层状复合结构可调控电容和压电应力调控介电的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子器件技术领域，涉及智能可调控电容器件技术，尤其涉及一种具有层状复合结构的可调控电容和压电应力调控介电的方法。
【背景技术】
[0002]电容器是基本的电子器件，在常用电子器件中有着广泛的应用，比如能量存储、功率因数更正、过滤和滤波、信号耦合、协调电路、传感器以及脉冲功率器件等。当前，可调微波器件和智能电子器件的迅速发展扩大了对可调控电感的需求。现有研宄致力于发展可调量大、结构简单及其频率范围大的可调控电容器。在过去十年中，现有技术表明介电材料的介电常数对外场有所响应，例如外界应力场、偏置电场以及温度场等。尽管直流偏置电场可以调节介电材料的电容，但是偏置电场直接施加在介电材料上，这对器件的应用有所限制(S.Lu, B.Neese, B.Chu, Y.Wang, and Q.Zhang, App1.Phys.Lett.93 (4), 042905, 2008)。已有研宄尝试通过改变温度场以及介电薄膜的晶格匹配改变介电体的介电常数，从而实现对电容的调控(F.H.Schader, E.Aulbach, K.G.Webber, and G.A.Rossetti, Jr., J.App1.Phys.113(17)，174103，2013)，这种方式实际操作却很困难。
[0003]在外应力作用下，铁电体内大量电畤界面状态发生改变，导致其介电常数产生相应的变化，因而外应力可以改变介电体的介电常数。现有技术主要依靠外加机械载荷而产生应力，从而改变介电体的电容。也就是说，外界应力是采用较为笨重的机械装置而产生的，这使得可调电容的微型化和集成化变得困难(G.Yang, Z.Yue，Z.Gui，andL.Li, J.App1.Phys.104 (7)，074115，2008)。也有考虑使用非机械装置施加应力，例如，将介电材料与磁致伸缩材料层状复合，通过改变磁性材料的杨氏模量(利用磁致伸缩材料的Δ E效应)，从而使介电体的电容改变(Y.Yao, Y.Hou, S.Dong, and X.Li, J.Appl.Phys.110(1)，014508，2011)。但是，基于这种设计原理，介电体的电容只是在磁性材料谐振频率附近的很窄频率范围有所改变，并不是宽频的、均匀的改变。现有技术也有直接在电介质材料上施加直流偏置电场来改变介电常数，但变化范围较小，且电路上使用不方便。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种新的层状复合结构可调控电容和压电应力调控介电的方法，通过新型的压电静电应力产生方式实现对介电电容的调控。即设计压电和铁电介电材料构成的层状复合结构，通过在压电元件上施加电压，所产生的压电静电应力直接作用到铁电介电体上，铁电介电体因外应力作用其电畤界面状态发生变化，从而实现在较宽频下均匀线性的介电调控。这一过程称为压电应力-介电调控；本发明压电元件通过静电场产生的纵向或弯曲应变，实现对复合在一起的电介质电容的调控。
[0005]本发明提供的技术方案是:
[0006]一种层状复合结构可调控电容，所述可调控电容为静电场-应力应变耦合可调控电容，包括铁电压电片和铁电介电体，所述铁电压电片和铁电介电体均为片状，铁电压电片的厚度大于铁电介电体的厚度，而且铁电压电片和铁电介电体通过紧密复合在一起构成多种层状复合结构；所述层状复合结构至少包括一个铁电压电片和一个片状铁电介电体；，所述压电单晶片由一个铁电压电片与一个片状铁电介电体组成；所述铁电介电体为被调控的片状铁电介电体(铁电介电片)。
[0007]上述层状复合结构可调控电容通过压电应力调控介电的方法，该方法通过施加静电场和利用压电效应产生的压电应力来调控复合结构中的介电体电容，在静电场作用下，铁电压电片产生应变，并且将所产生的应变传递给复合在一起的被调控的片状铁电介电体，使铁电介电体的电容在应变作用下被调控。
[0008]针对上述层状复合结构的压电应力调控的介电可调控电容，进一步地，铁电压电片和铁电介电体均为矩形或圆形。
[0009]优选地，所述较厚的铁电压电片的厚度大于较薄的铁电介电体厚度两倍以上。
[0010]多种层状复合结构包括:
[0011]A)铁电压电片和铁电介电体均为矩形；一个较厚的矩形压电片和一个较薄的矩形片状介电体复合在一起构成一个矩形压电单晶片(unimorph)，形成层状复合结构；在静电场作用下，较厚的压电片产生沿纵轴方向应变，迫使复合在一起的较薄的片状介电体产生弯应变，从而实现对铁电介电体的电容调控；
[0012]B)铁电压电片和铁电介电体均为圆形；一个较厚的圆形铁电压电片和一个较薄的圆形片状铁电介电体构成一个圆形压电单晶片(unimorph)，形成层状复合结构；在静电场作用下，较厚的铁电压电片产生沿径向应变，迫使复合在一起的较薄的圆形片状(圆片)铁电介电体产生弯应变，从而实现对铁电介电体的电容调控；
[0013]C) 一对较厚的压电片组成压电双晶片(bimorph)结构，所述压电双晶片再和一个或一对较薄的片状介电体复合在一起，形成层状复合结构；在静电场作用下，较厚的压电双晶片产生弯曲应变，迫使复合在一起的一个或一对较薄的片状介电体也发生弯应变，通过应力调控实现对介电体的电容调控；
[0014]D)多个较厚的压电片和多个较薄的片状介电体交替紧密复合形成多种层状复合结构，包括:两个压电片与一个片状介电体交替叠加形成的矩形或圆形三明治复合结构，或者多个(N>2个)较厚的压电片与多个(N-1个)较薄的片状介电体交替叠加形成的矩形或圆形多层复合结构；在静电场作用下，较厚的压电片产生纵向应变，迫使复合在一起的片状介电体也发生纵应变，通过应力调控实现对介电体的电容调控。所述片状介电体的材料为铁电钛酸钡陶瓷或铁电钛酸钡基改性掺杂陶瓷。
[0015]所述压电片的材料为铁电压电陶瓷材料，包括锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷、铌镁酸铅-锆钛酸铅单晶或铌锌酸铅-钛酸铅单晶中的一种或者多种，或者是无铅系列压电陶瓷或单晶中的一种或多种，优选如铌酸钾钠等。
[0016]所述压电陶瓷材料沿其厚度方向极化。
[0017]所述压电片的厚度大于所述介电体的厚度。优选地，所述较厚的压电片的厚度大于较薄的介电体厚度两倍以上。
[0018]所述片状介电体的上下表面被有银、金或铜镍金属电极膜。
[0019]所述压电片和介电体通过绝缘的环氧树脂紧密粘接在一起或通过共烧方法复合在一起。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0021]本发明提供的压电静电应力可调控电容，通过结构的优化设计，由片状压电材料和片状介电材料构成层状复合结构电容，通过压电材料的机电耦合效应(电-力-介电耦合)，压电片元件在静电场作用下可产生纵向或者弯曲应变，实现对电介质电容的调控。本发明在±4kV/cm的外加电场作用下，其电容可调量可达±10%，并且在宽频率范围内均匀可调，从而扩展了静电-应力可调电容的应用范围。本发明提供的压电-介电层状复合材料制作而成的可调控电容结构可有效克服现有可调控电容存在的结构复杂以及可调频率范围窄等缺点，并且具有制作工艺简单的优点，便于实际使用，可用于可调控智能电子器件和设备领域。
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例一提供的采用上下对称复合有长片状介电体、通过长条形压电双晶片(bimorph)结构产生弯应变调控介电体电容的结构示意图；
[0023]图2是本发明实施例二提供的采用一面复合有长片状介电体、通过长条形压电双晶片(bimorph)结构产生弯应变调控介电体电容的结构示意图；
[0024]图3是本发明实施例三提供的采用一个长片状介电体复合在一对长片状压电片中间的三明治复合结构、通过片状压电体的纵向伸缩应来调控介电体电容的结构示意图形成；
[0025]图4是本发明实施例四提供的采用N个(N>2)长片状压电片与(N_l)个长片状介电体形成多层复合结构、通过多层片状压电体的纵向伸缩应来调控多层介电体电容的结构示意图；
[0026]图5是本发明实施例五提供的采用圆片形压电片与介电体圆片形成单晶片(Unimorph复合结构)、通过压电圆片的径向、弯应变调控介电体电容的结构示意图；
[0027]图6是本发明实施例六提供的采用一对圆形压电片与介电体圆片形成三明治复合结构、通过压电圆片的径向应变调控介电体电容的结构示意图；
[0028]图7是本发明实施例六提供的采用N个(N>2)圆片形的压电片与(N-1)个圆片形介电体形成多层结构的可调控电容、通过多层圆片状压电体的经向伸缩应来来调控介电体电容的结构示意图；
[0029]图1?图7中，I一铁电压电片材料；2—片状铁电介电体材料；3—绝缘的环氧树脂；4一压电材料施加电压接地端；5—压电材料电压控制端；6—介电材料测试端；P—极化方向。
[0030]图8是本发明实施例中电容量在不同频率下随外加电场发生变化的示意图；
[0031]其中，曲线I?5分别表示将压电材料控制端和地端施加-4kV/cm、-2kV/cm、0kV/cm、2kV/cm和4kV/cm的静电场后，介电体材料测试端6连接至LCR表或者阻抗分析仪上所测到的电容量在不同静电场下随工作频率的变化。
[0032]图9是本发明实施例中电容的可调量在不同外加静电场下与工作频率的关系示意图；
[0033]其中，曲线I?5分别表示将压电材料施加_4kV/cm、-2kV/cm、0kV/cm、2kV/cm和4kV/cm的静电场后，将介电材料测试端6连接至LCR表或者阻抗分析仪上，得到的电容的可调量在不同外加电场下随工作频率的变化关系。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
[0035]本发明提供一种铁电压电片和铁电介电体层状复合结构电压可调控电容，介电可调控电容为静电场-应力应变耦合可调控电容，包括铁电压电片和铁电介电体，所述铁电压电片和铁电介电体均为片状，铁电压电片的厚度大于铁电介电体的厚度，而且铁电压电片和铁电介电体通过紧密复合在一起构成多种层状复合结构；所述层状复合结构包括至少一个压电单晶片结构(unimorph，层状复合板结构单元)，所述压电单晶片由一个铁电压电片与一个片状铁电介电体组成