单片预应力陶瓷器件及其制法的制作方法

专利名称：单片预应力陶瓷器件及其制法的制作方法
总的来说，本发明涉及电激励陶瓷器件，更具体地说，涉及制作带整体式电极的单片内部不对称应力偏置的压电或电致伸缩器件的方法，以及由此制成的器件。
压电或电致伸缩材料当处于应力或应变状态时形成一个极化电场。反之，当处于外加电场之中时它们发生尺寸改变。压电或电致伸缩材料的尺寸改变量(即膨胀或收缩)为外加电场的函数。压电或电致伸缩材料可以具有许许多多诸如下述的有用性质的综合压电(电场随应变变化)、电致伸缩、介电、热电(极化随温度变化)、铁电(极化随电场改变)以及电光(光学双折射随电场变化)等特性。
近来，电致伸缩器件因其在相当大的载荷下产生较大的应变以及不要求高电压已引起人们的重视。另外，通过改变压电器件的几何形状来提高可以获得的应变的方法也引起了人们的注意。这些器件具有广泛的用途，包括致动元件、泵、扬声器、传感器、开关、水听器、水扬声器、自适光学器件、变焦反射镜及透镜、振子、曲片式压电换能器(下称弯曲器)、加速度计、应变仪和鞍形渐动螺杆。
在外加电场作用下，压电晶体沿其所有轴线产生变形。它沿某些方向膨胀，同时沿另一些方向收缩。描述此种变形的压电(或应变)系数通常用张量Clij来表示，Clij＝Xj/Ei(X恒定)＝Pi/Xj(E恒定)其中X等于应变(单位长度伸长)；X等于应力(单位面积的力)；E等于电场(每厘米伏特)，而P等于极化(每平方米库仑)。下标i·j表示晶体轴线，而在陶瓷的场合下，则指该陶瓷的极化方向。例如，d31是横向应变系数，而d33则是纵向应变系数。
一种象直接式致动元件这样的典型陶瓷器件直接利用激活时材料尺寸的改变，不需要将此实际位移放大。直接式致动元件包括一只压电或电致伸缩陶瓷板，夹在一对在其主要表面上形成的电极之间。通常，这种器件都是用具有足够大的压电和/或电致伸缩系数的材料制成的，以便在陶瓷板中产生所要求的应变。借助在此种器件某些尺寸的两端施加适当大小和极性的电压，将造成压电(或电致伸缩)材料沿该方向膨胀或收缩。当器件沿一个维度膨胀或收缩(厚度或长度方向)时，它通常在与之垂直平面内的维度(平面或断面方向)上收缩或膨胀。
直接式致动元件利用纵向伸长模式或横向伸长模式，而且能在压缩状态下承受高载荷(在25V/mil(密耳)外电场作用下一根 英寸的棒能承受超过l000磅)。然而，直接式致动元件存在着位移(应变)极小的缺点，它们能达到的位移在最好情况下也只有千分之几。
间接式致动元件通过外部构造达到应变放大。一个间接致动元件的例子是可弯曲张力变换器。可弯曲张力变换器是一种复合结构，由压电陶瓷元件及金属壳、应力塑料或玻璃纤维结构组成。传统可弯曲张力器件的致动位移一般是由于压电材料中发生的膨胀，经机械方法与器件横向的经放大的收缩相结合造成的。在使用中，它们在±25V/mil外电场下能显示出高达约0.5％的应变，且可以承载高达数百磅。
最近，新开发出一种叫做“新月”(moonie)的可弯曲张力变换器。举例说，U.S专利4,999,819披露一种变换器，它包括一块带电极的压电体板，它同两个各带有一凹槽的金属板粘合并夹在中间。新月的性能比传统可弯曲张力变换器好，提供的位移也大。例如，在25V/mil外场作用下，一只总厚度约148mil的双层新月能产生1.5mil(1.02％应变)的位移。然向，正是由于能承受比传统变换器大的应变，新月只能承受不到100磅的载荷。
间接式致动元件的其他例子包括单型(单压电晶片)、双型(单压电晶片)、多型以及单纯型致动元件。典型的单型是由一只压电元件和从外面与之粘合的柔性金属箔组成，当用变动电压激励时后者(金属箔)受到压电元件的激励并因反抗压电元件运动而产生轴向弯曲或变形。单型的致动运动可以靠收缩也可以靠膨胀产生。单型可显示出高达10％的应变，然而承受的应变载荷却不足1磅。
传统的双型压电器件包括一只中间柔性金属箔，夹于两只粘贴在该片上的压电元件当中。电极粘贴在陶瓷元件的每个主要表面上，金属箔粘合到二个内侧电极上。被称做多型的多层器件可以通过交替地迭合陶瓷元件和金属片的层而制成。电压加到电极上时，双型或多型便弯曲或振动。双型和多型表现出比单型高的位移，其原理在于，在外电压作用下一只陶瓷元件收缩而同时另一只元件则膨胀。双型和多型能表现在25V/mil条件下高达20％的应变，然而正象单型情况一样，却只能承受不足1磅的载荷。
典型的单纯型弯曲器包括一块压电板，其每一面配置有导电电极，且能象类似双型那样地弯曲。但是，单纯型中的弯曲是靠压电板内不均匀电场分布来实现的。在1KV/mm之下单纯型能表现出高达15％的应变，然而却承受不住大于大约1磅的载荷。
尽管上述的间接弯曲式致动元件能表现出较直接式为大的应变，但间接式致动器的承载能力却非常小。此外，间接式致动器承载能力一般地随可达应变的提高而减少。可见，需要开发出一种能产生大应变而且还能承受适度载荷的压电或电致伸缩器件。
用于上述器件的压电或电致伸缩片材或元件可以通过多种方法制造，而最广泛采用的两种是大气烧结和热压。用于上述各种器件的金属电极典型地采用沉积在陶瓷元件上的做法。然而，当采用还原工艺生产时，可以通过将整片的扁平陶瓷元件进行化学还原来形成电极，即在CO还原气氛中进行热处理生产出在每个主要表面上都带有整体电极的扁平陶瓷元件。例如，Haertling(1990)，<第四届国际SAMPE电子学会议>，pp.699-711披露一种将锆酸钛酸铅镧(PLZT)晶片的二个主要表面进行化学还原的方法，这是在600℃～1000℃之间的温度下用CO还原完成的。如此生产出的扁平PLZT晶片在每一主要表面带有整体导电电极。该元件的中心是电介质，且该PLZT晶片不具有任何不对称内部压缩应力，它也不产生任何平面之外的位移。
U.S专利5,091,820和4,987,515披露一种圆柱形陶瓷核心，例如钛酸锆酸铅(PZT)(PZT是Vernitron公司的注册商标)，在核心的每个相对的端面上形成了整体电极。这种电极是通过将整个核心置于氢或氮气氛中，于650℃～1000℃之间的温度下还原生成的。此过程在整个核心表面上生成一种还原金属层。然后，除去核心圆柱表面上的还原层，只在核心的相对端面上留下两个还原电极。然而，由于整个陶瓷核心被还原，该过程并不产生内部应力偏置也不改变原来的核心形状。
U.S专利号3,676,322抱露一种双型弯曲器，包括一个波纹导电中心片，夹在一对凹面形陶瓷晶片之间。在每只晶片的两面上均加接了导电电极。中心片的构造是，在双型元件的中央部位中心片刚性最大，且刚性连续减小，直到双型的圆周处中心片刚度最小。结果，双型的复合物刚度趋于克服机械滞后，原因是中心片在驱动信号跨越零点(交叉点)时能提供趋于克服材料自然回弹并使双型回到其初始取向的恢复力。在制做过程中，做成偏平圆形晶片之后，用机械方法将晶片压成凹面形状以便它们能包住中间片。接着，在陶瓷元件的每个主要表面上加装电极。故而，这种陶瓷晶片不具有整体电极，不具有不对称内应力，制做过程复杂，要求波纹导电中间片的机械滞后小于先有技术带有均匀厚度中间片的扁平晶片。
U.S专利号3,447,217披露制做压电振子的还原/再氧化方法。其中一种方法包括，将PZT片材在800℃温度下暴露于氢气流中达15分钟，以使整个片材还原。继而，把该片材放在650℃下，于氧气流中氧化2小时。这种方法生产出整体式扁平形压电振子，它包括夹在一对氧化物层中间的还原层。在另一实施方案中，将两个扁平元件还原，然后把每个元件的一个表面加以保护使之不受到再氧化，于是元件只有一个表面被氧化。这样生产出的扁平元件，一面是还原的，而另一面是氧化的。结果，这些方法生产不出不对称内应力偏置凹面形压电元件。
可见，需要开发出一种压电或电致伸缩器件，既能产生较大的应变，又能承受适度的载荷。同时还需要开发出一种带不对称内应力偏置的此种器件，以便提供超出平面的轴向位移且提高机械强度。另外，还需要简化用于生产此种电激励陶瓷器件的制做方法。
本发明旨在提供制做单片、内部不对称应力偏置、电激励陶瓷器件的方法以及用此法制做的器件。由于不对称内应力偏置的存在，本发明的陶瓷器件能提供超出平面的轴向位移和较高的机械强度。本发明的陶瓷器件能产生大的位移(应变)并能承受适度的载荷。本方法的第一步是利用任何熟知的方法，例如热压或大气烧结，制做具有彼此相对的第一和第二表面的陶瓷元件。此种晶片可以用压电或电致伸缩材料制做，例如锆酸钛酸铅(PZT)、锆酸钛酸铅镧(PLZT)、锡酸锆酸钛酸铅(PSZT)、锆酸钛酸铅钡(PBZT)和铌酸铅镁(PMN)。原料晶片还可以具有各种各样的形状，包括圆形、矩形和正方形。
本发明方法的下一步是通过在还原剂组成的还原气氛中进行热处理，仅将晶片的一面化学还原。还原剂可以是能把晶片中的部分氧化铅还原成对应的金属状态的还原剂。此类还原剂的例子包括石墨(碳)、一氧化碳、氢或者任何其他能把氧化铅还原成其金属状态的合适还原剂。在进行这一步时，只让晶片的一面受到化学还原氛的作用，而另一面或者任其裸露或者用掩模保护，使其免受还原氛的作用。举例说，用一氧化碳还原时，可以把晶片放在一个碳块上，或者一个碳块和一个掩模块(如氧化锆)之间。热处理期间，仅仅同碳块接触的一面被暴露于还原性一氧化碳气氛。
本发明方法生产出的晶片，其第一表面变成陶瓷材料的金属/导电性还原形式。此外，本方法能生产出凹面形晶片，其原因是(1)相对于未还原材料而言，被还原材料的体积收缩和(2)还原侧和电介质(未还原)侧之间热膨胀的差异。由于是凹面形的，在外场为零的情况下，还原侧处于拉伸而电介质侧处于压缩状态。本方法获得的综合效果是使晶片的电激励侧(电介质侧)处于压缩状态，而从可靠性，承载能力和使用寿命的角度看，这是最理想的构形。本发明陶瓷晶片的这种不对称内应力偏置还能提高机械强度并造成超出平面以外的位移。这种形状还为本发明的器件提供机械过载保护；也就是说，过载只不过导致陶瓷晶片底部展至表平面而不会碎裂。更进一步，还造成了一种完全整体化的单片器件。
晶片的还原侧起着机械衬底和导电基极的作用。这样，只需在晶片的电介质侧沉积金属电极。另一种做法，也可以在还原层或者其周边沉积金属电极，以确保在高速运行时有良好的电气接触。在二电极接上导线之后，状置便可供使用了除原有的压电或电致伸缩性能之外，本发明的压电和电致伸缩陶瓷器件还具有许多有用的性质，包括热电、铁电、电光等等。因而，本发明电激励陶瓷器件具有广泛的用途。
当采用圆形晶片时，本发明的方法能生产一种穹顶形陶瓷晶片。两只这样的穹顶形装置可以放在一起构成一个完整的蛤壳构造。可以沿每只壳的内边缘涂上粘合剂，但是并不要求这样做。这二种器件可以串联使用，以产生两倍于单个器件的位移。做为一种替代的实施方案，每只穹顶形晶片可以具有相反的温度特性，这样，当结合成一个蛤壳构造时，它们便构成了一种非热化器件。这种方案获得一种温度稳定的器件。做为进一步的实施方案，不管是非热化的与否，都可以将多只这种蛤壳构造彼此码放组成一只体积很小的高线位移泵或马达。
在本发明进一步的实施方案中，可以将本发明穹顶形晶片彼此码放，每只取向相同(例如，每只晶片的还原侧均朝下)，关在二晶片中间配置一块刚性片。然后再进一步码放更多的穹顶形晶片和居间的刚性片，结果做成一种手风琴式的结构。如同蛤壳构造一样，也可以将两种具有相反温度一应变特性的晶片配成两个一组，从而做成非热化器件。该实施方案也可以用来做成体积非常小的高线位移泵或马达。
本发明的电激励陶瓷器件提供一种单片、预应力、凹面形构造，它能产生大位移并能承受适度的载荷。该陶瓷器件可产生高达百分之几百的应变(比最好的双型还大一个数量级)，而且能承受至少10磅的载荷(比最好的双型还大一个数量级)。本发明提供一种简单而且成本效益好的电激励陶瓷器件生产方法。另外，本发明制品还是可表面安装的，所需备件少，不要粘结，高度灵活适用，多功能，故可应用于各种各样设备中。


图1是按本发明加工前一只陶瓷晶片的顶部透视图。
图2-4是按本发明加工前另一个陶瓷元件实例的顶部透视图。
图5是采用一氧化碳还原来制做本发明电激励陶瓷器件的一种组装件的剖面图。
图6是图5的组装件在按本发明方法加工后的视图。
图7是本发明的两种PLZT电激励的陶瓷器件还原层的欧姆特性曲线。
图8是在电介质侧配置了电极的本发明电激励陶瓷器件的顶部透视图。
图9是在还原层周边也配置了电极的图8陶瓷器件的底部透视图。
图10是在整个还原层表面上进一步配置了电极的图8器件替代性方案的底部透视图。
图11是用做一种致动元件的本发明电激励陶瓷器件的剖面视图。
图12是一系列按照本发明的电激励陶瓷器件的压力和应变特性曲线图。
图13-14是本发明进一步的电激励陶瓷器件具体方案的顶部透视图。
图15是传统致动元件和本发明电激励陶瓷器件之间的应变与压力对比。
图16是一对本发明电激励陶瓷器件当做一只蛤壳构造来操作时的剖面图。
图17是可以当做一种非热器件使用的两种本发明陶瓷元件的温度一应变特性曲线图。
图18是做为一个单元工作的多对本发明陶瓷器件的剖面图。
图19-20是按照本发明进一步实例的多级陶瓷器件的剖面图。
先看图1，它表示的是一只按本发明加工成器件之前的陶瓷晶片10。晶片10是平面园形压电或电致伸缩材料晶片，具有分别为12和14的第一和第二主要表面。虽然，该陶瓷晶片10具有圆的形状，但其他的形状，正如图2-4所示，例如矩形16、正方形18或任何其他不规则或奇异的形状19的也可以使用。
本发明方法的第一步是用任何熟知的方法，例如热压或大气烧结，制做压电或电致伸缩晶片10、16或18。这些方法为本门技术所熟知，细节可见诸于Haertling，“压电和电致伸缩陶瓷”，<用于电子方法的陶瓷材料、性能和应用>(<Ceramic Materials forElectron Process Prop.and Appl.>)，(1986)，PP.169-174。例如，以化学共沉淀和热压制备晶片10要求在高速掺合机里把高纯度液态有机金属(四丁基锆酸酯和四丁基钛酸酯)同PbO混合，继而，在掺合的同时加入醋酸镧水溶性溶液使之发生沉淀。并将生成的淤浆在大约80℃下完全干燥。过程的后续步骤包括(1)将粉末焙干，(2)湿研磨粉末若干小时以促使进一步均一化，(3)不加粘合剂进行干燥，(4)冷压粉末，(5)在氧存在下热压以及(6)成形和切片。
制做PLZT晶片的典型大气烧结(混合氧化构)包括(1)将氧物(La2O3、ZrO2、TiO2、PbO)称重至适宜的精确度，(2)在液态介质中掺合，(4)焙干粉末，(5)在液体介质中研磨，(6)加粘合剂干燥，(7)冷压成特定形状，(8)高温烧结以及(9)成形。
适合制做陶瓷晶片10的材料包括高含铅压电或电致伸缩材料，例如锆酸钛酸铅(PZT)、锆酸钛酸铅镧(PLZT)、锡酸锆酸钛酸铅(PSZT)、锆酸钛酸铅钡(PBZT)和铌酸铅镁(PMN)。
本方法的下一步是通过能把晶片中的氧化铅还原成对应的导电性/金属状态(铅)的还原剂的还原气氛中热处理，仅将晶片10的一面进行化学还原。合适的还原剂包括石墨(碳)、一氧化碳、氢或其他能从被还原表面提取出氧原子的适当还原剂。在进行这一步骤时，只有晶片10的一面经受还原气氛的作用，而相对的一面不暴露于该还原气氛。
作为一个说明性的例子，图5表示采用一氧化碳还原的用于制做本发明的电激励陶瓷器件的一种组装件20。晶片10被夹在碳块22和掩模块24之间，块24可以是氧化锆或氧化镁块。晶片10的两面12和14中的一面或两面可以经抛光或研磨后再置于夹块中间。碳块22将用来还原第一面12，而任选地用掩模块24来防止第二面14被还原。应该注意，掩模块24并非是必须的，因为唯一暴露于还原气氛的表面只有第一面12。
接着，把组装件20放进炉内并开始加热。组装件加热温度介于600℃到1200℃，时间从5分钟到24小时不等。一般地说，温度低则需要的还原时间长。举例说明，对于PLZT5.5/56/44晶片，加工条件包括将组装件在975℃下加热60分钟。(代号5.5/56/44为本行业所熟知的，它对应于用来制做PLZT晶片的前体材料成分，即镧/锆酸铅/钛酸铅的百分比。)熟悉本项技术的人应当理解，本方法适用于具有不同前体材料化学成分的晶片，而且厚度和直径都可以不同。本方法可以应用于厚度介于0.5-500密耳，直径介于约0.05-10,000密耳之间的晶片。
现在来看图6，冷却之后，本发明的方法制成一种凹面、基本上鞍形或基本上穹顶形的晶片26，它包括电介质层27(即，层27未被还原并仍旧是晶片10那样的压电或电致伸缩材料)和化学还原层28。究竟本方法生产出的晶片是凹面形、鞍形亦或是穹顶形，这取决于起始晶片的厚度-直径比而定。还原层28，由于在还原过程中氧原子被从层28抽出形成一体的导电层28，故主要由遍及整个层细密分布的金属铅组成。在给定的温度下，晶片热处理时间愈长，还原层28愈厚。例如，还原温度为975℃，时间60分钟时还原层厚度将大约为6密耳，而125分钟时则厚度大约12密耳。应当指出，由于还原过程的结果，在还原层28的表面形成了一薄层氧化物层。但是，可以借助象砂纸这样的轻度打磨很容易地除去这一薄层。
穹顶效应系由于如下的原因造成的，(1)还原层材料相对于未还原材料的体积收缩，以及(2)还原层28(高热膨胀性)与电介质层27(低热膨胀性)之间热膨胀差异。本发明方法的净效果是使晶片的压电活性侧27处于压缩状态，从可靠性、承载能力和使用寿命的角度来看这是最理想的构形。还原侧28处于张力状态。结果，本发明制成的晶片26具有不对称内应力偏置，它提供更高的机械强度和超出平面的轴向位移。所以，本发明方法生产出一种还原和内应力偏置的氧化物晶片(RAINBOW)。BAINBOW器件是一种单片、不对称内应力偏置的电激励陶瓷元件，它带有整体电极28。此外，RAINBOW器件是双极器件。
上文描述的组装件20中，碳块22按下列反应产生一氧化碳还原气体
另外，第一主表面12上的氧化铅按下列反应被还原该还原过程从压电或电致伸缩晶片10的晶格中夺走氧原子，产生过剩电子，它连同沿还原层28细密分布的沉积金属铅的存在导致还原层28导电性的提高。
现在看图7，其中表示的是按本发明还原的两种PLZT晶片的欧姆特性。对于PLZT5/56/44试样，处理温度975℃，时间60分钟，生成的电阻为75.3欧姆，电阻率3.83×10-4欧姆-厘米。对9/65/35试样，处理温度为1000℃，时间180分钟，并产生电阻3欧姆，电阻率3.75×10-4欧姆-厘米。典型还原金属层28的电阻率可介于1欧姆-厘米和1×10-3欧姆-厘米之间。如此低的电阻率表明还原金属层28可以做为极好的导电电极。
还原层28起机械衬底和导电基极的作用。结果，如图8所示，只需要通过任何适当的方法，象网板印刷、喷涂、刷涂或真空沉积等在晶片26的电介质侧27上沉积或涂敷一层金属电极30即可。另一些方法，象图9所示，也可以在还原层28的周边沉积一层金属电极32，或者象图10所示，在还原层28的全部表面上沉积一层金属电极33以保证在高速操作情况下有良好的电气接触。在用做压电变换元件的场合下，利用还原层28作为应力偏置衬底以及一个电极，能有效地避免通常传统变换元件在操作中遇到的粘结问题。
下面看图11，其中画出了一只典型的使用中的本发明压电器件40。器件40包括晶片26，电极30、32分别沉积在电介质面27和还原面28上。用导线分别把接线端子42和44连接到电极30和32上，为器件40提供电气接触。电极32是通过金属底板45与接线头44相连的。电压源46被用来在器件40上施加一个电压。在端子42和44两端加上DC(直流)电压时，晶片26将变成基本上平面的。相反，当解除DC电压时，晶片又恢复到图11所示的凹面形状。这样，若以平面45代表基准平面，本发明的陶瓷器件便提供了超出平面的轴向位移。这种现象便提供了利用器件40做为，例如，致动元件、泵、传感器、扬声器或话筒的工作原理。
作为一个说明性实例，当在端子42和44两端跨接一个交流(AC)或脉冲直流电压时，例如象收音机或话筒的情况，器件40便会以相等的频率振动。而如果在电介质侧27加上一个负载，象扬声器的芯子，则交变电信号便能转换成推动扬声器芯子运动的机械振动从而发出声音。
本发明的电激励陶瓷器件能产生大位移和承受适度的载荷。另外，电压提高一般地产生的应变也加大。本发明的陶瓷器件在1V/mil到200V/mil的外场作用下能产生约0.1到100mil(密耳)的位移。例如，如图11所示的PLZT9/65/35制成的厚度10mil的装置在±5V/mil电场下产生10％的应变(1mil位移)，而在±25V/mil电场下则产生500％的应变(50mil位移)。
再来看图12，其中画出的是，对于直径1.25″的按本发明的5.5/56/44PLZT装置，应变百分数和最大可用压力(PSi)对晶片厚度的曲线图。晶片在975℃下，加热了60分钟就制做出这种RAINBOW器件。如图12所示，10mil厚的晶片能产生高达500％的应变(即从这种10mil晶片上能得到50mil的位移)。用于产生该应变的电场是±45V/mil。从图12中还可看到，本发明陶瓷器件能做成穹顶式(较好的形式)使用，也能做成鞍式或混合式，依晶片26的厚度-直径比不同而定。在穹顶式情况下，当采用脉冲电压时，晶片26沿其上各点径向、等量地缩进和胀出。虽然穹顶式是较好的，但本发明陶瓷器件也能有用地操作在鞍式或混合式之下。在鞍式(单轴伸长式)情况下，当加上电压后晶片26沿其一个主直径的方向而不是沿全部径向等量地缩进和胀出。混合式是介于穹顶和鞍形区间的中介区间。
虽然上面结合了圆形晶片10做了描述，但本发明的方法也可以应用于任何其他的形状，例如矩形、正方形、矩形或正方断面或异形的元件16、18和19，如图2-4所表示。当起始(原料)晶片是矩形或正方形时，本发明的方法将生产出如图13-14所示的凹面矩形(48)或正方(50)的装置。装置48和50的断面形状与例如图6所示晶片26的断面形状相同。通过在电介质(未还原)侧27加上至少一个电极，器件48和50可以被用作弯曲器。前面有关圆形晶片26的还原层、沉积电极、应变/载荷特性等等的讨论同样地可适用于图13-14的器件48和50。
本发明的电激励陶瓷器件提供单片、预应力构造，该构造使器件能产生大位移和承受适度的载荷。本发明器件的内部不对称压缩应变的存在提供平面以上的轴向位移和更大的机械强度。平面以上的轴向位移使本发明的器件与传统的平面内器件相比，用处更大、适应性更好(例如只要将本器件同一只发声片粘牢就可制成一个扬声器或泵)。假如在本发明凹面、穹顶或鞍形器件上所加载荷超过其可承受的数值，该器件便被压平并不再工作。然而，一旦过载解除，该器件便恢复其凹面、穹顶或鞍形的形状并能重新按要求工作，这样便提供了针对机械过载的内置安全措施。与此对比，传统的双型(晶片)将因过载而开裂或破坏并必须更换。
参看图15，它表示的是各种陶瓷致动元件技术之间的比较。如图所示，尽管直接的伸长和弯曲伸长器件能承受较大的载荷，但它们承受不了很大的应变。相反，双型能产生大应变但载荷大大减少。可是，本发明的RAINBOW器件能产生高达百分之几百的应变，比双型大一个数量级，且能承受至少10磅的载荷，又比最好的双型还大出一个数量级。所以说，本发明提供能承受很大轴向应变、应付适度载荷的单片预应力电激励陶瓷器件，提供机械过载保护，易于制做且成本效益好。
本发明电激励压电或电致伸缩器件表现出许多有用的性能，例如压电、电致伸缩、热电、铁电和电光等效应。另外，本发明器件是适用于混合器件的可表面安装的，需要的备件少，不需粘结，高度适应和多功能的。因而，本陶瓷器件具有广泛的用适，包括致动元件、继电器、泵、振动器、扬声器、加速度计、传感器(应力/压力、热电、运动、光学)、热电探测器、开关、超声波清洗器、超声波钻、过滤器、风扇、薄膜器件、发声器、话筒、水扬声器、水听器、自适光学器件、变焦反射镜及透镜、位移器件、振子、脉冲/回声器件、机械手、应变计、鞍形渐动螺杆和打印机锤。
当使用圆形晶片10时，本方法制成如上述的基本穹顶形晶片26。由于单个器件26很象半个蛤壳构造，故可以象图16那样把两片这样的器件放在一起凑成一个完整蛤壳器件52。器件52包括第一和第二陶瓷器件54、56，分别带有第一和第二电极30、32。每只器件的两内侧电极32均同一刚性导电片58(例如一个金属片)相接触，后者可以和负端子60相连结。(应该指出，电极32是任选的，且还原层28可以用作此电极。)导电片58可以松插于器件54和56之间，也可以同器件54和56中每一个粘结。二外电极30可借导线62连接，然后再与底板64相连构成接地端子66。器件54和56以及导电片58的两两之间不要求有特别的连接或粘合剂，可以相互简单迭放。在使用过程中，上面的器件54提供平面以上的轴向位移，而下面的器件56提供平面以下的轴向位移。两个RAINBOW器件54和56可以串联工作，产生二倍于一个器件的位移。
作为另一种替代方案，可以不要不可弯曲导电片58，将器件54和56相互简单迭放即可。在这种实施方案中，两个内侧电极32(或还原层28)可以直接接触并把端子60同电极32(或还原层28)中的一个直接相连。在上述任何一种方案(即不管带或不带刚性片58)中，都可以通过在两器件之间沿其内周边的环氧树脂，为保持维持良好电接触，将器件54和56彼此粘结或同导电片58粘结。
在本发明的另一实施方案中，如图16所示的陶瓷器件54和56中的每一只可以具有彼此相反的温度特性，构成非热蛤壳器件52。参看图17，其中表示的是两种本发明陶瓷器件的温度-应变特性。作为说明性例子，器件54可以用PLZT8.6/65/35制造，其应变随温度提高而降低，如图17曲线A所示。器件56可以用有相反温度-应变特征的PLZT7/65/35制造，其特性如图17曲线B所示，其中应变随温度增加而增加。当54和56两器件结合成一个蛤壳构造52之后，整个器件52的结合后的温度-应变特性，如图17曲线C所示，为非热的。换句话说，蛤壳器件52的应变特性基本上不随温度而改变。故而，本发明的这个具体方案，除具有上面提到的全部优点之外，还具有温度稳定性这一附加的优点。
在进一步的实施方案中，蛤壳器件52可以象图18那样级联。作为一个说明性例子，图18画出了三只互相码放的蛤壳器件52，它们组成了占体积非常小的高线位移马达或泵68。应当理解，装置68可以包括2个以上的蛤壳器件。每个器件52的每个外侧电极通过导线70、72和74彼此相连结。电极30同底板76相连，且端子78确定了正端子。三蛤壳器件52的每一个的每个内侧电极32，通过导线80、82和84互相连结，它们都与负端子86相通。
作为替代性方案，可以用刚性导电片87将每个蛤壳器件分隔开。然后，借助刚性片87和导线88、90和92彼此电气相连。应该注意，导线70、72和74对本方案来说是不需要的。
上面有关图16中器件52的任选电极32、任选非弯折导电片58以及粘结的描述，同样适用于图18的每个器件52。另外，图18中每个器件52还可以按上述的方法非热化，制成非热泵或马达68。
在本发明进一步的实施方案中，两个以上的陶瓷晶片26可以相互迭放组成手风琴式的器件94，如图19所示，它，例如，可以作为泵、马达或者致动元件。作为说明性例子，器件94包括分别为第一、第二、第三和第四陶瓷器件的96、98、100和102，每个器件具有第一和第二电极30和32。(应当注意，电极32是任选的，而还原层28可以被用作每个器件96、98、100和102的第二电极。)如同图19所示，陶瓷元件96、98、100和102中的每一个可以彼此码放，使陶瓷元件中任何一个的第一表面12朝向任何一个相邻陶瓷元件的第二表面14。
四个陶瓷器件中每一个均由刚性导电片104隔开。由于本发明陶瓷器件是双极的，使器件94工作的电气连接可按图19进行。器件98和102的第一电极30和器件96和100的第二电极32均借助导线108和110，以及两个导电片104与端子106相连。端子106可以作负端子。器件98和102的第二电极32和器件96和100的第一电极30通过导线114、116、118、金属底板120和两个导电片104都与端子112相连。端子112可以是正端子。
本发明手风琴式器件的另一种实施方案示于图20，且也可以用作泵、马达或者致动元件。在器件122中，四个陶瓷元件96、98、100和102中的每一个之间夹着刚性片124，该刚性片包括导电部分126和绝缘部分128。每个器件的每一个外侧电极30通过导线130、132和134互相联通。然后，再把这些电极30与端子136连接起来，确定了正端子。四个器件96、98、100和102中每一个的每一内侧电极32通过导线138、140、142和144，以及刚性片124的导电部分126和金属底板146互相联通，再全部与负端子148连接。
就手风琴式器件94和122中的每一种，刚性片104和124而言，可以松夹于每个器件96、98、100和102之间，刚性片也可以通过在每个片104和124的每一面上涂上粘合剂(例如，环氧树脂)而与每个器件粘结起来。作为替代方案的器件94和122中的每个，每对器件(96、98)和(100、102)可以按照上面描述的方法非热化，制成非热器件94或122。还应当理解，就非热器件而言，器件94或122可以由几对器件组成，其中n＝1、2……。
虽然已结合本发明较好实例对本发明做了具体的揭示和说明，但熟悉本门技术的人应当理解仍可做出形式上及细节方面的其他改变而不背离本发明的原则和范围，本发明的原则和范围应仅由所附权利要求的范围加以限定。
权利要求
1.一种制做内部不对称应力偏置陶瓷元件的方法，包括的步骤有(a)形成带有彼此相对的第一和第二(表)面的陶瓷元件；(b)通过仅将所说第一面暴露于一种还原剂仅将所说第一面化学还原。
2.权利要求1的方法，其中所说化学还原步骤包括将所说陶瓷元件还原为其导电状态，制成一种凹面状陶瓷元件，其中所说第一面是陶瓷材料的导电还原形式，且处于张力状态，而所说的第二面处于压缩状态。
3.权利要求1的方法，其中所说化学还原步骤包括将所说陶瓷晶片加热。
4.权利要求3的方法，其中所说化学还原步骤包括将所说陶瓷晶片暴露于600℃-1200℃之间的温度，时间在5分钟到24小时之间。
5.权利要求2的方法，其中所说化学还原气氛包括选自碳、一氧化碳和氢的还原剂。
6.权利要求1的方法，其中所说化学还原步骤包括把所说陶瓷晶片放在一个碳块上，让所说的第一面同所说碳块接触；以及将所说构造加热。
7.权利要求6的方法，其中让所说第二面暴露于非还原气氛。
8.权利要求1的方法，进一步包括下列步骤在所说第二面顶部放上一种掩模块，使所说陶瓷晶片被夹在所说的碳块和掩模块之间；以及将所说夹层构造加热。
9.权利要求8的方法，其中所说的掩模块由选自氧化锆和氧化镁的材料做成。
10.权利要求1的方法，进一步包括在所说陶瓷元件的所说第二面上形成第一电极的步骤。
11.权利要求10的方法，进一步包括在所说陶瓷元件的所说第一面的周边上形成第二电极的步骤。
12.权利要求10的方法，进一步包括在所说陶瓷元件的整个第一表面上形成第二电极的步骤。
13.权利要求11的方法，进一步包括在所说第一和第二电极之间加上直流、脉冲或交流的一定频率的电压，使所说陶瓷元件按照所加脉冲的频率产生位移。
14.权利要求13的方法，进一步包括把所说陶瓷元件当做一种选自致动元件、泵、传感器和扬声器等器件来工作的步骤。
15.权利要求13的方法，其中所说的陶瓷元件的厚度介于0.5-500密耳，其直径介于0.05-10,000密耳。
16.权利要求15的方法，其中所说的电压产生介于±1V/mil(mil＝密耳)和±200V/mil之间的电场，且所说的位移介于0.1mil到100mil之间。
17.权利要求1的方法，其中所说陶瓷元件是用热压或大气烧结成形的。
18.权利要求1的方法，其中所说陶瓷元件被成形为选自圆形、矩形、正方形和异形等形状。
19.权利要求1的方法，其中所说的陶瓷元件是圆形晶片，且所说的化学还原步骤产生基本上为穹顶形的陶瓷元件。
20.权利要求1的方法，其中所说的陶瓷元件是圆形晶片，且所说的化学还原步骤产生基本上为鞍形的陶瓷元件。
21.权利要求1的方法，其中所说的陶瓷晶片材料选自PZT、PLZT、PSZT、PMN和PBZT。
22.一种内部不对称应力偏置的陶瓷元件，包括一种凹面形、具有相对的第一和第二(表)面的陶瓷元件；所说的第一面为该陶瓷材料的导电还原层且处于张力状态；和所说的第二面为处于压缩状态。
23.权利要求22的陶瓷元件，进一步包括在所说陶瓷元件的所说第二面上形成的第一电极。
24.权利要求23的陶瓷元件，进一步包括在所说陶瓷元件的所说第一面的周边上形成的第二电极。
25.权利要求23的陶瓷元件，进一步包括在所说陶瓷元件的整个第一面上配置的第二电极。
26.权利要求24的陶瓷元件，进一步包括用来在所说第一和第二电极上施加直流、脉冲或交流电压使所说陶瓷元件产生位移的手段。
27.权利要求26的陶瓷元件，其中所说的陶瓷元件被作为一种选自泵、致动元件、传感器、扬声器和话筒等的器件工作。
28.权利要求26的陶瓷元件，其中所说陶瓷元件的厚度为0.5-500mil，直径为0.05-10,000mil。
29.权利要求28的陶瓷元件，其中所说电压产生介于±1V/mil到±200V/mil之间的电场，且所说陶瓷元件在施加所说电压期间产生介于0.1mil和100mil之间的位移。
30.权利要求22的陶瓷元件，其中所说的元件是圆形的，且具有基本上呈穹顶形的形状。
31.权利要求22的陶瓷元件，其中所说的元件是圆形的，且具有基本上呈鞍形的形状。
32.权利要求22的陶瓷元件，其中所说的元件具有选自圆形、矩形、正方和异形等形状。
33.权利要求22的陶瓷元件，其中所说的陶瓷材料选自PZT、PLZT、PSZT、PMN和PBZT构成的一组材料。
34.一种内部不对称应力偏置、具有相对的第一和二(表)面、所说第一面为该陶瓷材料的导电还原层且处于张力状态，而所说第二面处于压缩状态的凹面形陶瓷元件的操作方法，该方法包括的步骤有对所说陶瓷元件施加一定频率的直流、脉冲或交流电压，使所说陶瓷元件按照外加脉冲的频率产生位移。
35.权利要求34的方法，其中所说对所说陶瓷元件施加直流、脉冲或交流电压的步骤包括将所说电压加到第一面上形成的第一电极和第二面上形成的第二电极上去。
36.权利要求34的方法，其中所说陶瓷元件的厚度介于0.5mil到500mil之间，且直径介于0.05mil到10,000mil之间。
37.权利要求36的方法，其中所说电压产生的电场介于±1V/mil到±200V/mil之间，且所说的陶瓷元件在施加所说电压期间产生介于0.1mil和100mil之间的位移。
38.权利要求34的方法，其中所说的陶瓷元件是被当作选自泵、致动元件、传感器、扬声器和话筒等器件来工作的。
39.一种陶瓷器件，包括至少一个具有第一和第二内部不对称应力偏置陶瓷元件的蛤壳构造；每个所说陶瓷元件包括一个具有相对的第一和第二(表)面的凹面形陶瓷元件；以及所说的第一面为该陶瓷材料的导电还原层，且处于张力状态，所说的第二面处于压缩状态；所说第一陶瓷元件配置在第二陶瓷元件上面上，使所说第一元件的所说还原层的至少一部分与所说第二元件的所说还原层的至少一部分相接触。
40.权利要求39的陶瓷器件，其中每个所说的陶瓷元件是选自压电、电致伸缩、热电和铁电等元件。
41.权利要求39的陶瓷器件，其中每个所说的陶瓷元件进一步包括配置在每个所说第一面的周边上的第一电极。
42.权利要求39的陶瓷器件，其中每个所说的陶瓷元件进一步包括配置在每个所说第一面的整个第一表面上的第一电极。
43.权利要求41的陶瓷器件，进一步包括配置在每个元件第二表面上的第二电极。
44.权利要求43的陶瓷器件，其中每个所说陶瓷元件具有圆穹顶形状，且第一元件的所说第一电极的周边同第二元件的第一电极的周边相接触。
45.权利要求43的陶瓷器件，进一步包括夹于所说第一和第二陶瓷元件之间的刚性导电片，使所说第一元件的至少部分所说第一电极与所说第二元件的至少部分第一电极互相接触。
46.权利要求43的陶瓷器件，进一步包括确定了第一端子的、同所说第一和第二元件的所说第一电极相连的第一金属接触，以及确定了第二端子的、同所说第一和第二元件的第二电极相连的第二金属接触。
47.权利要求46的陶瓷器件，进一步包括用于在所说第一和第二端子之间施加脉冲电压以便使所说陶瓷装置产生位移的手段。
48.权利要求43的陶瓷器件，进一步包括两个以上彼此迭合布置的此种蛤壳构造；同每个陶瓷元件的所说第一电极相连的第一端子；以及同每个陶瓷元件的所说第二电极相连的第二端子。
49.权利要求48的陶瓷器件，进一步包括夹于每对相邻蛤壳构造之间以及置于最上面的蛤壳构造顶上的刚性导电片。
50.权利要求48的陶瓷器件，进一步包括配置在每对蛤壳构造之间将每个蛤壳构造同相邻的蛤壳构造相结合的结合手段。
51.权利要求39的陶瓷器件，进一步包括配置在每个陶瓷元件所说第一面的周边上用于把所说第一和第二元件结合结合手段。
52.权利要求39的陶瓷器件，其中所说第一陶瓷元件的应变随温度上升而减小，而所说第二陶瓷元件的应变随温度上升而增大，从而使所说的陶瓷器件成为一种非热陶瓷器件，其中所说器件的应变基本上不随温度变化。
53.一种陶瓷器件，包括至少两只呈迭合布置的内部不对称应力偏置的陶瓷元件；每只所说的陶瓷元件包括一只具有相对的第一和第二(表)面的凹面形陶瓷元件；和所说第一面是该陶瓷材料的导电还原层且处于张力状态，以及所说第二面处于压缩状态；每个所说陶瓷元件的排列应使得任何元件的第一面均面朝相邻元件的第二面。
54.权利要求53的陶瓷器件，其中每个所说的元件选自由压电、电致伸缩、热电、铁电等元件。
55.权利要求53的陶瓷器件，其中每个所说的陶瓷元件进一步包括在每个所说第一面的周边上配置的第一电极。
56.权利要求53的陶瓷器件，其中每个所说的陶瓷元件进一步包括在每个所说第一面的整个第一表面上配置的第一电极。
57.权利要求55的陶瓷器件，进一步包括在每个元件的第二面上配置的第二电极。
58.权利要求57的陶瓷器件，其中每个所说的陶瓷元件具有基本上为穹顶的形状。
59.权利要求57的陶瓷器件，进一步包括夹于每个所说陶瓷元件之间、具有第一和第二相对表面的刚性片，其配置方式为，选定元件的至少一部分所说第一电极同所说刚性片的第一表面相接触，相邻元件的第二电极同所说刚性片的第二表面相接触。
60.权利要求59的陶瓷器件，其中所说的刚性片是导电刚性片。
61.权利要求60的陶瓷器件，其中第一陶瓷元件的第一电极和第二陶瓷元件的第二电极均同负端子相连。
62.权利要求61的陶瓷器件，其中第二陶瓷元件的第一电极和第一陶瓷元件的第二电极均同正端子相连。
63.权利要求59的陶瓷器件，其中所说刚性片的所说第一表面是导电的，且所说第二表面是电绝缘的。
64.权利要求63的陶瓷器件，其中第一和第二陶瓷元件的第一电极同正端子相连。
65.权利要求64的陶瓷器件，其中第一和第二陶瓷元件的第二电极均同负端子相连。
66.权利要求59的陶瓷器件，进一步包括配置在每个刚性片的每个所说第一和第二表面上、用于把每个所说陶瓷元件与每个与之相接触的刚性片粘合的结合手段。
67.权利要求53的陶瓷器件，其中所说陶瓷器件包括至少一对第一和第二陶瓷元件，其中每对的第一陶瓷元件的应变随温度升高而减小，而每对的第二陶瓷元件的应变随温度的升高而增大，从而使所说的陶瓷器件成为非热陶瓷器件，其中所说器件的应变基本上不随温度变化。
全文摘要
披露单片、内部不对称应力偏置、电激励陶瓷器件及其制法。本发明方法的第一步是制做有两个相对的第一和第二表面的陶瓷元件。继而，仅让第一表面通过在还原气氛中热处理而得以化学还原。于是，产生凹面形、内部不对称应力偏置陶瓷元件并在第一表面上生成一导电、化学还原层，该层作为器件的一个电极。可以在第二表面上沉积另一电极以完成此器件。在本发明的另一具体方案中，可以把两片穹顶形陶瓷元件放在一起构成一完整的蛤壳构造或手风琴式构造。在进一步的具体方案中，上述蛤壳或手风琴式构造可以彼此上下码放。在又一个具体方案中，一对具有相反温度特性的穹顶形陶瓷器件可以一上一下地放置构成一只非热化陶瓷器件。
文档编号H01L41/09GK1120874SQ94191712
公开日1996年4月17日 申请日期1994年2月17日 优先权日1993年2月23日
发明者G·H·赫林 申请人:研究技术公司