专利名称：一种压电陶瓷圆片型隔离信号变压器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种变压器，特别涉及一种应用于小功率电力电子的信号传输等电子 工业领域的压电陶瓷圆片型隔离信号变压器及制备方法。
背景技术：
自从20世纪八十年代以来，压电陶瓷变压器的研究与应用取得了很大的突破，因 为压电变压器相对于电磁变压器具有以下四个方面的优势高升压、高能量密度和片型化 的小尺寸。压电变压器是一种从材料结构到工作原理都不同于传统概念的变压器，它是用 铁电材料经高温烧结、高压极化等一系列工艺制备而成，这种变压器具有片型化体积小、重 量轻、不会击穿、不怕短路、升压比高等显著特点，用压电变压器制作的小型电源不仅克服 了传统变压器工作在高压状态下所存在的问题，而且能很好地适应电子设备小型、轻型化、 薄型化的需要。目前的压电变压器基本是无隔离的三端自耦变压器，即输入与输出电压共地，如 图1所示的Rosen型升压压电变压器，图2所示是沿厚度方向振动的降压型压电变压器。其 缺点在于目前的三端自耦型的变压器输入与输出共地，没有输入与输出端的电压隔离功 能，则在工作环境较为复杂的传输过程中很不安全，不适用于信号隔离得领域；目前的压电 变压器多为长度或幅度方向振动的变压器，比不上径向振动的变压器的转换效率。同时，在工业测试系统、医疗电子设备、电力设备等许多信号传输系统中，实现信 号隔离是安全操作的要求，如输入信号与输出信号间的隔离。特别是，在复杂的外界环境工 作的变送器需要对现场传输过来的信号进行隔离，达到信号传输转换后，确保操作人员的 安全与现场的正常运行。目前的隔离技术基本多是应用磁电隔离技术或光电隔离。磁电隔离变压器，基本 都是使用线绕变压器，需要用两个线绕磁芯变压器实现输入与输出的隔离，其存在的缺点 有(1)两个磁芯变压器组合起来体积较大，不符合片型化发展的要求；(2)变压器缠线工 艺，变压器的绕组多，变压器制作复杂成本较高；(3)线绕磁芯变压器容易击穿，绕线间容 易短路，隔离效果不好；(4)用了两个线绕变压器进行隔离使其整个信号的传输效率下降 了。而光耦则寿命较短，且容易光衰，并成本较高。
发明内容
有鉴如此，本发明的目的是提供一种压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，该信号变 压器具有电压隔离的功能，同时转换效率更高；而且结构简单，体积更小。为解决上述技术问题，本发明提供一种压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，包括压 电陶瓷胚体、输入部分、输出部分，其特征在于还包括隔离部分；所述压电陶瓷胚体为圆 片型，所述的隔离部分从胚体的其中一个圆面沿厚度方向延伸至另一个圆面，将压电陶瓷 胚体分为所述的输入和输出两个部分，形成所述的输入与输出部分之间未覆电极的第一隔 离带；所述的输入部分和输出部分在胚体上下两面设有被覆电极。从而实现输入与输出之间的电隔离效果。 作为上述方法的改进，还包括反馈部分；所述的反馈部分位于输入部分的其中一 个电极面中，反馈部分设有被覆电极，该输入部分的电极面与反馈部分之间设有未覆电极 的第二隔离带。在输入电极包括有反馈部分，从而实现自激电路及输入与反馈部分之间的 隔罔。作为上述方法的进一步改进，在未覆电极的输入部分与输出部分之间的第一隔离 带、以及输入电极面与反馈部分之间的第二隔离带表面被覆有高分子绝缘材料，隔离带上 用高分子等高绝缘材料将其与空气隔离，达到更好的隔离效果。所述输入部分电极、输出部分电极、反馈部分的电极根据输入输出的要求来设置 各自的形状和大小；所述第一、第二隔离带根据输入部分、输出部分、反馈部分之间的隔离 要求来设置其形状和大小。所述的第一隔离带部分沿圆片的直径对称分布并沿厚度方向延伸。所述圆片型压 电陶瓷胚体的直径为6-25mm，且直径与厚度之比> 10。本发明还提供一种用于上述压电陶瓷隔离信号变压器的制造方法，包括以下步 骤(1)被覆上电极将所述的圆片型压电陶瓷胚体清理后被覆上电极，所述的上电 极包括三个区域，分别为所述的输入部分的上电极、所述的输出部分的上电极和所述反馈 部分的电极；所述的输入和输出部分之间、所述的输入和反馈部分之间的隔离带，不覆电 极；(2)被覆下电极将所述的被覆上电极的胚体被覆下电极，所述的下电极包括两 个区域，分别为所述的输入部分的下电极，所述的输出部分的下电极；所述的输入和输出部 分之间的隔离带，不覆电极；(3)电极极化将所述的被覆上下电极的进行极化处理；所述的电极极化步骤(3)是沿胚体厚度方向进行极化的。作为上述方法的改进，可以在未覆电极的输入与输出部分之间的隔离带、以及输 入与反馈部分之间的隔离带表面被覆高分子绝缘材料，以达到更好的隔离效果，该高分子 绝缘材料可以是渗渍在隔离带表面的。采用本发明的压电陶瓷隔离信号变压器后，由于其较优的转换效果，在实现信号 转换时，在小功率的传输领域，还可以达到有源信号及隔离效果，确保操作人员工作安全和 高压现场的正常运行。同时该变压器结构简单、易于制作，体积小且薄，容易实现规模生产， 从而成本也随之下降。另外还可以用压电变压器无电磁干扰，具有负载短路自动截止工作 的自保护特性等诸多优点。
图1为Rosen型无隔离功能的三端自耦压电变压器的结构图；图2为降压型无隔离功能的三端自耦压电变压器的结构模型；图3为径向振动模式(二维)的振子，其沿厚度方向极化后，振动方向为半径方向 的示意图；图4-1为本发明具体实施例的平面俯视图；图4-2为侧视图；图4-3为输入部分、输出部分、反馈部分接线方式示意图；图5是实施例一径向振动模式对应的圆片各部分所受到的应力及其位移大小曲 线图；图6是实施例一在阻抗分析仪上测得的径向振动时的谐振频率；图7是实施例一的一个测试结果，在负载&为IKohm的情况下，其输入与输出电 压的关系。
具体实施例方式图4为本发明的具体实施例，如图4-1、图4-2、图4-3所示，该压电陶瓷隔离信号 变压器为圆片型，主要包括以下几个组成部分陶瓷胚体、输入部分，输出部分，反馈部分， 隔离部分。隔离部分从沿圆片型胚体的直径对称分布，并从上圆面沿厚度方向延伸至下圆 面，将压电陶瓷胚体分为输入和输出两个部分，形成输入与输出部分之间未覆电极的第一 隔离带；第一隔离带宽度为0. 5 2mm ；第一隔离带左边为输入部分，上表面被覆有输入部 分的上电极，下表面被覆有输入部分的下电极；该输入部分的上表面中还设置由反馈部分， 反馈部分设有被覆电极，该输入部分的上电极面与反馈部分之间也设有未覆电极的第二隔 离带；第二隔离带的宽度为0. 5 1mm。第一隔离带右边为输出部分，输出部分的上下两面 电极对称。图4-2为图4-1的侧视放大示意图，图4-2中斜纹填充部分表示输入部分电极、方 格填充部分表示反馈电极、黑色填充部分表示输出电极。陶瓷胚体厚度为tl、直径为Φ1、 电极厚度均为t2、输入部分上电极投影长度为Li、输入部分下电极投影长度为L6、输入部 分上电极与反馈电极之间的隔离带投影长度为L2、反馈电极投影长度为L3、输入部分与输 出部分之间的隔离带投影长度为L4、输出部分上下电极投影长度均为L5，上述投影长度关 系为:L1+L2+L3 = L5 = L6、L1+L2+L3+L4/2 = L5+L4/2 = L6+L4/2 = Φ 1/2。实际应用时也可以根据输入输出的要求设计其对应电极面大小的比例当需要驱 动能力较强时，可以增大输入端的电极面积；当需要输出能力较强时，则增大输出端的面 积，此时输出能力会上升。在输入端设计一个反馈电极，可以实现自激电路效果，反馈电极的位置可以定在 输入端任意位置选取。但反馈端包括圆心时，其反馈频率及相位更接近输入端。对应于不同的输入输出要求，可以将相应的电极改变，即图4中的第一隔离带可 以往两边移动，也就是输入、输出、反馈的电极位置和面积是可变的。对于隔离带的宽度一般根据隔离的要求而定，一般在空气中的电击穿场强为 1000v/mm左右，瓷体电击穿场强为4000V/mm以上，固化包封后的电击穿可达到4000v/mm附 近。但隔离带不能太宽，太宽了会减小输入与输出电极的面积，而影响其转换效率。本发明利用压电材料瓷体本身的绝缘性，起到隔离输出的安全效果。在压电变压 器输入与输出电极之间保留适宜的绝缘边形成隔离带，从而实现变压器输入与输出的隔 离，即原边与副边的隔离。并且可以根据隔离的要求设计合适的隔离带的宽度，对于在更高 隔离要求的复杂环境下使用时，可以将隔离带设计得更宽，达到高隔离的目的。两个电极区 加同样的电压沿厚度方向同时极化可以得到相应的隔离度。
该隔离信号变压器设计为圆片形是本发明的关键。压电变压器是按照逆压电效应 与压电效应，实现电-机-电转换，从而实现电压转换的效果。本发明的工作原理与普通压 电变压器的工作原理基本相同，但本发明是利用圆片平面扩展振动的模式，将一维振动扩 展到二维，特别是当圆片的直径与厚度之比Φ/t ^ 10时，极化方向同振动方向垂直，即实 现径向伸缩振动。通过设计适宜的驱动电极与发电电极，得到更好的转换效果。本发明的升压比 及其转换效率不同于一维振动模型的压电变压器。对于Rosen型 压电变压器的驱动端是横场模式，发电端为纵向模式，因此升压比和效率与材料的横向机 电耦合系数K31和材料的纵向机电耦合系数K33有关。圆片型压电变压器的驱动端是横 场模式，发电端也是横场模式，在仅有径向振动时，其升压比及效率与平面机电耦合系数Kp 有关。对于圆片型变压器，在其输入端加入激励电压时，使其产生径向振动，且是轴对称的 径向伸缩，可见圆片中心为节点，应力T最大；圆周边缘为形变最大处。如图5所示。并且，对于厚度方向的振动所引起的扭曲振动，会降低导线与电极连接的可靠性， 容易使引出的导线从电极上脱落。因此，利用的是径向振动的谐振频率，对于本发明，根据 设置的圆片的直径为5-20mm，其对应的径向谐振频率为100_500ΚΗζ，图6是本发明的一个 谐振频率图。上述实施例一压电陶瓷隔离信号变压器的制备包括两个大的步骤一、圆片型压电陶瓷胚体的常规制备(1)陶瓷粉料制备按照陶瓷粉料的加工 工艺制备所需要的粉料，包括混磨(锆钛酸铅(PTZ)基的压电材料)——预烧(800°C左 右)——精磨——烘干；(2)坯体成型在1000——1200°C左右进行烧结成为瓷体，坯体直 径为6-25mm，厚度为l_2mm。二、电极被覆和极化(1)被覆上电极将所述的圆片型压电陶瓷胚体清理后被覆 上电极，所述的上电极包括三个区域，分别为所述的输入部分的上电极、所述的输出部分的 上电极和所述反馈部分的电极；所述的输入和输出部分之间、所述的输入和反馈部分之间 的隔离带，不覆电极；(2)被覆下电极将所述的被覆上电极的胚体被覆下电极，所述的下电极包括两 个区域，分别为所述的输入部分的下电极，所述的输出部分的下电极；所述的输入和输出部 分之间的隔离带，不覆电极；(3)电极极化将所述的被覆上下电极的进行极化处理；上述被覆电极和极化的工艺条件均与现有技术相同，在此不再赘述；被覆的关键 点为输入和输出部分之间、输入部分和反馈部分之间为隔离带，不覆电极，但可以被覆绝缘 层，如高分子结缘材料；极化的关键点为沿厚度方向极化以实现单一极化、简化工艺，但不 限于沿此方向极化。极化方法不限于沿厚度方向极化，但对于圆片变压器，由于沿厚度方向 极化，输入与输出端的极化方向相同，可以实现单一极化，极化工艺就相对简单。同时，沿其 厚度方向极化，因为其厚度较小，所需要的极化电压也较低，一般为数百伏即可。这样对极 化设备的要求也比较小了。因为其为圆形单片，结构简单，电极的设计也简单，则较容易批 量生产，较Rosen型的简单多了。如下图7所示，为实施列在1ΚΩ负载下的输入与输出的变化。在其输出端加上 Ikohm的负载&，测量其输入与输出信号的关系。该信号变压器具有以下传输性能5 12V 输入时，5V输出(负载&为IKohm)，隔离度达3000VAC，空载时输出电压达到40V以上，响应时间小于lOOus。 以上仅是本发明 的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对 本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，包括压电陶瓷胚体、输入部分、输出部分，其 特征在于还包括隔离部分；所述压电陶瓷胚体为圆片型，所述的隔离部分从圆片型胚体 的其中一个圆面沿厚度方向延伸至另一个圆面，将压电陶瓷胚体分为所述的输入和输出两 个部分，形成所述的输入与输出部分之间未覆电极的第一隔离带；所述的输入部分和输出 部分在胚体上下两面设有被覆电极。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，其特征在于还包括反馈 部分；所述的反馈部分位于输入部分的其中一个电极面中，反馈部分设有被覆电极，该输入 部分的电极面与反馈部分之间设有未覆电极的第二隔离带。
3.根据权利要求1或2所述的压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，其特征在于所述输 入部分与输出部分之间的隔离带、以及输入电极面与反馈部分之间的隔离带表面有被覆绝 缘材料。
4.根据权利要求3所述的压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，其特征在于所述输入部 分电极、输出部分电极、反馈部分的电极根据输入输出的要求来设置各自的形状和大小；所 述第一、第二隔离带根据输入部分、输出部分、反馈部分之间的隔离要求来设置其形状和大
5.根据权利要求1所述的压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，其特征在于所述的第一 隔离带沿圆片的直径对称分布并沿厚度方向延伸。
6.根据权利要求1所述的压电陶瓷圆片型隔离信号变压器，其特征在于所述圆片型压 电陶瓷胚体的直径为6-25mm，且直径与厚度之比> 10。
7.—种权利要求3所述压电陶瓷圆片型隔离信号变压器的制造方法，其特征在于包括 以下步骤①被覆上电极将所述的圆片型压电陶瓷胚体清理后被覆上电极，所述的上电极包括 三个区域，分别为所述的输入部分的上电极、所述的输出部分的上电极和所述反馈部分的 电极；所述的输入和输出部分之间、所述的输入和反馈部分之间的隔离带，不覆电极；②被覆下电极将所述的被覆上电极的胚体被覆下电极，所述的下电极包括两个区域， 分别为所述的输入部分的下电极，所述的输出部分的下电极；所述的输入和输出部分之间的隔离带，不覆电极；③电极极化将所述的被覆上下电极进行极化处理；
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的电极极化步骤③是沿胚体厚 度方向进行极化的。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于对所述不覆电极的隔离带进行被覆 绝缘材料处理。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于所述的绝缘材料是用渗渍的方法来 被覆的。
全文摘要
本发明公开一种压电陶瓷圆片型隔离信号变压器及制造方法，包括压电陶瓷胚体、输入部分、输出部分，隔离部分；所述压电陶瓷胚体为圆片型，所述的隔离部分从胚体的其中一个圆面沿厚度方向延伸至另一个圆面，将压电陶瓷胚体分为所述的输入和输出两个部分，形成所述的输入与输出部分之间未覆电极的第一隔离带；所述的输入部分和输出部分在胚体上下两面设有被覆电极。本发明信号变压器具有电压隔离的功能，同时转换效率更高；而且结构简单，体积更小。
文档编号H01L41/04GK102130291SQ20101060772
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者李民, 胡健仁, 邓维体, 陶武平 申请人:广州金升阳科技有限公司