TW202018980A

TW202018980A - 壓電器件及電子設備

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Publication number: TW202018980A
Application number: TW107140936A
Authority: TW
Inventors: 陳右儒; 許建智; 李韋坤
Original assignee: 大陸商業成科技（成都）有限公司; 大陸商業成光電（深圳）有限公司; 英特盛科技股份有限公司
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-16
Also published as: CN109494294A; TWI710148B; CN109494294B

Abstract

本發明提供一種壓電器件及電子設備，所述壓電器件包括：金屬基印刷電路板，包括金屬板及設置於所述金屬板上的電路板，所述電路板包括背離所述金屬板設置的第一頂面，所述電路板形成一通孔，所述通孔貫穿所述第一頂面；壓電元件，用於在激勵電壓的驅動下產生振動，所述壓電元件至少部分容置於所述通孔內，並且包括背離所述金屬板設置的第二頂面；及封裝層，覆蓋所述第二頂面並延伸至所述壓電元件周圍的電路板上，有利於減小所述壓電元件容易受水汽侵入表面的面積，有利於提高所述壓電元件、所述壓電器件及包括所述壓電器件的電子設備的可靠性及使用壽命。

Description

壓電器件及電子設備

本發明涉及一種壓電器件及電子設備。

請參閱圖1A-圖1B，圖1A為現有壓電元件150固定於電路板134上的正視結構示意圖，圖1B為現有壓電元件150固定於電路板134上的俯視結構示意圖。電路板134包括第一頂面1341與第一底面1342，第一頂面1341設置有壓電元件150。壓電元件150包括第二頂面151與第二底面152，第二底面152貼合於第一頂面1341上。

壓電元件150固定於電路板134上之後，利用封裝層110比如薄膜，封裝於電路板134上，壓電元件150除第二底面152之外的五個表面與外界環境之間採用封裝層隔離，容易受到水汽侵入。

本發明一方面提供一種壓電器件，包括：金屬基印刷電路板，包括金屬板及設置於所述金屬板上的電路板，所述電路板包括背離所述金屬板設置的第一頂面，所述電路板形成一通孔，該通孔貫穿所述第一頂面；壓電元件，用於在激勵電壓的驅動下產生振動，所述壓電元件至少部分容置於所述通孔內，並且包括背離所述金屬板設置的第二頂面；以及封裝層，覆蓋所述第二頂面並延伸至所述壓電元件周圍的電路板上。

本發明另一方面還提供一種電子設備，包括如上所述的壓電器件，所述電子設備包括電源與處理器，所述電源用於為所述壓電器件提供所述激勵電壓，所述處理器用於對所述壓電器件的輸出信號進行分析處理。

上述壓電器件中，所述壓電元件至少部分容置於開設於金屬基印刷電路板的通孔中，從而保證所述壓電元件的與第二頂面連接的多個側面至少部分容置於所述通孔中，所述壓電元件的與第二頂面相對設置的第二底面以及多個側面位於所述通孔中的部分不容易受到水汽侵入，有利於提高所述壓電元件、所述壓電器件及包括所述壓電器件的電子設備的可靠性及使用壽命。

為了能夠更清楚地理解本發明之前述目之、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。需要說明之是，在不衝突之情況下，本申請之實施例及實施例中之特徵可以相互組合。

在下面之描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，所描述之實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部之實施例。基於本發明中之實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得之所有其他實施例，均屬本發明保護之範圍。

除非另有定義，本文所使用之所有之技術和科學術語與屬本發明之技術領域之技術人員通常理解之含義相同。本文中在本發明之說明書中所使用之術語只是為了描述具體之實施例之目之，不是旨在於限制本發明。

請參閱圖2-圖3，圖2為本發明第一實施例提供的壓電器件10的立體結構示意圖，圖3為圖2所示的壓電器件10沿III-III線的剖視結構示意圖。本發明提供的壓電器件10可以實現電能與機械能的相互轉換，能夠廣泛應用於多種電子設備中，比如觸控面板、鍵盤等多種領域。電子設備還可以包括電源與處理器等部件，電源用於為壓電器件10提供電壓信號，比如激勵電壓，處理器用於對壓電器件10的輸出信號進行分析處理。

壓電器件10包括封裝層110、金屬基印刷電路板130以及壓電元件150。其中，金屬基印刷電路板130包括金屬板131及設置於金屬板131上的電路板134。電路板134包括背離金屬板131的第一頂面1341與鄰近金屬板131的第一底面1342，其中第一頂面1341與第一底面1342相對設置。電路板134形成一貫通其厚度方向的通孔134a，即通孔134a貫穿第一頂面1341與第一底面1342。壓電元件150用於在電源提供的激勵電壓的驅動下產生振動，並至少部分容置於通孔134a內。具體地，壓電元件150包括背離金屬板131的第二頂面151與鄰近金屬板131的第二底面152。

壓電元件150至少部分容置於通孔134a內。在一種實施例中，第二頂面151不凸出於第一頂面1341。比如，第二頂面151與第一頂面1341平齊，使得壓電元件150除第二頂面151之外的五個表面完全容置於通孔134a中。壓電元件150連接在第二頂面151與第二底面152之間的多個側面，第二底面152的外圍封裝有金屬基印刷電路板130，多個側面的位於通孔134a內部分的外圍封裝有電路板134，從而位於通孔134a內的第二底面152與多個側面不容易受到水汽侵入，有利於減小壓電元件150容易受到水汽侵入表面的面積，提高壓電元件150以及壓電器件10的使用壽命。封裝層110覆蓋第二頂面151並延伸至壓電元件150周圍的電路板134上，在一種實施例中，封裝層110為壓敏膠層。

在一種實施例中，第二頂面151到金屬板131的距離小於第一頂面1341到金屬板131的距離，即壓電元件150的第二頂面151低於電路板134的第一頂面1341，第二頂面151覆蓋有封裝層110，使得封裝層110的外表面與第一頂面1341平齊，一方面有利於減少壓電元件150容易受到水汽侵入表面的面積，另一方面，電路板134表面對應壓電元件150的區域是平坦的，封裝層110厚度均勻不易破損。

在一種實施例中，壓電元件150部分容置於通孔134a中，壓電元件150包括設置於第二頂面151與第二底面152之間的多個側面，每個側面至少部分位於通孔134a中，壓電元件150的第二底面152以及每個側面容置於通孔134a中的部分不容易受到水汽侵入。

現有的壓電元件150呈長方體狀或其他形狀並具有尖角，本實施例提供的壓電器件10將壓電元件150至少部分容置於通孔134a中，即壓電元件150的第二底面152以及多個側面容置於通孔134a中的部分不容易受到水汽侵入，有利於提高壓電元件150、壓電器件10及包括壓電器件10的電子設備的可靠性及使用壽命。

金屬基印刷電路板130中在電路板134上設置金屬板131以提高金屬基印刷電路板130的散熱性能。在一種實施例中，金屬板131為304不銹鋼或316不銹鋼。金屬板131與電路板134之間通過絕緣的導熱層132連接，在一種實施例中，導熱層132可為預浸有聚丙烯（PP）的玻璃纖維層或導熱樹脂層，厚度小於100um。

導熱層132背離金屬板131一側的設置有多個電極，比如銅電極，以與電路板134及/或壓電元件150電連接形成導電通路。其中，至少部分電極與電路板134鄰接，壓電元件150通過黏接層140與至少兩個電極電性連接。此導熱層132上形成電極工藝方式與傳統PCB電路板相同，即是將具有銅箔的PI膜與金屬板131貼合之後將銅箔圖案化形成。本實施例中，黏接層140設置有非導電性膠（non-conductive film，NCF）。

電路板134為多層印刷電路板，包括多層FR-4材料，相鄰層的FR-4材料通過膠體黏接固定。電路板134中設置導電線路，比如圖3中電路板134設置的過孔1343與一電極電連接，在一種實施例中，至少一層FR-4材料中設置有導電銅箔，此時，通孔134a可以形成在電路板134不包含導電線路的區域。在一實施例中，電路板134中不具有導電線路，相應地，電路板134直接通過導熱層132連接金屬板131，多個電極夾設於黏接層140與導熱層132之間。

進一步地，多個電極上還設置有壓電元件150，壓電元件150包括壓電陶瓷層155及分別覆蓋壓電陶瓷層155兩端的第一電極156與第二電極157，第一電極156與第二電極157用於傳輸電壓信號，比如激勵電壓。壓電陶瓷層155用於在第一電極156與第二電極157形成的電位差的驅動下產生機械振動，並與金屬板131產生共振。多個電極中包括分別對應第一電極156與第二電極157設置的第三電極1331與第四電極1332，第一電極156用於與第三電極1331電連接，第二電極157用於與第四電極1332電連接，第三電極1331與第四電極1332用於將電源輸出的電壓信號，比如激勵電壓傳輸至第一電極156與第二電極157，及/或將第一電極156與第二電極157輸出的電壓信號傳輸至處理器。第一電極156與第二電極157還可以分別與多個電極電連接，在數量上沒有限定。

具體地，第一電極156與第二電極157間隔設置，並且第一電極156與第二電極157均為反向電極。即第一電極156包括分別覆蓋了壓電陶瓷層155的頂面與底面的第一區段156a與第二區段156b，以及連接第一區段156a與第二區段156b的第三區段156c。第二電極157包括分別覆蓋了壓電陶瓷層155的頂面與底面的第一區段157a與第二區段157b，以及連接第一區段157a與第二區段157b的第三區段157c。在一實施例中，黏接層140在垂直於金屬板131的方向上導電，在平行於金屬板131的方向上絕緣，比如各向異性導電膠（anisotropic conductive film，ACF），以實現第二區段156b與第三電極1331的電連接，以及第二區段157b與第四電極1332的電連接。

第三電極1331、電路板134及第一電極156之間形成第一凹槽134b、第四電極1332、電路板134及第二電極157之間形成第二凹槽134c。導熱層132與金屬板131作為第一凹槽134b與第二凹槽134c底壁的一部分，金屬板131楊氏模量大於150GPa，有利於降低金屬基印刷電路板130發生形變的幾率，第三電極1331與第四電極1332作為第一凹槽134b與第二凹槽134c底壁的另一部分，第三區段156c與第三區段157c分別作為第一凹槽134b與第二凹槽134c的側壁，以分別實現第三區段156c與第三電極1331的電連接，以及第三區段157c與第四電極1332的電連接。

在一實施例中，第一凹槽134b與第二凹槽134c中均填充有導電介質135，比如通過滴墨法填充導電銀漿，導電銀漿電連接第三區段156c與第三電極1331，以及第三區段157c與第四電極1332。

可以理解的是，壓電元件150的電極可以通過黏接層140及/或導電介質135實現與第三電極1331及第四電極1332的電性連接。

請參閱圖4，為圖2所示的壓電器件10在第二實施例中的沿IV-IV線的剖視結構示意圖。本發明中為方便起見，相同的元器件採用相同的標號。壓電元件150與導熱層132之間的黏接層141中包括第一導電膠層141a與第二導電膠層141b，第一電極156通過第一導電膠層141a電連接第三電極1331，第二電極157通過第二導電膠層141b電連接第四電極1332。其中，第一導電膠層141a與第二導電膠層141b均設置有導電性膠，比如各向同性導電膠（isotropic conductive film，ICF），第一導電膠層141a與第二導電膠層141b之間還設置有非導電膠層141c。在一種實施例中，第一導電膠層141a與第二導電膠層141b省略設置非導電膠層141c。

第一凹槽134b與第二凹槽134c中省略填充導電介質135（圖3），在一種實施例中，第一凹槽134b與第二凹槽134c中可以填充導電介質135，有利於減小壓電器件10的內阻。

請結合圖2、圖3參閱圖5，圖5為圖2所示的壓電器件10沿V-V線的剖視結構示意圖。在本種實施例中，壓電器件10還包括用於根據金屬基印刷電路板130的振動頻率及強度輸出對應反饋電壓的兩個應力感測組件160，兩個應力感測組件160分別設置於壓電元件150的兩側。應力感測組件160形成於導熱層132背離金屬板131的一側，以與包括第三電極1331及第四電極1332的多個電極形成於同層。在一種實施例中，壓電器件10可以設置一個或其他數量的應力感測組件160。

在應力測試領域中一般會應用應變片，圖6A為電阻應變片50的立體結構示意圖，圖6B為圖6A所示的電阻應變片50的分解結構示意圖。電阻應變片50包括依次層疊設置的覆蓋層51、敏感柵52及基底53。基底53可以設置雙面膠膜，以方便粘貼於構件上。敏感柵52是由導體或半導體材料製成的導電圖案，其形狀不限於圖6所示的「弓」形。使用時，將電阻應變片50牢固地粘貼在構件上，待構件受力後由於發生應變，敏感柵52也隨之變形而使其電阻發生變化，再由專用儀器測得其電阻變化大小，並轉換為構件的應變值。

請再次參閱圖5，本發明中的應力感測組件160與圖5中的電阻應變片50結構不同。具體地，每個應力感測組件160包括主動敏感柵R1與補償敏感柵R4，優選地，主動敏感柵R1與補償敏感柵R4均為銅/鎳鉻合金形成的繞線，且繞線圖案相同。主動敏感柵R1與補償敏感柵R4繞線圖案排布方向相互正交。請結合參閱圖5及圖7，圖7為圖5所示的應力感測組件160的等效電路示意圖。應力感測組件160的等效電路為半橋式測量電路，主動敏感柵R1、補償敏感柵R4與應力感測組件的內阻R2及內阻R3組成橋臂。具體的，主動敏感柵R1的兩端分別鄰接補償敏感柵R4與內阻R2，主動敏感柵R1與補償敏感柵R4未相互接觸的兩端輸出反饋電壓Vout，主動敏感柵R1與內阻R2未相互接觸的兩端接入輸入電壓Vin。輸入電壓Vin與反饋電壓Vout分別通過電極電連接至電源與處理器。

其中，主動敏感柵R1、補償敏感柵R4與應力感測組件的內阻R2及內阻R3的阻值分別為r1、r2、r3及r4，反饋電壓Vout滿足公式1：

（公式1）。

假設r1=r2=r3=r4=r，並且主動敏感柵R1在應變的作用下產生電阻增量△r，則反饋電壓Vout與電阻增量△r正相關，並滿足公式2：

（公式2）。

請參閱圖8，圖8為包括圖2所示的壓電器件10的鍵盤60的結構示意圖。鍵盤60優選為圖8所示的平面鍵盤，可以理解的是，鍵盤60還可以是其他類型的鍵盤。

鍵盤60包括投影裝置61與蓋板62，以及設置於蓋板62上的多個個壓電器件10、電源（圖未示）與處理器（圖未示）。電源用於為壓電器件10提供電壓信號，比如激勵電壓與輸入電壓Vin，處理器用於根據接收到的多個壓電器件10輸出的反饋電壓計算按壓操作的壓力大小。

本發明還提供一種壓電器件10的製作方法，包括以下步驟： S1：製作電路板134，在電路板134貫通其厚度方向形成一用於容置壓電元件150的通孔134a，比如可以利用多層FR-4材料相互黏接以得到多於兩層的積層電路板，黏接劑可以為預浸有聚丙烯（PP）的玻璃纖維層或導熱樹脂層。若電路板134上具有需要開孔及填銅的位置，比如過孔1343，則需保證過孔1343與通孔134a之間保持預設距離，以保證電路板134的機械強度。 S2：提供金屬板131及壓電元件150，壓電元件150包括分別覆蓋其一端的第一電極156與第二電極157。 S3：在金屬板131上形成導熱層132及多個電極，其中導熱層132形成於金屬板131與多個電極之間，多個電極中包括分別對應第一電極156與第二電極157的第三電極1331與第四電極1332，將壓電元件150的第一電極156與第二電極157對應黏接於第三電極1331與第四電極1332表面。在一種實施例中，在PI膜上形成銅箔，將具有銅箔的PI膜貼合於導熱層132上，後續對銅箔圖案化形成多個電極。在一種實施例中，在多個電極同層還圖案化形成主動敏感柵R1與補償敏感柵R4的導電圖案。 S4：將電路板134黏接於金屬板131的設置多個電極的一側，使得壓電元件150至少部分容置於通孔134a中，第三電極1331、電路板134及第一電極156之間形成第一凹槽134b，第四電極1332、電路板134及第二電極157之間形成第二凹槽134c。 S5：通過滴墨法向第一凹槽134b與第二凹槽134c中填入導電介質135並進行固化，導電介質135優選為導電銀漿。 S6：在壓電元件150及電路板134背離金屬板131的一側表面形成封裝層110。優選地，封裝層為壓敏膠，比如丙烯酸壓敏膠PSA(pressure sensitive adhesive)。

前述應用於壓電器件10的各個技術方案可以適用於壓電器件10的製作方法中，在此不做贅述。本發明提供的壓電器件10將壓電元件150至少容置於通孔134a中，即壓電元件150的第二頂面151與第二底面152之間的多個側面至少部分容置於通孔134a中，壓電元件150的第二底面152與每個側面容置於通孔134a中的部分不容易受到水汽侵入，有利於提高壓電元件150、壓電器件10及包括壓電器件10的電子設備的可靠性及使用壽命。

需要說明的是，在本發明的精神或基本特徵的範圍內，適用於各個方式中的各具體方案可以相互適用，為節省篇幅及避免重複起見，在此就不再贅述。

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然「包括」一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除複數。裝置權利要求中陳述的多個裝置也可以由同一個裝置或系統通過軟件或者硬件來實現。第一，第二等詞語用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。「連接」是指兩個部件接觸連接或者兩個部件之間通過其他部件連接在一起。

最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

10:壓電器件 110:封裝層 130:金屬基印刷電路板 131:金屬板 132:導熱層 1331:第三電極 1332:第四電極 134:電路板 1341:第一頂面 1342:第一底面 134a:通孔 134b:第一凹槽 134c:第二凹槽 135:導電介質 140、141:黏接層 141a:第一導電膠層 141b:第二導電膠層 141c:非導電膠層 150:壓電元件 155:壓電陶瓷層 156:第一電極 156a、157a:第一區段 156b、157b:第二區段 156c、157c:第三區段 157:第二電極 151:第二頂面 152:第二底面 160:應力感測組件 50:電阻應變片 51:覆蓋層 52:敏感柵 R1:主動敏感柵 R4:補償敏感柵 R2、R3:內阻 Vin:輸入電壓 Vout:反饋電壓 53:基底 60:鍵盤 61:投影裝置 62:蓋板

圖1A為現有壓電元件固定於電路板上的正視結構示意圖。

圖1B為現有壓電元件固定於電路板上的俯視結構示意圖。

圖2為本發明第一實施方式提供的壓電器件的立體結構示意圖。

圖3為圖2所示的壓電器件沿III-III線的剖視結構示意圖。

圖4為圖2所示的壓電器件在第二實施方式中的沿IV-IV線的剖視結構示意圖。

圖5為圖2所示的壓電器件沿V-V線的剖視結構示意圖。

圖6A為電阻應變片的立體結構示意圖。

圖6B為圖6A所示的電阻應變片的分解結構示意圖。

圖7為圖5所示的應力感測組件的等效電路示意圖。

圖8為包括圖2所示的壓電器件的鍵盤的結構示意圖。

10:壓電器件

110:封裝層

130:金屬基印刷電路板

131:金屬板

132:導熱層

1331:第三電極

1332:第四電極

134:電路板

1341:第一頂面

1342:第一底面

134a:通孔

134b:第一凹槽

134c:第二凹槽

135:導電介質

140:黏接層

150:壓電元件

155:壓電陶瓷層

156:第一電極

156a、157a:第一區段

156b、157b:第二區段

156c、157c:第三區段

157:第二電極

151:第二頂面

152:第二底面

Claims

一種壓電器件，其改良在於，包括：金屬基印刷電路板，包括金屬板及設置於所述金屬板上的電路板，所述電路板包括背離所述金屬板設置的第一頂面，所述電路板形成一通孔，該通孔貫穿所述第一頂面；壓電元件，用於在激勵電壓的驅動下產生振動，所述壓電元件至少部分容置於所述通孔內，並且包括背離所述金屬板設置的第二頂面；以及封裝層，覆蓋所述第二頂面並延伸至所述壓電元件周圍的電路板上。
如請求項1所述的壓電器件，其中，所述金屬板上設置有絕緣的導熱層、以及設置於所述導熱層背離所述金屬板一側的多個電極，所述壓電元件通過黏接層與至少兩個電極連接。
如請求項2所述的壓電器件，其中，所述壓電元件包括壓電陶瓷層及分別覆蓋壓電陶瓷層兩端的第一電極與第二電極，多個電極中包括分別對應所述第一電極與所述第二電極設置的第三電極與第四電極，所述第一電極用於與所述第三電極電連接，所述第二電極用於與所述第四電極電連接。
如請求項3所述的壓電器件，其中，所述第三電極、所述電路板及所述第一電極之間形成第一凹槽，所述第四電極、所述電路板及所述第二電極之間形成第二凹槽，所述第一凹槽與所述第二凹槽中均填充導電介質。
如請求項4所述的壓電器件，其中，所述黏接層設置有非導電性膠。
如請求項3或4所述的壓電器件，其中，所述黏接層在垂直於所述金屬板的方向上導電，在平行於所述金屬板的方向上絕緣。
如請求項3或4所述的壓電器件，其中，所述黏接層包括第一導電膠層與第二導電膠層，所述第一電極通過所述第一導電膠層電連接所述第三電極，所述第二電極通過所述第二導電膠層電連接所述第四電極。
如請求項1-5任意一項所述的壓電器件，其中，所述壓電器件還包括用於根據所述金屬基印刷電路板的振動頻率及強度輸出對應反饋電壓的應力感測組件。
一種電子設備，其改良在於，包括如請求項1-8任意一項所述的壓電器件，所述電子設備包括電源與處理器，所述電源用於為所述壓電器件提供所述激勵電壓，所述處理器用於對所述壓電器件的輸出信號進行分析處理。
如請求項9所述的電子設備，其中，所述電子設備為平面鍵盤，所述平面鍵盤還包括用於接收按壓操作的蓋板，所述蓋板上設置有多個壓電器件，所述處理器用於根據接收到的多個壓電器件輸出的反饋電壓計算按壓操作的壓力的大小。