专利名称：一种多层复合结构压电元器件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种属于功能材料及其制备方法的技术领域，确切的说是涉及一种用于水声、医用超声、工业超声检测等方面的多层复合结构压电元器件及其制备方法。
背景技术：
压电材料的发展是曲折的。19世纪80年代居里兄弟首先在石英晶体上发现压电效应，至20世纪50年代人们开发出以锆钛酸铅(PZT)为代表的压电陶瓷。这类材料具有压电性能好，机电耦合系数高等特点，广泛用于电声、水声和超声领域，如压电振子、压电点火装置、压电变压器、压电滤波器等。但由于压电陶瓷的密度及弹性模量都较大、静水压压电常数小，制作的换能器抗冲击性能差、较重、不易与空气和水匹配，难以满足水听器和医学换能器的要求。20世纪70年代，以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的高分子压电材料化学性能稳定，柔顺性好，可制造大面积且均勻的薄膜，其声阻抗易于与水及生物体的声阻抗匹配，可广泛用于超声换能器、水声换能器、生物传感器、热释电器件等，但其压电常数和机电耦合系数小，工作范围窄。实心压电元器件当其横向尺寸大于纵向尺寸时，横向耦合严重，不仅降低了厚度振动模的机声效率，且会带来不需要的谐振频率，还会导致厚度频率带宽较窄。因此研究人员为了获得较高的声源极和较宽的带宽，经常采用压电陶瓷小颗粒柱组成阵列来获得需要的性能指标。但这样做的成本较高，且工艺过程复杂，尤其在高频率时(> 500kHz),由于厚度较小，为了满足一定的纵横比，压电陶瓷颗粒宽度也很小2mm)，给安装和电极制作带来很高的难度。而单面切割的压电复合材料，在切割面上的电极制作以及由于高分子材料固化所带来的整体形变也是制约其量产和应用的因素。为了开发性能更好的水声传感器和生物医学超声器件，人们试图寻找一种兼有陶瓷和聚合物两者优点，并能抑制各自缺点的新材料，从而开始了陶瓷一聚合物压电复合材料的研究，其性能较压电陶瓷有大幅度提高。1-3型己形成实用化商品，成为目前研究最多、 最深入、应用最广泛的一种压电复合材料，但是其电极层需要重新制备，基本上采用低温真空蒸馏法或者溅射法，结合度不高，多用于接收换能器，用于大电压发射换能器时，可靠性不高，且制作过程复杂，工艺过程繁多。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的不足，而提供一种多层复合结构压电元器件及其制备方法，可以用于水声、医用超声、工业超声检测等方面。本发明解决其技术问题采用的技术方案这种多层复合结构压电元器件的材料为具有压电性的材料，外形为平面圆形、平面四边形或者平面多边形，多层复合结构压电元器件结构上包含三层结构，该三层结构连通在一起，为一个整体；即两端面层都是呈条形状平行排列的压电材料长条，中间层是压电材料颗粒柱。所述的端面层的压电材料长条之间的间隙及各压电材料长条的宽度根据需要而定，一个端面层的压电材料长条厚度均为相同，两个端面层上的压电材料长条排列方向成一定角度，角度大于0°且小于180°，在两端面层上的压电材料长条表面有遗留电极层。所述的中间层的压电材料颗粒柱的横截面为平行四边形，且两个对角的角度与两端面层的压电材料长条交错角度相同，各个压电材料颗粒柱的四边形的大小取决于两端面层压电材料长条的宽度，各压电材料颗粒柱的高度相同，高度方向与两端面层的压电材料长条的长度方向相垂直。如该多层复合结构压电元器件的制备方法，包括步骤如下
1)、在平面元器件的一个端面水平粘接在底座上，采用划片切割机在未粘接的元件端面上进行不切透条形切割，切割成条形间隔排列的压电材料长条；
2)、在第一步完成后取下平面元器件，将已切割好的端面粘接在底座上，并将底座旋转，使得切割刀片与已经切割完毕的端面上的压电材料长条方向呈一定角度；
3)、第二次切割完毕后取下平面元器件，清洗完毕后，得到多层复合结构压电元器件。切割方式为条形切割，过程分两次分别在平面元器件的两个端面上进行，两次切割的方向成一定的角度，角度大于0°且小于180°，即该角度就决定了所得元器件两端面层的压电材料长条间排列方向之间的角度。每一次进行端面条形切割时，切割深度大于原平面元器件厚度的一半并小于原元平面器件厚度，在同一个端面上的切割深度相同，而两次切割的深度及条形切割的间隔根据所需的尺寸来定。本发明提供的多层复合结构压电元器件外形为圆形、方形或者多边形平面元件， 主要特点是制作简便，性能可控，两端电极层都可通过高温导线焊接引线，三层结构全部连通，强度可靠性高，参数优于同样外形尺寸的实心压电元器件。
图1是本发明的多层复合结构压电元器件制作第一次条形切割完成后的结构示意图2是本发明的多层复合结构压电元器件制作第二次条形切割完成后的结构示意
附图中的标号分别为1、端面层，2、中间层，11、压电材料长条。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做详细的介绍如附图所示，本发明提供的一种多层复合结构压电元器件，元器件结构上包含三层，两端是呈条形状排列的压电陶瓷条，间隔可以相同，也可以不同，根据需要设定；两个端面层1上的压电材料长条11的尺寸可以相同也可以不同，两个端面层1上的压电材料长条11排列方向成一定角度，角度大于0°且小于 180° ；中间层2是压电材料颗粒柱，压电材料颗粒柱截面为平行四边形，且两个对角的角度与两端面层1的压电材料长条11交错角度相同，压电材料颗粒柱的高度方向与两端面层1 的压电材料长条11的长度方向相垂直，三层结构连通在一起，两端面层1的剩余条形电极层仍作为整体元件的电极。制备本发明的多层复合结构压电元器件的方法通过将压电材料平面元器件采用特定方式进行切割后形成，外形为圆形、方形或者多边形平面元件。需要进行两次条形切割过程。第一步，首先在实心平面纯压电陶瓷元器件的一个端面进行不切透条形切割，将实心压电陶瓷元器件的一个端面水平粘接在底座上，保证元器件待切割面与刀面运行方向平行，采用划片切割机在未粘接的元器件端面上进行不切透条形切割，即单面切割的切割深度小于元器件厚度，条形(压电材料长条)间隔设定可以相同，也可以不同，根据实际需要设定(>刀片厚度)，此条形切割步骤完毕后的元器件构成为两层结构，切割面一层为压电陶瓷条形板，条形板长度为原元器件该部位的长度，宽度为切割间距减去刀片宽度，高度为切割深度，切缝宽度为刀片宽度，另一层未切割部分为实心压电陶瓷，厚度为原元器件厚度减去切割深度；第二步，在另一个端面进行不切透条形切割，在第一步完成后取下元器件，将已经切割的端面粘接在底座上，保证元件待切割面与刀面运行方向平行，并旋转底座，并将底座旋转，使得切割刀片与已经切割完毕的端面上的压电材料长条方向呈一定角度(>0° 且< 180° )，其余参数设置方式和切割过程与第一步骤相同，两次切割的参数值可以不相同。第二次切割完毕后取下元器件，清洗完毕后即完成制备。为了更好的理解本发明制备过程的技术方案，以下结合具体数据作进一步的详细描述，该实例中的数据和结果不作为限制本发明专利一般性的约束。具体制作步骤叙述如下
1、平面元器件采用40mmX40mmX4mm的方形平面压电陶瓷元器件，在两端面上带有银层，采用划片切割机对实心纯压电陶瓷元器件进行不切透形式的条形切割，刀片厚度0.3mm。切割时，首先将实心压电陶瓷元器件的一个端面水平粘接在底座上，保证元件待切割面与刀面运行方向平行，切割深度为3. 5mm，为了简便则设定条形切割间距相同为 1.8mm，这样切割完毕后的元器件构成为两层结构，切割面一层为压电陶瓷条形板，压电陶瓷条形板长40mm，宽1. 5mm,高3. 5mm,未切割部分为实心压电陶瓷层长40mm，宽40mm，高 0. 5mm，如图1所示；
2、取下元器件，再将其已经切割后的端面粘接在底座上，保证元件待切割面与刀面运行方向平行，并将底座旋转，使得切割刀片与已经切割完毕的端面上的压电条方向呈90° 角，然后在还未切割的元件端面上进行不切透条形切割，条形切割深度为3. 5mm,间距相同为1. 8mm，切割过程同第一步骤，切割完成后取下元器件进行清洗后及完成元器件的制作。最终完成的元器件结构上分为三层，两端分别是一层呈条形状排列的压电陶瓷条，长40mm，宽1. 5mm,高0. 5mm,刀缝宽0. 3mm,每一个端面上压电条平行排列，间隔1. 8mm, 两端压电条在长度方向上成90°角；中间层是压电陶瓷材料的颗粒柱，颗粒柱横截面为正方形，颗粒柱长宽相同为1. 5mm，高度3mm。整体结构如图2所示。
权利要求
1.一种多层复合结构压电元器件，其特征在于元器件的材料为具有压电性的材料， 外形为平面圆形、平面四边形或者平面多边形，多层复合结构压电元器件结构上包含三层结构，该三层结构连通在一起，为一个整体；即两端面层(1)都是呈条形状平行排列的压电材料长条(11)，中间层(2)是压电材料颗粒柱。
2.根据权利要求1所述的多层复合结构压电元器件，其特征在于所述的端面层(1)的压电材料长条(11)之间的间隙及各压电材料长条(11)的宽度根据需要而定，一个端面层(I)的压电材料长条(11)厚度均为相同，两个端面层(1)上的压电材料长条(11)排列方向成一定角度，角度大于0°且小于180°，在两端面层(1)上的压电材料长条(11)表面有遗留电极层。
3.根据权利要求1所述的多层复合结构压电元器件，其特征在于所述的中间层(2) 的压电材料颗粒柱的横截面为平行四边形，且两个对角的角度与两端面层的压电材料长条(II)交错角度相同，各个压电材料颗粒柱的四边形的大小取决于两端面层(1)压电材料长条(11)的宽度，各压电材料颗粒柱的高度相同，高度方向与两端面层(1)的压电材料长条 (11)的长度方向相垂直。
4.一种制备如权利要求1所述的多层复合结构压电元器件的方法，其特征在于包括步骤如下1)、在平面元器件的一个端面水平粘接在底座上，采用划片切割机在未粘接的元件端面上进行不切透条形切割，切割成条形间隔排列的压电材料长条(11);2)、在第一步完成后取下平面元器件，将已切割好的端面粘接在底座上，并将底座旋转，使得切割刀片与已经切割完毕的端面上的压电材料长条(11)方向呈一定角度；3)、第二次切割完毕后取下平面元器件，清洗完毕后，得到多层复合结构压电元器件。
5.根据权利要求4所述的多层复合结构压电元器件的制备方法，其特征在于切割方式为条形切割，过程分两次分别在平面元器件的两个端面上进行，两次切割的方向成一定的角度，角度大于0°且小于180°，即该角度就决定了所得元器件两端面层(1)的压电材料长条(11)间排列方向之间的角度。
6.根据权利要求4所述的多层复合结构压电元器件的制备方法，其特征在于每一次进行端面条形切割时，切割深度大于原平面元器件厚度的一半并小于原元平面器件厚度， 在同一个端面上的切割深度相同，而两次切割的深度及条形切割的间隔根据所需的尺寸来定。
全文摘要
本发明涉及一种多层复合结构压电元器件及其制备方法，元器件的材料为具有压电性的材料，多层复合结构压电元器件结构上包含三层结构，该三层结构连通在一起，为一个整体；即两端面层都是呈条形状平行排列的压电材料长条，中间层是压电材料颗粒柱；在两端面层上的压电材料长条表面有遗留电极层。本发明提供的多层复合结构压电元器件外形为圆形、方形或者多边形平面元件，主要特点是制作简便，性能可控，两端电极层都可通过高温导线焊接引线，三层结构全部连通，强度可靠性高，参数优于同样外形尺寸的实心压电元器件。
文档编号H01L41/083GK102420286SQ20111040839
公开日2012年4月18日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者张军, 徐平, 朱学文, 李建成, 王世全, 王月兵, 费腾 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所