CN1172378A - 压电元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电元件,它的压电谐振器包括:纵向基体;构成所述基体至少一部分的激活部分,所述激活部分由极化压电部件构成;以及与所述激活一起提供的一对外部电极;并且在所述压电谐振器上提供了类似橡胶的弹性材料,通过调节其数量可以获得具有所需Qm数值的压电元件,并提高支承基片与压电谐振器之间电极的连接可靠性。

Description

压电元件

本发明一般涉及压电元件，特别涉及包含至少一个压电谐振器的压电元件，例如振荡器、鉴频器和滤波器。

图13是普通压电元件的透视图。压电元件1包括表面上形成有图形电极3a和3b的支承基片2。压电谐振器4支承在该支承基片2上。压电谐振器4例如包括由压电材料构成的振动体5和形成于振动体两个相对表面上的外部电极6a和6b。当信号在外部电极6a和6b之间输入时，在振动体5内激发纵向振动模式。支承部件7例如由图形电极3a上的导电材料构成。压电谐振器4的中央部分由支承部件7支承。同时压电谐振器4的外部电极6a和图形电极3a由支承件7互相电气连接。压电谐振器4的另一外部电极6b通过引线8与图形电极3b连接。

在这种结构的压电元件1中，为了获得所需的电学特性，需要按照压电谐振器的尺寸设计和工作条件设计谐振频率、极化程度和压电谐振器4端子之间的电容。

但是压电谐振器具有一个由所用压电材料决定的机械品质因数Qm。因此，为了将Qm设定为所需的数值，需要研制一种能够被设定为所需数值或接近所需数值的优化压电材料。通常为研制压电材料要化很长时间。如果所用的压电材料能设定一个数值不等于而只接近所需的数值，则实际特性与目标特性之间就会有差异。

针对上述问题，本发明的主要目标是提供一种采用目前可以得到的压电材料具有所需Qm数值的压电元件。

为此，按照本发明的一个方面，提供了上述种种的压电元件，其特征在于在所述压电谐振器上提供有类似橡胶的弹性材料。

在上述压电元件中，压电谐振器可以纵向振动模式激发振动。

在上述压电元件中，压电谐振器可以进一步包括支承压电谐振器的支承基片和作为所述压电谐振器与所述支承基片之间的填充剂提供的类似橡胶的弹性材料。

在上述压电材料中，类似橡胶的弹性材料也可以提供于所述压电谐振器表面上，该表面与所述压电谐振器面的对所述支承基片的表面相对。

在上述压电材料中，类似橡胶的弹性材料可以包含导电材料。

在上述压电材料中，多个压电谐振器可以在支承基片上连接成梯型以构成梯型滤波器。

在上述压电元件中，压电谐振器可以包括：纵向基体；构成基体至少一部分的激活区域，激活区域由极化压电部件构成，以及与激活区域一起提供的外部电极。在激活区域内将至少一对内部电极放置成垂直于基体的纵向并分别与外部电极对连接，激活区域沿基体部件纵向极化，并且当电场经内部电极施加在基体纵向时激发纵向模式基本振动。

在上述压电谐振器中，施加电场时不激发振动的非激活区域可以构成基体的其它部分。

由于在压电谐振器上(例如在压电谐振器与支承基片之间或者在远离支承基片的压电谐振器表面上或者同时在压电谐振器与支承基片之间和在远离支承基片的压电谐振器表面上)提供了类似橡胶的弹性材料，所以压电谐振器的振动负载增加。如果将导电材料用作提供于压电谐振器与支承基片之间的类似橡胶的弹性材料，则可以提高支承基片与压电谐振器上的电极之间连接可靠性。

在通过以梯型连接多个压电谐振器形成的梯型滤波器中，利用提供在压电谐振器上的类似橡胶的弹性材料可以调节构成梯型滤波器的每个压电谐振器上的振动负载。

按照本发明，通过利用类似橡胶的弹性材料增加压电谐振器的振动负载可以有效地改变压电谐振器的机械品质因数Qm。因此，通过调节类似橡胶的弹性材料的数量可以获得具有所需Qm数值的压电元件。通过将导电材料用作提供于压电谐振器与支承基片之间的类似橡胶的弹性材料可以提高在支承基片与压电谐振器上的电极之间连接可靠性。因此，可以获得性能得到提高的压电元件。通过对每个压电谐振器的Qm进行调节也可以获得由多个压电谐振器组成并且性能提高的梯型滤波器。

通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的目标、特点和优点。

图1为代表本发明实施例的压电谐振器的部件分解透视图。

图2为用于图1所示压电元件中的压电谐振器的透视图。

图3为表示图2所示压电谐振器结构的示意图。

图4为表示在图2所示压电谐振器基体上形成绝缘薄膜的状态的平面图。

图5为在压电谐振器与支承基片之间采用导电的类似橡胶弹性材料的结构的示意图。

图6为按照本发明的采用多个压电谐振器构成梯型滤波器的压电元件的主要部分示意图。

图7为图6所示梯型滤波器主要部分的部件分解透视图。

图8为图6所示梯型滤波器的等效电路图。

图9为表示用于梯型滤波器内的串联和并联谐振器衰减特性与阻抗特性之间关系的曲线图。

图10为表示梯型滤波器特性对于串联和并联谐振器Qm调整的曲线图。

图11为表示梯型滤波器特性对于串联谐振器Qm调整的曲线图。

图12为表示梯型滤波器特性对于并联谐振器Qm调整的曲线图。

图13为普通压电元件的分解透视图。

图1示出了代表本发明实施例的压电元件10。压电元件10包括由诸如氧化铝之类绝缘材料构成的支承基片12。在支承基片12的两个相对侧面部分的每一个侧面部分上形成两个凹口14。图形电极16和18形成于支承基片12的两个主表面的一个主表面上。图形电极16包括形成于一对相向凹口14之间的第一部分和沿支承基片12的其中相对侧面之一延伸再朝向支承基片12中央部分的L形的第二部分。图形电极18包括形成于另一对相向凹口14之间的第一部分和沿支承基片12的另一相对侧面延伸再朝向支承基片中央部分的L形的第二部分。在支承基片12中央形成两个互相面对并相隔一定距离的图形电极16和18的端部。图形电极16和18的第一部分经凹口14延伸至支承基片12的另一主表面上的位置。

压电谐振器20固定在支承基片12中央的图形电极16和18端部上。压电谐振器20包括例如呈图2所示矩形形的基体22。基体22例如由压电陶瓷材料构成。如图3所示，多个内部电极24形成于基体22之内。每个内部电极如此形成，使得其主表面垂直于基体22的纵向。基体22沿其纵向极化从而使得每个内部电极24的相对侧上的它的一对部分沿图3中箭头所示方向极化。但是，基体22在沿纵向的相对端部不被极化。

在基体22的一个侧面内，形成有沿基体22纵向延伸的槽25。槽25形成于基体22宽度方向的中央以将基体22的侧面一分为二。如图4所示，在由槽25分割的侧面上，形成有第一绝缘薄膜26和第二绝缘薄膜28。暴露在被槽25一分为二的基体22两个侧面部分之一内的内部电极24的边缘交替地用第一绝缘薄膜26覆盖和不覆盖。暴露在被槽25一分为二的基体22两个侧面部分的之一部分内的内部电极24的边缘并且与不被第一绝缘薄膜16覆盖的那些部分相对的部分用第二绝缘薄膜28覆盖。

而且，外部电极30和32形成于其上有第一和第二绝缘薄膜26和28的基体22之上，即槽25的相对侧面上，从而使得未用第一绝缘薄膜26覆盖的内部电极与外部电极30相连而未用第二绝缘薄膜28覆盖的内部电极24与外部电极32相连。即，在每对相邻的内部电极24中，一个与外部电极30或32相连而另一个与外部电极32或30相连。

在该压电谐振器20中，外部电极30和32被用作输入/输出电极。当操作压电谐振器20时，电场施加在限定除相对端部以外的一段基体22的每对相邻内部电极24之间的部分。基体22由此在该部分内被压电激活。但是，由于基体22在相对端部内不被极化并且由于没有对相对端部施加电场(因为基体22的相对端面上没有形成电极)，所以基体22在相对端部内没有被压电激活。因此，形成基体22中央部分作为由输入信号激活的激活区域36而形成基体22的相对端部区域作为不被输入信号激活的非激活部分38。每个非激活区域38限定为一个输入信号不产生驱动力的区域。因此，如果内部电极之间的部分没有被极化，则电场可以施加在非激活区域38中每对相邻内部电极对之间的部分。而且可以采用禁止在某些极化压电层上施加电场的结构。并不总是需要形成这样的非激活部分；整个基体22可以形成为激活部分区域。

这种构造的压电谐振器20固定在支承基片12上的图形电极16和18上。此时，压电谐振器20通过由导电材料构成的两个支承部件40与图形电极16和18相连。限定在纵向中心的压电谐振器20的外部电极30和32的部分与支承部件40相连。压电谐振器20与支承部件40之间的间隔填充以弹性材料，例如硅橡胶等。而且在压电谐振器20的上表面上设有硅橡胶弹性材料44。例如可采用具有绝缘性质的类似橡胶的弹性材料作为弹性材料42和44。

金属盖46放置在支承基片12上。为了避免金属盖46与图形电极16和18短路，绝缘树脂预先涂覆在支承衬底12以及图形电极16和18上。通过盖上金属盖46，完成了压电元件10的制造。在该压电元件10中，经过支承基片12侧面延伸至支承基片12反面而形成的图形电极16和18被用作连接至外部电路的输入/输出端子。

当信号经图形电极16和18输入至压电元件10时，电压沿相反方向被施加在极化的激活部分36的压电层内，从而使压电层整体沿同一方向整体膨胀和收缩。由此激发了纵向基模的振动，其节点相应于基体22的中心。

在该压电部件10中，激活部分36的极化方向、根据信号的电场方向以及激活部分36的振动方向相互一致。即压电谐振器20是刚性的。同振动方向与极化方向和电场施加方向不一致的非刚性压电谐振器相比，刚性压电谐振器具有较大的机电耦合系数。因此刚性压电谐振器20具有更大的谐振频率与反谐振频率之间的频差ΔF。这意味着压电谐振器20获得了宽频带特性。

在压电谐振器20中，通过改变激活部分与非激活部分的比率和/或选择非激活部分38的形成位置，可以将ΔF调整为合适的数值。通过改变激活部分36的层数可以调整压电谐振器20的电容。因此可以方便地实现压电元件10与外部电路之间的阻抗匹配。

在任何压电元件10的应用中(例如采用上述压电谐振器作为鉴频器或振荡器)，利用了在谐振频率(Fr)和反谐振频率(Fa)附近的频率处理相位变化。但是，如果压电谐振器20的机械品质因数Qm过大，则在工作范围内会发生因不必要振动引起的脉动从而严重影响压电谐振器20的性能。因此，抑制Qm是重要的。由于压电谐振器20的Qm由基体22的压电材料决定，所以无法通过选择元件的尺寸、压电层数等进行控制。

因此，在本压电元件10中，通过将类似橡胶的弹性材料42填充于压电谐振器20与支承基片12之间的间隔和将类似橡胶的弹性材料44涂覆在压电谐振器20的上表面来控制Qm。即利用类似橡胶的弹性材料42和44增加压电谐振器20的振动负载，从而有效抑制压电谐振器20的Qm。通过在测量压电元件10特性的同时调整类似橡胶的弹性材料42和44的数量可以获得所需的Qm数值。

没有必要总是同时使用类似橡胶的弹性材料42和44；只用其中之一也是可以的。与将类似橡胶的弹性材料涂覆在压电谐振器20的上表面相比，只将类似橡胶的弹性材料42填充于压电谐振器20与支承基片12之间能够更有效地抑制Qm。这是因为同时粘附在压电谐振器20和支承基片12上的类似橡胶的弹性材料更有效地抑制了压电谐振器20的振动。类似橡胶的弹性材料42强化了对压电谐振器20的支承。但是，如果边调整Qm边测量压电元件特性的话，通过将类似橡胶的弹性材料44涂覆在压电谐振器20上表面来调整Qm就更为方便。

如果增加了类似橡胶的弹性材料42和44的用量，则压电谐振器20上的振动负载变大而Qm受到的抑制作用更强。当压电谐振器20振动时，由于它以相应于中心的节点作纵向模式振动，所以它的相对端部的位移较大。因此，靠近压电谐振器20相对端部的类似橡胶的弹性材料42和44对抑制Qm的贡献更大。

可以采用导电的类似橡胶的弹性材料(例如硅橡胶)作为压电谐振器20与支承基片12之间的类似橡胶的弹性材料42。如果采用导电材料作为类似橡胶的弹性材料42，则提高了外部电极30与图形电极16以及外部电极32与图形电极18之间的导电的可靠性。在采用这样的材料时，如图5所示将绝缘的类似橡胶的弹性材料50作为填充剂填入凹口25内从而防止两个外部电极30和32之间导电。

图6为按照本发明另一实施例的压电元件10的主要部分的平面图，它采用多个压电谐振器构成梯型滤波器。图7为压电元件10主要部分的透视图。在该压电元件10中，支承基片12上形成有四个图形电极90、92、94和96。图形电极90-96具有沿着从支承基片12一端向另一端排列成互相隔开一定间距的排成一排的第一到第五焊接区。形成第一焊接区作为图形电极90的一部分，形成第二和第五焊接区作为图形电极92的部分，形成第三焊接区作为图形电极94的部分，形成第四焊接区作为图形电极96的部分。

压电谐振器20a，20b，20c和20d的外部电极30和32通过支承部件40与这些焊接区连接。压电谐振器20a，20b，20c和20d如此放置，形成如图8所示的梯型电路。在支承基片12上放置金属盖(未画出)。

本压电元件10被用作具有如图8所示梯型电路的梯型滤波器。为了形成这样的梯型滤波器，采用两个压电谐振器20a，20b作为串联谐振器而采用其它的压电谐振器20c和20d作为并联谐振器。经过这样的设计的梯型滤波器其并联的压电谐振器20b和20d比串联的压电谐振器20a和20c具有更大的电容。如图9所示，在这样的梯型滤波器中，衰减特性由串联压电谐振器20a和20c的阻抗和并联压电谐振器20b和20d的阻抗决定。

在这样的梯型滤波器中，通过控制压电谐振器20a-20d的Qm可以控制群延迟特性(群延迟时间(GDT))。对以上述方式制造的梯型滤波器特性进行了考察。图10示出了当抑制串联和并联压电谐振器20a-20d的Qm时的特性。图11示出了当抑制串联压电谐振器20a和20c的Qm时的特性。图12示出了当抑制并联压电谐振器20b和20d的Qm时的特性。在图10-12中，虚线表示应用弹性材料之前的群延迟时间而实线表示应用弹性材料之后的群延迟时间。

由图10、11和12可见，通过抑制压电谐振器20a-20d的Qm可以改善GDT的偏离，并且如果抑制所有的压电谐振器20a-20d的Qm，则效果更为明显。由于谐振器因Qm变化引起的振幅变化非常小，所以不予讨论。

如上所述，如果采用类似橡胶的弹性材料42和44，则不用改换压电材料就可以控制机械品质因数Qm。在上述实施例中，采用刚性叠层压电谐振器作为上述压电元件10的压电谐振器20。但是，也可以采用振动方向与极化方向和电场施加方向不一致的非刚性压电谐振器。而且如果采用能够纵向振动的非刚性压电谐振器，则通过借助类似橡胶的弹性材料42和44增加振动负载的方法可以控制压电谐振器的Qm。

而且如图13所示，在采用带有形成于基体相对表面上的外部电极的压电谐振器和引线的压电元件中，通过将类似橡胶的弹性材料42填充于压电谐振器20与支承基片12之间的间隔和/或将类似橡胶的弹性材料涂覆在压电谐振器20的上表面可以控制压电谐振器Qm。

Claims (8)

1.一种压电元件，包括至少一个压电谐振器，其特征在于在所述压电谐振器上提供有类似橡胶的弹性材料。

2.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于压电谐振器可以以纵向振动模式激发。

3.如权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于所述压电谐振器进一步包括支承所述压电谐振器的支承基片和作为所述压电谐振器与所述支承基片之间的填充剂提供的类似橡胶的弹性材料。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的压电元件，其特征在于所述类似橡胶的弹性材料提供于所述压电谐振器表面上，该表面与所述压电谐振器面对所述支承基片的表面相对。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的压电元件，其特征在于所述类似橡胶的弹性材料可以包含导电材料。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的压电元件，其特征在于多个所述压电谐振器可以在所述支承基片上连接成梯型以构成梯型滤波器。

7.如权利要求1-8中任意一项所述的压电元件，其特征在于所述压电谐振器包括：

具有纵向的基体；

构成所述基体至少一部分的激活部分，所述激活部分由极化压电部件构成；以及

与所述激活部分一起提供的一对外部电极；

在所述激活部分内将至少一对内部电极放置成垂直于所述基体部件纵向并分别与所述外部电极对连接，所述激活部分沿基体纵向极化，并且当电场经内部电极施加在所述基体纵向时激发纵向模式基本振动。

8.如权利要求7所述的压电元件，其特征在于施加电场时不激发振动的非激活部分构成基体的其它部分。

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