压电元件、压电振动器及电子设备的制作方法

1.本发明涉及压电技术领域，特别涉及一种压电元件、压电振动器及电子设备。


背景技术：

2.随着电子技术的急速进步，人们对电子设备的使用体验的要求越来越高，目前的电子设备大多数只能提供视觉和听觉上的体验，无法给用户带来触觉体验，因此，触觉再现技术应运而生。
3.现有的触觉再现技术是在电子设备中设置压电元件，通过压电元件的振动来提供触觉反馈。然而，现有的压电元件中，当其表面电荷分布不均发生积累或是电压过高时，就会发生击穿现象，压电元件击穿会导致该压电元件甚至是整个振动器件失效。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种压电元件、压电振动器及电子设备，用以解决压电元件由于击穿导致该压电元件甚至是整个振动器件失效的问题。
5.本发明实施例提供了一种压电元件，包括：第一电极，设置在所述第一电极一侧的压电材料层，设置在所述压电材料层背离所述第一电极一侧的缺陷修复层，以及设置在所述缺陷修复层背离所述第一电极一侧的第二电极；其中，所述缺陷修复层的介电常数大于所述压电材料层的介电常数。
6.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述缺陷修复层的材料包括pbzro3、batio3、zrtio3至少其中之一。
7.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述缺陷修复层的厚度大于所述压电材料层厚度的0.1倍。
8.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述第二电极包括阵列分布的多个第二子电极，每相邻两个所述第二子电极之间通过独立的连接结构电连接，且所述连接结构位于所述第二电极背离所述第一电极的一侧；其中，
9.所述第一电极的材料和第二电极的材料均为透明导电材料，所述连接结构的材料为金属。
10.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述连接结构包括叠层设置且电连接的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述第二子电极接触电连接；其中，所述第一连接部的材料包括ti或cr，所述第二连接部的材料包括al或au。
11.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述第一连接部包括独立设置的第一子连接部和第二子连接部，所述第一子连接部与相邻两个所述第二子电极中的其中一个所述第二子电极接触电连接，所述第二子连接部与相邻两个所述第二子电极中的另一个所述第二子电极接触电连接。
12.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述第一连接部的厚度小于10nm，所述第二连接部的厚度小于500nm。
13.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，还包括位于所述第二电极和所述连接结构之间的绝缘层，所述连接结构通过贯穿所述绝缘层的过孔与所述第二子电极电连接。
14.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述绝缘层的厚度大于所述第二子电极厚度的2倍。
15.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述绝缘层的材料为光刻胶或sio2。
16.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述压电材料层的厚度为500nm～2000nm。
17.在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电元件中，所述压电材料层包括锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧中的至少一种。
18.相应地，本发明实施例还提供了一种压电振动器，包括衬底基板以及设置在所述衬底基板上的多个如本发明实施例提供的上述任一项所述的压电元件。
19.相应地，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括本发明实施例提供的上述压电振动器。
20.本发明实施例的有益效果如下：
21.本发明实施例提供的一种压电元件、压电振动器及电子设备，通过在压电材料层和第二电极之间设置介电常数大于压电材料层介电常数的缺陷修复层，这样当压电材料层具有由于制作工艺等原因产生缺陷位点时，缺陷修复层可以填补缺陷位点，即缺陷修复层可以对压电材料层进行表面修复，避免由于缺陷位点的存在导致形成尖端放电的电弧效应而发生击穿的现象，从而可以避免压电元件失效的问题。
附图说明
22.图1为相关技术中提供的一种压电元件的结构示意图；
23.图2为本发明实施例提供的一种压电元件的结构示意图；
24.图3为本发明实施例提供的又一种压电元件的结构示意图；
25.图4为图3中部分膜层的平面示意图；
26.图5为压电元件发生击穿时的修复示意图；
27.图6为本发明实施例提供的又一种压电元件的结构示意图；
28.图7为本发明实施例提供的一种压电振动器的结构示意图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具
有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“内”、“外”、“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
32.在相关技术中，如图1所示，压电元件包括：第一电极1，设置在第一电极1上的压电材料层2(例如pzt)，以及设置在压电材料层2上的第二电极3。在压电元件工作过程中，利用逆压电效应，将第一电极1接地，通过向第二电极3加载高频交流电压信号(v
ac
)，实现对压电材料层2的高频交流电压信号的施加，从而产生高频振动。然而，当压电元件表面电荷分布不均发生积累或是电压过高时，就会发生击穿现象。压电元件击穿可能会导致两种结果，一种是第一电极1和第二电极3维持开路，但是pzt层结构毁损；另一种是第一电极1和第二电极3因为击穿产生短路，此时就导致压电元件甚至是整个振动器件失效。然而，压电元件发生击穿的原因可分为两类，一种是走线热效应，即当压电元件工作过程中产生的热量远大于散出的热量时，此时就容易发生压电元件击穿与走线烧毁的问题；另一种是当压电元件的瞬时温度达到pzt相分离温度时，会同时发生pzt体积变化与电弧效应(arc)，arc即当第一电极1和第二电极3具有压差时，本身具有产生arc的电势，此电势与第一电极1和第二电极3之间的间距和电热密度相关，当pzt膜层中有缺陷位点4时，因距离缩短，且缺陷位点4若存在尖端形状，此时会形成尖端放电的电弧效应，发生击穿。
33.有鉴于此，为了避免压电元件发生击穿导致压电元件失效的问题，本发明实施例提供了一种压电元件，如图2所示，包括：第一电极1，设置在第一电极1一侧的压电材料层2，设置在压电材料层2背离第一电极1一侧的缺陷修复层5，以及设置在缺陷修复层5背离第一电极1一侧的第二电极3；其中，缺陷修复层5的介电常数大于压电材料层2的介电常数。
34.本发明实施例提供的上述压电元件，通过在压电材料层2和第二电极3之间设置介电常数大于压电材料层2介电常数的缺陷修复层5，这样当压电材料层2具有由于制作工艺等原因产生缺陷位点4时，缺陷修复层5可以填补缺陷位点4，即缺陷修复层5可以对压电材料层2进行表面修复，避免由于缺陷位点4的存在导致形成尖端放电的电弧效应而发生击穿的现象，从而可以避免压电元件失效的问题。
35.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图2所示，缺陷修复层5的材料可以包括但不限于pbzro3、batio3、zrtio3至少其中之一。
36.需要说明的是，上述列举的几种缺陷修复层5的材料均为无机材料，当然也可以为有机材料，只要其介电常数大于压电材料层2的介电常数即可。
37.在具体实施时，由于压电元件自身也是一个电容结构，为了保证电容自身存储电荷的能力，缺陷修复层的厚度应尽可能的小，以保证缺陷修复层的设置不影响原本压电元件的电容存储能力，但是考虑到缺陷修复层对压电材料层中缺陷位点的修复能力，又需要缺陷修复层具有一定的厚度，因此综合考虑电容的存储能力以及缺陷修复层的修复能力，
在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图2所示，缺陷修复层5的厚度大于压电材料层2厚度的0.1倍，这样缺陷修复层5的设置既可以保证电荷的存储能力，又可以对压电材料层2进行很好的填补修复作用。
38.在具体实施时，压电材料层的厚度可以为500nm～2000nm。例如，当压电材料层的厚度可以为500nm时，此时缺陷修复层5的厚度应大于50nm；当压电材料层的厚度可以为600nm，此时缺陷修复层5的厚度应大于60nm；当压电材料层的厚度可以为1000nm，此时缺陷修复层5的厚度应大于100nm；等等。
39.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图3和图4所示，图4为图3中第二电极3的平面示意图，当然，图3仅示意出压电元件的部分结构，第二电极3包括阵列分布的多个第二子电极31，每相邻两个第二子电极31之间通过独立的连接结构6电连接，且连接结构6位于第二电极3背离第一电极1的一侧；其中，
40.第一电极1的材料和第二电极3的材料可以均为透明导电材料，例如可以为氧化铟锡(ito)，还可以是氧化铟锌(izo)等；连接结构6的材料可以为金属，例如ti/al等。这样当压电元件表面某一位置发生击穿时，如图5所示，例如在第二列第三行位置处的第二子电极31发生短路型击穿，则在该位置处产生局部发热，由于金属的体能量密度远小于ito等透明导电材料的体能量密度，将使得连接结构6的产热量远高于第一电极/压电材料层/第二电极的产热量，发生击穿的第二子电极31四周的连接结构6优先被熔断，使得发生击穿位置的第二子电极31与其余第二子电极31实现开路隔离，从而可以实现其余第二子电极31不被击穿烧毁，从而可以避免整个压电元件失效的问题。
41.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，第一电极的厚度可以为250nm～500nm，第二电极的厚度可以为250nm～500nm。
42.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图6所示，连接结构6包括叠层设置且电连接的第一连接部61和第二连接部62，第一连接部61与第二子电极31接触电连接；其中，第一连接部61的材料可以包括ti或cr，第二连接部62的材料可以包括al或au。这样第一连接部61作为粘附层以增强第二连接部62和第二子电极31之间的粘附性；第二连接部62作为主要的导电层，可以通过第二连接部62向第二电极加载高频交流电压信号，第一电极1接地。
43.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图6所示，第一连接部61包括独立设置的第一子连接部611和第二子连接部612，第一子连接部611与相邻两个第二子电极31中的其中一个第二子电极31接触电连接，第二子连接部612与相邻两个第二子电极31中的另一个第二子电极31接触电连接。这样仅在与第二子电极31接触的地方设置第一子连接部611和第二子连接部612，即仅在与第二子电极31接触的地方有ti或cr，其他位置全部为起导电作用的第二连接部62(al或au)，可以提高连接结构6的导电性能。
44.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图6所示，第一连接部61的厚度可以小于10nm，例如5nm；第二连接部62的厚度可以小于500nm，例如100nm。
45.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图3和图6所示，还包括位于第二电极3和连接结构6之间的绝缘层7，连接结构6通过贯穿绝缘层7的过孔与第二子电极31电连接。具体地，绝缘层7具有保护作用，可以避免连接结构6损伤或者被氧化。
46.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电元件中，如图3和图6所示，绝缘层
7的厚度可以大于第二子电极31厚度的2倍；绝缘层7的材料可以为光刻胶、sio2或氮化硅(si3n4)等，在此不做限定。
47.在具体实施时，本发明实施例提供的压电元件除了上述提及的各膜层之外，还可以根据实际应用设置其它膜层。
48.在具体实施时，压电材料层不限于锆钛酸铅(pb(zr,ti)o3，pzt)，还可以是氮化铝(aln)、zno(氧化锌)、钛酸钡(batio3)、钛酸铅(pbtio3)、铌酸钾(knbo3)、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)、硅酸镓镧(la3ga5sio
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)中的至少一种，如此一来，在兼顾压电元件透明的同时，保证了压电元件的振动特性，具体可以根据本领域技术人员的实际使用需要来选择制作压电材料层的材料，在此不做限定。在使用pzt制成压电材料层时，由于pzt具有高压电系数，保证了相应的压电元件的压电特性，可以将相应的压电元件应用到触觉反馈器件中，而且pzt具有较高的透光性，在将其集成到显示器件中时，不影响显示器件的显示质量。
49.综上所述，本发明实施例提供的上述压电元件，一方面通过设置缺陷修复层，可以避免由于压电材料层中缺陷位点导致的击穿；另一方面，通过将第二电极设置成多个独立设置的第二子电极，各第二子电极通过连接结构电连接，这样在局部位置发生击穿时，可以将该发生击穿位置的第二子电极与其余第二子电极隔断，保证其余第二子电极不发生击穿被烧毁，从而避免整个压电元件失效的问题。
50.本发明实施例提供的压电元件可应用于医疗，汽车电子，运动追踪系统等领域。尤其适用于可穿戴设备领域，医疗体外或植入人体内部的监测及治疗使用，或者应用于人工智能的电子皮肤等领域。具体地，可以将压电元件应用于刹车片、键盘、移动终端、游戏手柄、车载等可产生振动和力学特性的装置中。
51.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种压电振动器，如图7所示，包括衬底基板10以及设置在衬底基板10上的多个本发明实施例提供的上述压电元件20。
52.在具体实施过程中，衬底基板可以为柔性衬底基板，也可以为刚性衬底基板，例如，柔性衬底基板的材料可以为pi(polyimide，聚酰亚胺)、pet(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)或者pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)等，刚性衬底基板实际上可以为玻璃衬底、蓝宝石衬底等。
53.在具体实施时，本发明实施例提供的压电振动器还可以根据实际应用设置其它结构。
54.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括本发明实施例提供的上述压电振动器。由于该电子设备解决问题的原理与前述一种压电元件相似，因此该电子设备的实施可以参见前述压电元件的实施，重复之处不再赘述。
55.在实际产品中，电子设备可以为显示装置，显示装置包括显示面板和上述的压电振动器，压电振动器可设置在显示面板的出光侧，使得该显示装置可同时实现显示功能和触觉再现功能。
56.当然，本发明实施例的电子设备不局限于显示装置，其还可以为任何具有触觉再现功能的产品或部件。
57.本发明实施例提供的一种压电元件、压电振动器及电子设备，通过在压电材料层和第二电极之间设置介电常数大于压电材料层介电常数的缺陷修复层，这样当压电材料层具有由于制作工艺等原因产生缺陷位点时，缺陷修复层可以填补缺陷位点，即缺陷修复层
可以对压电材料层进行表面修复，避免由于缺陷位点的存在导致形成尖端放电的电弧效应而发生击穿的现象，从而可以避免压电元件失效的问题。
58.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
59.显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。