一種大場強高可靠壓電陶瓷元件及其應用
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，包括位于底層的銅基片，中間層壓電陶瓷，連接固定壓電陶瓷在銅基片上的黏膠層，所述銅基片上連接有第一引腳，所述壓電陶瓷上下表面涂覆有不超過壓電陶瓷直徑的銀電極層，所述銀電極層上通過導電膠還連接有金屬基片，所述金屬基片上焊接有第二引腳。相應的，本發(fā)明還提供了該壓電陶瓷元件的一種應用。本發(fā)明通過導電膠在銀電極層上連接有一金屬基片，將第二引腳焊接于金屬基片上，避免錫焊連引腳時與銀電極層直接接觸，產生熱沖擊導致壓電陶瓷產生裂紋，從而有效改善了壓電泵的性能可靠性，提高了壓電水泵的使用電場強度和壽命。
【專利說明】
一種大場強高可靠壓電陶瓷元件及其應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及壓電陶瓷及電子器件領域，特別涉及一種大場強高可靠壓電陶瓷元件 及其應用。
【背景技術】
[0002] 利用壓電效應制成的壓電陶瓷片，現已廣泛應用于蜂鳴器、超聲波和傳感器等領 域?，F在有不少科技工作者正在研究利用壓電陶瓷片作為動力驅動元件制造壓電栗，壓電 栗的流量和壓力與壓電陶瓷片的驅動電壓幾乎是成正比例關系。壓電水栗是壓電栗中的一 個分支，可以應用水族、電子產品、醫(yī)療等領域。目前，市場上的壓電水栗，產生的流量在 500ml/min以下，流量低，壓力低，難以滿足需求。為提高其水栗的流量，達到^：500ml/min 的標準，會采用提高其電場強度(其電場強度是500伏/mm，170伏/0.35mm)，在陶瓷厚度恒 定的情況下，會提高其工作電壓，從而提高電場強度。
[0003] 傳統的壓電陶瓷片一般包括位于底層的金屬基片、中間的壓電陶瓷以及壓電陶瓷 上的銀電極層，并通過焊接引腳分別與銀電極層和金屬基片引出連接。傳統的壓電元件很 多是采用無鉛焊錫(350±10°C，2秒焊接)或有鉛錫焊焊接(260°C或更高），通常焊點直徑3-4mm，焊點高度1 -1.5mm。在元件的金屬層表面進行高溫焊接時，雖然焊接時間的短暫，但仍 會對壓電陶瓷產生較大的熱沖擊。經分析，因焊接時對壓電陶瓷帶來的熱沖擊，會對金屬層 焊接的陶瓷體引起較大的應力，造成一些明顯或隱性的損傷及缺陷，在較大的場強(300伏/ mm或更大)下持續(xù)工作(振動)時，會由于壓電陶瓷內部裂紋或缺陷，從而會沿有損裂紋的地 方進行擴大。由于現有的壓電片在焊接時會因熱沖擊導致產生可見或不可見的裂紋，在壓 電片持續(xù)工作時，特別是在高電場強度下持續(xù)工作，導致壓電器件的失效，影響產品的正常 使用。
[0004] 此外，受限于上述問題，目前的壓電水栗中壓電元件的耐壓一般為170V/0.35mm (為了保持壓電元件的綜合性能，其厚度通常為〇.35mm固定規(guī)格）。因此，在使用壓電水栗 時，不得不采用降壓電路降低其使用電壓為170V及以下，這一方面需要增加降壓電路的成 本，另外一方面也增加了栗體結構的復雜性。
[0005] 因此，如何改善壓電陶瓷元件的結構，避免焊接時產生裂紋，提高壓電栗的使用壽 命以及性能可靠性成為目前的難題。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，通過導電膠在銀電極層 上連接有一金屬基片，將第二引腳焊接于金屬基片上，避免錫焊連引腳時與銀電極層直接 接觸，產生熱沖擊導致壓電陶瓷產生裂紋，從而有效改善了壓電栗的性能可靠性，提高了壓 電水栗的使用電場強度和壽命。
[0007] 為了實現本發(fā)明的技術目的，本發(fā)明采用如下技術方案。
[0008] -種大場強高可靠壓電陶瓷元件，包括位于底層的銅基片，中間層壓電陶瓷，連接 固定壓電陶瓷在銅基片上的黏膠層，所述銅基片上連接有第一引腳，所述壓電陶瓷上下表 面涂覆有不超過壓電陶瓷直徑的銀電極層，所述銀電極層上通過導電膠還連接有金屬基 片，所述金屬基片上焊接有第二引腳。
[0009] 進一步，所述第一引腳、第二引腳采用錫焊或鉛錫焊分別連接于銅基片和金屬基 片上。
[0010] 第一引腳和第二引腳的作用為引出線，但為了方便下游廠家安裝，一般而言，第一 引腳和第二引腳分別位于銅基片的邊緣和金屬基片的邊緣處。銀電極層也可以選用其它的 電極層，如Ag/Pd電極層、Pd電極層、Pt電極層等，但是由于Pd與Pt較銀價格更高，如無特殊 要求(例如高溫），一般采用銀電極層。銀電極層的直徑應小于等于壓電陶瓷的直徑。
[0011] 進一步，所述銀電極層的厚度為20-50μπι，此處銀電極層厚度太薄則會導致壓電陶 瓷被銀不充分，壓電陶瓷可靠性不能得到保證;銀電極層厚度過厚，則將大幅度提升銀電極 層的成本，因此優(yōu)選20_50μπι，既能保證壓電陶瓷的可靠性，又能兼顧成本要求。
[0012] 優(yōu)選的，所述金屬基片為銅基片、不銹鋼基片或鎳基片中的一種。
[0013] 優(yōu)選的，所述壓電陶瓷的組成為Pbi-x-ySb x MnyCZraTii-a)〇3,其中0<χ<0·15,0< y<0.1，0.51 <a<0.6。采用該組份制成的壓電陶瓷具有較好的壓電性能和機電耦合系數， Kp 可達 0.85。
[0014]其中所述壓電陶瓷PbitySb x MndZraTii-a)03,其中0<χ彡0.15,0<y<0.1，0.51 <a<0.6的制備方法如下： (已）配料：按照化學式卩131^31^]\^(2心1^1-3)0 3，其中0<叉彡0.15,0<7彡0.1，0.51 <a彡0.6,稱取分析純的？匕〇4、5132〇5、]\1113〇4、2抑 2和1102為原料； (b) 并將所述原料于球磨罐中球磨混合2.5小時，其中，原料:去離子水:球磨介質為1: 2.5:1，轉速為750rpm，所述球磨介質為Zr〇2球，得到混合后的粉體； (c) 預燒:將步驟(b)得到的混合后的粉體于氧化鋁坩堝內密封，在950t>105(TC反應 2.5h，得到預燒后粉體； (d) 并將所述預燒后粉體于球磨罐中球磨混合4小時，其中，原料:去離子水:球磨介質 為1:2.5:1，轉速為750rpm，所述球磨介質為Zr〇2球，得到超細粒度（<1微米=的粉體； (e) 成型及排塑:將步驟(d)得到的粉體在60~100°C烘干后流延成膜，沖制成直徑為 25mm，厚度為12.5 ±0.5μπι坯體，將坯體以3°C/min的升溫速率升溫至200°C，再以2°C/min的 升溫速率繼續(xù)升溫至400°C，保溫30min后，再以5°C/min的升溫速率升溫至650°C，保溫 15min，排出坯體中有機物； (f) 燒結:將步驟(e)得到的排出有機物后的坯體在步驟(b)中預燒后的粉體中于1210 °C埋燒2小時，升溫速度為5 °C /min; (g) 被電極:將步驟(f)得到的燒結后的坯體經超聲水洗后烘干被銀電極，于780°C保 溫lOmin后自然冷卻，得到被電極制品； (h )極化:將步驟(g)得到的被電極制品于100 °C的空氣中，施加1.4kV/mm的直流電場， 極化lOmin，得到壓電陶瓷。
[0015]優(yōu)選的，所述銀電極層按質量百分比計，包括95%-98%的銀粉和2%-5%的玻璃相。所 述銀粉的粒徑為20_500nm，銀粉顆粒過大，將會造成銀電極層的銀顆粒數過少，從而導致銀 電極層的被覆性能不穩(wěn)定。
[0016] -種大場強高可靠壓電陶瓷元件的一種應用：按要求，將壓電陶瓷元件接駁好第 一引腳、第二引腳，裝上外殼制成壓電栗。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種用于壓電栗的壓電陶瓷元件，與現有技 術相比，具有如下優(yōu)點。
[0018] 1.通過對壓電陶瓷元件結構的優(yōu)化改進，在銀電極層上通過導電膠連接有金屬基 片，通過將第二引腳焊接于金屬基片上，避免錫焊連引腳時與銀電極層直接接觸，產生熱沖 擊導致壓電陶瓷產生裂紋，從而有效改善了壓電栗的性能可靠性，提高了壓電水栗的使用 電場強度和壽命； 2. 通過對壓電陶瓷元件結構的改善，有效提高了壓電栗的電場工作強度，省去了現有 技術中壓電栗中降壓電路的使用，有效降低了壓電栗的成本； 3. 通過電場工作強度的提高，有效提高了壓電水栗的流量，采用本發(fā)明中的壓電陶瓷 元件改進的壓電水栗，流量可達l〇〇〇ml/min，與現有產品相比，提升幅度在60%以上； 4. 采用本發(fā)明中的壓電陶瓷元件改進的壓電栗，產品可靠性大幅度提升，產品使用壽 命得到提尚。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹： 圖1是本發(fā)明的結構示意圖之一； 圖2是本發(fā)明的結構示意圖之二。
[0020] 圖中：1-銅基片；11-第一引腳;2-黏膠層;3-壓電陶瓷;4-銀電極層;5-金屬基片； 51-第二引腳。
【具體實施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，下面結合 附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用 以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0022]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語"上、"下"、"中間層"、"底層"等指示的方 位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述， 而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因 此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0023]此外，術語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要 性。
[0024] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語"連接"應做 廣義理解，例如，可以是固定連接，一體地連接，也可以是可拆卸連接;可以是機械連接或電 連接，也可以是兩個元件內部的連通;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對 于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
[0025] 參照圖1所示，一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，包括位于底層的銅基片1，中間層 壓電陶瓷3,連接固定壓電陶瓷3在銅基片1上的黏膠層2,所述銅基片1上連接有第一引腳 11，所述壓電陶瓷3上下表面涂覆有不超過壓電陶瓷3直徑的銀電極層4,所述銀電極層4上 通過導電膠還連接有金屬基片5,所述金屬基片5上焊接有第二引腳51。
[0026] 所述金屬基片5的大小應小于銀電極層4的直徑，并且能夠滿足第二引腳51上的焊 接面積即可，對其形狀沒有特別限制，但是一般的為圓形。所述金屬基片5優(yōu)選為銅基片、不 銹鋼基片或鎳基片中的一種。
[0027] 參照圖2所示，所述第一引腳11、第二引腳51采用錫焊或鉛錫焊分別連接于銅基片 和金屬基片上。第一引腳11和第二引腳51的作用為連接引出線，但為了方便下游廠家安裝， 一般而言，第一引腳11和第二引腳51分別位于銅基片1的邊緣和金屬基片5的邊緣處。銀電 極層4的直徑應小于等于壓電陶瓷3的直徑。
[0028] 銀電極層4也可以選用其它材料的電極層，如Ag/Pd電極層、Pd電極層、Pt電極層 等，但是由于Pd與Pt較銀價格更高，如無特殊要求(例如高溫），一般采用銀電極層。
[0029] 優(yōu)選的，所述壓電陶瓷的組成為Pbpx-ySb x Mn^ZrJii-a)03,其中0<x彡0.15,0< y<0.1，0.51 <a<0.6。采用該組份制成的壓電陶瓷具有較好的壓電性能和機電耦合系數， Kp 可達 0.85。
[0030]優(yōu)選的，所述銀電極層按質量百分比計，包括95%-98%的銀粉和2%-5%的玻璃相。所 述銀粉的粒徑為20_500nm，銀粉顆粒過大，將會造成銀電極層的銀顆粒數過少，從而導致銀 電極層的被覆性能不穩(wěn)定。
[0031] 進一步，所述銀電極層4的厚度為20_50μπι，此處銀電極層4厚度太薄則會導致壓電 陶瓷3被銀不充分，壓電陶瓷的可靠性不能得到保證;銀電極層厚度過厚，則將大幅度提升 銀電極層的成本，因此優(yōu)選20_50μπι，既能保證壓電陶瓷的可靠性，又能兼顧成本要求。
[0032] -種大場強高可靠壓電陶瓷元件的一種應用：按要求，將壓電陶瓷元件接駁好第 一引腳、第二引腳，裝上外殼制成壓電栗。
[0033] 下面簡述壓電栗的工作原理:壓電栗一般由壓電振子、栗閥和栗體組成，當壓電振 子兩端施加交流電源U時，壓電振子在電場作用下徑向壓縮，內部產生拉應力，從而使壓電 振子彎曲變形。當壓電振子正向彎曲時，壓電振子伸長，栗腔容積增大，腔內流體壓力減小， 栗閥打開，流體進入栗腔；當壓電振子向反向彎曲時，壓電振子收縮，栗腔容積減小，腔內流 體壓力增大，栗閥關閉，栗腔內的流體被擠壓排出，形成平緩的連續(xù)不斷的定向流動。從壓 電栗的工作過程可看出，壓電振子的質量直接影響壓電栗的壽命。其中，壓電振子的振幅及 其壽命顯得尤為關鍵，壓電振子的振幅越大，可變腔體容積的變化量越大，因此輸送介質的 流量也越大，壓力也越大，而傳統的壓電振子的振幅很小，一般只能達到幾十微米，并與電 壓直接相關，即電壓越大，其振幅越大，反之振幅越小，但過高的提高電壓，則容易導致壓電 振子的壓電陶瓷發(fā)生破裂。
[0034] 壓電陶瓷片是一種利用壓電效應的電子元件，在兩片圓形電極中間放入壓電陶瓷 介質材料，當在兩片電極上面接通交流頻率信號時，壓電陶瓷片會根據信號的大小頻率發(fā) 生震動，在壓電陶瓷片上粘結一塊金屬片，則可構成簡單的壓電振子元件，接通交流電源 后，壓電振子則發(fā)生往復振動。
[0035] 在本發(fā)明中，通過底部的銅基片將壓電陶瓷用黏膠層固定，接通交流電源后，壓電 陶瓷則發(fā)生往復振動，實現電能與機械能的轉化。
[0036] 分別采用本發(fā)明中的壓電陶瓷元件的結構，并將其用于壓電栗中，并與現有的壓 電陶瓷元件制成的壓電栗的性能進行比較。
[0037] 實施例1:原有壓電陶瓷元件制成的壓電水栗，即在銀電極層上直接焊接第二引 腳。
[0038] 實施例2:本發(fā)明壓電陶瓷元件制成的壓電水栗，其中金屬基片為銅基片。
[0039] 實施例3:本發(fā)明壓電陶瓷元件制成的壓電水栗，其中金屬基片為不銹鋼基片。
[0040] 實施例4:本發(fā)明壓電陶瓷元件制成的壓電水栗，其中金屬基片為鎳基片。
[0041] 表1是實施例1-4壓電水栗的性能對比結果。
[0042]表1性能測試結果
注：陶瓷片厚度為0.35mm，工作電壓為170伏，電場強度為：170伏/0.35 mm =500伏/mm 從表1中可以看出，本發(fā)明通過導電膠在銀電極層上連接有一金屬基片，將第二引腳焊 接于金屬基片上，避免錫焊連引腳時與銀電極層直接接觸，產生熱沖擊導致壓電陶瓷產生 裂紋，從而有效改善了壓電栗的性能可靠性，提高了壓電水栗的使用電場強度和壽命。 [0043]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內所作出的任何修改、等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，包括位于底層的銅基片（1)，中間層壓電陶瓷(3)， 連接固定壓電陶瓷（3)在銅基片（1)上的黏膠層（2)，所述銅基片（1)上連接有第一引腳 (11)，所述壓電陶瓷(3)上下表面涂覆有不超過壓電陶瓷(3)直徑的銀電極層(4)，其特征在 于:所述銀電極層(4)上通過導電膠還連接有金屬基片(5)，所述金屬基片(5)上焊接有第二 引腳(51)。2. 根據權利要求1所述的一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，其特征在于:所述第一引腳 (11)、第二引腳(51)采用錫焊或鉛錫焊分別連接于銅基片（1)和金屬基片(5)上。3. 根據權利要求1所述的一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，其特征在于:所述銀電極層 的厚度為20_50μπι。4. 根據權利要求1所述的一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，其特征在于:所述金屬基片 (5)為銅基片、不銹鋼基片或鎳基片中的一種。5. 根據權利要求1-4任一項所述的一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，其特征在于:所述 壓電陶瓷(3)的組成為Pbi-x- ySb x MndZraTii-a)03,其中0<χ彡0.15,0<y<0.1，0.51<a< 0.6〇6. 根據權利要求1-4任一項所述的一種大場強高可靠壓電陶瓷元件，其特征在于:所述 銀電極層(4)按質量百分比計，包括95%-98%的銀粉和2%-5%的玻璃相。7. 根據權利要求1-6任一項所述的一種大場強高可靠壓電陶瓷元件的一種應用，其特 征在于:按要求，將壓電陶瓷元件接駁好第一引腳、第二引腳，裝上外殼制成壓電栗。
【文檔編號】H01L41/047GK106025057SQ201610532277
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】姜知水, 歐明, 俞真, 文理, 董進杰
【申請人】廣東捷成科創(chuàng)電子股份有限公司