单片压电换能器及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种单片压电换能器及其制作方法。该换能器包括呈圆形或正多边形的压电片，压电片的上、下表面第一叉指电极和第三叉指电极，压电片上、下表面还分别设置有第二叉指电极和第四叉指电极，且至少两个第二分电极和第四分电极在压电片的上表面和下表面分别与至少两个第一分电极和第三分电极交错设置；压电片在施加在第一叉指电极和第二叉指电极，以及第三叉指电极和第四叉指电极之间的直流电压作用下，在压电片上、下表面压电层分别形成交叉极化区域。本发明提供的压电换能器结构简单，实现方便，可作为压电弯曲运动驱动器使用，或反之可作为传感器，感应声波、压力、振动、等产生的弯振动或弯位移，且可在高低温恶劣环境下工作。
【专利说明】单片压电换能器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压电器件技术，尤其涉及一种工作在纵压电、弯运动模式的单片压电换能器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]压电换能器是利用压电材料的正、逆压电效应制作的智能器件，具有尺寸小、线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、能耗低、无噪声等特点，在精密光学、微型机械、微电子技术等高新【技术领域】得到了广泛应用。
[0003]在现有技术中，作为压电换能器中常见的刚性位移驱动器，主要包括多层式驱动器、彩虹式(Rainbow)驱动器、月牙式(Moonie)驱动器、钹式(Cymbals)驱动器以及单(双)晶片驱动器等；并且，可通过将压电换能器设计工作在弯-张运动模式，以获得较大的位移量，将压电体产生的微小位移放大成一个弹性片大的弯曲位移,例如常见的Rainbow驱动器、Moonie驱动器和Cymbals驱动器等。
[0004]但是，弯-张运动模式换能器结构相对较为复杂;传统单(双)晶片驱动器是将一个或两个压电片与一个金属弹性片复合成悬臂梁结构，通过压电片沿纵轴方向的不对称伸缩，直接获得较大的弯曲位移。这种换能器具有结构简单、位移量大等优点，但它们的制作需要用到有机粘结剂将不同片状材料复合在一起，不适宜于极端苛刻环境，例如高、低温环境下使用，另外，由于现有换能器均利用的是横向低压电系数d31模式工作，压电驱动性能较差。
[0005]综上，现有压电驱动器通常采用层状结构，压电器件的结构复杂，制作工艺复杂，制作成本高；同时，因层状结构的结合部分限制，导致压电驱动器环境的适应性较差，特别是高温或低温环境下使用受到限制。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种单片压电换能器及其制作方法，以有效克服现有层状结构压电器件存在的结构复杂以及环境适应性较差的缺陷，简化压电换能器的结构和制作工艺，提高压电换能器的环境适应性。
[0007]本发明提供一种单片压电换能器，包括:
[0008]呈圆形或正多边形的压电片，所述压电片的上表面和下表面分别设置有第一叉指电极和第三叉指电极，所述第一叉指电极和第三叉指电极上下对称设置，所述第一叉指电极具有至少两个第一分电极，第三叉指电极具有至少两个第三分电极；
[0009]所述压电片的上表面和下表面还分别设置有上下对称设置的第二叉指电极和第四叉指电极，所述第二叉指电极和第四叉指电极分别具有至少两个第二分电极和第四分电极，每个第一分电极、每个第二分电极、每个第三分电极和每个第四分电极均关于所述压电片的中心轴呈中心对称，且所述至少两个第二分电极和第四分电极在所述压电片的上表面和下表面分别与所述至少两个第一分电极和第三分电极交错设置；[0010]所述压电片分别通过施加在所述第一叉指电极和第二叉指电极之间，以及第三叉指电极和第四叉指电极之间的直流电压作用下，在所述压电片的上表面压电层和下表面压电层分别形成交叉极化区域。
[0011]本发明还提供一种单片压电换能器的制造方法，包括:
[0012]在压电片的上表面设置第一叉指电极和第二叉指电极，在所述压电片的下表面设置第三叉指电极和第四叉指电极，其中，所述第一叉指电极和第三叉指电极上下对称设置，所述第二叉指电极和第四叉指电极上下对称设置，所述第一叉指电极、第二叉指电极、第三叉指电极和第四叉指电极分别具有至少两个第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极，所述第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极均关于所述压电片的中心轴呈中心对称，且所述至少两个第二分电极和第四分电极在所述压电片的上表面和下表面分别与所述至少两个第一分电极和第三分电极交错设置；
[0013]在所述第一叉指电极和第二叉指电极之间、以及第三叉指电极和第四叉指电极之间施加直流电压，对所述压电片的上表面压电层和下表面压电层进行交叉极化，使所述压电片的上表面压电层和下表面压电层分别形成至少两个交叉极化区域。
[0014]本发明提供的单片压电换能器采用单层压电片结构，通过在压电片表面制作叉指电极，并进行交叉极化，可使得压电片上下表面层工作在纵向压电d33模式，且可沿压电片径向不对称伸缩而产生厚度方向的弯曲变形；这相对现有技术中采用工作于横向压电d31模式的压电换能器而言，由于d33的值在d31的两倍以上，因此作为驱动器时可以更有效的产生弯曲振动或弯位移；由于压电片的叉指电极结构相对层状结构的电容量要小得多，在同等电压驱动条件下所消耗的功率会更少；同时，作为传感器时，压电片上下表面的叉指电极在弯应变作用下可产生一对差分输出信号，具有更高的传感灵敏度；此外，由于本发明提供的单片压电换能器是非层状的压电单片结构，无需使用现有技术中中多层结构中有机粘接剂等不耐高、地温的材料，所以具有更好的环境温度变化适应性、进而可以适用于高温或低温等极端环境。另外，本发明提供的压电换能器结构简单，制作方便，还可有效降低制作成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明压电换能器实施例中压电片的立体透视结构示意图；
[0016]图2为本发明压电换能器实施例的上表面电极分布意图；
[0017]图3为本发明压电换能器实施例的下表面电极分布示意图；
[0018]图4A为本发明实施例中压电片的上表面压电层和下表面压电层中所产生的沿图2或图3中A-A向截面上交叉极化区域分布的一种示意图；
[0019]图4B为本发明实施例中压电片的上表面压电层和下表面压电层中所产生的沿图2或图3中A-A向截面上的交叉极化区域分布的另一种示意图；
[0020]图4C为与图4B对应的压电片下表面交叉极化区域分布示意图；
[0021]图5为本发明实施例提供的压电换能器在电压驱动下产生的弯变形示意图；
[0022]图6为本发明压电换能器的制造方法实施例的流程示意图。
【具体实施方式】[0023]图1为本发明压电换能器实施例中压电片的立体透视结构示意图；图2为本发明压电换能器实施例的上表面电极分布示意图；图3为本发明压电换能器实施例的下表面电极分布示意图；如图1-图3所示，本实施例提供一种压电换能器，包括:呈圆形或正多边形的压电片1，压电片I的上表面和下表面分别设置有第一叉指电极21和第三叉指电极23，第一叉指电极21和第三叉指电极23上下对称设置，即第一驱动叉指电极21和第二驱动叉指电极22关于压电片I厚度中面对称设置；第一叉指电极21具有至少两个第一分电极211，第三叉指电极23具有至少两个第三分电极233 ;压电片I的上表面和下表面还分别设置有上下对称设置的第二叉指电极22和第四叉指电极24，即第一驱动叉指电极21和第二驱动叉指电极22也关于压电片I厚度中面对称设置，第二叉指电极22和第四叉指电极24分别具有至少两个第二分电极222和第四分电极244 ;每个第一分电极211、每个第二分电极222、每个第三分电极233和每个第四分电极244关于压电片I的中心轴10呈中心对称，且至少两个第二分电极222和第四分电极244在压电片I的上表面和下表面分别与至少两个第一分电极211和第三分电极233交错设置；压电片I分别通过施加在第一叉指电极21和第二叉指电极22之间，以及第三叉指电极23和第四叉指电极24之间的直流电压作用下，在压电片I的上表面压电层和下表面压电层分别形成交叉极化区域20。
[0024]本领域技术人员可以理解，上述的叉指电极为一个主电极上，分布有多个沿同样方式布置的多个分支的分电极。具体地，分电极的形状可以与压电片I的形状相匹配，例如，当压电片I为正方形时，第一分电极211、第二分电极222、第三分电极233和第四分电极244可以为带有缺口的呈正方形；或者，当压电片I为圆形时，第一分电极211、第二分电极222、第三分电极233和第四分电极244可以为带有缺口的圆形，如图2中第一叉指电极21和第二叉指电极22的结构。本实施例中，至少两个第二分电极222和第四分电极244在压电片I的上表面和下表面分别与至少两个第一分电极211和第三分电极233交错设置是指，第一分电极211和第二分电极222间隔设置，第三分电极233和第四分电极244间隔设置，且第一分电极211和第二分电极222上的缺口可相互背离，以使第一分电极211和第二分电极222分隔成的环状区域通过这些开口相互连通，进而在极化后产生由压电片I表面中心(中心轴10对应位置)向周围边缘呈螺旋状延伸的极化区域。另外，需进一步说明的是，上表面压电层(下表面压电层)是指，在直流电压极化作用下形成的由压电片上表(压电片下表面)在压电片I厚度方向上延伸一定厚度的立体区域，而不是仅仅指压电片的表面。
[0025]本实施例压电换能器为单压电片结构，可作为压电驱动器，通过在压电片的上表面和下表面分别设置叉指电极，并在压电片的表面形成由中心到周围边缘径向的交叉电极化，这样，在施加在各驱动叉指电极的激励电压作用下，压电片上、下压电层可工作在纵向压电d33模式，但沿压电片径向不对称伸缩，从而可导致压电片产生厚度方向的弯振动或弯曲变形；其中当压电片为正多边形时，径向指沿该正多边形的外接圆半径方向)。
[0026]图4A为本发明实施例中压电片的上表面压电层和下表面压电层中所产生的沿图2或图3中A-A向截面上交叉极化区域分布的一种示意图；本实施例中，在压电片I的上表面的第一叉指电极21和第二叉指电极22之间、以及压电片I的下表面的第三叉指电极23和第四叉指电极24之间分别施加合适的直流电压，就可以在压电片I的上、下表面压电层中分别形成沿径向交叉极化区域20 ;具体地，可在如图1-图3所示的第一叉指电极21上施加第一极化电压VI，在第二叉指电极22上施加第二极化电压V2，在第三叉指电极23上施加第三极化电压V3，在第四叉指电极上施加第四极化电压V4，且使施加在第一叉指电极21和第二叉指电极22之间电压等于施加在第三叉指电极23和第四叉指电极24之间的电压，经一定时间后形成极化区域20。
[0027]优选地，可使V1=V3>0，V2=V4=0，即第一叉指电极21和第三叉指电极23上施加相同的电压，这样，在压电片I上表面的各相邻的两个第一分电极与第二分电极之间就会产生沿径向呈弧线状的电极化分布；同时，在压电片I下表面各相邻的两个第三分电极与第四分电极之间也产生与上表面关于压电片厚度中线C-C'呈对称的电极化分布。
[0028]图4B为本发明实施例中压电片的上表面压电层和下表面压电层中所产生的沿图2或图3中A-A向截面上的交叉极化区域分布的另一种示意图；施加在第一叉指电极21和第二叉指电极22之间电压等于施加在第三叉指电极23和第四叉指电极24之间的电压，但与上述图4A不同的是，在压电片I的上下表面相对位置形成的电极化方向是相反的。例如，在施加电压形成交叉极化区域20时，使施加的电压V2=V4=0，Vl=-V3，这样，上下压电层中弧形状电极化分布是关于压电片厚度中线C-C'反对称分布，如图4B所示，此时，压电片I下表面上的交叉极化区域分布如图4C所示，其中箭头方向代表极化方向。[0029]本实施例中压电片所采用的压电材料可以是任何具有压电效应的材料。例如，锆钛酸铅压电材料，钛酸钡、铌酸钾钠等无铅压电材料，钛酸铋钠等铋系高居里点压电材料，或者铌镁酸铅-钛酸铅、铌锌酸铅-钛酸铅材料等高性能压电单晶材料。
[0030]本实施例提供的压电换能器可以作为驱动器或传感器使用。当本实施例提供的压电换能器作为压电驱动器使用时，在施加在第一叉指21电极21和第二叉指电极22之间、以及第三叉指电极23和第四叉指电极24之间的激励电压作用下，压电片驱动器可产生所需要的沿厚度方向弯曲变形或径向的伸缩变形。设施加在第一叉指电极21的激励电压为Vl/，施加在第二叉指电极22的激励电压为V2'，施加在第三叉指电极23的激励电压为V3'，施加在第四叉指电极24的激励电压为V4'。
[0031]在图4A所示的压电片的极化效果情况下，若V2=V4≥0，且V1=V3〈0，那么压电片就会沿径向缩短；SV2=V4 ( 0，且V1=V3>0，那么压电片就会沿径向收缩；gVl=-V3，V2=-V4，且Vl古V2，或者，Vl ^ V3, V2=V4，那么压电片就会因上表面压电层和下表面压电层沿径向的不对称应变，产生厚度方向的弯曲变形，如图5所示。这种不对称驱动产生弯应变的方法，因克服了层状结构换能器的界面应变损耗，可使得压电驱动器具有更好的驱动效果。
[0032]进一步地，若V2和V4均接地、Vl和V3为同相位且幅值相等的交流电压，则压电片就会产生沿径向、按交流电压变化规律的伸缩运动；gvi和V3为反相位的交流电压(也可以有预偏置电压)，则压电片就会产生沿厚度方向的弯振动，由此，通过选择合适的Vl和V3就可以实现压电片沿纵向方向的振动，或沿厚度方向的弯曲振动，从而实现驱动器的特定驱动功能。
[0033]类似地，在图4B所示的压电片的极化效果情况下，若V1=_V3〈0，且V2=_V4≥0，那么压电片就会沿径向伸长；若Vl = -V3>0, V2=-V4 ( O那么压电片就会沿径向收缩；若V1=V3，V2=V4，且Vl Φ V2，或V1-V2关-(V3-V4)，由于压电片上、下表面的伸长或收缩量不同，则压电片就会产生沿厚度方向的弯曲变形，这是另一种不对称驱动所产生的弯应变方法。因此，若V2和V4均接地、Vl和V3为反相位且幅值相等的交流电压时，压电片就会产生沿径向、按交流电压变化规律的伸缩运动；若Vl和V3为同相位的交流电压(也可以有预偏置电压)时，压电片就会产生沿厚度方向的弯曲振动，从而可以更方便的实现压电驱动器的弯应变特定驱动功能。
[0034]可以看出，本实施例压电换能器作为压电驱动器使用时，可在施加在各驱动叉指电极的电压作用下，利用逆压电效应，实现压电驱动器的特定变形和振动功能，将电能转换为机械能。同时，压电换能器中的压电片为单片结构，且交叉极化，压电片可工作于纵向压电d33模式。由于压电片的纵向压电系数d33通常是横向压电系数d31的两倍，因此，压电片工作在纵向压电d33模式下，具有更好的压电驱动性能，可获得更好的驱动效果。
[0035]另外，当本实施例提供的压电换能器作为传感器使用时(例如声波测试传感器、压力测试传感器、振动测试传感器或加速度测试电传感器)，其具体工作过程可以为驱动器工作的逆过程，即当压电传感器受到外力作用时，因弯应变可产生电压，从而通过检测电压的大小，就可确认外力的大小。具体地，当作为压电传感器使用时，将压电片的一端固定，并可将第二叉指电极22和第四叉指电极24短接后接地，第一叉指电极21和第三叉指电极23分别作为信号输出端连接到示波器或电压计，在压电片I的另一端或中部施加不同形式和大小的外力，观察并记录所测到的电压输出，根据测到的电压值的大小，就可以获得施加在压电片上的压力大小信息。
[0036]本发明的单片压电传感器，具有较好的低频率响应和较高的检测精度，可实现力、声、加速度精密传感功能。
[0037]图6为本发明压电换能器的制造方法实施例的流程示意图。本实施例制作方法可制备得到图1-图5所示实施例提供的压电换能器，具体地如图6所示，可包括以下步骤:
[0038]步骤101、在压电片的上表面设置第一叉指电极和第二叉指电极，在所述压电片的下表面设置第三叉指电极和第四叉指电极，其中，所述第一叉指电极和第三叉指电极上下对称设置，所述第二叉指电极和第四叉指电极上下对称设置，所述第一叉指电极、第二叉指电极、第三叉指电极和第四叉指电极分别具有至少两个第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极，所述第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极均关于所述压电片的中心呈中心对称，且所述至少两个第二分电极和第四分电极在所述压电片的上表面和下表面分别与所述至少两个第一分电极和第三分电极交错设置；
[0039]步骤102、在所述第一叉指电极和第二叉指电极之间、以及第三叉指电极和第四叉指电极之间施加直流电压，对所述压电片的上表面压电层和下表面压电层进行交叉极化，使所述压电片的上表面压电层和下表面压电层分别形成至少两个交叉极化区域。
[0040]上述步骤101之前，还可可从大面积的压电片上切割得到所需尺寸的压电片，并对压电片进行磨片、超声清洗和干燥，以确保压电片的制作精度和效果。
[0041]上述步骤101中，可利用事先制作好的掩膜板，在压电片表面溅射、蒸镀或印制出所述第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极，且电极的材料可以是金或银，并在制作叉指电极后，检测电极的导通性，以确保制作效果；还可分别在压电片的上、下表面上通过烧银或锡焊等方法设置第一引线和第二引线，以通过第一引线将至少两个第一分电极串接在一起形成所述第一叉指电极，通过第二引线将至少两个第二分电极串接在一起形成所述第而叉指电极，通过第三引线将至少两个第三分电极串接在一起形成所述第三叉指电极，通过第四引线将至少两个第四分电极串接在一起形成所述第四叉指电极。[0042]上述步骤102中，对压电片进行极化时，施加在各叉指电极上的电压可参见上述本发明装置实施例的说明，在此不再赘述。
[0043]通过上述步骤就可以制作如图1-图4B所示的压电换能器，其可以作为压电驱动器，将电能转换为机械能，或者作为传感器，检测外力，具体实现可参见上述本发明装置实施例的说明，在此不再赘述。
[0044]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种单片压电换能器，其特征在于，包括: 呈圆形或正多边形的压电片，所述压电片的上表面和下表面分别设置有第一叉指电极和第三叉指电极，所述第一叉指电极和第三叉指电极上下对称设置，所述第一叉指电极具有至少两个第一分电极，所述第三叉指电极具有至少两个第三分电极； 所述压电片的上表面和下表面还分别设置有上下对称设置的第二叉指电极和第四叉指电极，所述第二叉指电极和第四叉指电极分别具有至少两个第二分电极和第四分电极，每个第一分电极、每个第二分电极、每个第三分电极和每个第四分电极关于所述压电片的中心轴呈中心对称，且所述至少两个第二分电极和第四分电极在所述压电片的上表面和下表面分别与所述至少两个第一分电极和第三分电极交错设置； 所述压电片分别通过施加在所述第一叉指电极和第二叉指电极之间，以及第三叉指电极和第四叉指电极之间的直流电压作用下，在所述压电片的上表面压电层和下表面压电层分别形成交叉极化区域。
2.根据权利要求1所述的单片压电换能器，其特征在于，施加在所述第一叉指电极和第二叉指电极之间电压等于施加在所述第三叉指电极和第四叉指电极之间的电压差。
3.根据权利要求2所述的单片压电换能器，其特征在于，所述第一叉指电极和第二叉指电极上分别为第一极化电压Vl和第二极化电压V2，所述第三叉指电极和第四叉指电极上分别为第三极化电压V3和第四极化电压V4 ； 其中V2=V4=0，且V1=V3 ;或者
V2=V4=0，且 Vl=-V3。
4.根据权利要求1或2或3所述的单片压电换能器，其特征在于，所述单片压电换能器为压电驱动器，在施加在所述第一叉指电极与第二叉指电极之间、以及施加在第三叉指电极和第四叉指电极之间的激励电压作用下，通过所述压电片的上表面压电层和下表面压电层的纵向压电d33模式和沿纵轴方向的上表面和下表面的不对称应变，使所述压电片产生沿厚度方向的弯曲振动或弯位移。
5.根据权利要求4所述的单片压电换能器，其特征在于，所述第一分电极、第二分电极、第三分电极及第四分电极为呈与所述压电片的形状相同的圆形或正多边形。
6.根据权利要求5所述的单片压电换能器，其特征在于，所述第二叉指电极和第四叉指电极通过电极引线连接形成公共电极。
7.根据权利要求6所述的单片压电换能器，其特征在于，所述单片压电换能器为声波测试传感器、压力测试传感器、振动测试传感器或加速度测试传感器。
8.一种单片压电换能器的制造方法，其特征在于，包括: 在压电片的上表面设置第一叉指电极和第二叉指电极，在所述压电片的下表面设置第三叉指电极和第四叉指电极，其中，所述第一叉指电极和第三叉指电极上下对称设置，所述第二叉指电极和第四叉指电极上下对称设置，所述第一叉指电极、第二叉指电极、第三叉指电极和第四叉指电极分别具有至少两个第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极，所述第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极均关于所述压电片的中心轴呈中心对称，且所述至少两个第二分电极和第四分电极在所述压电片的上表面和下表面分别与所述至少两个第一分电极和第三分电极交错设置； 在所述第一叉指电极和第二叉指电极之间、以及第三叉指电极和第四叉指电极之间施加直流电压，对所述压电片的上表面压电层和下表面压电层进行交叉极化，使所述压电片的上表面压电层和下表面压电层分别形成至少两个交叉极化区域。
9.根据权利要求8所述的单片压电换能器的制造方法，其特征在于，在所述压电片的上表面和下表面，分别通过溅射或蒸镀或印刷方式制作所述第一分电极、第二分电极、第三分电极和第四分电极； 通过第一引线将至少两个第一分电极串接在一起形成所述第一叉指电极，通过第二引线将至少两个第二分电极串接在一起形成所述第而叉指电极，通过第三引线将至少两个第三分电极串接在一起形成所述第三叉指电极，通过第四引线将至少两个第四分电极串接在一起形成所述第四叉指电极。
【文档编号】H01L41/257GK103943772SQ201310020999
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年1月21日 优先权日:2013年1月21日
【发明者】董蜀湘, 陈建国 申请人:北京大学