CN205846016U - 一种大场强高可靠压电陶瓷元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种大场强高可靠压电陶瓷元件，包括位于底层的铜基片，中间层压电陶瓷，连接固定压电陶瓷在铜基片上的黏胶层，所述铜基片上连接有第一引脚，所述压电陶瓷上下表面涂覆有不超过压电陶瓷直径的银电极层，所述银电极层上通过导电胶还连接有金属基片，所述金属基片上焊接有第二引脚。本实用新型通过导电胶在银电极层上连接有一金属基片，将第二引脚焊接于金属基片上，避免锡焊连引脚时与银电极层直接接触，产生热冲击导致压电陶瓷产生裂纹，从而有效改善了压电泵的性能可靠性，提高了压电水泵的使用电场强度和寿命。

Description

一种大场强高可靠压电陶瓷元件

技术领域

本实用新型涉及压电陶瓷及电子器件领域，特别涉及一种大场强高可靠压电陶瓷元件。

背景技术

利用压电效应制成的压电陶瓷片，现已广泛应用于蜂鸣器、超声波和传感器等领域。现在有不少科技工作者正在研究利用压电陶瓷片作为动力驱动元件制造压电泵，压电泵的流量和压力与压电陶瓷片的驱动电压几乎是成正比例关系。压电水泵是压电泵中的一个分支，可以应用水族、电子产品、医疗等领域。目前，市场上的压电水泵，产生的流量在500ml/min以下，流量低，压力低，难以满足需求。为提高其气泵的流量 ，达到≥500ml/min的标准，会采用提高其电场强度（其电场强度是500伏/mm , 170伏/0.35mm），在陶瓷厚度恒定的情况下，会提高其工作电压，从而提高电场强度。

传统的压电陶瓷片一般包括位于底层的金属基片、中间的压电陶瓷以及压电陶瓷上的银电极层，并通过焊接引脚分别与银电极层和金属基片引出连接。传统的压电元件很多是采用无铅焊锡（350±10℃，2秒焊接）或有铅锡焊焊接（260℃或更高），通常焊点直径3-4mm，焊点高度1-1.5mm。在元件的金属层表面进行高温焊接时，虽然焊接时间的短暂，但仍会对压电陶瓷产生较大的热冲击。经分析，因焊接时对压电陶瓷带来的热冲击，会对金属层焊接的陶瓷体引起较大的应力，造成一些明显或隐性的损伤及缺陷，在较大的场强（300伏/mm或更大）下持续工作（振动）时，会由于压电陶瓷内部裂纹或缺陷，从而会沿有损裂纹的地方进行扩大。由于现有的压电片在焊接时会因热冲击导致产生可见或不可见的裂纹，在压电片持续工作时，特别是在高电场强度下持续工作，导致压电器件的失效，影响产品的正常使用。

此外，受限于上述问题，目前的压电水泵中压电元件的耐压一般为170V/0.35mm（为了保持压电元件的综合性能，其厚度通常为0.35mm固定规格）。因此，在使用压电水泵时，不得不采用降压电路降低其使用电压为170V及以下，这一方面需要增加降压电路的成本，另外一方面也增加了泵体结构的复杂性。

因此，如何改善压电陶瓷元件的结构，避免焊接时产生裂纹，提高压电泵的使用寿命以及性能可靠性成为目前的难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种大场强高可靠压电陶瓷元件，通过导电胶在银电极层上连接有一金属基片，将第二引脚焊接于金属基片上，避免锡焊连引脚时与银电极层直接接触，产生热冲击导致压电陶瓷产生裂纹，从而有效改善了压电泵的性能可靠性，提高了压电水泵的使用电场强度和寿命。

为了实现本实用新型的技术目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种大场强高可靠压电陶瓷元件，包括位于底层的铜基片，中间层压电陶瓷，连接固定压电陶瓷在铜基片上的黏胶层，所述铜基片上连接有第一引脚，所述压电陶瓷上下表面涂覆有不超过压电陶瓷直径的银电极层，所述银电极层上通过导电胶还连接有金属基片，所述金属基片上焊接有第二引脚。

进一步，所述第一引脚、第二引脚采用锡焊或铅锡焊分别连接于铜基片和金属基片上。

第一引脚和第二引脚的作用为引出线，但为了方便下游厂家安装，一般而言，第一引脚和第二引脚分别位于铜基片的边缘和金属基片的边缘处。银电极层也可以选用其它的电极层，如Ag/Pd电极层、Pd电极层、Pt电极层等，但是由于Pd与Pt较银价格更高，如无特殊要求（例如高温），一般采用银电极层。银电极层的直径应小于等于压电陶瓷的直径。

进一步，所述银电极层的厚度为20-50μm，此处银电极层厚度太薄则会导致压电陶瓷被银不充分，压电陶瓷可靠性不能得到保证；银电极层厚度过厚，则将大幅度提升银电极层的成本，因此优选20-50μm，既能保证压电陶瓷的可靠性，又能兼顾成本要求。

优选的，所述金属基片为铜基片、不锈钢基片或镍基片中的一种。

优选的，所述压电陶瓷的组成为Pb_1-x-ySb _x Mn_y（Zr_aTi_1-a）O₃，其中0＜x≤0.15，0＜y≤0.1，0.51＜a≤0.6。采用该组份制成的压电陶瓷具有较好的压电性能和机电耦合系数，Kp可达0.85。

优选的，所述银电极层按质量百分比计，包括95%-98%的银粉和2%-5%的玻璃相。所述银粉的粒径为20-500nm，银粉颗粒过大，将会造成银电极层的银颗粒数过少，从而导致银电极层的被覆性能不稳定。

一种大场强高可靠压电陶瓷元件的一种应用：按要求，将压电陶瓷元件接驳好第一引脚、第二引脚，装上外壳制成压电泵。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种用于压电泵的压电陶瓷元件，与现有技术相比，具有如下优点。

1.通过对压电陶瓷元件结构的优化改进，在银电极层上通过导电胶连接有金属基片，通过将第二引脚焊接于金属基片上，避免锡焊连引脚时与银电极层直接接触，产生热冲击导致压电陶瓷产生裂纹，从而有效改善了压电泵的性能可靠性，提高了压电水泵的使用电场强度和寿命；

2.通过对压电陶瓷元件结构的改善，有效提高了压电泵的电场工作强度，省去了现有技术中压电泵中降压电路的使用，有效降低了压电泵的成本；

3.通过电场工作强度的提高，有效提高了压电泵的流量，采用本实用新型中的压电陶瓷元件改进的压电泵，流量可达1000ml/min，与现有产品相比，提升幅度在60%以上；

4.采用本实用新型中的压电陶瓷元件改进的压电泵，产品可靠性大幅度提升，产品使用寿命得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1是本实用新型的结构示意图之一；

图2是本实用新型的结构示意图之二。

图中： 1-铜基片；11-第一引脚；2-黏胶层；3-压电陶瓷；4-银电极层；5-金属基片；51-第二引脚。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上、“下”、“中间层”、“底层”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1所示，一种大场强高可靠压电陶瓷元件，包括位于底层的铜基片1，中间层压电陶瓷3，连接固定压电陶瓷3在铜基片1上的黏胶层2，所述铜基片1上连接有第一引脚11，所述压电陶瓷3上下表面涂覆有不超过压电陶瓷3直径的银电极层4，所述银电极层4上通过导电胶还连接有金属基片5，所述金属基片5上焊接有第二引脚51。

所述金属基片5的大小应小于银电极层4的直径，并且能够满足第二引脚51上的焊接面积即可，对其形状没有特别限制，但是一般的为圆形。所述金属基片5优选为铜基片、不锈钢基片或镍基片中的一种。

参照图2所示，所述第一引脚11、第二引脚51采用锡焊或铅锡焊分别连接于铜基片和金属基片上。第一引脚11和第二引脚51的作用为连接引出线，但为了方便下游厂家安装，一般而言，第一引脚11和第二引脚51分别位于铜基片1的边缘和金属基片5的边缘处。银电极层4的直径应小于等于压电陶瓷3的直径。

银电极层4也可以选用其它材料的电极层，如Ag/Pd电极层、Pd电极层、Pt电极层等，但是由于Pd与Pt较银价格更高，如无特殊要求（例如高温），一般采用银电极层。

优选的，所述压电陶瓷的组成为Pb_1-x-ySb _x Mn_y（Zr_aTi_1-a）O₃，其中0＜x≤0.15，0＜y≤0.1，0.51＜a≤0.6。采用该组份制成的压电陶瓷具有较好的压电性能和机电耦合系数，Kp可达0.85。

优选的，所述银电极层按质量百分比计，包括95%-98%的银粉和2%-5%的玻璃相。所述银粉的粒径为20-500nm，银粉颗粒过大，将会造成银电极层的银颗粒数过少，从而导致银电极层的被覆性能不稳定。

进一步，所述银电极层4的厚度为20-50μm，此处银电极层4厚度太薄则会导致压电陶瓷3被银不充分，压电陶瓷的可靠性不能得到保证；银电极层厚度过厚，则将大幅度提升银电极层的成本，因此优选20-50μm，既能保证压电陶瓷的可靠性，又能兼顾成本要求。

一种大场强高可靠压电陶瓷元件的一种应用：按要求，将压电陶瓷元件接驳好第一引脚、第二引脚，装上外壳制成压电泵。

下面简述压电泵的工作原理：压电泵一般由压电振子、泵阀和泵体组成，当压电振子两端施加交流电源U时，压电振子在电场作用下径向压缩，内部产生拉应力，从而使压电振子弯曲变形。当压电振子正向弯曲时，压电振子伸长，泵腔容积增大，腔内流体压力减小，泵阀打开，流体进入泵腔；当压电振子向反向弯曲时，压电振子收缩，泵腔容积减小，腔内流体压力增大，泵阀关闭，泵腔内的流体被挤压排出，形成平缓的连续不断的定向流动。从压电泵的工作过程可看出，压电振子的质量直接影响压电泵的寿命。其中，压电振子的振幅及其寿命显得尤为关键，压电振子的振幅越大，可变腔体容积的变化量越大，因此输送介质的流量也越大，压力也越大，而传统的压电振子的振幅很小，一般只能达到几十微米，并与电压直接相关，即电压越大，其振幅越大，反之振幅越小，但过高的提高电压，则容易导致压电振子的压电陶瓷发生破裂。

压电陶瓷片是一种利用压电效应的电子元件，在两片圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流频率信号时，压电陶瓷片会根据信号的大小频率发生震动，在压电陶瓷片上粘结一块金属片，则可构成简单的压电振子元件，接通交流电源后，压电振子则发生往复振动。

在本实用新型中，通过底部的铜基片将压电陶瓷用黏胶层固定，接通交流电源后，压电陶瓷则发生往复振动，实现电能与机械能的转化。

分别采用本实用新型中的压电陶瓷元件的结构，并将其用于压电泵中，并与现有的压电陶瓷元件制成的压电泵的性能进行比较。

实施例1：原有压电陶瓷元件制成的压电水泵，即在银电极层上直接焊接第二引脚。

实施例2：本发明压电陶瓷元件制成的压电水泵，其中金属基片为铜基片。

实施例3：本发明压电陶瓷元件制成的压电水泵，其中金属基片为不锈钢基片。

实施例4：本发明压电陶瓷元件制成的压电水泵，其中金属基片为镍基片。

表1是实施例1-4压电水泵的性能对比结果。

表1性能测试结果

实施例	工作电压	持续工作时间	水量	是否失效
					1	175伏	500小时	500ML/min	是（击穿）
2	220伏	600小时	1000ML/min	无（没击穿）
					3	240伏	600小时	1100ML/min	无（没击穿）
4	260伏	600小时	1200ML/min	无（没击穿）

注：陶瓷片厚度为0.35mm, 工作电压为170伏，电场强度为：170伏/0.35 mm =500伏/mm

从表1中可以看出，本实用新型通过导电胶在银电极层上连接有一金属基片，将第二引脚焊接于金属基片上，避免锡焊连引脚时与银电极层直接接触，产生热冲击导致压电陶瓷产生裂纹，从而有效改善了压电泵的性能可靠性，提高了压电水泵的使用电场强度和寿命。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作出的任何修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大场强高可靠压电陶瓷元件，包括位于底层的铜基片（1），中间层压电陶瓷（3），连接固定压电陶瓷（3）在铜基片（1）上的黏胶层（2），所述铜基片（1）上连接有第一引脚（11），所述压电陶瓷（3）上下表面涂覆有不超过压电陶瓷（3）直径的银电极层（4），其特征在于：所述银电极层（4）上通过导电胶还连接有金属基片（5），所述金属基片（5）上焊接有第二引脚（51）。

2.根据权利要求1所述的一种大场强高可靠压电陶瓷元件，其特征在于：所述第一引脚（11）、第二引脚（51）采用锡焊或铅锡焊分别连接于铜基片（1）和金属基片（5）上。

3.根据权利要求1所述的一种大场强高可靠压电陶瓷元件，其特征在于：所述银电极层的厚度为20-50μm。

4.根据权利要求1所述的一种大场强高可靠压电陶瓷元件，其特征在于：所述金属基片（5）为铜基片、不锈钢基片或镍基片中的一种。