CN1685535A - 具有铜内电极的压电变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电变换器，其具有至少两个陶瓷部件和置于两陶瓷部件中的含铜电极。本发明建议该陶瓷部件选用由含Pb(ZrxTi1－x)O3+y Pb(Mn1/3Nb2/3)O3的组合物组成的陶瓷。

Description

具有铜内电极的压电变换器
本发明涉及一种多层式压电变换器，其包含钛-锆酸铅即Pb(ZrXTi1-X)O3或PZT、陶瓷体和内置的铜电极，本发明还涉及这种变换器的制备方法。
压电变换器是1954年由Rosen等人发现的(US 2830274)。其工作原理在于，首先将输入的电信号转换为转换器机体的机械振动，接着将机械振动能再转换为输出的电信号。该两次能量转换通过压电效应发生。该转换器的作用即电压增量是通过利用陶瓷材料的特性如机械品质因数Qm、机电耦合系数kij和转换器结构如在其初级端和次级端中的电极间隔来实现的。
从那时以来，发表了大量技术出版物和在整个世畀上授予了大量专利，其目的在于：(i)压电变换器的新设计，(ii)用于变换器中的新压电材料和(iii)包含压电变换器的电路。特别是研制出了多层式压电变换器，其由与内置金属电极共同烧结的压电陶瓷制成。多层设计的优点是可通过调节在初级端和次级端中的内电极的间隔来提高电压增量比。由此在给定电压增量比的情况下可通过利用多层结构来减小变换器的尺寸。
对压电变换器的这种强烈兴趣的原因在于，据信可通过该部件在大量应用中取代电磁转换器，首先在需要低于20W的较小功率和小尺寸转换器的应用中取代电磁转换器。这些应用包括(i)在便携式电脑和近来在“掌中宝”、摄相机和照相机中适于液晶显示的背景照明换流器，(ii)荧光灯的前置装置和(iii)适于移动电话、便携式电脑和其它可再充电的手持式仪器的交流-直流变换器。
与电磁变换器相比，压电变换器的优点如下：
(i)压电材料的高功率密度，该材料可制成小尺寸的密集式变换器，特别是比电磁变换器更薄；
(ii)小的能耗，因此有更高的变换器效率。与电磁变换器不同，压电变换器不包括在初级端和次级端中的接线，因此无由接线引起的损耗如由感应电流和金属中的趋肤效应引起的损耗；
(iii)较高的可靠性，由于不存在接线，其与初级端和次级端之间的低短路风险相关；
(iv)压电变换器不产生电磁噪声，因此不干扰相邻的对磁场敏感的电路。
虽然压电变换器有上述技术优点，但电磁变换器具有的独特优点是低的制造成本，这是由于在长时间内可大批量生产，该生产的成本明显小于多层式压电变换器的生产成本。压电变换器的较高生产成本主要由昂贵的金属电极的成本决定的，该金属电极通常由铂或由银/钯合金制成。这些昂贵的金属需在1100-1200℃的高温与PZT陶瓷共同烧结，这对制备具有优良特性如高的压电耦合系数的密实PZT陶瓷是必需的。
为能使陶瓷材料和由廉价的金属如银或铜制成的电极共同烧结，需将陶瓷的烧结温度降到低于金属的熔点，铜的熔点为1085℃，银的熔点为962℃。此外，如果采用铜电极，则需在惰性气氛下烧结，以避免铜的氧化。陶瓷与银电极的共同烧结可在氧化性气氛(空气)下进行。
目前可参考下面4个出版物，其论述压电陶瓷与铜或银的共同烧结。
其中两篇出版物描述在900℃下压电陶瓷的烧结方法，特别是用于制备有内置银电极的多层式压电转换器的方法。在US 5792379中，在900℃的烧结是通过使PZT陶瓷与特别制备的由B2O3、Bi2O3、Cu和类似的其它金属氧化物如ZnO、BaO等的组合构成的玻璃料相混合而达到的。
在另一篇专利申请WO 200121548中，在900℃的烧结是通过使PZT陶瓷与Bi2O3和CdO的组合相混合而达到的，该组合具有低的熔化温度，因此有利于PZT陶瓷的密实。其利用Bi2O3和CdO代替玻璃料的优点是不仅Bi而且Cd均可掺入到PZT的晶格中，因此不会形成有害的、不利于陶瓷特性的次生相。在该两篇文献中均通过在900℃下的烧结获得密实的陶瓷。
但是在该两专利中所述的陶瓷有不良的特性，特别是较低的机电耦合系数值即kp＝0.45-0.47，机械品质因子Qm＝500-650，介电常数ε33＝400-550。该低的材料参数值可导致变换器的不利特性如低的电压增量比、低功率和低效率。陶瓷的这种不良特性可能是陶瓷在900℃的低温下烧结的结果。特别是在低温下，颗粒生长可能受限，并且低的扩散速率不可能提供锆和钛在PZT的晶格中的均匀分布。
由此，与铜电极的共同烧结会是制备具有高功率的多层式压电转换器的一种较好的技术可能性，因为较高的烧结温度即1000℃而不是900℃应导致具有更好特性的PZT陶瓷。
可参考两个专利申请，其中描述了多层式压电陶瓷构件与内铜电极的共同烧结。其中之一即DE 19946834-A1描述带有内置铜电极的多层式压电两极作用物(Aktor)及其制备方法。其可制备具有内置的铜电极的多层式压电两极作用物，但未给出如何实现的详情。
另一专利申请即DE 10062672-A1描述具有内置铜电极的多层式压电部件及其制备方法。该申请首先详细描述了压电陶瓷与内置铜电极的共同烧结方法，结果得到高密度和高功率的部件。其次该公开件涉及通常的多层式压电部件，也可包括多层变换器。制备这种部件的方法是针对多式层压电两极作用物而进行的描述。
压电两极作用物和压电变换器之间的主要区别在于，先提到的特别是DE 10026272-A1中所述的两极作用物是由所谓的“软”压电陶瓷制成。“软”压电陶瓷通过用少量摩尔％的给体添加物掺杂基础组合物Pb(ZrxTi1-x)O3而得，如在专利申请DE 10062672-A1中所述，该给体添加物是高价阳离子如Nd3+作为Pb2+的替代物。“软”压电陶瓷的区别在于有高的压电功率系数dij值和高的介电常数εii值，同时具有高的介电损耗和机械损耗，其由tanδ和机械品质因数的倒数1/Qm表示。高的机械损耗意味着低的机械品质因数Qm。特别是以Nd掺杂的PZT陶瓷其tanδ＞2％，且Qm＝50-70。该值不适合用于压电变换器中，因为该变换器将具有低的效率。
通常压电变换器应用“硬”压电陶瓷制备。“硬”陶瓷是通过用少量摩尔％的受体添加物掺杂基础组合物Pb(ZrxTi1-x)O3而得，该受体添加物是低价阳离子如Mn2+、Fe2+、Ne2+、Zn2+、Mg2+、Li1+(代替Zr4+或Ti4+)或Ag1+(代替Pb2+)。“硬”压电陶瓷的特征在于低的机械(Qm＝1000-2000)损耗和介电(tanδ＝0.3-0.4％)损耗。
至今所有已知的“硬”压电陶瓷组合物均为在氧化性气氛(空气)中进行烧结的陶瓷而研制的。至今还未研究以这些添加物掺杂的“硬”PZT陶瓷的特性在惰性气氛中烧结时是如何变化的。专利申请DE10062672-A1仅提到“软”压电陶瓷的制备。在惰性气氛中的共同烧结对“硬”PZT陶瓷的压电特性可能是不利的，这也许使该陶瓷不适用于压电转换器中。
本发明描述一种多层式压电变换器，该多层式压电变换器通过“硬”压电陶瓷与内置的铜电极共同烧结来制备。铜电极的应用肯定明显降低变换器的制造成本，使其在市场上应具有竞争能力。与和银/钯或内置铂电极共同烧结的多层式变换器相比，这应认为是主要的改进。
与制备具有内置的银电极的多层式压电变换器的技术相比，本发明的优点在于，用于共同烧结的更高温度，即1000℃而不是900℃，导致具有改进特性的陶瓷。原因在于，更高的温度有利于在PZT晶格中的颗粒生长及锫和钛的均匀分布。
与多层式压电变换器的现有技术相比，本发明的特征在于铜电极与“硬”压电陶瓷共同烧结。
由粉末开始直到陶瓷与铜电极的共同烧结的制备方法取自EPCOS的专利申请即DE 10062672-A1。与该工作相比，本发明的新颖性在于，应用“硬”压电陶瓷代替其中所述的“软”陶瓷。
可成功制备具有内置的铜电极的多层式压电变换器。该变换器具有各种设计，其包括不同的造型和不同的电极形状。目前仅描述过唯一一种设计的变换器。该变换器的特征与在交流-直流转换器中的应用要求相符，这种变换器是为其而设计的。
所述陶瓷组合物的通式为Pb(ZrxTi1-x)O3+y Pb(Mn1/3Nb2/3)O3。该组合物在现有技术中是已知的，并具有适用于压电变换器中的特性。对变换器的设计(包括电极造型)均可如为其制造变换器的客户的应用所需而选定。在专利申请DE 10062672-A1中描述了该方法过程，包括无机粘合剂的去除和烧结时的惰性气氛的调节。
本发明利用在1000℃下使“硬”PZT陶瓷在惰性气氛中烧结的工序，其导致陶瓷的密度大于具有同样化学组成的但是在1000℃下于氧化性气氛如空气中烧结的陶瓷的密度。通过在惰性气氛中烧结以得到具有高密度的“硬”PZT陶瓷的可能性简化了变换器的制备工艺，因为不需如现有技术中所述的添加物。这些添加物是为降低在氧化性气氛如空气中陶瓷烧结温度而研制的。
在惰性气氛中的烧结改进了“硬”压电陶瓷的特性，这些特性对在压电变换器中的应用具有决定性的意义。特别是减少了介电损耗，且与具有同样化学组成但在1000℃下于氧化性气氛(空气)中烧结的陶瓷相比，提高了机电耦合系数。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种压电变换器，其具有至少两层含硬压电材料的陶瓷层和置于两陶瓷层之间的含铜的电极层。
2.权利要求1的变换器，其由含可热水解降解的粘合剂的陶瓷坯膜制成。
3.权利要求2的变换器，其中所述粘合剂为聚氨酯分散体。
4.权利要求1-3之一的变换器，其中所述压电陶瓷材料的通常组成为Pb(ZrxTi1-x)O3，其中部分Zr或Ti由氧化态为1+或2+的低价阳离子所取代。
5.权利要求1-4之一的变换器，其中所述压电陶瓷材料的通常组成为Pb(ZrxTi1-x)O3，其中部分Pb由氧化态为1+的低价阳离子所取代。
6.权利要求1-4之一的变换器，其中所述陶瓷组合物的通式为Pb[(ZrxTi1-x)1-y(Mn1/3Nb2/3)y]O3。
7.权利要求1-6之一的变换器，其中内电极通过丝网印刷制备。
8.一种用于制备变换器的方法，其中在惰性气氛中烧结硬压电陶瓷。
9.权利要求8的方法，其中陶瓷在低于铜的熔点下烧结。

Claims (3)

1.一种压电变换器，其具有至少两个由含Pb(ZrxTi1-x)O3+yPb(Mn1/3Nb2/3)O3的组合物组成的陶瓷部件和置于两陶瓷部件中的电极，其中该电极含铜。
2.权利要求1的变换器，其由含可热水解的粘合剂的陶瓷坯膜制成。
3.权利要求2的变换器，其中所述粘合剂为聚氨酯分散体。
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Open date: 20051019