CN116528651A - 一种并连压电陶瓷内电极共烧压电振子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种并连压电陶瓷内电极共烧压电振子及其制备方法，包括层叠的若干陶瓷片、两层陶瓷片之间的电极和层叠的若干陶瓷片两端的电极，所述若干陶瓷片包括层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片，使得第一上陶瓷片和第一下陶瓷片的极化方向相同，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片之间的电极连接电信号的一极，所述层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片两端的电极连接电信号的另一极。本发明的技术方案可调整增大驱动力，在电场力的作用下，陶瓷极性畴的微观运动转化为陶瓷整体的宏观运动，可应用于压电声学元件。
Description
技术领域
本发明涉及压电振子制备技术领域，具体地说，涉及一种压电陶瓷内电极共烧压电振子及其制备方法。
背景技术
逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。压电陶瓷产生电信号和机械振动转化是因为压电陶瓷具有压电畴。当外加电场大于压电畴的矫顽场，则压电畴转向并沿外加电场方向有序排列，这样撤除外电场后有一部分压电畴保持，这被称作剩余极化。
从宏观上看对于一个极化好的压电体材料，比如圆柱形陶瓷片，假设极化P沿厚度方向，当外加电场E方向与极化P反向时，陶瓷柱沿厚度方向被压缩，必然沿直径方向被伸长。相反，当外加电场E方向与极化P同向时，陶瓷柱沿厚度方向被伸长，必然沿直径方向被压缩。如果是交变电场则厚度和直径也随电场交变(这是因为陶瓷晶体的密度不会改变，体积必然不能改变，当一个方向尺寸变化与它垂直的方向必然反变化以保持体积必变)。
以上就是压电陶工作的原理，基于这个原理就可以进行各种压电陶瓷元器件的设计。
如图1中所示，传统的技术方案是将自由压电振子10与基片11(一般为铜、镍铁合金等金属片或PET膜镀金属等)用环氧胶水粘结，然后在工装里加一定压力，然后放在烘箱里加热一定温度固化，使得压电片与基片牢牢的结合在一起。这样自由振子就变成受缚的复合振子，通过基片的束缚，将自由振子1方向的伸缩振动转化为3方向的弯曲振动。但这种方案有几个明显的缺陷：一是热压固化，陶瓷与基片的热膨胀系数不同，导致复合振子变形，频率漂移大，产品性能难以做到正态分布；二是受缚后复合振子内应力大，压电振子其压电性能下降20％-30％之间；三是对胶水的选择和胶合固化工艺要求极高，一般振子失效都是由于粘结胶水老化失效引起。
如图2中所示，也有在制造压电传感器件中，将两片极化方向相反的压电自由振子直接粘贴固化，然后取上下电极接外电场。这样也建立了一个外加电场方向相同，而极化方向相反的自由弯曲振动模式。但它的缺陷是：串联共振，相对于同等条件工作场强只有并联的1/2，而且只能两层陶瓷复合。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供了一种完全自由的主动驱动单元的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子及其制备方法。
根据本发明的一方面，提供了一种并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，包括层叠的若干陶瓷片、两层陶瓷片之间的电极和层叠的若干陶瓷片两端的电极，所述若干陶瓷片包括层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片的极化方向相同，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片之间的电极连接电信号的一极，所述层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片两端的电极连接电信号的另一极，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片在电信号下反向同步应变。
优选的：所述若干陶瓷片包括依次从上至下层叠的第二上陶瓷片、第一上陶瓷片、第一下陶瓷片、第二下陶瓷片，所述第二上陶瓷片与第一上陶瓷片的极化方向相反，所述第二下陶瓷片与第一下陶瓷片的极化方向相反，所述层叠的第二上陶瓷片、第一上陶瓷片、第一下陶瓷片、第二下陶瓷片两端的电极连接电信号的一极，所述第二上陶瓷片、第一上陶瓷片在电信号下同步应变，所述第一下陶瓷片、第二下陶瓷片在电信号下同步应变，所述第二上陶瓷片、第一上陶瓷片与所述第一下陶瓷片、第二下陶瓷片在电信号下反向同步应变。
优选的：所述若干陶瓷片包括层叠的m个第一上陶瓷片，其中，m≥2，相邻两个第一上陶瓷片的极化方向相反，每个第一上陶瓷片两端的电极分别与电信号的一极、另一极相连，所述层叠的m个第一上陶瓷片在电信号下同步应变。
优选的：所述若干陶瓷片包括层叠的n个第一下陶瓷片，其中，n≥2，相邻两个第一下陶瓷片的极化方向相反，每个第一下陶瓷片两端的电极分别与电信号的一极、另一极相连，所述层叠的n个第一上陶瓷片在电信号下同步应变。
优选的：当外加电场与陶瓷片的极化方向相反时，所述陶瓷片的长度被压缩；当外加电场与陶瓷片的极化方向相同时，所述陶瓷片的长度被伸长。
优选的：所述若干陶瓷片由若干陶瓷坯共同烧结制成。
优选的：所述陶瓷片为压电陶瓷片。
优选的：所述电极为铜电极或银电极。
根据本发明的另一方面，提供了上述并连压电陶瓷内电极共烧压电振子的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将第一上陶瓷片和第一下陶瓷片相叠，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片之间设有电极，所述层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片两端设有电极；
步骤2，将第一上陶瓷片两端的电机连接电信号，使第一上陶瓷片极化；将第一下陶瓷片两端的电机连接电信号，使第一下陶瓷片极化；所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片的极化方向相同。
优选的：所述步骤2中将第一上陶瓷片一端和第一下陶瓷片一端之间的电极连接电信号的一极，所述第一上陶瓷片另一端的电极连接电信号的另一极，使第一上陶瓷片极化；然后将第一上陶瓷片一端和第一下陶瓷片一端之间的电极连接电信号的另一极，所述第一下陶瓷片另一端的电极连接电信号的一极，使第一下陶瓷片极化；然后将第一上陶瓷片另一端的电极与第一下陶瓷片另一端的电极共极。
与现有技术相比，本发明技术方案提供了一个完全自由的主动驱动单元，同时也可调整增大驱动力，在电场力的作用下，陶瓷极性畴的微观运动(应变)转化为陶瓷整体的宏观运动(应变)，可应用于压电声学元件。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为现有技术中自由压电振子与基片的结构示意图；
图2为现有技术中两片极化方向相反的压电自由振子结构示意图；
图3为本发明实施例中压电自由振子结构示意图；
图4为本发明实施例中层叠的上陶瓷片(下陶瓷片)的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
如图3中所示，在本发明实施例中，一种并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，包括层叠的若干陶瓷片、两层陶瓷片之间的电极，即相邻的两层陶瓷片之间均设有内电极，以及层叠的若干陶瓷片两端的电极，即整体层叠单元的上下两端设有外电极。
若干陶瓷片包括层叠的第一上陶瓷片1和第一下陶瓷片2。第一上陶瓷片1和第一下陶瓷片2的极化方向相同。
第一上陶瓷片1和第一下陶瓷片2之间的电极，即内电极连接电信号的一极，层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片两端的电极，即外电极连接电信号的另一极。
一种并连压电陶瓷内电极共烧压电振子的制备方法，首先层叠陶瓷片，陶瓷片之间设有内电极，两端设有外电极；然后将层叠的陶瓷片极化。例如如图3中所示，第一上陶瓷片1和第一下陶瓷片2的极化方向均如图中所示的向下，层叠陶瓷片1、2的内电极与电信号的正极连接，外电极与电信号的负极连接，则第一上陶瓷片1上电场方向与极化方向相同，第一上陶瓷片1伸长；而第一下陶瓷片2上电场方向与极化方向相反，第一上陶瓷片1收缩，层叠陶瓷片1、2向上拱起弯曲。与此类似，假如层叠陶瓷片1、2的内电极与电信号的负极连接，外电极与电信号的正极连接，层叠陶瓷片1、2向下拱起弯曲。当内电极、外电极与交变电信号连接时，则层叠陶瓷片1、2反复向上、向下弯曲振动。
综上，本发明实施例的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子及其制备方法，提供了完全自由的主动驱动单元，在电场力的作用下，陶瓷极性畴的微观运动(应变)转化为陶瓷整体的宏观运动(应变)，可应用于压电声学元件。
此外，如图3中所示，在本发明实施例中，若干陶瓷片包括依次从上至下层叠的第二上陶瓷片3、第一上陶瓷片1、第一下陶瓷片2、第二下陶瓷片4。
第二上陶瓷片3与第一上陶瓷片1的极化方向相反。第二下陶瓷片4与第一下陶瓷片2的极化方向相反。
层叠的第二上陶瓷片3、第一上陶瓷片1、第一下陶瓷片2、第二下陶瓷片4两端的电极连接电信号的一极，即与第一上陶瓷片1、第一下陶瓷片2之间的电极共级。
在本发明实施例中，分别在第一上陶瓷片1、第一下陶瓷片2之外再增加一层陶瓷片，极化方向分别与第一上陶瓷片1、第一下陶瓷片2的极化方向相反。
在极化时，如图3中所示极化分两步，分别进行第二上陶瓷片3、第一上陶瓷片1的极化，第一下陶瓷片2、第二下陶瓷片4的极化：
例如，如图3中所示，第一步，第二上陶瓷片3、第一上陶瓷片1的外电极接正极，内电极接负极，则第二上陶瓷片3、第一上陶瓷片1产生图3中所示的向上、向下的极化方向。
第二步，第一下陶瓷片2、第二下陶瓷片4的外电极接负极，内电极接正极，则第一下陶瓷片2、第二下陶瓷片4产生图3中所示的向下、向上的极化方向。
如此，通过分别极化，可分别产生相邻极化方向相反的上陶瓷片和下陶瓷片。然后再将上陶瓷片和下陶瓷片层叠起来，并且，相邻的上陶瓷片、下陶瓷片的极化方向相同。
极化结束后，间隔电极连接共用一极。如图3中所示，第一上陶瓷片1、第一下陶瓷片2的内电极及第二上陶瓷片3、第二下陶瓷片4的外电极作为共极短路连接共用一极。第一上陶瓷片1、第一下陶瓷片2的外电极作为共极短路连接共用另一极。优选通过导线将共极的电极连接，并优选可以通过电极与陶瓷共烧的独石结构端电极引出导线共极。
当在一极、另一极加入交变电信号后，根据逆压电工作模式，上陶瓷片同步应变，下陶瓷片产生反向同步应变，从宏观看，一个电学周期内，当上陶瓷片伸长时，下陶瓷片收缩，反之亦反。这样就产生了反复的弯曲振动。
另外，图3中的实施例的4层陶瓷结构是一个基本单元，实际制作产品时为了增大驱动力，如图4中所示，在本发明的实施例中，上陶瓷片和下陶瓷片可分别为独立的独石结构，分别独立极化。
如图4中所示，在本发明的实施例中，优选若干陶瓷片包括层叠的m个第一上陶瓷片1，其中，m≥2。相邻两个第一上陶瓷片1的极化方向相反，每个第一上陶瓷片1两端的电极分别与电信号的一极、另一极相连。即间隔的电极分别相连共用一级、另一极。
并优选若干陶瓷片包括层叠的n个第一下陶瓷片2，其中，n≥2。相邻两个第一下陶瓷片2的极化方向相反，每个第一下陶瓷片2两端的电极分别与电信号的一极、另一极相连。即间隔的电极分别相连共用一级、另一极。
同时，当层叠的m个第一上陶瓷片1和层叠的n个第一下陶瓷片2进行层叠时，相邻的第一上陶瓷片1和第一下陶瓷片2的极化方向相同。
综上所述，本发明实施例是一个完全自由的主动驱动单元，同时也可调整增大驱动力，在电场力的作用下，陶瓷极性畴的微观运动(应变)转化为陶瓷整体的宏观运动(应变)，可应用于压电声学元件。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于，包括层叠的若干陶瓷片、两层陶瓷片之间的电极和层叠的若干陶瓷片两端的电极，所述若干陶瓷片包括层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片的极化方向相同，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片之间的电极连接电信号的一极，所述层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片两端的电极连接电信号的另一极，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片在电信号下反向同步应变。
2.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于：所述若干陶瓷片包括依次从上至下层叠的第二上陶瓷片、第一上陶瓷片、第一下陶瓷片、第二下陶瓷片，所述第二上陶瓷片与第一上陶瓷片的极化方向相反，所述第二下陶瓷片与第一下陶瓷片的极化方向相反，所述层叠的第二上陶瓷片、第一上陶瓷片、第一下陶瓷片、第二下陶瓷片两端的电极连接电信号的一极，所述第二上陶瓷片、第一上陶瓷片在电信号下同步应变，所述第一下陶瓷片、第二下陶瓷片在电信号下同步应变，所述第二上陶瓷片、第一上陶瓷片与所述第一下陶瓷片、第二下陶瓷片在电信号下反向同步应变。
3.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于：所述若干陶瓷片包括层叠的m个第一上陶瓷片，其中，m≥2，相邻两个第一上陶瓷片的极化方向相反，每个第一上陶瓷片两端的电极分别与电信号的一极、另一极相连，所述层叠的m个第一上陶瓷片在电信号下同步应变。
4.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于：所述若干陶瓷片包括层叠的n个第一下陶瓷片，其中，n≥2，相邻两个第一下陶瓷片的极化方向相反，每个第一下陶瓷片两端的电极分别与电信号的一极、另一极相连，所述层叠的n个第一上陶瓷片在电信号下同步应变。
5.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于：当外加电场与陶瓷片的极化方向相反时，所述陶瓷片的长度被压缩；当外加电场与陶瓷片的极化方向相同时，所述陶瓷片的长度被伸长。
6.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于：所述若干陶瓷片由若干陶瓷坯共同烧结制成。
7.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于：所述陶瓷片为压电陶瓷片。
8.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子，其特征在于：所述电极为铜电极或银电极。
9.根据权利要求1所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将第一上陶瓷片和第一下陶瓷片相叠，所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片之间设有电极，所述层叠的第一上陶瓷片和第一下陶瓷片两端设有电极；
步骤2，将第一上陶瓷片两端的电机连接电信号，使第一上陶瓷片极化；将第一下陶瓷片两端的电机连接电信号，使第一下陶瓷片极化；所述第一上陶瓷片和第一下陶瓷片的极化方向相同。
10.根据权利要求9所述的并连压电陶瓷内电极共烧压电振子的制备方法，其特征在于：所述步骤2中将第一上陶瓷片一端和第一下陶瓷片一端之间的电极连接电信号的一极，所述第一上陶瓷片另一端的电极连接电信号的另一极，使第一上陶瓷片极化；然后将第一上陶瓷片一端和第一下陶瓷片一端之间的电极连接电信号的另一极，所述第一下陶瓷片另一端的电极连接电信号的一极，使第一下陶瓷片极化；然后将第一上陶瓷片另一端的电极与第一下陶瓷片另一端的电极共极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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