包含高应变压电材料的电场-振动产生换能器及其制造方法与流程

本发明涉及一种电场-振动产生(efvg)换能器及其制造方法，更具体地，涉及一种电场-振动产生换能器以及制造该电场-振动产生换能器的方法，该电场-振动产生换能器可以通过应用具有高压电常数(d33＝1,000至6,000pc/n)和高介电常数(k3t＝6,000至15,000)以及低介电损耗(tanδ<2％)的高位移度的压电材料(高应变压电体)来同时产生电场和机械振动，可以使用上述产生的电场和机械振动来加速材料的移动、化学作用和生物反应，并且可以应用于用于治疗针对人体和动物的肿瘤的医疗设备。

背景技术：

1、电场发射可以以使用金属电缆的方式或通过使电压施加到介电体(dielectric)的方法来实现。特别是，对于电场的产生，通过向介电体直接施加电压来产生电场的方法比使用一般金属板等的方法更有效。

2、具体地，在介电体位于两个金属板之间的情况下，由于介电体的极化现象，所述两个金属板之间的电场的密度增加，而当所述两个金属板之间的间隙是真空时，由于不存在极化现象，所述两个金属板之间的电场的密度与简单施加的电压成比例。

3、因此，当使用介电体的极化现象时，所述两个金属板之间的电场增加，并因此，可产生更大的电场。这种电场的产生已被用于旨在控制各种现象(例如材料的移动、化学作用和生物反应等)的领域，并期望在未来更广泛地应用于医疗设备等。

4、通常，使用介电体的电场产生换能器包括介电体元件；被配置成使电场施加到介电体元件的外部电极；以及被配置成使电压施加到外部电极的电压供应设备。介电体元件电连接到外部电极，并且外部电极连接到电压供应设备，使得电信号施加到介电体设备。此时，从电场产生换能器辐射的电场的大小通常与施加的电压大小和介电体的介电常数成比例。因此，当使用介电常数较大的原材料时，辐射的电场的大小可以增加。

5、通常，主要使用作为介电陶瓷材料中的铁电体的基于batio3、pb(zr,ti)o3(以下称为“pzt”)、pb(mg1/3nb2/3)o3(以下称为“pmn”)和pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3(以下称为“pmn-pt”)的多晶陶瓷材料。基于batio3、pzt、pmn和pmn-pt的多晶陶瓷材料是介电常数大、价格低廉的材料，其制造工艺技术是公知的，并已用于各种应用领域。

6、然而，对于目前使用的基于batio3、pzt、pmn和pmn-pt的多晶陶瓷材料的介电体和/或铁电体，其缺点在于介电常数为5,000以下，介电损耗tanδ超过2.0％。此时，当介电损耗较大时，在施加电压的情况下，特别是在施加交流电压的情况下，发热较大，并且诱导介电体的物理性能下降，因此电场产生换能器的效率降低。

7、而且，发热使改变和控制周围温度的化学作用或生物反应难以实现。

8、由于介电陶瓷材料的这种限制，电场产生换能器的性能受到限制，并且由于功耗大，整个系统的尺寸增加，因此难以制造便携式产品。

9、因此，由于电场产生换能器的性能由介电体的性能决定，所以需要开发具有低介电损耗同时具有高介电常数的介电体或铁电体材料。

10、作为其中的一部分，具有钙钛矿晶体结构([a][b]o3)的压电单晶被认为是显示显著低的介电损耗同时具有比常规压电多晶陶瓷材料显著高的介电常数k3t和显著高的压电常数d33的特性的材料，并且提出了使用它们开发电场产生换能器的可能性。

11、具有钙钛矿型晶体结构的压电单晶的实例包括pmn-pt(pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3)、pzn-pt(pb(zn1/3nb2/3)o3-pbtio3)、pinn-pt(pb(in1/2nb1/2)o3-pbtio3)、pybn-pt(pb(yb1/2nb1/2)o3-pbtio3)、psn-pt(pb(sc1/2nb1/2)o3-pbtio3)、pmn-pinn-pt、pmn-pybn-pt、bisco3-pbtio3(bs-pt)等。由于这些压电单晶在熔融时显示同质熔化(congruent melting)行为，因此它们已通过熔剂法(flux method)、布里奇曼法等制造。

12、通常，已知具有钙钛矿型晶体结构的压电单晶对于菱方相和四方相之间的多晶相界(morphotrophic phase boundary，即mpb)的组成在邻近区域显示出最高的介电和压电特性。

13、然而，由于具有钙钛矿型晶体结构的压电单晶在通常处于菱方相时显示出最佳的优异介电和压电特性，因此菱方相的压电单晶在其应用中得到最积极的利用，但是由于菱方相的压电单晶仅在菱方相和四方相之间的相变温度trt以下时稳定，因此它们只能在相变温度trt(使菱方相能够稳定的最高温度)以下时使用。因此，在相变温度trt低的情况下，菱方相的压电单晶的可工作温度降低，并且制造应用压电单晶的部件所需的温度以及可工作温度也限制在相变温度trt以下。此时，在相变温度tc和trt以及矫顽电场ec低的情况下，压电单晶显示在机械加工、应力、发热和驱动电压的条件下容易去除极化(去极化)，并且发生优异的介电和压电特性的损失。

14、而且，虽然与压电多晶陶瓷材料相比，压电单晶显示出高的压电常数(d33≥1,000至2,000pc/n)，但是由于矫顽电场低(ec≤2至5kv/cm)，容易发生去极化，因此，由于电稳定性低，压电单晶在其实际使用中受到限制。因此，尽管已经提出了提高压电单晶的矫顽电场的方法，但由于存在矫顽电场的增加伴随着压电特性的下降的问题，因此指出该方法的有效性仍然很低。

15、因此，目前正在对压电单晶进行稳定研究，以同时改善介电常数、压电常数、相变温度、矫顽电场、机械特性等，特别是对于包括昂贵元素(例如sc、in等)作为主要成分的组成的压电单晶，单晶的高生产成本一直是单晶实际使用的实质性障碍。

16、专利文献1公开了一项与固态单晶生长[sscg]方法有关的发明，与传统的液相单晶生长法不同，该方法不采用熔融工艺，其中各种组成的单晶可以通过固态单晶生长法来制造，该固态单晶生长法以在没有特殊设备的情况下通过一般的简单热处理工艺来控制多晶中产生的异常晶粒生长的方式进行，因此已经提出了能够降低单晶生产成本并且由于高再现性和经济效益而大规模制造单晶的单晶生长法。

17、而且，专利文献2公开了一种使用固相单晶生长法同时具有高压电常数d33和k33、高相变温度(居里温度tc)、高矫顽电场ec和改进的机械特性的压电单晶，并且对于通过适合于大规模生产单晶的固相状态单晶生长法制造的压电单晶，可以通过开发不包括昂贵原材料的单晶的组成来使压电单晶商业化，并且可以在宽的温度区域中制造并使用利用具有优异特性的压电单晶的压电和介电应用部件。

18、因此，本发明人努力改善电场产生换能器性能的结果，通过应用具有低介电损耗同时具有高介电常数k3t和高压电常数d33和k33的高位移度的压电材料(高应变压电体)同时产生机械振动和电场，并且能够使用所产生的电场和机械振动来开发新型电场-振动产生换能器，并且确认高效率和低电压驱动以及低发热的特性，从而完成本发明。

19、(专利文献1)韩国专利第0564092号(2006年3月27日官方公布)

20、(专利文献2)韩国专利第0743614号(2007年7月30日官方公布)

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的目的在于提供一种能够同时辐射和控制电场和机械振动的电场-振动产生换能器。

3、本发明的另一个目的是提供一种电场-振动产生换能器的制造方法，所述电场-振动产生换能器使用作为高位移度的压电材料的压电单晶或者使用包含该压电单晶的聚合物-压电复合材料。

4、技术方案

5、为了实现上述目的，本发明提供一种同时辐射电场和机械振动的电场-振动产生换能器，其包括：具有钙钛矿型晶体结构([a][b]o3)的压电材料；以及形成在所述压电材料的至少一个表面上的电极，其中，满足所述压电材料的压电常数d33为1,000至6,000pc/n，所述压电材料的介电常数k3t为6,000至15,000，并且所述压电材料的介电损耗为2％以下。

6、对于本发明的电场-振动产生换能器，当电极仅形成在压电材料的任何一个表面上或者电极仅形成在压电材料的两个表面上时，其特征在于电极以使每个电极相对于其材料、形状或面积变化的方式不对称地形成。此时，电极是选自由导电金属、碳、导电陶瓷组成的组的任何一种。

7、对于本发明的电场-振动产生换能器，在压电材料中使用压电单晶或包含该压电单晶的聚合物-压电复合材料。

8、在上述事实中，压电单晶是通过固相单晶生长法生长的压电单晶，更具体地，是由以下化学式1的组成式表示的压电单晶：

9、化学式1

10、[a1-(a+1.5b)bacb][(mn)1-x-y(l)ytix]o3-z

11、在所述式中，

12、a表示选自由pb、sr、ba和bi组成的组的一种或多种元素，

13、b表示选自由ba、ca、co、fe、ni、sn和sr组成的组的至少一种或多种元素，

14、c表示选自由co、fe、bi、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu组成的组的一种或多种元素，

15、l表示由选自zr或hf的一种组成的单一形式或其混合形式，

16、m表示选自由ce、co、fe、in、mg、mn、ni、sc、yb和zn组成的组的至少一种或多种元素，

17、n表示选自由nb、sb、ta和w组成的组的至少一种或多种元素，并且

18、a、b、x、y和z分别表示0≤a≤0.10，0≤b≤0.05，0.05≤x≤0.58，0.05≤y≤0.62，且0≤z≤0.02。

19、对于压电单晶，在所述式中，满足0.01≤a≤0.10的条件和0.01≤b≤0.05的条件，特别是，在所述式中，满足a/b≥2的条件。

20、另外，对于压电单晶，优选的是，在所述式中，满足0.10≤x≤0.58的条件和0.10≤y≤0.62的条件。

21、对于压电单晶，当l表示混合形式时，压电单晶由以下化学式2或化学式3的组成式表示：

22、化学式2

23、[a1-(a+1.5b)bacb][(mn)1-x-y(zr1-w,hfw)ytix]o3

24、化学式3

25、[a1-(a+1.5b)bacb][(mn)1-x-y(zr1-w,hfw)ytix]o3-z

26、在所述式中，a、b、c、m、n、a、b、x、y和z与所述化学式1所示的相同，但w表示0.01≤w≤0.20。

27、根据本发明，在压电单晶的组成中可以按体积比进一步包括0.1至20％的强化第二相p，强化第二相可以是金属相、氧化物相或孔隙。

28、强化第二相p是选自由au、ag、ir、pt、pd、rh、mgo、zro2和孔隙组成的组的至少一种或多种材料，并且强化第二相p以颗粒形式均匀分布在压电单晶内部，或者强化第二相在具有固定图案的同时规则分布。

29、而且，对于本发明的电场-振动产生换能器，在压电材料中使用聚合物-压电复合材料，从而可以提供柔性。

30、对于聚合物-压电复合材料，在聚合物基体中可以包括压电多晶或压电单晶，并且具体地，聚合物基体占10至80体积％的范围。

31、具体地，聚合物-压电复合材料是棒型压电材料嵌入聚合物基体中的1-3型或2-2型复合结构，其中压电复合材料是将压电多晶陶瓷混合到压电单晶中而产生的。

32、上述电场-振动产生换能器显示，辐射的电场的频率为0.01hz至500khz，电场的强度为0.01至100v/cm。

33、而且，辐射的机械振动的频率为0.1hz至3mhz，机械振动的幅度最大为1％。

34、而且，对于本发明的电场-振动产生换能器，压电材料显示可以在其表面上通过孔隙或凹槽(凹槽或通道等)形成表面不均匀。

35、此外，对于电场-振动产生换能器的制造方法，本发明提供一种电场-振动产生换能器的制造方法，其包括：将权利要求1所述的具有钙钛矿型晶体结构([a][b]o3)的压电材料的厚度加工成0.1至100mm；在所述压电材料的两个表面上形成每个外部电极；通过使电压施加到所述每个外部电极来进行极化，从而使压电材料的介电和压电特性最大化；以及部分或全部去除形成在两个表面上的外部电极的任何一个，从而形成不对称结构。

36、在上述事实中，压电材料是具有钙钛矿型晶体结构([a][b]o3)的压电单晶或包含该压电单晶的聚合物-压电复合材料。

37、发明效果

38、本发明的电场-振动产生换能器包括具有低介电损耗(tanδ<2％)同时具有高压电常数(d33＝1,000至6,000pc/n)、高介电常数(k3t＝6,000至15,000)的高位移度的压电材料，因此可以提供能够保持高特性并同时产生电场和机械振动的电场-振动产生换能器。

39、本发明中使用的具有压电特性的压电单晶显示，由于固相单晶生长法而保持高介电常数和高压电常数，并且能够以低工艺成本进行大规模生产，因此当其用于本发明中时，可以加速材料的移动、化学作用和生物反应，并且可以满足用于治疗针对人体和动物的肿瘤的医疗设备的性能改进和价格竞争力。