徐全吉，袁家軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060)

0 引言

國外對壓電材料體系的研究起步較早，已有一系列成熟應(yīng)用的低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器的產(chǎn)品。而國內(nèi)還處于材料開發(fā)及器件驗(yàn)證材料性能的階段，尚無系列化的工程應(yīng)用。本文通過對低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器調(diào)整生瓷配方，降低燒結(jié)溫度，設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)，使變壓器的輸入、輸出升壓比達(dá)到1 200。

1 原理

壓電陶瓷材料具有獨(dú)特的極化特性和壓電特性。極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場的作用下，內(nèi)部電疇與外加電場的取向一致；壓電特性是指在一個(gè)極化好的壓電陶瓷材料上施加壓力后，會(huì)有自由電荷流入外接電路，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，反之則稱為逆壓電效應(yīng)。壓電陶瓷變壓器的基本原理是利用輸入交變電壓的激發(fā)使壓電陶瓷片處于機(jī)械簡諧振動(dòng)狀態(tài)，再由輸出端電極利用壓電效應(yīng)將高應(yīng)變產(chǎn)生的機(jī)械能換成同頻率的電能，從而完成電能機(jī)械能電能的能量傳遞過程。通常要求輸入電壓頻率與壓電陶瓷的固有頻率一致，這樣陶瓷片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械共振現(xiàn)象，從而有效地傳遞能量。

壓電陶瓷變壓器的基本原理如圖1所示。由圖可知，整個(gè)陶瓷片分成驅(qū)動(dòng)部分和發(fā)電部分，即驅(qū)動(dòng)部分作為輸入端，沿厚度方向極化；發(fā)電部分作為輸出端，沿長度方向極化。圖中，w為器件寬度；p為極化強(qiáng)度；L為驅(qū)動(dòng)或發(fā)電部分長度；t為變壓器的厚度。

圖1 壓電陶瓷變壓器基本原理

當(dāng)壓電變壓器處于空載的情況下，整個(gè)系統(tǒng)處于諧振時(shí)的升壓比：

(1)

式中：Qm為材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)；K31、K33為材料的機(jī)電耦合系數(shù)；Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓。

2 器件設(shè)計(jì)

2.1 材料設(shè)計(jì)

鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，燒結(jié)溫度為1 200～1300 ℃。因PZT壓電陶瓷具有電性能優(yōu)異，性能穩(wěn)定，制造方便及成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種壓電陶瓷器件領(lǐng)域中，本文中的新型器件就是采用該體系材料制作的。

壓電陶瓷材料的最高燒結(jié)溫度主要取決于其配方的化學(xué)組成。降低多層共燒壓電陶瓷變壓器的燒結(jié)溫度是選擇合適的、具有較高燒結(jié)活性的低熔點(diǎn)添加物，并與基料組成合理的匹配[1]。在燒結(jié)過程中，低熔點(diǎn)活性添加物作為過渡液相促進(jìn)燒結(jié)，而在后期作為最終相進(jìn)入主晶格中起改性的作用。這樣在保持較好壓電性能不變的同時(shí)降低材料的最高燒結(jié)溫度。因此，要想在低溫共燒情況下得到優(yōu)良的壓電陶瓷材料，須選用合適的助燒劑。

PZT基壓電陶瓷常用的低溫助燒劑材料如表1所示。常規(guī)壓電陶瓷為了降低燒結(jié)溫度通常采用摻雜CdO或Li2CO3，或摻雜二者混合物的方式進(jìn)行，但均不能將燒結(jié)溫度降低到1 000 ℃以下，并且還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)電極的銀遷移失效，不能滿足要求。

表1 常用低溫助燒劑

低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器采用摻雜低熔點(diǎn)玻璃(B-Bi-Cd)制成生瓷帶，使陶瓷材料的燒結(jié)溫度降至950 ℃以下，壓電性能有所提高，同時(shí)能耗降低，并減少了PbO的揮發(fā)污染[2]。

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2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由式(1)可知，如果想大幅提升壓電陶瓷變壓器的升壓比，除了采用具有高的Qm和K31、K33參數(shù)的材料外，還可以通過改變壓電變壓器的長度和厚度來獲得所需的升壓比。設(shè)計(jì)時(shí)增加器件的長度或減薄器件的厚度可增大器件的長厚比，但由于陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度無法支撐大尺寸器件，特別是長厚比較大的器件，因此不能無限地增加器件的長度或減薄器件的厚度。將變壓器的驅(qū)動(dòng)部分做成多層結(jié)構(gòu)，不需減薄器件就可得到較小的厚度，在減小器件體積、節(jié)省材料及提高輸出功率的同時(shí)提升器件的整體強(qiáng)度[3]。

本文研究的器件樣品結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知，多層壓電陶瓷變壓器的外形尺寸約為35 mm×4.8 mm×1 mm，輸入端有10層，每層厚為0.1 mm，內(nèi)電極采用叉指結(jié)構(gòu)，電極厚約為6 μm。器件樣品的基本特性如表2所示。表中數(shù)值為樣品平均值，d31、d33分別為輸入端沿厚度方向和輸出端沿長度方向的壓電常數(shù)，ε33為估算的介電常數(shù)。

圖2 多層壓電陶瓷變壓器結(jié)構(gòu)圖

表2 樣品基本特性

壓電陶瓷變壓器多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)首先要考慮分層問題。因作為內(nèi)電極的銀漿中玻璃和有機(jī)樹脂的含量較少，所以印刷銀基電極后多層陶瓷間附著力會(huì)更差，在燒結(jié)后易出現(xiàn)分層或開裂問題，既不能使器件的性能穩(wěn)定，也會(huì)降低器件的可靠性。通常有兩種方式可解決這個(gè)問題：

1)將內(nèi)電極的面積減小或變成柵格，但這樣會(huì)降低器件的性能。

2)刷涂粘接劑，但這會(huì)降低加工效率，且會(huì)造成燒結(jié)過程的鼓泡缺陷。

通過深入分析影響多層低溫共燒壓電陶瓷層間膠結(jié)強(qiáng)度的因素及生瓷片層間膠結(jié)原理，確定了層壓工藝的關(guān)鍵參數(shù)，通過對熱熔樹脂物理特性的優(yōu)化，預(yù)熱及施壓工藝調(diào)整，合理設(shè)置預(yù)熱溫度、壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了多層壓電陶瓷的有效層壓，解決了多層陶瓷層間分層或開裂問題，提高了器件的加工成品率和長期可靠性。圖3為多層壓電陶瓷變壓器剖面圖。

圖3 多層壓電陶瓷變壓器剖面圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第2節(jié)的設(shè)計(jì)方案制作了低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器，采用低熔點(diǎn)玻璃(B-Bi-Cd)作為低溫助燒劑，通過對樣品的晶粒輪廓清晰程度，晶格分布均勻性、燒結(jié)致密性等進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，摻雜后的低溫共燒壓電陶瓷的最佳燒溫度為910 ℃，燒結(jié)后的樣品層間膠結(jié)緊密，無分層或氣泡的現(xiàn)象。樣品按照二倍壓測試電路連接(見圖4)，測得壓電陶瓷變壓器的輸入、輸出特性曲線如圖5所示。

圖4 低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器基本測試電路

圖5 輸入、輸出電壓的關(guān)系

由圖5可知，低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器具有很高的交流升壓比，輸入較小的電壓可得到較大的輸出電壓，且該輸出電壓與層數(shù)和厚度有關(guān)，層數(shù)越多、厚度越大則升壓比越高。圖6為升壓比與頻率間的關(guān)系特性圖，由圖可知，升壓比隨著頻率的變化而不斷地變化，當(dāng)頻率為53.8 kHz時(shí)，升壓比達(dá)到最大值，此頻率為變壓器的諧振頻率。

圖6 升壓比與頻率關(guān)系特性

4 結(jié)束語

本文介紹了一種新型的低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器，提出了采用低熔點(diǎn)玻璃作為低溫?zé)Y(jié)助燒劑的新思路。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在顯著降低壓電陶瓷材料燒結(jié)溫度的同時(shí)提升了壓電材料的整體性能；設(shè)計(jì)了多層結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分，在大幅提升變壓器效率和升壓比的同時(shí)保證器件的機(jī)械強(qiáng)度，完成了該器件升壓比大于1 000的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

壓電陶瓷變壓器未來的發(fā)展方向是小型化、輕量化、高性能、高可靠性。低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器在通信、航空、探測計(jì)算機(jī)和軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。