一种基于压电陶瓷材料的电感及其应用
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种电感器件，尤其涉及一种基于压电陶瓷材料的电感及其应用。
【背景技术】
[0002]电感器件是专门用在电路里实现电感的电路元件，现有的电感元件是由电导材料盘绕磁芯制成，典型的如铜线，也可把磁芯去掉或者用铁磁性材料代替。比空气的磁导率高的芯材料可以把磁场更紧密的约束在电感元件周围，因而增大了电感。电感有很多种，大多以外层瓷釉线圈(enamel coated wire)环绕铁氧体(ferrite)线轴制成，而有些防护电感把线圈完全置于铁氧体内。一些电感元件的芯可以调节，由此可以改变电感大小。小电感能直接蚀刻在PCB板上，用一种铺设螺旋轨迹的方法。随着无线通信的发展，越来越多的设备追求小型化，低成本，低耗能，对电路的集成度提出了进一步的要求。而现有的传统电感件基于线圈绕制的技术原理使得制造工艺复杂，体积庞大，从面积到成本都严重制约着集成电路的发展。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种能满足集成电路对电感需求的基于压电陶瓷材料的电感及其应用。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005]本发明的基于压电陶瓷材料的电感，采用压电陶瓷材料制成以下任一种形状的压电元件:
[0006]矩形、圆盘形、圆环形、三角形和梯形，所述压电元件的两个表面分别设置一对上电极和下电极。
[0007]本发明的上述的基于压电陶瓷材料的电感的应用，用于压电变压器驱动中的容性补偿。
[0008]由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于压电陶瓷材料的电感及其应用，由于采用压电陶瓷材料制成矩形、圆盘形、圆环形、三角形或梯形的压电元件，便于集成，具有体积小、重量轻、结构简单、不用铜铁材料、不怕受潮、不会燃烧、不受电磁干扰、能量密度大等优点，可以一定程度上满足集成电路对电感的需求。
【附图说明】
[0009]图la、图lb、图lc、图1d分别为本发明实施例提供的矩形、长条形、圆盘形、圆环形的基于压电陶瓷材料的电感的结构示意图。
[0010]图2为本发明实施例中矩形压电电感器轮廓辐射振型示意图。
[0011]图3为本发明实施例中矩形压电电感器45kHz到IlOkHz阻抗相角有限元仿真和实验测试结果示意图。
[0012]图4a为本发明实施例中矩形压电电感器轮廓辐射振型等效电感、等效电阻和阻抗相角示意图。
[0013]图4b为图4a中虚线部分的放大图。
[0014]图5a为本发明实施例中矩形压电陶瓷电感。
[0015]图5b为本发明实施例中压电陶瓷电感用于压电变压器驱动中的容性补偿的等效原理图。
[0016]图6为本发明实施例中压电变压器在矩形压电陶瓷电感补偿前后的阻抗相角变化。
[0017]图7a为本发明实施例中压电变压器在矩形压电陶瓷电感补偿前的电压和电流波形图，电压滞后于电流。
[0018]图7b为本发明实施例中压电变压器在矩形压电陶瓷电感补偿后的电压和电流波形图，电压超前电流。
【具体实施方式】
[0019]下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0020]本发明的基于压电陶瓷材料的电感，其较佳的【具体实施方式】是:
[0021]采用压电陶瓷材料制成以下任一种形状的压电元件:
[0022]矩形、圆盘形、圆环形、三角形或梯形，所述压电元件的两个表面分别设置一对上电极和下电极。
[0023]所述矩形包括正方形和长条形。
[0024]该基于压电陶瓷材料的电感在振动模态工作的振动模式包括以下任意一种或多种:
[0025]长条形振动模式、径向振动模式、厚度振动模式、辐射振动模式。
[0026]本发明的上述的基于压电陶瓷材料的电感的应用，其较佳的【具体实施方式】是:
[0027]用于压电变压器驱动中的容性补偿，也可以用于其它任何应用电感的场合。
[0028]本发明的基于压电陶瓷材料的电感，针对压电材料在谐振状态从容性到感性再到容性过程中，存在感性状态的特征，根据不同频率的需求，设计相应的压电陶瓷电感器。
[0029]与电磁式电感相比，压电陶瓷电感利用压电材料在谐振状态从容性到感性再到容性过程中，存在感性状态的特征，根据不同频率的需求实现相应的压电陶瓷电感器。压电陶瓷电感便于集成，具有体积小、重量轻、结构简单、不用铜铁材料、不怕受潮、不会燃烧、不受电磁干扰、能量密度大等优点，可以一定程度上满足集成电路对电感的需求。
[0030]压电电感的工作原理是利用压电陶瓷的压电效应将施加的固有频率的电压，转换成机械振动，使得压电陶瓷工作在感性状态。压电电感器根据压电陶瓷的工作方式大致可以分成四种类型:长条形振动模式型、径向振动模式型、厚度振动模式型和辐射振动模式型。
[0031]本发明通过利用压电材料在谐振状态的感性区域，制作特定频率段的电感器，满足现有电子电路对无线圈电感的需求。通过压电材料的振动模式、尺寸和形状设计特定频率段的电感器，适用于长条形振动模式型、径向振动模式型、厚度振动模式型和辐射振动模式型。振动模式型压电电感器工作频率一般在5kHz-100MHz之间，使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺可以做到兆赫兹的范围。
[0032]具体实施例一:
[0033]基于压电陶瓷材料的电感根据振动模式主要分为四类:
[0034]第一类:长条形振动模式型电感器；
[0035]第二类:径向振动模式型电感器；
[0036]第三类:厚度振动模式型电感器；
[0037]第四类:辐射振动模式型电感器。
[0038]本发明的基于压电陶瓷材料的电感的形状包括:
[0039]矩形压电电感器(如图1a)、长条形压电电感器(如图1b)、圆盘形压电电感器(如图1c)、圆环形压电电感器(如图1d)等工作在振动模态的压电电感器。
[0040]本发明的优点和积极效果:
[0041]压电陶瓷电感利用压电材料在谐振状态从容性到感性再到容性过程中，存在感性状态的特征，根据不同频率的需求实现相应的压电陶瓷电感器。压电陶瓷电感便于集成，具有体积小、重量轻、结构简单、不用铜铁材料、不怕受潮、不会燃烧、不受电磁干扰、能量密度大等优点，可以一定程度上满足集成电路对电感的需求。
[0042]以下以矩形压电电感器为例，详细解释压电电感器设计方法:
[0043]矩形压电电感器设计:
[0044]图1a示出了矩形压电电感器，包括压电元件，具有:两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面，上电极设置在压电元件的第一表面上；下电极设置在压电元件的第二表面上。
[0045]图2示出了矩形压电电感器轮廓辐射振型。矩形几何中心点此模态下位移最小(理论上为零)，将预紧力施加介质放于此处对整个振型影响最小，即对功率传递和功率传递效率影响最小。
[0046]图3为矩形压电电感器45kHz到IlOkHz阻抗相角有限元仿真和实验测试结果。通过仿真可以辅助设计矩形压电电感器的频率和电感值。
[0047]图4a和图4b示出了矩形压电电感器轮廓辐射振型等效电感、等效电阻和阻抗相角。在谐振点附近，随着频率的增加，阻抗相角从容性变为感性，在图4a中87kHz出现了突变点，阻抗相角由-90度变成+90度。图4b中是将感性范围区段放大图，可以看出在谐振感性区域，随着频率的增加电感逐渐增加，刚刚进入电感区域，基本上是线性的增加，到后期接近谐振点出现指数级别巨大的增加。因此可以根据特定频率调整电感值。
[0048]具体实施例二:
[0049]矩形压电电感用于压电变压器驱动中的容性补偿:
[0050]图5a示出了一片矩形压电陶瓷电感。图5b示出了该压电陶瓷电感用于压电变压器驱动中的容性补偿的等效原理图。压电变压器在工作频率下是呈容性的，而容性负载相对于前端驱动电路来说是不利的。驱动电路在纯阻性负载下效率最高，而容性负载下，会增加开关损坏，影响电路的驱动效率。现有的解决方案是在驱动电路和压电变压器之间加一个容性补偿电感。而传统的线圈电感制作工艺复杂，同时会增加整个电路的体积，失去压电变压器本身固有的优势。因此，这里采用压电陶瓷电感来取代传统的线圈电感，对压电变压器工作中的容性进行补偿。根据实际应用，这里的压电陶瓷电感尺寸为30 X 20 X 0.4mm3，压电变压器的工作频率为92.18kHz ο在该频率下，压电陶瓷的等效电感为264.6 μ H。
[0051]图6示出了压电变压器在矩形压电陶瓷电感补偿前后的阻抗相角变化。补偿前，随着驱动功率的增加，压电变压器的容性是呈增大趋势的，不利于驱动电路的效率提高。在矩形压电陶瓷电感补偿之后，整体的相角从容性变成了感性，而且随着驱动功率的增加，补偿效果比较稳定，说明了压电陶瓷电感的可靠性。
[0052]图7示出了压电变压器在矩形压电陶瓷电感补偿前后的电压和电流波形图。图7a中，电压滞后于电流，说明补偿前压电变压器是呈容性的。图7b中，电压超前电流，说明补偿后压电变压器是呈感性的，证明了矩形压电陶瓷作为电感的有效性和可靠性。
[0053]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种基于压电陶瓷材料的电感，其特征在于，采用压电陶瓷材料制成以下任一种形状的压电元件: 矩形、圆盘形、圆环形、三角形或梯形，所述压电元件的两个表面分别设置一对上电极和下电极。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷材料的电感，其特征在于，所述矩形包括正方形和长条形。
3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷材料的电感，其特征在于，该基于压电陶瓷材料的电感在振动模态工作的振动模式包括以下任意一种或多种: 长条形振动模式、径向振动模式、厚度振动模式、辐射振动模式。
4.一种权利要求1、2或3所述的基于压电陶瓷材料的电感的应用，其特征在于，用于压电变压器驱动中的容性补偿。
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电陶瓷材料的电感及其应用，电感采用压电陶瓷材料制成矩形、圆盘形、圆环形、三角形或梯形的压电元件，压电元件的两个表面分别设置一对上电极和下电极。针对压电陶瓷材料谐振状态下从容性到感性再到容性过程中，存在感性状态的特征，根据不同频率的需求，设计相应的压电陶瓷电感器。电感在振动模态工作的振动模式包括长条形振动模式、径向振动模式、厚度振动模式、辐射振动模式等。可以用于压电变压器驱动中的容性补偿或其它任何应用电感的场合。便于集成，具有体积小、重量轻、结构简单、不用铜铁材料、不怕受潮、不会燃烧、不受电磁干扰、能量密度大等优点，可以一定程度上满足集成电路对电感的需求。
【IPC分类】H01F37-00, H01L41-187
【公开号】CN104821224
【申请号】CN201510253394
【发明人】冯志华, 琚斌, 肖广军, 李伟
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月18日