压振动一体式压电器件的主视剖面示意图；

图4为根据本发明实施例的触压振动一体式压电器件的俯视图；

图5为根据本发明实施例的触压振动一体式压电器件的立体图。

附图标记：触压感应层1、第一触压电极11、第二触压电极12、第二振动部2、第三振动电极21、第四振动电极22、第一振动部3、第一振动电极31、第二振动电极32、按压部4、第一面电极5、引出电极6、侧电极7。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；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，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图3示出了根据本发明实施例的触压振动一体式压电器件的主视剖面结构，图4示出了根据本发明实施例的触压振动一体式压电器件的俯视结构，图5示出了根据本发明实施例的触压振动一体式压电器件的立体结构。

结合图3至图5共同所示，本发明提供的触压振动一体式压电器件包括器件外壳和设置在外壳的内部的振动层和触压感应层1；其中，振动层用于在收到电信号后产生振动，从而实现触压振动一体式压电器件的振动反馈功能；并且，振动层的一侧与外壳上的按压部4相连，触压感应层1设置在振动层远离按压部4的一侧，当按压部4受到外力触压时，由于振动层远离按压部4的一侧的受压应变能力最强，因此，触压感应层1能够精准地感应到按压部4接收到的外界接触力，确保较高的触压传感灵敏度。

需要说明的是，由于双晶压电陶瓷器件本身具有较好的振动反馈效果，因此，为减少本发明提供的触压振动一体式压电器件的制作流程，振动层可以直接选用双晶压电陶瓷，后期只需将触压感应层1设置在双晶压电陶瓷与外壳的按压部4的相合表面即可。

当然，为提升本发明提供的触压振动一体式压电器件的振动性能，也可以自行设计该振动层的具体结构，例如，振动层可以包括相互叠设的第一振动部3和第二振动部2；其中，第一振动部3与按压部4相连，第二振动部2设置在第一振动部3与触压感应层1之间。

此外，为防止第一振动部3、第二振动部2以及触压感应层1之间相互干扰，可以在第一振动部3与第二振动部2之间以及第二振动部2与触压感应层1之间均设置有压电陶瓷分隔层，通过压电陶瓷分隔层将第一振动部3、第二振动部2以及触压感应层1三者分隔开。

具体地，第一振动部3、第二振动部2以及触压感应层1均需要包括至少两层电极层和至少一层压电陶瓷层；其中，电极层和压电陶瓷层交替堆叠设置，相邻的两个电极层为其中间的压电陶瓷层提供电场。

例如，触压感应层1可以由L层(L＝1,2,3…)压电陶瓷层和L+1层电极层所组成，并且，触压感应层1可以设置在振动层(或双晶压电陶瓷)与按压部4的结合面的另一面，即朝向空气的一面，在实际使用过程中，由于该面为压电陶瓷与按压表面粘贴后受压应变最大的地方，因此可以输出高电压信号，能够确保较高的触压传感灵敏度。第一振动部3可以由N层(N＝1,2,3…)压电陶瓷层和N+1层电极层所组成，且与按压部4相连。第二振动部2可以由M层(M＝1,2,3…)压电陶瓷层和M+1层电极层所组成，且设置在触压感应层1和第一振动部3之间。

需要说明的是，第一振动部3和第二振动部2的伸长或收缩受其内部的压电陶瓷层的极化方向以及电极层的电信号产生的电场的方向的一致性的控制当极化方向和电场方向相同时，会产生长宽方向的收缩；当极化方向和电场方向相反时，会产生长宽方向的伸长；其中，极化方向在器件出厂时已经确定，因此，在实际控制过程中，可以通过调控各电极层的电信号来控制压电陶瓷层的伸长或缩短，从而引起第一振动部3和第二振动部2的振动。

需要说明的是，在实际控制过程中，需要通过控制第一振动部3和第二振动部2的极化方向和电信号方向，始终保持第一振动部3和第二振动部2在长宽方向的形变方向相反，即当第一振动部3伸长时，第二振动部2收缩；第一振动部3收缩时，第二振动部2伸长；只有这样，第一振动部3与第二振动部2耦合后才能实现压电器件厚度方向的弯曲变形，形成振动。

此外，在本发明的一个具体地实施方式中，压电陶瓷层可以选择锆钛酸铅PZT、钛酸钡BT、铌酸钾钠KNN、氮化铝AlN等压电材料，也可以选择在电信号驱动下可以产生伸缩振动的材料(例如电致伸缩材料等)，并且，单层的压电陶瓷层的厚度范围通常为10～200μm。电极层需要使用导电材料进行制件，可以选择Ag、Au、Pt、Pd等导电金属材料及其合金，也可以选择氧化铟锡ITO等导电材料，并且，电极层厚度范围通常为0.1～10μm。

此外，在本发明的另一个具体地实施方式中，还可以在触压感应层1内设置第一触压电极11和第二触压电极12，在第一振动部3内设置有第一振动电极31和第二振动电极32，在第二振动部2内设置有第三振动电极21和第四振动电极22；其中，触压感应层1的内部的一半电极层的极性相同，可以相连后作为该第一触压电极11或与第一触压电极11相连；另一半的电极层的极性相同，可以相连后作为该第二触压电极12或与第二触压电极12相连。对于第一振动电极31和第二振动电极32以及第三振动电极21与第四振动电极22的设置，与第一触压电极11和第二触压电极12的设置原理相同，在此不再赘述。

此外，第一触压电极11、第二触压电极12、第一振动电极31、第二振动电极32、第三振动电极21以及第四振动电极22均设置有面电极，其中，第一触压电极11的面电极(即第一面电极5)通常设置在触压感应层1的顶面。

另外，为便于将各电极与外壳上的电信号相连，可以在触压感应层1的顶面上设置分别与第二触压电极12、第一振动电极31、第二振动电极32、第三振动电极21以及第四振动电极22相连的引出电极6，通过引出电极6将本发明提供的触压振动一体式压电器件的内部的电极与外界的电信号相连。

具体地，为实现本发明提供的触压振动一体式压电器件的内部的电极与触压感应层1的顶面上的引出电极6的连接，第二触压电极12、第一振动电极31、第二振动电极32、第三振动电极21以及第四振动电极22均可以通过预设的侧电极7或孔电极与相应的引出电极6相连。

如上参照图1至图5以示例的方式描述根据本发明的触压振动一体式压电器件。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的触压振动一体式压电器件，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种触压振动一体式压电器件，其特征在于，包括外壳和设置在所述外壳内部的振动层和触压感应层；其中，

所述振动层的一侧与所述外壳上的按压部相连，所述触压感应层设置在所述振动层远离所述按压部的一侧。

2.如权利要求1所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

所述振动层为双晶压电陶瓷制件。

3.如权利要求1所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

所述振动层包括第一振动部和第二振动部；其中，

所述第一振动部与所述按压部相连，所述第二振动部设置在所述第一振动部与所述触压感应层之间。

4.如权利要求3所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

在所述第一振动部与所述第二振动部之间以及所述第二振动部与所述触压感应层之间均设置有压电陶瓷分隔层。

5.如权利要求3所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

所述第一振动部、所述第二振动部以及所述触压感应层均包括至少两层电极层和至少一层压电陶瓷层；其中，

所述电极层和所述压电陶瓷层交替堆叠设置。

6.如权利要求5所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

所述第一振动部和所述第二振动部的伸长或收缩受其内部的压电陶瓷层的极化方向以及电极层的电信号方向的控制；并且，

当所述第一振动部伸长时，所述第二振动部收缩；所述第一振动部收缩时，所述第二振动部伸长。

7.如权利要求5所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

压电陶瓷层采用压电材料或电致伸缩材料，其中，所述压电材料包括锆钛酸铅、钛酸钡、铌酸钾钠以及氮化铝，所述电致伸缩材料为在电信号驱动下产生伸缩振动的材料；并且，

所述压电陶瓷层的厚度范围为10～200μm，所述电极层的厚度范围为0.1～10μm。

8.如权利要求3至7中任意一项所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

在所述触压感应层内设置有第一触压电极和第二触压电极，在所述第一振动部内设置有第一振动电极和第二振动电极，在所述第二振动部内设置有第三振动电极和第四振动电极；其中，

所述第一触压电极的第一面电极设置在所述触压感应层的顶面。

9.如权利要求8所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

在所述触压感应层的顶面上还设置有分别与所述第二触压电极、所述第一振动电极、所述第二振动电极、所述第三振动电极以及所述第四振动电极相连的引出电极。

10.如权利要求9所述的触压振动一体式压电器件，其特征在于，

所述第二触压电极、所述第一振动电极、所述第二振动电极、所述第三振动电极以及所述第四振动电极均通过侧电极或孔电极与相应的所述引出电极相连。

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