太阳城集团

  • / 22
  • 下载费用:30 金币  

压电元件.pdf

摘要
申请专利号:

CN201180007532.2

申请日:

2011.01.26

公开号:

太阳城集团CN102714273B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 41/083申请日:20110126|||公开
IPC分类号: H01L41/083 主分类号: H01L41/083
申请人: 埃普科斯股份有限公司
发明人: A.格拉朱诺夫; O.德诺夫塞克
地址: 德国慕尼黑
优先权: 2010.01.27 DE 102010005906.4
专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 张涛;刘春元
PDF完整版下载: PDF下载
法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201180007532.2

授权太阳城集团号:

102714273B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.28|||2012.11.28|||2012.10.03

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及一种压电元件(1),具有由上下叠置的压电层(2,2’,2’’,2’’’,3,3’,3’’,3’’’)和设置在其间的电极层(4,5)组成的堆(1a)。该堆(1a)具有至少一个带有第一压电充电常数的第一压电层(2)和至少一个直接与第一压电层(2)相邻的、带有第二压电充电常数的第二压电层(3)。所述压电充电常数描述当在所述电极层(4,5)上施加电压时压电层(2,3)垂直于电场的伸展。所述第一压电充电常数与所述第二压电充电常数不同。

权利要求书

权利要求书
1.    一种压电元件(1),具有由上下叠置的压电层(2,2’,2’’,2’’’,3,3’,3’’,3’’’)和设置在压电层间的电极层(4,5)组成的堆(1a),其中,该堆(1a)具有至少一个带有第一压电充电常数的第一压电层(2)和至少一个直接与第一压电层(2)相邻的、带有第二压电充电常数的第二压电层(3),其中,所述压电充电常数描述当在所述电极层(4, 5)上施加电压时压电层(2, 3)垂直于电场的伸展,以及其中,所述第一压电充电常数与所述第二压电充电常数不同。

2.    如权利要求1所述的压电元件(1),其中,分别将第一和第二压电层(2, 3)选择为:在该两个压电层(2, 3)之间构成接触边界(6),并且其中所述第一压电层(2)的压电充电常数和所述第二压电层(3)的压电充电常数的差别大到足以使得当在所述电极层(4,5)上施加电压时压电层(2, 3)的伸展导致形成裂缝,所述裂缝位于接触边界(6)的区域内并基本上平行于电极层(4,5)延伸。

3.    如权利要求1或2所述的压电元件(1),其中,所述两个压电充电常数中的一个压电充电常数是两个压电充电常数中另一个压电充电常数的1.2至3.0倍。

4.    如权利要求1至3中任一项所述的压电元件(1),其中,所述第一压电层(2)和所述第二压电层(3)具有不同的居里温度。

5.    如权利要求4所述的压电元件(1),其中,所述第一压电层(2)和所述第二压电层(3)的居里温度之间的差别是20℃至200℃。

6.    如权利要求1至5中任一项所述的压电元件(1),其中,所述第一压电层(2)和所述第二压电层(3)在至少一个下述特性上不同:陶瓷材料、掺杂物质、掺杂物质浓度、原材料的颗粒大小、层厚。

7.    如权利要求6所述的压电元件(1),其中,第一和第二压电层(2, 3)分别具有由多种元素形成的陶瓷材料,其中这些元素分别处于特定的浓度下,以及其中第一和第二压电层(2, 3)在所述陶瓷材料的至少一种元素的浓度方面不同。

8.    如权利要求7所述的压电元件(1),其中,第一和第二压电层(2, 3)分别由具有相同元素的陶瓷材料形成,其中,该陶瓷材料根据该陶瓷材料中至少一种元素的浓度具有两种不同的结构,以及其中,分别这样选择第一和第二压电层(2, 3)中陶瓷材料的至少一种元素的浓度:使得所述第一压电层(2)包括具有第一种结构的陶瓷材料,而所述第二压电层(3)包括具有第二种结构的陶瓷材料。

9.    如权利要求6至8中任一项所述的压电元件(1),其中,第一和第二压电层(2, 3)具有由具有不同颗粒大小的原材料粉末制成的陶瓷材料,其中,该原材料粉末的颗粒大小为大于或等于0.3μm以及小于或等于2.0μm,以及其中,原材料粉末的颗粒大小的差别为大于或等于0.1μm以及小于或等于1.5μm。

10.    如权利要求6至9中任一项所述的压电元件(1),其中,所述第一压电层(2)具有第一层厚,所述第二压电层(3)具有第二层厚,其中,该第一层厚和第二层厚彼此不同,并且其中该第一层厚和第二层厚的比大于或等于1.1以及小于或等于3.0。

11.    如权利要求1至10中任一项所述的压电元件(1),其中,所述堆(1a)具有直接上下叠置的层的序列,其中,该序列由当在所述电极层(4,5)上施加电压时具有第一极性的第一电极层(4)、所述第一压电层(2)、当在所述电极层(4,5)上施加电压时具有第二极性的第二电极层(5)、所述第二压电层(3)以及另一第一电极层(4)形成。

12.    如权利要求1至10中任一项所述的压电元件(1),其中,所述堆(1a)具有直接上下叠置的层的序列,其中,该序列由当在所述电极层(4,5)上施加电压时具有第一极性的第一电极层(4)、所述第一压电层(2)、所述第二压电层(3)、以及与第一电极层相邻的当在所述电极层(4,5)上施加电压时具有第二极性的第二电极层(5)形成。

13.    如权利要求1至12中任一项所述的压电元件(1),其中,所述第一压电层(2)的数量与所述第二压电层(3)的数量不同。

14.    如权利要求1至12中任一项所述的压电元件(1),其中,所述堆具有同样多的第一和第二压电层(2, 3)。

说明书

说明书压电元件
技术领域
本发明涉及一种具有压电层的压电元件。
背景技术
多层压电元件,如多层压电执行器(piezoelektrische Aktoren),包括多个压电材料层。通常在整个执行器中使用同一种压电材料。
在DE 102 34 787 C1和DE 103 07 825 A1中公开了压电执行器。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,描述一种具有改进的特性的压电元件。
说明一种压电元件,其具有由上下叠置的压电层和设置在其间的电极层组成的堆,其中,该堆具有至少一个带有第一压电充电常数的第一压电层和至少一个直接与第一压电层相邻的、带有第二压电充电常数的第二压电层。该压电充电常数描述当在电极层上施加电压时压电层垂直于电场的伸展。第一压电充电常数与第二压电充电常数不同。
特别是,该压电元件可以作为压电执行器以多层构造方式构成。
压电充电常数用作对压电层当在电极层上施加预定电压时垂直于电场的伸展到底有多强的度量。如果将两种具有不同压电充电常数的材料彼此相接触,则由于两种材料在极化期间的不同伸展会在它们的接触边界处出现机械应力的差别。这将促使在两种材料的接触边界处形成裂缝。
这些裂缝可能在执行器的所谓的非活跃区域(即其中仅有被分配了相同极性的电极的区域)内,例如在两个压电层的边界处并由此在电极层的平面内延伸。对于裂缝在过渡到执行器的所谓的活跃区域(其中具有相反极性的电极交替地上下叠置)时不受控地折断的情况,裂缝可能跨接两个或更多电极层。在这种情况下,可能会出现短接,而这可能导致压电执行器的失效。因此多层压电执行器的可靠性和寿命决定性地取决于对可能出现的裂缝的控制。出现的裂缝的折断可以通过第一和第二层的不同的压电充电常数来防止。
对于在此描述的压电元件来说,优选分别这样选择第一和第二压电层:在该两个压电层之间构成接触边界,其中第一压电层的压电充电常数和第二压电层的压电充电常数的差别要大到足以使得当在所述电极层上施加电压时引起这样的裂缝,这些裂缝优选位于接触边界的区域内并基本上平行于电极层延伸。
因此,所述压电元件具有能够预先给定其中产生裂缝的区域的优点。此外可以预先给定出现的裂缝的延伸。特别是通过使用具有不同压电充电常数的压电层可以消减在压电材料中出现的机械应力,使得能够产生受控的并且特别是平行于电极层延伸的裂缝以及能够避免裂缝的非受控折断。由此,能够避免通过非受控出现且延伸的裂缝对两个或更多电极层的跨接。
在一种有利的实施方式中,压电元件不具有多孔的结构。
与压电材料中跨接至少两个电极层的裂缝相反,平行于或至少基本上平行于内部电极延伸的裂缝对执行器的寿命几乎没有限制。在此,“基本上平行”是指,尽管裂缝不必一定完全是直线的并且是数学意义上平行的,但尽管如此以一个主延伸方向沿电极层延伸,并且在此特别是不具有能够跨接两个或更多电极层的延伸。
在压电元件的一种优选实施方式中,两个压电充电常数中的一个压电充电常数是两个压电充电常数中另一个压电充电常数的1.2至3.0倍。
压电层的压电充电常数越大,相应的层垂直于由施加在电极层上的电压产生的具有预先给定强度的电场的伸展就越大。两个充电常数中的一个充电常数是两个充电常数中另一个充电常数的1.2至3.0倍,优选是1.3至2.0倍。基于由此出现的压电层的不同伸展,可以有目的地产生局部应力并再使其消减,使得实现在压电层之间的接触边界上裂缝的有目的的形成和有目的的延伸。由此可以显著提高压电材料的寿命。
第一压电层和第二压电层可以具有不同的居里温度,这可以导致所涉及的层的不同压电充电常数。
居里温度用作对压电层的可极化性的度量并因此作为对该层在预定强度的电场中的可伸展性的度量。压电层的居里温度与所涉及的层的压电充电常数直接相关。特别是随着压电材料的居里温度上升,压电材料的压电充电常数下降,由此该压电材料的可伸展性下降。
在所述元件的一种优选实施方式中,第一压电层和第二压电层的居里温度之间的差别是20℃至200℃。
因此,通过所涉及的对压电层居里温度的选择可以实现压电层在电场中的不同伸展,这导致有目的地形成裂缝,特别是在压电层之间的接触边界上,以及导致裂缝基本上平行于电极层的延伸。第一压电层和第二压电层的居里温度之间的差别可以是20℃至200℃,优选20℃至80℃。居里温度的差别例如可以通过对压电层的、优选不同的掺杂来实现。
在所述元件的一种优选实施方式中,第一压电层和第二压电层在至少一个下述特性上不同:陶瓷材料、掺杂物质、掺杂物质浓度、分别使用的原材料的颗粒大小、层厚。
为了制造具有不同压电充电常数的第一和第二压电层,可以使这些层恰好在上述特性中的一个上不同,或者也可以在上述特性中的多个上不同。在此,如果使第一和第二压电层在恰好一个上述特性上或若干上述特性上不同,则对于制造过程的可处理性以及经济性来说都是有利的。
第一压电层例如可以具有含铅的陶瓷材料,如基于铅‑锆‑钛酸(PZT)的陶瓷材料。第二压电层可以具有无铅的陶瓷材料。替代地,第一和第二压电层可以分别具有无铅的陶瓷材料并且在上述特性之一上、例如陶瓷材料的掺杂上不同。
所述元件的一种实施方式规定,第一和第二压电层分别具有由多种化学元素形成的陶瓷材料,其中这些元素分别处于特定的浓度下。第一和第二压电层可以在陶瓷材料的至少一种元素的浓度方面不同。
对于第一压电层和第二压电层分别由作为陶瓷材料的PZT构成的情况,第一和第二压电层例如可以在钛含量上、即元素钛的相应浓度上彼此不同。
所述元件的一种实施方式规定,第一和第二压电层分别具有由相同化学元素形成的陶瓷材料,其中,陶瓷材料根据该陶瓷材料中至少一种元素的浓度而具有两种不同的结构。分别这样选择第一和第二压电层中陶瓷材料的至少一种元素的浓度:使得第一压电层包括具有第一种结构的陶瓷材料,而第二压电层包括具有第二种结构的陶瓷材料。
换言之,陶瓷材料可以具有所谓的准同形相界,其位于陶瓷材料的第一种结构和第二种结构之间。由此,第一和第二压电层具有一种元素浓度不同的陶瓷材料,从而使所涉及的陶瓷材料根据该一种元素的浓度而具有相变(Phasenübergang),并使第一压电层中的陶瓷材料以不同于第二压电层中陶瓷材料的结构存在。在此准同形相界不必标识严格定义的相变,而是还可以表示在两个晶体结构之间的连续过渡。优选第一和第二结构的不同导致第一和第二压电层中压电充电常数的不同。
PZT例如具有在约50 mol%钛和约50 mol%锆的区域内的准同形相界,在此,这些值取决于陶瓷材料的确切组成。随着钛含量的增加,从约46 mol%钛开始,压电充电常数一直升高至超过该准同形相界,从而对于压电元件来说,例如可以选择第一压电层具有少于46 mol%的钛含量而第二压电层具有约48 mol%的钛含量。
通过对第一和第二压电层选择其元素相同的陶瓷材料,并且该陶瓷材料对于第一和第二压电层来说至少有一种元素在浓度上不同,得到这样的优点:能够准确地控制压电层中的、在第一和第二压电层之间的接触边界上的应力。特别是通过陶瓷材料中至少一种元素的浓度的不同、也就是在上述例子中例如通过改变陶瓷材料中的钛含量,可以匹配第一和第二压电充电常数。
在此可以存在掺杂物质,优选分别相同的掺杂物质以及掺杂物质浓度相同的掺杂物质。对于第一和第二压电层使用相同的掺杂物质特别是在处理压电元件时具有优点,因为用这种方式可以使第一和第二压电层之间的化学异质性保持得很低,并因此对所涉及的压电层的烧结特性没有影响。在这种情况下对第一和第二压电层之间的烧结收缩(Sinterschwund)的特殊匹配是不必要的。
另一实施方式规定,第一和第二压电层具有由不同颗粒大小的原材料粉末制成的陶瓷材料,其中,该原材料粉末的颗粒大小为大于或等于0.3μm以及小于或等于2.0μm,以及其中,原材料粉末颗粒大小的差别为大于或等于0.1μm以及小于或等于1.5μm。
压电元件的陶瓷层可以由所谓的生坯膜(Grünfolien)来制造,其除了如烧结辅助物的其它组成部分外还具有陶瓷粉末。可以例如在丝网印刷方法中将电极层敷设在生坯膜上。然后将生坯膜摞成堆并一起进行烧结。在此,尽管在其化学组成上相同但在烧结过程前原材料粉末的颗粒大小不同的陶瓷材料对于制造具有不同压电充电常数的第一和第二压电层来说可能是合适的。特别是具有较粗原材料粉末的陶瓷材料在烧结过程结束之后通常具有较粗的颗粒,这可以导致压电充电常数的提高并可以由此使压电材料垂直于具有预定强度的电场的伸展更大。
在此,对于颗粒大小优选给出颗粒大小在相应陶瓷材料中的分布的中间值d50。以下将该中间值d50称为颗粒大小d50。第一和第二压电层的原材料粉末的颗粒大小d50在烧结过程之前可以大于或等于0.3μm以及小于或等于2.0μm,并优选大于或等于0.4μm以及小于或等于1.2μm。第一压电层的颗粒大小d50与第二压电层的d50值的差别可以大于或等于0.1μm以及小于或等于1.5μm,并优选大于或等于0.3μm以及小于或等于1.0μm。所述的颗粒大小和颗粒大小差别在同时适当选择第一和第二压电充电常数的情况下尤其对于压电元件的可处理性来说是非常有利的。
此外,第一和第二压电层可以在加入其中的掺杂物质上有所不同。特别是在此第一和第二压电层可以包括具有相同元素和相同的相应元素的浓度的陶瓷材料,其中,向第一压电层的陶瓷材料和向第二压电层的陶瓷材料添加不同的掺杂物质。在此,例如第一压电层可以用钕(Nd)掺杂,而第二压电层则可以用锌(Zn)和铌(Nb)的混合物掺杂。这样的掺杂物质的组合对于PZT的情况是特别有利的,但对于其它陶瓷材料的情况也是有利的。
此外第一和第二压电层可以具有不同的掺杂物质浓度。在此两个层也可以具有相同的掺杂物质。对于PZT作为陶瓷材料以及Zn和Nb的混合物作为掺杂物质的情况,例如第一压电层的掺杂物质浓度可以为2 mol%,而第二压电层的掺杂物质浓度可以为5 mol%。在此,相应的掺杂物质和掺杂物质浓度取决于相应的陶瓷材料和对于第一压电层和第二压电层的优选的压电充电常数。
所述元件的另一实施方式规定,第一压电层具有第一层厚,第二压电层具有第二层厚,其中,该第一层厚和第二层厚彼此不同,并且其中该第一层厚和第二层厚的比大于或等于1.1并小于或等于3.0。
通过设置第一和第二层厚使得能够匹配层中的第一和第二压电充电常数。第一层厚和第二层厚的差别相对于普通层厚来说可以大于或等于1.1并小于或等于3.0,并且优选大于或等于1.3并小于或等于2.5。
根据所述元件的至少一个实施方式,压电元件的堆具有直接上下叠置的层的序列,其中,该序列由当在电极层上施加电压时具有第一极性的第一电极层、第一压电层、当在电极层上施加电压时具有第二极性的第二电极层、第二压电层以及另一第一电极层形成。
因此,在各个在堆方向上相邻的第一和第二电极层之间设置第一压电层,而在相同的第二电极层和另一个与第二电极层相邻的第一电极层之间设置第二压电层。
根据至少一个另外的实施方式,压电元件的堆具有直接上下叠置的层的序列,其中,该序列由当在电极层上施加电压时具有第一极性的第一电极层、第一压电层、第二压电层以及与第一电极层相邻的当在电极层上施加电压时具有第二极性的第二电极层形成。因此,第一和第二压电层都位于一个第一电极层和一个与之相邻的第二电极层之间。
此外,可以将所述的两种直接上下叠置的序列设置在唯一的一个压电元件中。
一种所述压电元件的实施方式规定,第一压电层的数量与第二压电层的数量不同。
压电元件特别可以具有恰好包括一个第二压电层和多个第一压电层的堆。替代地,压电元件还可以具有多个第二压电层。优选堆中所有层的5%‑20%是第二压电层。
本发明的一种实施方式规定,堆具有同样多的第一和第二压电层,从而堆中所有压电层的一半是第一或第二压电层。
附图说明
以下为了阐述在此描述的实施方式,结合图1至图10举例描述本发明的压电元件。
图中:
图1示出压电执行器的示意图; 
图2A和2B示出压电执行器的示意图;
图3A至3C示出根据实施方式的压电材料的示意图;
图4示出根据实施方式的压电元件的示意图;
图5示出根据另一实施方式的压电元件的示意图;
图6示出根据又一实施方式的压电元件的示意图;
图7示出根据另一实施方式的压电元件的示意图;
图8示出作为电场场强E的函数的、两种不同压电材料的伸展D的图;
图9示出作为相应的居里温度TC的函数的、不同压电材料的压电充电常数d31的图;
图10示出作为在基于铅‑锆‑钛酸的压电材料中钛含量T的函数的压电充电常数d31的图。
具体实施方式
在实施例和附图中,对相同或作用相同的组件分别设置相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的大小比例原则上不视为是按比例的,更确切地说,为了更好的可视性或更好的理解,可将各元件,如层、构件、元件以及区域以夸张的厚度或大小示出。
图1示出一个多层的压电执行器,其具有包括多个压电材料层100和设置于压电层100之间的内电极92、93的堆91。在此,在整个执行器中使用相同的压电材料。
为了能够与内电极92、93简单地接触,这样构成执行器:仅使分别被分配了相同电极性的内电极93、92延伸至执行器的边缘区域,即所谓的非活跃区域97。被分配了另一电极性的内电极93、92在该位置上不完全延伸至执行器的边缘。在执行器的一个内部区域中,即所谓的活跃区域96中,具有相反极性的内电极92、93交替地上下叠置。因此内电极92、93分别以梳形结构以彼此交错的梳子的形式构成。通过以在堆91外侧上的金属化结构94、95的形式构成的接触面,可以在内电极92、93上施加电压。
在其中内电极92、93交替地上下叠置的堆91的活跃区域96中,通过在内电极92、93上施加电压构建电场。由此造成执行器的压电材料的伸展。在堆91的非活跃区域97中,通过在内电极92、93上施加电压仅构建起非常小的电场,由此在这些区域中压电材料几乎不伸展。由此特别在非活跃区域97中产生能够引起裂缝的拉应力(参见图2A和2B中的裂缝98和99)。
图2A和2B示出压电执行器的示意图。图2A和2B特别是示出图1中示出的堆91的部分区域。
如图2B所示,在内电极92、93上施加电压时,由于压电材料在活跃区域和非活跃区域中的不同伸展而可以产生裂缝,这些裂缝最大程度地平行于内电极92、93延伸。与图2A中示出的实施例不同,这些最大程度地平行于内电极92、93延伸的裂缝不会导致执行器的失效。
但此外在压电执行器中还产生裂缝98,如图2A所示,这些裂缝在从非活跃区域97过渡到活跃区域96中时断开并且在此如图2A所示可能跨接内电极92、93,从而产生短接。这样的裂缝98将导致压电执行器失效。
图3A至3C示出根据一种实施方式的压电材料的示意图。所述压电材料适合于应用在多层压电执行器中。
在此,如图3A所示,第一压电材料101具有第一压电充电常数d31。第二压电材料102具有第二压电充电常数d31。优选两个充电常数d31中的一个是两个充电常数d31中另一个的1.3至2.0倍。在所示出的实施例中,第二压电充电常数d31大于第一压电充电常数d31。例如,第二压电充电常数d31是第一压电充电常数d31的两倍。但替代地,第一压电充电常数d31也可以具有比第二压电充电常数d31大的值。
在此,压电充电常数d31是对当在电极层(在此未明显示出)上施加电压时压电材料垂直于电场的伸展的度量。
图3B示意性示出在电极层上施加电压之后,当在第一和第二压电材料101、102之间不存在机械接触时第一和第二压电材料101、102的变形。在此,在施加电压时产生的电场通过正号和负号来表示,为简单起见未示出电极层。通过电场引起的变形举例地对压电材料102通过箭头103、104示出。在此箭头103表示材料102垂直于电场的场力线的变形,箭头104表示材料102平行于电场的场力线的变形。在此,具有较大压电充电常数的第二压电材料102较之于第一压电材料101伸展得更多。
如果使压电材料101、102彼此接触并然后一起烧结,则当在(在此未示出的)电极层上施加电压时第一和第二压电材料101、102产生变形,如图3C所示。由于第一和第二压电材料101、102彼此固定连接,因此在两种材料101、102之间的接触边界上由于材料101、102在电场中的不同伸展以及由此在材料101中产生的压应力106和在材料102中产生的拉应力105而产生机械应力。因此在第一和第二压电材料101、102之间的接触边界上形成要在该区域内导致裂缝形成的应力梯度。在此产生的裂缝基本上平行于接触边界并且特别是平行于电极层延伸,从而防止了跨接两个或更多电极层。因此通过不同的压电充电常数d31以及由此而不同的材料101、102的伸展产生机械应力,使得避免和控制非受控地折断的裂缝(参见例如图2A的裂缝98),特别是使平行于电极层延伸的裂缝处于第一和第二压电材料101、102之间的接触边界上。
图4示出根据实施方式的压电元件的示意图。
在图4中示出了压电元件1,其作为压电执行器以多层形式构成并具有由上下叠置的压电层2、2’、3以及设置于其间的第一和第二电极层4、5构成的堆1a。为清楚起见仅有压电层2、2’、3和第一电极层4和第二电极层5的一部分配备了附图标记。虚线用于示出压电层。
堆1a具有至少一个具有第一压电充电常数d31的第一压电层2,和与其直接相邻的至少一个具有第二压电充电常数d31的第二压电层3。第一和第二压电充电常数d31彼此不同。例如,第二压电充电常数d31是第一压电充电常数d31的两倍。但是替代地,还可以使第一压电充电常数d31大于第二压电充电常数d31。为清楚起见未示出堆1外侧上用于使第一和第二电极层4、5相接触并连接到电压的金属化结构。在该实施例中电极层4、5由铜制成。替代地,电极层4、5例如还可以具有以下材料之一或以下材料的混合物:银、铂、铜和钯的合金或混合物、银和钯的合金或混合物、铂和银的混合物或合金。
第一压电层2和第二压电层3分别设置在两个相邻的电极层4、5之间,从而在该实施例中堆1a具有如下层的序列,该序列由当在电极层4、5上施加电压时具有第一极性的第一电极层4、第一压电层2、当在电极层4、5上施加电压时具有第二极性的第二电极层5、第二压电层3和另一第一电极层4形成。在图4示出的实施例中,第一压电层2、2’的数量与第二压电层3的数量不同。特别是压电元件具有恰好一个第二压电层3和多个第一压电层2、2’。此外,该压电元件还可以具有多个第二压电层3(例如参见图5)。
如结合图3A 至3C所述,第一压电层2和第二压电层3的压电充电常数d31不同,使得在第一压电层2和第二压电层3之间的接触边界6上在热处理、金属化、焊剂焊接、极化处理时或在压电元件的运行中通过压电层2、3的垂直于电场的不同伸展产生局部应力。该局部应力导致在接触边界6的区域内形成裂缝。在此这些裂缝基本上平行于电极层4、5延伸。
此外堆1a具有另一个第一压电层2’,其同样直接相邻于第二压电层3设置并与第二压电层3具有另一接触边界6’,在该接触边界上同样可以有目的地形成基本上平行于电极层4、5延伸的裂缝。
在该实施例中,第一压电层2、2’和第二压电层3分别具有基于铅‑锆‑钛酸(PZT)的陶瓷材料。第二压电层3包括具有与第一压电层2、2’不同的成分钛浓度的组成,这导致第一和第二层2、2’、3的压电充电常数d31不同。在示出的实施例中,压电层2、2’、3的层厚相同,但也可以彼此不同。
附加地或替代地,第一和第二压电层2、2’、3在该实施例和其它实施例中在相应的陶瓷材料、掺杂物质、掺杂物质浓度或分别使用的原材料的颗粒大小方面可以不同,以实现第一压电层2、2’和第二压电层3的不同的压电充电常数d31。例如第一压电层2、2’可以具有含铅的陶瓷材料,例如PZT。第二压电层3可以具有无铅的陶瓷材料。
附加地或替代地,通过使第一压电层2、2’和第二压电层3具有不同的居里温度,可以使它们具有不同的压电充电常数d31。
以下还将结合图8至10描述对于压电材料的伸展、相应压电材料的居里温度和压电充电常数d31的实施例。
图5示出根据另一实施方式的压电元件的示意图。
与图4所示的实施例相比,压电元件的堆1a除了具有多个第一压电层2,2’,2’’,2’’’外,还具有多个第二压电层3,3’,3’’,3’’’,其中,第一和第二压电层交替地上下叠置,从而得到多个接触边界6,6’,6’’,6’’’,在这些接触边界上可能有目的地形成裂缝。在示出的实施例中,堆1a具有同样多的第一和第二压电层,从而堆1a中所有压电层的50%构成为第二压电层3。
在该实施例中,堆1a也具有层序列,该序列由当在电极层4、5上施加电压时具有第一极性的第一电极层4、第一压电层2、当在电极层4、5上施加电压时具有第二极性的第二电极层5、第二压电层3和另一第一电极层4形成。
图6和图7示出根据其它实施方式的压电元件的示意图。
在图6和图7中,示出其它压电元件的其它实施例,它们与图4和图5示出的实施例的不同之处在于,第一和第二压电层2、3彼此直接相邻,并且特别是共同设置在第一电极层4和与其相邻的电极层5之间。
根据图6所示的实施例,堆1a中仅一次性在两个相邻的电极层4、5之间设置一个第一压电层2和与其相邻的一个第二压电层3。此外堆1a还包括多个在两个相邻的电极层4、5之间的第一压电层2。
根据图7示出的实施例,在所有相邻的电极层4、5之间都设置有第一和第二压电层2,2’,2’’,2’’’,3,3’,3’’,3’’’。由此在两个相邻的电极层4、5之间分别得到接触边界6,6’,6’’,6’’’,在所述接触边界上可以有目的地形成裂缝。
替代图6和图7所示的实施例,在相邻的电极层4、5之间还可以设置多于一个第一压电层和第二压电层。此外,结合图4和图5所示实施例描述的所有特征也适用于在图6和图7中描述的实施例。
图8以kV/mm示出作为电场场强E的函数的、两种不同的举例示出的压电材料垂直于电场的百分比伸展D的具有曲线7、7’、8和8’的图。由这些压电材料可以制造以上所述实施例的第一和第二压电层。
其垂直于电场的伸展D在曲线7、7’中示出的压电材料具有290 pC/N的压电充电常数d31。其垂直于电场的伸展D在曲线8、8’中示出的压电材料具有170 pC/N的压电充电常数d31。曲线7、8分别示出对应压电材料在构建电场时的伸展D。曲线7’、8’分别示出对应压电材料在电场关闭时的伸展D。因此,在给定的场强E下对于两种压电材料垂直于电场的伸展D在电场关闭时要大于在电场构建时,从而对于相应的压电材料可以观察到磁滞曲线7、7’或8、8’。
对于两种压电材料,伸展D随着电场场强E的上升而增长,直到达到在此示出的约为3 kV/mm的最大场强E。对应于曲线7、7’的材料的压电充电常数d31大于对应于曲线8、8’的材料的压电充电常数d31,在3 kV/mm的最大电场场强E下在垂直于电场的方向上达到直至0.085%的高的伸展D。而具有较小压电充电常数d31的对应于曲线8、8’的材料在3 kV/mm的最大电场场强E下相反具有明显更小的、为0.045%的伸展D。因此,在该实施例中,压电充电常数d31的差别以及由此的各压电材料在最大伸展D上的差别约为2的倍数。
图9示出以pC/N表示的基于PZT的不同压电材料的压电充电常数d31与相应居里温度TC的依赖性。在此压电材料的居里温度TC在约150℃和约350℃之间。充电常数d31的值随着相应材料的居里温度TC的上升而下降。也就是压电材料的居里温度TC越高,该材料在预先给定强度的电场中的伸展就越小。因此通过适当选择压电层的居里温度TC,可以实现层在具有预先给定强度的电场中的不同伸展,这使得可以有目的地形成裂缝,特别是在压电层之间的接触边界上,以及使裂缝基本上平行于电极层延伸。
从图9可以看出,对于具有相同居里温度TC的压电材料,压电充电常数d31的值出现分散,该分散在300℃下位于150 pC/N和240 pC/N之间。这种分散可以由物理效应(如由于陶瓷材料中的缺陷而导致的域转换的阻塞(Blockierung von Domänenumwandlungen))引起。
图10示出表示按照实施例的压电充电常数d31与基于铅‑锆‑钛酸的压电材料中钛含量T的关系的图10。附图标记11表示在钛浓度约为48 mol%时压电材料的准同形相界。可以看到,随着钛含量T的上升在超越准同形相界后压电充电常数d31下降。
对于第一压电层和第二压电层可以选择具有相同组成的陶瓷材料,例如PZT,它们由于陶瓷材料中的相应钛含量T而在准同形相界11的不同侧具有不同的压电充电常数d31。因此例如对于第一压电层可以选择钛含量T小于约48 mol%、优选46mol%(由图10中的点12示出)的材料,而对于第二压电层可以选择钛含量T约为48 mol%(由图10中准同形相界11附近的点示出)的材料,从而使第一压电充电常数d31小于第二压电充电常数d31。
以上明确提到的陶瓷材料仅为示例性的,不应理解为对所述实施方式的限制。更确切地说,以上所述的实施方式和实施例还可以具有与所提到的陶瓷材料不同的压电陶瓷材料。
附图标记列表
1                压电元件
1a               堆
2,2’,2’’,2’’’第一压电层
3,3’,3’’,3’’’第二压电层
4                第一电极层
5                第二电极层
6, 6’             接触边界
7,7’            伸展
8,8’            伸展
9                 压电充电常数
10                压电充电常数
11                准同形相界
12                点
91                堆
92                内电极
93                内电极
94                金属化结构
95                金属化结构
96                活跃区域
97                非活跃区域
98                裂缝
99                裂缝
100               压电层
101               压电材料
102               压电材料
103               垂直于电场场力线的材料变形
104               平行于电场场力线的材料变形
105               拉应力
太阳城集团106               压应力

关 键 词:
压电 元件
  专利查询网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
太阳城集团本文
本文标题:压电元件.pdf
链接地址:http://zh228.com/p-6420961.html
太阳城集团我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们

copyright@ 2017-2018 zhuanlichaxun.net网站版权所有
经营许可证编号:粤ICP备17046363号-1 
 


收起
展开
葡京赌场|welcome document.write ('');