专利名称：用于冷却的压电驱动器的制作方法
技术领域：
本发明的主旨涉及用于微电子应用的、尤其是手持装置的冷却 (热)解决方案。
背景技术：
目前可用的压电风扇由包括铅的压电材料形成，例如 PbZri_xTi03(PZT)。在制造场所使用铅产生问题，例如使工人暴露于 危险材料。另外，当为制造产品而需满足专门的许可和增加的规定时， 制造成本上升。此外，消费者更可能接收无危险材料的产品，而不是 包含例如铅等危险材料的产品。另外，使用包含PZT压电材料的压 电风扇需要高的操作电压。在一些示例中，需要高于100伏的操作电 压。另外，在包含PZT的压电风扇中，使用粘合剂将风扇叶片附着 到压电驱动器。由于风扇叶片和压电驱动器之间的附着差，所以这些 压电风扇寿命低。另外，现有的压电风扇相对较贵。
所附权利要求中详细地指出了发明的实施方式。然而，通过参照 结合附图的详细描述，可以得到对本发明主题的更完整的理解，其中 在所有附图中相同的参考标记表示相同部分，其中
图1是根据示例性实施例的手持装置中的外壳内的压电风扇的 透视图2是根据示例性实施例的压电风扇的示意图3是根据示例性实施例的电连接到电源以便运行的压电风扇
的顶视图4示出根据示例性实施例的形成压电驱动器的一个步骤； 图5示出根据示例性实施例的形成压电驱动器的一个步骤； 图6示出根据示例性实施例的形成压电驱动器的一个步骤； 图7示出根据示例性实施例的层压结构的顶视图； 图8示出根据示例性实施例的增加了金属导电层后层压结构的 顶视图9示出根据示例性实施例的图8的层压结构沿线9-9的侧视图; 图10示出根据示例性实施例在压电驱动器上形成风扇叶片的一 个步骤；
图11示出根据示例性实施例的单个驱动器部分的侧视图； 图12示出根据示例性实施例的形成压电驱动器的一个步骤； 图13示出根据示例性实施例的形成压电驱动器的一个步骤； 图14示出根据示例性实施例的用于在压电驱动器上形成风扇叶 片的模具；
图15示出根据示例性实施例在压电驱动器上形成风扇叶片的一 个步骤；
图16示出根据示例性实施例在压电驱动器上形成风扇叶片的一 个步骤；
图17是根据示例性实施例的形成压电风扇的流程图； 图18A和18B是根据示例性实施例的形成压电风扇的流程图。 这里进行的描述介绍了发明的多个实施方式，而这种描述在任何 情况下都不应当视为限制性的。
具体实施例方式
在优选实施方式的以下详细描述中，参照了形成详细描述的一部 分的附图，在此描述中以示例方式描述了特定的实施例，在特定的实 施例中，能够实践本发明的主旨。足够详细地描述了示出的实施例以 使本领域技术人员实践这里所公开的教导。可以使用并从其得到其它
的实施方式，从而能够不脱离本发明主旨的范围作出结构的和逻辑的 替代及变化。因此，以下详细描述不应理解为限制的意义，并且本发 明的各种实施例的范围仅由所附的权利要求及这些权利要求享有权 利的等同物的全部范围所限定。
图1是根据示例性实施例的手持装置100中外壳110内的压电风 扇200的透视图。如图1所示，手持装置100是便携式电话。应当理 解，压电风扇200能够用于冷却任何类型的装置，包括任何类型的手 持装置。手持装置包括组装有各种电子元件130的电路板120。置于 一些电子元件(未示出)附近的是热沉140和热管150。热沉140和 热管150传输来自电元件的热。压电风扇200包括压电驱动器300和 风扇叶片310。压电风扇，具体地是风扇叶片310，定位在手持装置 100的外壳110内以在外壳110内产生气流。气流允许通过电元件、 热沉140及热管150上部的对流或空气运动进一步冷却电元件。
图2是根据示例性实施例的压电风扇200的示意图。压电风扇 200包括压电驱动器300和风扇叶片310。压电驱动器包括压电陶瓷 材料层，例如层301、 302、 303、 304、 305。散置于陶瓷材料层301、 302、 303、 304之间的是镍层306、 307、 308、 309。压电驱动器300 还包括第一电极320和第二电极322。第一电极320附着到导电材料， 例如镍层306和308。第二电极322附着或电耦合到导电层307和309。 陶瓷层301、 302、 303、 304、 305散置于导电材料层306、 307、 308、 309或处于它们之间。
附着在压电驱动器一端的是板或盖330。板或盖330以与导电层 306、 307、 308、 309相同的导电材料制成。通过向第一电极320和 第二电极322施加交流电流，能够在压电驱动器300的盖或板330中 引起运动。在板或盖330中引起运动也在风扇叶片310中引起运动。 风扇叶片310的运动引起风扇叶片周围的空气运动。在发明的一个实 施例中，压电驱动器300中的陶瓷材料是BaTiO3。在一个实施例中， 导电层306、 307、 308、 309以及板或盖330也由镍制成。板或盖330 包括第一悬臂梁332和第二悬臂梁334。悬臂梁332、 334延伸超出 导电层和陶瓷层的叠层或层压结构的尺寸。风扇叶片310附着到悬臂
梁332。
图3是根据示例性实施例的直接连接到AC电源390以便运行的 压电风扇200的顶视图。压电风扇200包括具有第一电极320和第二 电极322的压电驱动器300。压电风扇200还包括风扇叶片310。电 极320和第二电极322连接到AC电源390并且结果风扇叶片310如 由310'和310"处风扇叶片的虛线位置所示出的那样运动。风扇叶片 的运动引起气流，例如由图3中带有参考标记380的箭头所示的气流。
图4—12示出根据示例性实施例的形成压电驱动器300 (示于图 2和图3中)的多个步骤。图4一6示出形成陶瓷层和金属导体层的 层压结构或叠层的过程。图4示出以印刷电路基板(green sheet)的 形式提供初始陶瓷层。印刷电路基板是一层未焙烧(unfired)陶瓷， 它是陶瓷粉末和有机粘合剂材料的混合物。在发明的一个实施例中， 所使用的陶瓷材料是BaTi03， BaTi03是无铅材料。陶瓷材料的初始 层或印刷电路基板带有参考标记400。
图5示出向层400增加层500。层500包括诸如导电金属部分306 等一系列导电金属部分，其利用丝网印刷通过掩模形成。层500实际 上是在其上具有例如开口 506的许多开口的金属层。在随后的印刷电 路基板层压的工艺步骤中，用陶瓷绿色材料填充每个开口。当金属膏 和陶瓷印刷电路基板被共同加热或共烧时，基本上形成固体。
图6示出根据示例性实施例的形成压电驱动器的另一个步骤。图 6示出进一步的层被增加到叠层，以形成包括层400和500以及附加 层610、 611、 612、 613、 614、 615和616的层压结构600。层610、 612、 614和616是印刷电路基板层或陶瓷层。层611、 613和615都 是包括金属导体的层。每一层611、 613和615都由金属膏形成，其 上具有开口。层压步骤中向开口中提供陶瓷绿色材料。通过对膏和印 刷电路基板进行共烧，金属导体和陶瓷电介质充分成形。其结果是层 压结构600。应当注意，不同层中的金属导体被布置并形成所需的尺 寸，使得当沿所选的切割线切割层压或叠层结构600时，能够形成压 电驱动器。图6中还示出了金属导体306、 307、 308、 309，它们被 定位，使得当切割层压结构或叠层600时，所述导体将最终形成与图
2中所示的导体相同的导体。
图7示出根据示例性实施例的层压结构600的顶视图。切割层压 结构600，以在其中形成狭缝或开口。狭缝或开口标有参考标记710、 712、 714、 716、 718、 720及722。狭缝或开口 710、 712、 714、 716、 718、 720及722未达到层压结构600的第一端730和第二端732。层 压结构600的端730、 732确保在狭缝或开口 710、 712、 714、 716、 718、 720及722间的剩余部分保持对准。
图8示出根据示例性实施例的层压结构800的顶视图。具有狭缝 或开口710、 712、 714、 716、 718、 720及722的层压结构600设有 金属附加层810。金属层810是金属印刷电路基板固体层或层，其被 层压到其下面的叠层的顶部上。金属印刷电路基板由金属颗粒和有机 粘合剂材料形成。金属层810典型地比诸如层500、 611、 613、 615 (示于图6)的层厚。
图9示出根据示例性实施例的图8的层压结构800沿线9-9的侧 视图。图9示出附加金属层810被置于开口或狭缝710、 712、 714、 716、 718、 720及722顶上。
图10示出层压结构1000。层压结构1000与层压结构800的不 同之处仅在于在层压结构的金属层810中制作了开口 910、 912、 914、 916、 918、 920及922。应当注意，开口 910、 912、 914、 916、 918、 920、 922比对应的开口 710、 712、 714、 716、 718、 720及722宽度 小。开口910、 912、 914、 916、 918、 920、 922也是具有与狭缝或开 口 710、 712、 714、 716、 718、 720、 722相同的长度的狭缝。能够由
机械冲孔或激光(C02激光器典型地用于这种操作一激光烧穿有机粘
合剂而金属陶+瓷粉末正好被溅射开或通过开口落下)打孔形成开口 910、 912、 914、 916、 918、 920、 922和开口710、 712、 714、 716、 718、 720、 722。开口 910、 912、 914、 916、 918、 920及922比对应 的开口710、 712、 714、 716、 718、 720、 722宽度小。然后可以将层 压结构IOOO切成小块以形成最终成为压电驱动器的单个结构。然后 可以将层压结构1000中开口 710、 712、 714、 716、 718、 720、 722 之间的行切成小块以形成单个驱动器部分。单个驱动器部分将具有与
图10中所示的示于行1010中的横截面相同的横截面。较窄的狭缝或 开口910、 912、 914、 916、 918、 920及922在单个驱动器部分上提 供悬臂梁或盖结构或者板结构，例如板330 (示于图3中)。
图11示出根据示例性实施例的单个驱动器部分1100的侧视图。 单个驱动器部分包括盖330以及陶瓷层301、 302、 303、 304、 305合 金属包含层306、 307、 308、 309。在工艺中的此时刻，对单个驱动 器部分进行烧结。烧结在还原气氛中发生。如果气氛的还原性过强， 则陶瓷(BaTi03)将导电或漏电。烧结还键合镍和陶瓷。因此烧结还 将板或盖330键合到单个驱动器部分1100的陶瓷层305。
图12示出在向单个驱动器部分1100侧面涂覆侧面金属膏之后的 单个驱动器部分IIOO。侧面金属膏形成电极320和电极322。能够以 许多方式在单个驱动器部分1100上设置侧面金属膏，包括在单个驱 动器部分的侧面上设置导电墨水。在涂覆侧面金属膏之后，示于图 12中的结构被进一步退火。图12中的结构现在标有参考标记1200。
图13示出根据示例性实施例的形成压电驱动器的另一个步骤。 图13显示然后通过施加热和DC电场极化单个驱动器部分1200，以 便在与金属导电部分或诸如由导电金属部分306、 307、 308、 309 (示 于图11中)限定的平面的金属导电部分的平面垂直的方向上对准铁 电畴。这称作极化单个驱动器部分。这将结构1200 (示于图12中) 从电容器转变成压电元件或驱动器。 一旦通过施加热和DC电场将结 构1200极化，从而适当地对准铁电畴，则结构1200现在就等同于压 电驱动电器300 (示于图2和图3中)。要完成压电风扇，将风扇叶 片附着到板或盖330 (示于图2和图11中)。
图14示出用于压电驱动器300的风扇叶片的模具。模具1400包 括顶部1410和底部1420。底部1420包括用于容纳压电驱动器300 的开口。用于容纳压电驱动器300的开口标有参考标记1422。模具 1400的底部1420还包括风扇叶片形状的凹口或开口 1430。流道 (runner) 1432与开口 1430流体连通。
图15示出根据示例性实施例的形成压电驱动器300的风扇叶片 的一个步骤。将压电驱动器300放入模具中，且盖或板330延伸到模 具1400的底部1420中的开口 1430内。模具的顶部1410置于模具的 底部1420的上面。
图16示出在压电驱动器300上形成风扇叶片的另一个步骤。如 图16中所示，将例如可模塑塑料的可模塑材料经由流道1432注入开 口 1430。然后容许塑性可模塑材料1600固化并从模具移出所得压电 风扇200。
图17是根据示例性实施例的形成压电风扇的流程图。图17基本 是刚刚描述的制造工艺的概述。方法1700包括形成在一端具有悬臂 梁的电容器1710、将电容转变为压电驱动器1712、将悬臂梁放入模 具中1714、以及在悬臂梁周围注入可模塑材料以形成风扇叶片1716。 在一个实施例中，将电容转变为压电驱动器1712包括通过施加热和 DC电场以在基本上垂直于电容平面的方向上对准铁电畴来极化电容 器。在一个实施例中，形成在一端具有悬臂梁的电容器1710包括烧 结包含导电材料层的组件。陶瓷材料层插置于导电材料层和悬臂梁之 间。方法1700还包括向第一电极和第二电极施加交流电流以使风扇 叶片运动1718。
图18A和18B是根据示例性实施例的用于形成压电风扇的方法 1800流程图。方法1800包括形成陶瓷材料层1810，以及形成包含导 电材料的层1812，包含导电材料的层与陶瓷材料层交替。方法1800 还包括在陶瓷材料层上形成导电材料盖1814。对陶瓷材料层和导电 材料层进行切割或开槽1816。切口具有第一宽度。穿过槽切割盖 1818，通过切割陶瓷材料层和导电材料层形成该槽。第二切口具有小 于第一宽度的第二宽度。部分盖突出到陶瓷材料层和导电材料层之 外。方法1800还包括在相对槽的横向方向上将槽之间的导电材料层 和陶瓷材料层的部分切割成小块1820，以便形成一端具有悬臂梁的 单个驱动器组件。方法1800包括烧结单个驱动器组件1822，向驱动 器组件的第一侧面添加第一电极1824，向驱动器组件的第二侧面添 加第二电极1826,以及将驱动器组件退火1828。方法1800还包括在 驱动器组件的一端将风扇叶片模制到悬臂梁1830。在一个实施例中， 通过在驱动器组件的一端的悬臂梁周围注入模制材料模制风扇叶片，
从而形成风扇叶片。方法1800包括向第一电极和第二电极施加交流 电流1832。
参考图1和图2，系统包括具有外壳110的装置100 (示于图1 中)、以及包含压电驱动器300的风扇200。压电驱动器300包括多 个陶瓷材料层301、 302、 303、 304、 305,散置于多个陶瓷材料层之 间的多个导电材料层306、 307、 308、 309，以及附着到压电驱动器 一端的板330。系统还包括附着到压电驱动器300的板330的风扇叶 片310。在一些实施例中，在压电驱动器的板330周围注入模制风扇 叶片310。系统还包括附着到压电驱动器300的板330的风扇叶片 310、附着到第一组多个导电材料层的第一电极320、附着到第二组 多个导电材料层的第二电极322、以及连接到第一电极和第二电极的 交流电流源。在装置100的外壳内设置风扇200以使装置的一部分上 的空气运动并通过对流冷却装置的该部分。在一些实施例中，施加于 压电风扇的交流电流使得风扇叶片310以共振频率摆动。
压电驱动器包括多个陶瓷材料层，散置于多个陶瓷材料层之间的 多个导电材料层，及附着到压电驱动器的一端的板。压电驱动器的板 包括附着到陶瓷材料层的悬臂梁部分。在一个实施例中，通过对多个 BaTi03层、多个导电材料层、及板进行烧结，将板附着到陶瓷材料层。 板由与多个导电材料层基本上相同的材料形成。压电驱动器还包括附 着到板的叶片。在一个实施例中，在板周围注入模制叶片。压电驱动 器还包括电连接到压电驱动器的电流源。在一个实施例中，电流源是 交流电流源。压电驱动器还包括附着到第一组多个陶瓷材料层的第一 电极、附着到第二组多个陶瓷材料层的第二电极。交流电流源电连接 到第一电极和第二电极。在一些实施例中，多个陶瓷材料层和多个导 电材料层的厚度在1微米到4微米的范围内。在一些实施例中，陶瓷 材料层为BaTiCb。
具体实施例的上述说明充分公开了本发明的主旨的一般特征，通 过应用现有技术，本领域技术人员能够容易地对其进行修改和/或将 其适用于各种应用而不脱离一般概念，因此这样的适应性改变和修改 应当包含在所公开的实施例的等同物的含义和范围内。
应当理解，这里使用的措词或术语用于说明而不是限定的目的。 因此，本发明的实施例旨在包括落入所附权利要求的精神和宽广范围 内的所有这种替换、修改、等同物和变化。
权利要求
1、一种压电驱动器，包括多个压电陶瓷材料层；散置于所述多个陶瓷材料层之间的多个导电材料层；以及附着到所述驱动器的一端的板。
2、 如权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述板包括悬臂梁 部分。
3、 如权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述板附着到陶瓷 材料层。
4、 如权利要求1所述的压电驱动器，其中，通过对多个BaTiCb 层、所述多个导电材料层、以及所述板进行烧结，将所述板附着到 陶瓷材料层。
5、 如权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述板由与所述多 个导电材料层基本上相同的材料形成。.
6、如权利要求1所述的压电驱动器，还包括附着到所述板的叶 片。
7、 如权利要求1所述的压电驱动器，还包括在所述板周围注入 模制的叶片。
8、 如权利要求1所述的压电驱动器，还包括电连接到所述压电 驱动器的电流源。
9、 如权利要求1所述的压电驱动器，还包括电连接到所述压电 驱动器的交流电流源。
10、如权利要求1所述的压电驱动器，还包括 附着到第一组陶瓷材料层的第一电极； 附着到第二组陶瓷材料层的第二电极；以及 电连接到所述第一电极和所述第二电极的交流电流源。
11、 如权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述多个陶瓷材 料层和所述多个导电材料层的厚度在1微米到4微米的范围内。
12、 如权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述陶瓷材料层 为BaTi03。
13、 一种系统，包括 具有外壳的装置；以及包括压电驱动器的风扇，所述压电驱动器还包括 多个陶瓷材料层；散置于所述多个陶瓷材料层之间的多个导电材料层；以及 附着到所述压电驱动器的一端的板。
14、 如权利要求13所述的系统，还包括附着到所述压电驱动器 的所述板的风扇叶片。
15、 如权利要求13所述的系统，还包括在所述压电驱动器的所 述板周围注入模制的风扇叶片。
16、 如权利要求13所述的系统，还包括 附着到所述压电驱动器的所述板的风扇叶片； 附着到第一组所述多个导电材料层的第一电极； 附着到第二组所述多个导电材料层的第二电极；以及连接到所述第一电极和所述第二电极的交流电流源。
17、 如权利要求16所述的系统，其中，在所述装置的所述外壳 内设置所述风扇，以便使所述装置的一部分上的空气运动并通过对 流冷却所述装置的所述部分。
18、 如权利要求16所述的系统，其中，所施加的所述交流电流 使得所述风扇叶片以共振频率摆动。
19、 一种方法，包括 形成陶瓷材料层；形成包含导电材料的层，所述包含导电材料的层与所述压电陶 瓷材料层交替；在陶瓷材料层上形成导电材料盖；以具有第一宽度的切口切割所述陶瓷材料层和所述导电材料 层；以及以具有小于所述第一宽度的第二宽度的切口穿过槽切割所述 盖，其中所述槽是通过切割所述陶瓷材料层和所述导电材料层形成 的。
20、 如权利要求19所述的方法，其中，部分所述盖突出到所述 陶瓷材料层和所述导电材料层之外。
21、 如权利要求19所述的方法，还包括在相对所述槽的横向方 向上将所述切口之间的所述导电材料层和所述陶瓷材料层的部分切 割成小块，以便形成一端具有悬臂梁的单个驱动器组件。
22、 如权利要求21所述的方法，还包括对所述单个驱动器组件 进行烧结。
23、 如权利要求22所述的方法，还包括 向驱动器组件的第一侧面添加第一电极； 向驱动器组件的第二侧面添加第二电极；以及 对所述驱动器组件进行退火。
24、 如权利要求21所述的方法，还包括在所述驱动器组件的一 端将风扇叶片模制到所述悬臂梁。
25、 如权利要求21所述的方法，还包括在所述驱动器组件的一 端将模制材料注入到所述悬臂梁周围，以便形成风扇叶片。
26、 如权利要求25所述的方法，还包括 向驱动器组件的第一侧面添加第一电极； 向驱动器组件的第二侧面添加第二电极；以及 向所述第一 电极和所述第二电极施加交流电流。
27、 一种方法，包括 形成一端具有悬臂梁的电容器； 将所述电容转变为压电驱动器；以及 将所述悬臂梁放入模具中；以及在所述悬臂梁周围注入可模塑材料，以便形成风扇叶片。
28、 如权利要求27所述的方法，其中，将所述电容器转变为压 电驱动器包括通过施加热和直流电场以在基本上垂直于电容平面的 方向上对准铁电畴来极化所述电容器。
29、 如权利要求27所述的方法，其中，形成一端具有悬臂梁的 电容器包括对包括导电材料层、陶瓷材料层以及所述悬臂梁的组件 进行烧结，其中所述陶瓷材料层插置于所述导电材料层之间。
30、如权利要求27所述的方法，还包括向第一电极和第二电极 施加交流电流，以便使所述风扇叶片运动。
全文摘要
一种压电驱动器，包括多个陶瓷材料层(301-305)、散置于所述多个陶瓷材料层之间的多个导电材料层(306-309)、以及附着到驱动器一端的板(330)。所述压电驱动器的板包括悬臂梁部分(332)。优选地，所述驱动器还包括注入模制在板周围的叶片(310)，以便构成风扇。
文档编号H01L41/083GK101199062SQ200680021283
公开日2008年6月11日 申请日期2006年6月30日 优先权日2005年6月30日
发明者C·A·帕兰独兹, I·萨乌丘克, R·帕伊达尔 申请人:英特尔公司