专利名称：带有凸面膜片部的陶瓷膜片结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷膜片结构，及一种制作该膜片结构的方法。确切地说，该发明涉及这样一种陶瓷膜片结构，该膜片结构的特征在于一个薄膜片部或其多个部的形状。
膜片结构已经广泛地用于各种类型的传感器，例如，该结构有一个至少带有一个穿过基片而形成的窗口或开口的基片或底板，和一个由一种挠性材料形成并适合于用以封闭该窗口或多个窗口的薄膜片板，以便提供一个膜片部或多个部。近年来，这类膜片结构已越来越多地用于压电/电致伸缩执行器。当该膜片结构用作一个传感器的元件时，该传感器有用来探测该膜片结构的该膜片部的弯曲或挠曲位移量的适当装置，该位移是由该传感器所要测量的对象引起的。当该膜片结构用作一个压电/电致伸缩执行器的元件时，该结构的该膜片部被在该膜片部上形成的一个压电/电致伸缩元件所弯曲或挠曲，以便提高在该膜片结构内形成的一个压力腔里的压力。
如上所述的该膜片结构可以这样制作，即形成一个由用作底板或支座的该基片和一个由该基片支撑并设有该膜片的膜件组成的整体。为了改善工作可靠性，并提高耐热性和耐腐蚀性，已经提出作为一种烧制整体陶瓷体形成该膜片结构，用于一种压力传感器或一种压电/电致伸缩执行器，如属于本申请的受让人的美国专利第4,894,635号(对应于日本专利申请第63—292032号)，及本受托人提出的日本专利第5—49270号中所公开的那样。
如上所述的整体陶瓷膜片结构一般这样形成，即把一个带有适当形状的窗口的生陶瓷基片与一个用来封闭该窗口的薄生陶瓷片叠合，于是形成一个带有一个在窗口对置的开口之一封闭该窗口的膜片部的整体生陶瓷叠层结构。然后把该生叠层结构烧制成整体膜片结构。本发明的发明人发现，由生陶瓷片在其位于该生陶瓷基片的窗口上方部分形成的膜片部在烧制工序期间可能内凹变形或凹陷，或因裂级而受损害。在膜片部的凹陷和裂纹对该膜片的原拟的功能和工作是有害的，造成降低的工作可靠性。
如上所述的陶瓷膜片结构通常设有一个平膜片部或多个部。然而，很难提高这样一个平膜片的固有谐振频率。此外，平膜片未表现出足够高的机械强度，从而使得难以减小膜片的厚度。再者，不能令人满意地烧结出在该平膜片部上形成的电极膜、压电/电致伸缩膜等。
因而，本发明的第一个目的在于提供一种在其膜片部没有凹陷和裂纹的陶瓷膜片结构，保证该膜片部显著提高的固有谐振频率和高机械强度，不影响在该膜片部上形成的各种膜的烧结，所有这一切导致提高该膜片结构的工作可靠性。
本发明的第二个目的在于提供一种制作如上所述这样一种膜片结构的方法。
根据本发明的一个方面提供了一种陶瓷膜片结构，该结构包括一个至少有一个窗口的陶瓷基片；及一个叠合于该陶瓷基片上以便封闭该窗口或多个窗口的陶瓷膜片板，该膜片板与该陶瓷基片烧结以形成一个整体烧结体，该膜片板至少包括一个分别与窗口对正的膜片部，每个膜片部沿离开相应窗口的方向向外突出以形成一种凸面形状。
在如上所述根据本发明构成的该陶瓷膜片结构中，每个膜片部沿离开相应窗口的方向向外突出以形成一种凸面形状。因而，与一个常规的平坦部相比，本结构的膜片部表现出显著提高的固有谐振频率，及提高了的克服从对着该窗口的一侧施加的力的强度。此外，该膜片部不影响用一种膜形成方法比如说在该膜片部的外表面上形成的膜(如电极膜和压电/电致伸缩膜)的烧结，保证所得到的陶瓷膜片结构的高质量和高工作可靠性。
根据本发明的陶瓷膜片结构是叠层型的，因而允许在该结构的单位平面面积上形成数量较大的膜片部。此外，作为整体烧结体形成的本膜片结构保证高于可靠性和很容易处理，并可按要求设计其膜片部。再者，可以很容易地控制这些膜片部的突出量，并可显著的减小这些膜片部的厚度，保证提高了的生产效率。
如上所述的陶瓷膜片结构可以有利地用于压电/电致伸缩膜元件，保证显著提高了的膜元件工作可靠性。因而，该膜片结构有利地用于执行器、显示器件、滤波器、拾音器、发声体(如扬声器)、各种传感器、各种振子和谐振器。
在本发明的以上方面的一种最佳形式中，该陶瓷膜片板由一种材料形成，该材料包含一种从由稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝、及它们的混合物组成的组类中选出的主要成分。
在该发明的另一种最佳形式中，该陶瓷基片和该陶瓷膜片板具有不大于5μm的平均晶粒尺寸。此外，上面指出的至少一个膜片部可以具有不大于30μm的厚度，并且可以由一种具有至少90％的相对密度的致密体组成。
根据本发明的另一个方面提供了一种制作如上所述的该陶瓷膜片结结构的方法，该方法包括步骤(a)制备一个至少有一个窗口的生陶瓷基片；(b)制备一个生陶瓷薄片；(c)把该生陶瓷薄片叠合于该生陶瓷基片以封闭该窗口或那些窗口，从而提供一个整体的生陶瓷叠层结构；以及(d)把该生陶瓷叠层结构烧制成一个整体烧结体，以致该生陶瓷薄片至少提供一个分别与该(那些)窗口对正的膜片部，每个膜片部在烧制该生陶瓷叠层结构时形成凸面形状，以致该膜片部沿离开相应窗口的方向向外突出。
在上述方法中，该生陶瓷基片和该生陶瓷薄片最好这样制备，以致该生基片和生薄片中每个的预烧结温度和收缩率满足以下公式S(基片)－S(薄片)≥－0.08{T70(基片)－T70(薄片)}－10≤T70(基片)－T70(薄片)≤300S(基片)－S(薄片)≤20式中，S(基片)和S(薄片)代表当该生基片和生薄片在该生叠层结构被最终烧制的温度下相互独立地被烧制时该生陶瓷基片和该生陶瓷薄片各自的收缩率(％)，而式中T70(基片)和T70(薄片)代表该生陶瓷基片和该生陶瓷薄片(当互相独立地烧制时)的收缩率分别达到S(基片)和S(薄片)的70％时各自的预烧结温度(℃)。
在本发明的以上方面的一种最佳形式中，该生陶瓷薄片在烧制前或烧制后包括一种从由部分稳定氧化锆、全稳定氧化锆、氧化铝及它们的混合物组成的组类中选出的材料。该生陶瓷薄片具有0.05至1.0μm的平均颗粒尺寸。可以向此材料中添加不超过30％的添加剂。
根据本发明的又一个方面提供了一种制作如上所述的该陶瓷膜片结构的方法，该方法包括步骤(a)制备一个至少有一个窗口的生陶瓷基片；(b)制备一个生陶瓷薄片；(c)把该生陶瓷薄片叠合于该生陶瓷基片以封闭该窗口或那些窗口，从而提供一个整体的生陶瓷叠层结构；(d)把该生陶瓷叠层结构烧制成一个整体烧结体，以致该生陶瓷薄片至少提供一个分别与该(那些)窗口对正的膜片部；以及(e)在加热该整体烧结体的同时向每个膜片部施加一个压力，以致该膜片部沿离开该基片的相应窗口的方向向外突出。
通过在结合附图考虑时阅读对该发明的一些当前最佳实施例的以下详细描述，本发明的以上及可选的目的、特征和优点将被更好地理解，这些附图中
图1是剖视图，表示本发明的一种陶瓷膜片结构的一个实施例；图2是图1的该膜片结构的仰视图；图3是透视图，表示图1的该膜片结构的制作过程中的一个步骤，在该步骤中把一个生陶瓷薄片叠合于一个生陶瓷基片上；图4是剖视图，夸张地表示图1的该膜片结构的一个主要部分；图5是曲线图，表示在烧制成图1的该膜片结构的该生陶瓷薄片与该生陶瓷基片之间的收缩率之差ΔS与预烧结温度之差ΔT70的关系；图6是剖视图，表示使用根据本发明的该陶瓷膜片结构的一种压电/电致伸缩膜元件的一例；图7是图6的该压电/电致伸缩膜元件的分解透视图；图8是剖视图，表示具有五层结构的另一个压电/电致伸缩膜元件的例子。
在如上所述根据本发明构成的该陶瓷膜片结构中，该薄片片部在该陶瓷基片上整体地形成以便封闭该基片的窗口，以致该膜片部沿离开该窗口的方向向外突出，而形成一种凸面形状。参见图1和图2，将描述本发明的该陶瓷膜片结构的一个实施例。此实施例有一个穿过该陶瓷基片的窗口。
如图1和图2中所示，一个整体地形成的膜片结构2的组成包括一个带有一个适当尺寸的矩形窗口或开口6的陶瓷基片或底座4，和一个叠合于该陶瓷基片4的对置主表面之一以便封闭该窗口6的对置开口之一的薄陶瓷膜片板8。该膜片板8包括一个在该膜片板8的平面内观看时与该陶瓷基片4的该窗口6对正的膜片部10。为了制作该膜片结构2，把一个给出该膜片板8的生陶瓷薄片12叠合于一个给出该陶瓷基片4的生基片14上，以便如图3中所示封闭该生基片14的一个窗口16，而且这些生薄片和生基片12，14靠热压互相结合，以便提供一个整体生叠层结构。然后，把该生叠层结果烧制成如图1中所示的该整体膜片结构2。该生陶瓷薄片12和该生陶瓷基片14中的每一个都可以通过把多个具有更小的厚度值的薄片或基片叠层来形成。应该指出，该膜片结构2的该窗口6的形状，换句话说，该膜片部10的形状，决不限于如本实施例中所示的矩形形状，而是可以根据该膜片结构2的应用场合或用途而适当选择。例如，该膜片部10可以有一个圆形、多边形或椭圆形形状，或者有这些不同形状的一种组合。
在本发明的膜片结构2中，膜片部10具有凸面形状，或者换句话说，沿离开窗口6的方向向外突出，如图4中夸张地表示的那样。这样造形的该膜片部10既无凹陷也无裂纹，而且，与一个平坦膜片部不同，表现出显著提高了的固有谐振频率和提高了的克服外力的强度，而不影响在该膜片部10外表面上形成的膜的烧结。这使得该膜片结构2找到远为更多样的应用或用途。就此而论，在工作中振动的该膜片板8的固有谐振频率f与(H/A2)(E/ρ)成比例，其中2A是膜片板8的外直径，H是该膜片部10的突出量，E是该膜片材料的杨氏模量，而ρ是该膜片材料的密度。于是，该固有谐振频率f可通过控制该膜片部10的突出度来按希望变化。更具体地说，具有较小厚度的该膜片板8的刚度可以通过增大该膜片部10的突出量来加大，从而提高该膜片部10的固有谐振频率。
在如上所述的膜片结构2中，具凸面形状的膜片部10的突出量可以根据该膜片结构2的具体应用或用途来适当地确定。为了保证本发明的上述效果，该膜片部10的中心部分的突出量(h)(或最大突出量)对通过该陶瓷基片4的窗口6中心的最短直线的长度(m)的百分比，换句话说，由〔y＝(h/m)×100〕所表达的突出百分比，被控制成不小于1％。该突出百分比(y)的上限也可以适当确定，一般约为50％。
在根据本发明构成的膜片结构2中，用来形成陶瓷基片4和陶瓷膜片板8的材料从各种已知的陶瓷材料中适当地选择。一般来说，陶瓷膜片板8由具有从富铝红柱石、氧化铍、尖晶室、二氧化钛、氮化铝、四氮化三硅、稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝及它们的混合物中选出的一种主要成分的材料形成。在这些陶瓷材料中，稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝或它们的混合物被可取地采用。特别有利地使用的是本发明人在日本专利申请第5—270912号中所公开的一种材料，该材料作为一种主要成分包含通过添加氧化钇或其他化合物而部分稳定的氧化铬，而且该材具有主要由四方晶或至少四方晶相与单斜晶相两种立方体的组合或混合组成的晶相。由上述材料制成膜片板8表现出高机械强度，和高度的耐热性和耐腐蚀性，而且在小厚度时是高度挠性的，从而提供一种高效的膜片结构。为了实现膜片结构2的整体性，希望陶瓷基片4用与陶瓷膜片板8所用者相同的上述材料之一形成。然而，基片4也可以由其他陶瓷材料，如玻璃陶瓷或堇青石之类来形成。
为了保证该膜片结构2的足够高的机械强度，希望用于陶瓷基片4和陶瓷膜片板8(膜片部10)的陶瓷材料具有5μm以下的晶粒尺寸，最好是3μm以下，而1μm以下更好。鉴于其振动特性，提供薄膜片部10的膜片板8的厚度希望控制到不大于30μm，最好在3至20μm范围内。鉴于膜片材料的强度、杨氏模量和其他特性，还希望把膜片板8的密度确定成相对密度(堆积密度/理论密度)为90％以上，最好是95％以上，而98％以上更好。
膜片结构2的陶瓷基片4的厚度和烧结性不限于任何特定的范围，而且可以根据膜片结构2的具体应用或用途适当地确定。虽然如上所述该陶瓷基片4可以由单层或许多亚层组成，但该基片4最好由与膜片板8所用者相同或类似的陶瓷材料制成，以保证在基片4与板8之间结合处提高了的可靠性。
如上所述构成的陶瓷膜片结构2可以用本专业的技术人员所公知的各种方法之一来制作。特别有利地采用的是一种包括如下工艺步骤(a)至(d)的方法开始，在第一步骤(a)中制备至少带有一个窗口16的生陶瓷基片14，如图3中所示，并在第二步骤(b)中制备具有较小厚度的生陶瓷薄片12。可适当地采用如上所述的陶瓷材料来形成该生陶瓷薄片12和生陶瓷基片14。确切地说，生陶瓷薄片12最好由这样一种材料来形成，该材料包含一种从部分稳定氧化锆、全稳定氧化锆、氧化铝及它们的混合物中选出的主要成分，或者由这样一种材料来形成，该材料在对其烧制之后给出上述诸材料之一。用于生薄片12的陶瓷材料为具有0.05至1.0μm的平均颗粒尺寸的粉末形式。把此陶瓷材料按已知的方式与适当的粘合剂、增塑剂、分散剂、烧结助剂、有机溶剂等混合以制备成泥或糊。然后，例如通过用刮板机、砑光机或逆辊涂布机的已知方法，或者通过印刷，把该泥或糊形成具有各自的预定厚度的生陶瓷薄片12和生陶瓷基片14。必要时，多个薄生片可以层压或叠合在一起，或者最初制备的生薄片可以切割、机加工、冲孔或用其他方法处理，以提供具有想要的厚度和形状的生薄片12和生基片14。
当通过把薄生片叠层来形成生陶瓷薄片12或生陶瓷基片14时，可在相邻的一片生薄片的接合处设置一个粘合亚层。该粘合亚层由泥、糊之类形成，这些泥、糊之类主要包含上述粘合剂、增塑剂、溶剂、或它们的混合物，以及如上所述的陶瓷粉末。簿生片的叠层可在如下所述的下一步骤(c)中实现。
在第三步骤(c)中，把这样制备的生陶瓷薄片12与生陶瓷基片14互相叠合，以提供一个生叠层结构。更具体地说，把较薄的生陶瓷薄片12叠合于生陶瓷基片14以便封闭窗口16，并通过热压粘合于其上，从而形成整体生叠层结构。可以在生薄片12与生基片14之间设置一个如上所述的粘合亚层。
在下一步骤(d)中，把这样得到的该生叠层结构烧制成一个整体烧结体，该烧结体带有一个与该生陶瓷基片14的窗口16对正地形成的薄膜片部10。在烧结该生叠层结构时，该膜片部10向外，即沿离开窗口16(6)的方向突出，以形成如图1和图4中所示的凸面形状。烧制温度一般控制成处于1200℃至1700℃的范围之内，最好处于1300℃至1600℃的范围之内。
为了在烧制该整体生叠层结构时使生陶瓷薄片12的膜片部10向外突出，通过适当地选择用于生薄片12和生基片14的陶瓷材料，所选陶瓷材料粉末的颗粒尺寸，以及诸如粘合剂、分散剂和烧结助剂之类的添加剂的种类与数量来控制生陶瓷薄片12和生基片14的烧结速度和收缩率。根据本发明的一个方面，生陶瓷薄片12和生陶瓷基片14的预烧结温度和收缩率确定成满足以下公式(1)—(1”)S(基片)－S(薄片)≥－0.08{T70(基片)－T70(薄片)}－1(1)0≤T70(基片)－T70(薄片)≤300(1’)S(基片)－S(薄片)≤20(1”)式中，S(基片)和S(薄片)代表当这些基片和薄片中的每一个在与生叠层结构的最终烧制温度相同的温度下被烧制时该生陶瓷基片和该生陶瓷薄片各自的收缩率(％)，这些收缩率是根据在该基片或薄片的平面内测量时的长度来计算的。T70(基片)和T70(薄片)代表该生陶瓷基片和该生陶瓷薄片(当互相独立地烧制时)的收缩率分别达到S(基片)和S(薄片)的70％时的预烧结温度(℃)。这样一来，在烧制由生陶瓷薄片12和生陶瓷基片14组成的该叠层结构时，该膜片部10有效地向外突出。
如上所述的收缩率用〔(长度A－长度B)/长度A〕×100(％)来表达，其中长度A是烧制前测量时的长度，而长度B是烧制后测量时的长度。该基片和薄片的那些长度B是在该基片和薄片被互相独立地烧制之后测量的。上述这些长度(长度A和长度B)是在该薄片或基片的平面内，即沿与该薄片或基片的主表面平行而与它们的厚度方向垂直的预定方向来测量的。上述预烧结温度T70(基片)或T70(薄片)指明在对该基片和薄片独立烧制(不是以叠层结构)的过程中，按如上所述的方式算出的收缩率达到〔S(基片)或S(薄片)〕×0.7(％)或(0.7S％)时的温度，其中S是当按与用来烧制该膜片结构相同的温度控制轮廓或图形不把它们叠层而对该基片或薄片烧制时测得的该基片或薄片的总收缩比。此外，T表明该基片或薄片的烧结性，应控制成使薄生陶瓷片12的烧结速度或烧结速率高于生陶瓷基片12的烧结速度或烧结速率。即令满足此条件，所得到的膜片结构也不一定带有一个凸面膜片部，而可能带有一个平坦膜片部，这取决于在最终烧制温度下测量时的收缩率(S)。于是，为了保证膜片结构带有凸面膜片部，须满足式(1)、(1’)、(1”)中表明的S与T之间的所有上述关系。
如果在生陶瓷薄片12与生陶瓷基片14之间的烧结性差别过大，就是说，〔T70(基片)－T70(薄片)〕值大于300，则膜片部的凸面形状会变得不稳定，或者会在膜片部中形成裂纹。如上所述，S表示当在把该基片和薄片烧制成整体膜片结构时所实际采用的温度下烧制这些片中的每个时，该生基片或薄片的收缩率。如果在该生陶瓷薄片12与基片14之间收缩率相差过大，就是说，〔S(基片)－S(薄片)〕的值大于20，则该膜片结构在其烧制之后会翘曲到很大程度，或者会在膜片板8中形成裂纹。
在根据本发明制作陶瓷膜片结构的方法中，为了保证该膜片部的凸面形状的高稳定性并防止或减少膜片结构2的翘曲和在其烧制之后在膜片板8中保留残余应力，生陶瓷薄片12和生陶瓷基片14最好制备成满足以下公式(2)、(2’)和(2”)。
S(基片)－S(薄片)≥－0.08{T70(基片)－T70(薄片)}＋0.8(2)100≤T70(基片)－T70(薄片)≤200(2’)S(基片)－S(薄片)≤10(2”)生陶瓷薄片12和生陶瓷基片14制备成满足以下公式(3)、(3’)和(3”)则更好。
S(基片)－S(薄片)≥－0.08{T70(基片)－T70(薄片)}＋0.8(3)10≤T70(基片)－T70(薄片)≤100(3’)S(基片)－S(薄片)≤5(3”)由以上公式(1)至(3”)所规定的收缩率之差和预烧结温度之差示于图5。
根据制作根据本发明构成的陶瓷膜片结构的第二种方法，根据工艺步骤(a)至(c)得到的整体生叠层结构然后在接下来的步骤(e)中被烧制，以提供一个整体烧结体，其中薄膜片部(10)与该陶瓷基片的窗口16对正地形成。在下一步骤(f)中，在对这样得到的烧结体加热的同时对膜片部分(10)施加一个压力，以致膜片部(10)向外，即沿离开窗口16(6)的方向突出。
在第二种方法的工艺步骤(f)中，先在大体上等于或低于该烧结温度的一种温度下加热该烧结体，以便使该烧结体可以变形。然后，可以向膜片部(10)施加比如说来自一个适当的夹具的机械力，或者一个流体压力，以便引起该膜片部(10)向外突出一个拟定的或想要的量(h)。然而，鉴于与以上刚描述的第二种方法相比有更高的生产效率，最好采用包括步骤(a)—(d)的第一种方法来制作膜片结构2。
根据本发明这样得到的陶瓷膜片结构2在其膜片部10没有凹陷、裂纹和其他缺陷，保证优秀的质量和很高的工作可靠性。此外，该膜片部10提供很高的机械强度和显著提高了固有谐振频率，并且不影响在该部分10的外表面上形成的膜的烧结。因此，本膜片结构2能有利地用于各种用途，诸如传感器和执行器之类。此外，由于其中所用的陶瓷材料的优越性质，本膜片结构2能有利地用作一个要求高耐腐蚀性的器件、导管等，以及诸如一个应变片之类的各种探测装置的一部分，以便提供一个用来监测该器件或导管的内部压力或其他参数的耐腐蚀的压力传感器。该膜片结构2也能与一个诸如空气压力或推杆之类的驱动源合用，以便提供一个执行器，该执行器以较低的频率提供较大的位移量。
本发明的陶瓷膜片结构有利地用于一种压电/电致伸缩膜元件，其中在该结构的膜片部的对置主表面之一上形成一个压电/电致伸缩单元。确切地说，本膜片结构有利地用于单晶或其他类型的压电/电致伸缩膜元件，这些元件用来产生或探测弯曲、偏移或挠曲形式的位移或力，并用于动力器件或通信器件中的执行器、滤波器、显示器件、加速度传感器、振动传感器、冲击传感器、变换器、拾音器、发声体(如扬声器)、各种谐振器或振子。图6示意地画出包含本发明的陶瓷膜片结构的一个实施例的压电/电致伸缩膜元件的一例，而图7是该膜元件的分解透视图。如这些图中所示该压电/电致伸缩膜元件20有一个膜片结构22，和布置在该膜片结构22之上的一些压电/电致伸缩单元(下文称为P/E单元)24。更具体地说，这些P/E单元24粘合于并整体地形成在该结构22的各膜片部的外表面上。在工作时，这些P/E单元24用来根据对这些P/E单元24施加的电压引起该结构22的那些对应的膜片部偏移或变形。
更具体地描述，根据本发明构成的膜片结构22有一种叠层结构，其组成包括一个较薄的封闭板(膜片部)26、一个连接板(基片)28、和一个夹在该封闭板26与该连接板28之间的隔板30。这些板26、28、30由氧化锆之类适当的陶瓷材料形成。连接板28有多个沟通孔32(在本实施例中为三个孔32)，这些孔沿板28的纵向互相离开预定的间隔，如图7中所示。这些沟通孔32与外界沟通。隔板30有多个穿过它而形成的方形窗口或开孔36(在本实施例中为三个窗口36)。这些窗口36沿隔板30的纵向互相离开预定的间隔。隔板30这样叠合于连接板28之上，即穿过连接板28形成的那些沟通孔32通向各个窗口36。虽然在本实施例中仅为每个窗口36设置一个沟通孔32，但是可以为每个窗口36设置两个以上沟通孔，视该压电/电致伸缩膜元件20的具体用途而定。沟通孔32的形状、位置和尺寸也可以按要求适当地确定，视该膜元件20的用途而定。上述封闭板26叠合在该隔板30的对置主表面中远离连接板28的一面上，以便封闭该隔板30的诸窗口36。通过此配置，在膜片结构22中形成多个压力腔38，以致这些压力腔38经各自的沟通孔32保持与结构22以外的空间沟通。虽然该膜片结构22的组成包括三层整体结构，即封闭板26(膜片)、隔板30(基片)和连接板28(基片)，但是本发明的膜片结构也可以形成有四层以上的四层或其他多层整体结构，如图8中所示。
如上所述，膜片结构22形成一个整体烧制或烧结体，该烧结体主要由氧化锆之类的适当的陶瓷材料制成并有一些向外即沿离开那些窗口36的方向突出的膜片部(26)。为了制作此膜片结构22，一开始用由比如说适当的陶瓷材料、粘合剂和溶剂制备的泥或糊，通过诸如刮板机、逆辊涂布机或丝网印刷机之类一般使用的机器形成诸生薄片。然后这些生薄片按需要经受切割、机加工、冲孔或其他处理，以便形成那些窗口36和沟通孔32，并从而提供给出各自板26、28、30的坯料。然后，把这些坯粒互相叠层并通过热压粘合在一起，成为一个整体生叠层结构。此后，把该生叠层结构烧制成整体膜片结构22，以致通过上述方法之一使作为封闭板26的部分的那些膜片部向餐凸起或突出。
P/E单元24在该膜片结构22的封闭板26的外表面上形成，以致在与板26的外表面平行的平面中观看时这些单元24与各自的压力腔38对正。每个P/E单元24包括一个下电极40，一个压电/电致伸缩层(下文称为P/E层)42和一个上电极44，它们按此次序用适当的膜形成方法叠层地形成在该封闭板26的对应膜片部的凸形外表面上。对于这些P/E单元24，特别推荐采用如与日本专利申请第5—29675号相对应的委托给本专利申请的受托人的共同待决美国专利申请第08/239，856号中和美国专利第5,210,455号中提出的一种压电/电致伸缩元件。
每个P/E单元24的上下电极膜44、40和P/E层42用各种已知方法中的任何一种，包括诸如丝网印刷、喷涂、沉浸和涂布之类的厚膜形成方法和诸如离子束法、溅射淀积、真空汽相淀积、离子镀、化学汽相淀积和电镀之类的薄膜形成方法，形成在该膜片结构22的封闭板26的对应膜片部的外表面上。用来形成电极膜40、44和P/E层42的材料可从各种已知材料和在上述共同待决美国专利申请中所公开的那些材料中适当地选择。由电极膜40、44和P/E层42组成的P/E单元的厚度一般为100μm或以下。每个电极膜40、44的厚度一般为20μm或以下，最好5μm或以下。P/E层42的厚度最好为50μm或以下，在3μm至40μm范围内更好，以便其上形成有P/E单元24的膜片部能通过向它施加一个较低的电压而经受足够大的挠曲位移量。
在这样构成的压电/电致伸缩膜元件20中，其中那些E/P单元24整体地形成在该膜片结构22的各自的膜片部(26)上，在对应的P/E单元24操作时该膜片部(26)有效地经受挠曲位移，由此该压力腔38中的压力升高，以致有效地使该压力腔38中的流体从该腔38排出。
在上述使用根据本发明的膜片结构的例子中，其上带有诸P/E单元的诸膜片部(26)形成凸面形状，或向外突出，因而表现出有效提高了的刚度、机械强度和固有谐振频率，造成显著提高的工作响应。此外，凸面膜片部(26)不影响形成在该膜片部(26)的外表面上的该P/E层42之类的膜的烧结，而且在该P/E单元24中出现的应变和压力高效地转换成对应膜片部(26)的位移。此外，当多个P/E单元24被同时操作时，与仅有一个P/E单元24被操作的场合相比，各个膜片部的位移量基本上不减小。于是，该(这些)膜片部的位移量不因该(这些)P/E单元24的操作状态的不同而变化，保证该压电/电致伸缩膜元件20的位移量和质量的高度均一性。如上所述构成的该膜元件也可以用作产生一个指示在该膜片部处探测到的挠曲位移或力的电压信号的传感器。
虽然本发明的陶瓷膜片结构有利地用作以上例子的压电/电致伸缩膜元件的一个部件，但是应该指出，该膜片结构也可以用于其他类型的压电/电致伸缩膜元件，或用于比如说扬声器、传感器、振子、谐振器、滤波器、显示器件和转换器。此外，本膜片结构可以有利地用作单晶、双晶或其他类型的压电/电致伸缩执行器的一个部件，这些执行器用于伺服位移元件、脉冲驱动马达和超声波马达，如日本工业技术中心的内野宪治著《压电/电致伸缩执行器的应用基础≥(森北出版社出版)中所述。
实例为了进一步阐明本发明的原则，将描述本发明的陶瓷膜片结构的某些实例。然而应该指出，本发明并不限于以下实例的细节，而是可以用各种变动、修改和改进来实施，本专业的技术人员可以进行这些变动、修改和改进而不脱离本发明的范围。
实施例1起初，制备十二种陶瓷材料试样(A—L)以形成用于如图6和图7中所示的压电/电致伸缩膜元件20的膜片结构22的试件号1—36。虽然少量的氧化铝在添加到该陶瓷材料(氧化锆)中时起促进该陶瓷材料烧结的作用，但过多量的氧化铝却妨碍或阻碍烧结。
表1<
<p>接着，用上述陶瓷材料的试样A—L通过一种普通方法形成具有不同厚度值的生薄片。然后这样形成的生薄片按需要经受切割、机加工、冲孔和其他处理，以便形成用于如图6和图7中所示的压电/电致伸缩膜元件20的膜片结构22的每个试件的封闭板26、连接板28和隔板30的一些生体。通过把100份体积的所选陶瓷材料粉末与总量为60份体积的作为粘合剂的聚乙烯醇缩丁醛树脂和作为增塑剂的邻苯二甲酸二丁酯，一种包含脱水山梨醇的分散剂(按需要)，以及500份体积的作为溶剂的甲苯与异丙醇(体积50∶50)的混合物混合来制备用来形成这些生片的糊料。这些成分在一个球磨中混合5至20小时，然后所得到的糊料经受脱气处理，以便用一种刮板法形成拟定的生薄片，使用于封闭板26的生薄片的糊料具有2000 CPS的粘度而用于连接板28和隔板30的生薄片的糊料具有20000 CPS的粘度。通过调整这些成分在球磨中混合的时间，或者添加脱水山梨醇系分散剂以控制用于板26、28、30的那些生体的密度，或者通过控制那些生薄片被最终烧制成板26、28、30的最终烧制温度，控制这样得到的那些生薄片的收缩率。混合时间越长，则收缩率越小。通过添加含有脱水山梨醇的分散剂，或降低烧制那些生片时的最终烧制温度，也降低该收缩率。
按以上方式用上述陶瓷材料A至L形成用于封闭板26、连接板28和隔板30的那些生薄片，以提供如下面表2和表3中所示具有各自的材料组合的试件号1—36的膜片结构22。对于每种试件，把用于封闭板26、连接板28和隔板30的那些生薄片互相叠合，然后在100℃下以200kgf/cm2热压1分钟，以便提供一个整体生叠层结构。在这些试件中，用于连接板28和隔板30的那些生体是由相同的生薄片形成的。这样得到的该整体叠层结构在如下面表4和表5中所示的烧制温度下保持三小时，从而烧制成拟定的膜片结构22。对于具有偶数号的试件，膜片结构22的隔板30的窗口36，或膜片部，具有直径2mm的圆形。另一方面，对于具有奇数号的试件，窗口36或膜片部具有0.5mm×0.7mm的矩形。每个试件有三个窗口，它们互相离开0.3mm的间隔。在矩形窗口的场合，该0.3mm的间隔沿着该矩形的短边(0.5mm)所延伸的方向设置。在下面的表4和表5中，还表示出在用于封闭板26的生体与用于连接板28和隔板30的生体之间各自的预烧结温度之差和收缩率之差，这些差分别用ΔT70＝T70(基片)－T70(薄片)和ΔS＝S(基片)－S(薄片)来表达。
对这样得到的膜片结构的每种试件的十个试样，检查那些膜片部(26)的形状和裂纹，并且对于那些带有凸面膜片部的试样，根据突出量的变化评定该凸面形状的稳定性。就是说，测量十个试样的膜片部的突出量，并根据在这十个试样中间该突出量的变化把每种试件评定成“优秀”、“良好”或“一般”。“优秀”指较小的变化，“良好”指中等变化，而“一般”指较大变化。评定结果也示于表4和表5中。
*对照例1)陶瓷材料2)封闭板26在其烧制后的厚度3)连接板28和隔板30在它们烧制后的总厚度表3
*对照例1)陶瓷材料2)封闭板26在其烧制后的厚度3)连接板28和隔板30在它们烧制后的总厚度表4<
>*对照例表5
*对照例从以上结果可以明白，当用于封闭板26的生体与用于连接板28的隔板30的生体在以上组合中选择以便满足关于预烧结温度之差ΔT70和收缩率之差ΔS的公式(1)，(1’)和(1”)时，所得到的膜片结构22的膜片部(26)有利地消除裂纹和凹陷，而形成凸面形状，即沿离开窗口36的方向向外突出。
实例2用与试件号1中所用者相同的材料制作了带有平坦膜片部(26)但不包括连接板28的膜片结构22的另一种实例。然后，把一个带有凸面形状的氧化铝销插入这样得到的该膜片结构22的每个窗口36，以致该氧化铝销向对应的膜片部(26)的内表面施加一个压紧力。在该氧化铝销插入其中的情况下，把该膜片结构22在1350℃下再烧制三小时，以便这样提供一个带有凸面膜片部(26)的膜片结构22。就这些膜片部的凸面形状的稳定性评定此膜片结构22，结果是“一般”。
通过其中该膜片部完全覆盖那些窗口的实施例来介绍本发明，但是本发明也可以适用于该膜片部分地覆盖该窗口的场合。
权利要求
1.一种陶瓷膜片结构，该结构包括一个有至少一个窗口(6；36)的陶瓷基片(4；28，30)，和一个叠合于所述陶瓷基片以便封闭所述至少一个窗口的陶瓷膜片板(8；26)，所述膜片板与所述陶瓷基片一起烧制以形成一个整体烧结体，所述膜片板包括分别与所述至少一个窗口对正的至少一个膜片部(10)，该结构的特征在于所述至少一个膜片部中的每一个都沿离开所述至少一个窗口中一个对应的窗口的方向向外突出，以形成一种凸面形状。
2.根据权利要求1所述的陶瓷膜片结构，其中所述陶瓷膜片板由一种材料形成，该材料包含一种从由稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝、及它们的混合物组成的组类中选出的主要成分。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷膜片结构，其中所述陶瓷基片和所述陶瓷膜片板具有不大于5μm的平均晶粒尺寸。
4.根据权利要求1—3任何一项所述的陶瓷膜片结构，其中所述至少一个膜片部具有不大于30μm的厚度。
5.根据权利要求1—4中任何一项所述的陶瓷膜片结构，其中所述至少一个膜片部由一种具有至少90％的相对密度(松密度/理论密度)的致密体组成。
6.根据权利要求1—5中任何一项所述的陶瓷膜片结构，其中所述至少一个膜片部中的每一个都向外突出，以致由〔y＝(h/m)×100〕所表达的所述每个膜片部的中心部分的突出量(h)对通过所述至少一个窗口中的所述对应窗口的中心的最短直线的长度(m)的百分比(y)不小于1％。
7.一种制作根据权利要求1所述的陶瓷膜片结构的方法，该方法包括步骤制备一个有至少一个窗口(16)的生陶瓷基片(14)；制备一个薄生陶瓷片(12)；把所述生陶瓷薄片叠合于所述生陶瓷基片以便封闭所述至少一个窗口，借此提供一个整体生叠层结构；以及把所述生叠层结构烧制成一个整体烧结体，以致所述生陶瓷薄片提供分别与所述至少一个窗口对正的至少一个膜片部(10)，所述至少一个膜片部中的每一个都在烧制所述生叠层结构时形成凸面形状，以致所述每个膜片部都沿离开所述至少一个窗口中一个对应的窗口的方向向外突出。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述生陶瓷基片和所述生陶瓷薄片这样制备，以致该生基片和生薄片中每个的预烧结温度和收缩率满足以下公式S(基片)－S(薄片)≥－0.08{T70(基片)－T70(薄片)}－10≤T70(基片)－T70(薄片)≤300S(基片)－S(薄片)≤20式中，S(基片)和S(薄片)代表当该生基片和生薄片在所述生叠层结构最终烧制的温度下相互独立地被烧制时，所述生陶瓷基片和所述生陶瓷薄片各自的收缩率(％)，所述收缩率是根据在该生基片或薄片的平面内所测量的长度来计算的，而式中T70(基片)和T70(薄片)代表在所述生陶瓷基片和所述生陶瓷薄片互相独立地烧制期间，所述生陶瓷基片和所述生陶瓷薄片的收缩率分别达到S(基片)和S(薄片)的70％时各自的预烧结温度(℃)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述生陶瓷基片和所述生陶瓷薄片被制备成满足以下公式S(基片)－S(薄片)≥－0.08{T70(基片)－T70(薄片)}＋0.810≤T70(基片)－T70(薄片)≤200S(基片)－S(薄片)≤10
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述生陶瓷基片和所述生陶瓷薄片被制备成满足以下公式S(基片)－S(薄片)≥－0.08{T70(基片)－T70(薄片)}＋0.810≤T70(基片)—T70(薄片)≤100S(基片)－S(薄片)≤5
11.根据权利要求7—10任何一项中所述的方法，其中所述生陶瓷薄片在烧制之前或之后包含一种从由稳定氧化锆、部分稳定氧化锆、氧化铝、及它们的混合物组成的组类中选出的材料，所述材料具有0.05至1.0μm的平均颗粒尺寸。
12.根据权利要求7—11任何一项中所述的方法，其中所述生叠层结构在1200℃至1700℃范围内的一个温度下被烧制。
13.一种制作根据权利要求1中所述的陶瓷膜片结构的方法，该方法包括步骤制备一个有至少一个窗口(16)的生陶瓷基片(14)；制备一个薄生陶瓷片(12)；把所述生陶瓷薄片叠合于所述生陶瓷基片以便封闭所述至少一个窗口，借此提供一个整体生叠层结构；把所述生叠层结构烧制成一个整体烧结体，以致所述生陶瓷薄片提供分别与所述生陶瓷基片的所述至少一个窗口对正的至少一个膜片部(10)；以及在加热所述整体烧结体的同时，向所述至少一个膜片部中的每一个施加一个压力，以致所述每个膜片部都沿离开所述至少一个窗口中一个对应的窗口的方向向外突出。
全文摘要
一种陶瓷膜片结构，它包括一个有至少一个窗口(6；36)的陶瓷基片(4；28，30)，和一个叠合于该陶瓷基片以封闭该窗口或那些窗口的陶瓷膜片板(8；26)。该膜片板与该陶瓷基片一起烧制以形成一个整体烧结体。该膜片板包括与该(各)窗口对正并沿离开对应窗口方向向外突出以形成突出形状的至少一个膜片部(10)。还公开了一种制作此一陶瓷膜片结构的方法，其中在烧制该陶瓷基片和陶瓷膜片板时使该膜片部形成凸面形状。
文档编号H04R17/04GK1119632SQ9510969
公开日1996年4月3日 申请日期1995年7月31日 优先权日1994年8月11日
发明者武内幸久, 七泷努, 竹内胜之, 前田高宏 申请人:日本碍子株式会社