梁雪，李照，朱穎，周妤

（西安創(chuàng)聯(lián)電氣科技（集團）有限責任公司，陜西西安，710065）

0 引言

壓電揚聲器是利用逆壓電效應發(fā)聲的裝置，當壓電陶瓷片上的電極通上電壓信號時，陶瓷片會產(chǎn)生伸縮變形，且陶瓷片和振膜黏結在一起，陶瓷片驅(qū)動振膜產(chǎn)生振動，進而推動空氣振動產(chǎn)生聲壓，發(fā)出聲音[1-2]。和傳統(tǒng)的電聲器件相比，壓電揚聲器外形輕薄，所需聲腔很小，且具有散熱好，壽命長，無磁場、電磁輻射等優(yōu)點；但是存在無磁鐵材料，高壓才能驅(qū)動，低頻響應不是很好，容性負載等問題。目前汽車上的蜂鳴器都是采用壓電蜂鳴器，由于壓電揚聲器存在的問題致使其還未能大規(guī)模應用到汽車揚聲器中。

隨著汽車技術的發(fā)展，希望有能把汽車喇叭和汽車報警器合二為一的發(fā)聲裝置，尤其對于電動汽車，希望這一發(fā)聲裝置能夠模擬發(fā)動機的聲音作為車輛行駛的警示聲音。本文研究多層陶瓷結構的壓電汽車揚聲器，利用多層壓電陶瓷片作為振源，利用振膜推動空氣發(fā)聲，驅(qū)動電壓低，低頻響應好，在低頻下也能達到較高的聲壓[3-4]，頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性優(yōu)良，能夠滿足汽車不同工況下復雜的外界環(huán)境，在電機接線領域具有廣泛適用性。

1 基本原理

壓電陶瓷具有壓電效應。當向壓電陶瓷片施加電壓，壓電陶瓷會拉升，但黏合的金屬板不會伸縮而是彎曲；施以反向電壓，就會向相反方向彎曲。輸入電壓方向相互變化的信號，就會反復出現(xiàn)彎曲交替狀態(tài)，產(chǎn)生聲波。壓電揚聲器就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應來發(fā)聲的。

多層壓電陶瓷片的工作原理如圖1 所示，設多層壓電陶瓷片每層厚度為Tn，層數(shù)為N，總厚度為T。在多層壓電陶瓷片的兩端施加電壓V 時，根據(jù)逆壓電效應，壓電陶瓷片的變形大小ξ 與壓電材料常數(shù)d33有如下關系：

圖1 多層壓電陶瓷片工作原理

因此，相比于單層壓電陶瓷片，多層壓電陶瓷片兩端施加的驅(qū)動電Vn=V/N。當然，增加壓電陶瓷片的層數(shù)必然會增加壓電陶瓷片的厚度，而厚度則是壓電陶瓷揚聲器相比于電動式揚聲器最大的優(yōu)勢，因此層數(shù)不可太多亦不可過少。

2 實驗設計及實驗

2.1 多層壓電汽車揚聲器結構設計

單個多層壓電陶瓷片由電極層和壓電層交替疊壓構成，電極層包括內(nèi)外電極，多層壓電陶瓷片的上下表面為外電極層，壓電層上加工有金屬化微孔，內(nèi)外電極通過金屬化微孔連接。壓電揚聲器發(fā)聲單元包括兩個多層陶瓷片和金屬振膜，兩個多層陶瓷片分別粘貼于振膜上下表面，多層壓電陶瓷片和振膜上分別連接引線，試驗設計的5 層壓電陶瓷片結構如圖2 示。

圖2 5 層壓電揚聲器的結構

2.2 材料選擇設計

2.2.1 壓電陶瓷

應用于揚聲器的壓電電聲陶瓷，要求壓電常數(shù)高，機電耦合系數(shù)高，品質(zhì)因數(shù)低。在壓電陶瓷材料體系，鋯鈦酸鉛（PZT）體系軟性壓電陶瓷d33 較大，是制作壓電揚聲器的首選材料，其除了需要具有高的機電耦合系數(shù)、高的介電常數(shù)、低的機械品質(zhì)因數(shù)外，還需要好的溫度穩(wěn)定性，以滿足低溫燒結多層壓電陶瓷揚聲器的應用。因此，尚需要在現(xiàn)有材料體系基礎上進行材料改性。

根據(jù)壓電陶瓷揚聲器的聲壓級技術要求，本文以Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3為基礎體系，設計配方為0.9(0.52PbZrO3-0.48PbTiO3)-0.06Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.04Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，并進行了摻雜改性[5]，通過固相燒結法制備了d33可達650x10-12C/N 的軟性P5 壓電陶瓷。同時，實驗中采用流延法制備了單層厚度為45μm 的P5 軟性膜片，用以制作多層壓電陶瓷片。

2.2.2 電極材料

為了實現(xiàn)多層壓電陶瓷低溫燒結要求，在生產(chǎn)工藝上通常采用Pt、Pd 等貴金屬作內(nèi)電極。使用Pt、Pd 內(nèi)電極的成本取決于陶瓷的燒結溫度，燒結溫度越高，內(nèi)電極的成本越昂貴。為了降低生產(chǎn)成本，多層結構器件一般采用導電性能良好，價格較低的低含量Pd 的Ag-Pd 漿作為內(nèi)電極[6]。本文中采用軟性P5 壓電陶瓷材料，其燒結溫度在920℃左右。

通過對不同廠家，不同Pd 含量Ag-Pd 漿料與壓電陶瓷的共燒試驗，在滿足低溫燒結、不飛銀，同時成本較低的情況下選擇Pd 含量5%的Ag-Pd 漿料。

2.2.3 振膜材料

依據(jù)壓電揚聲器的頻率和聲壓級要求，要在低頻下（~360Hz）產(chǎn)生較高的聲壓（105dB），需要選擇彈性模量較大的材料。此外，考慮到成本及壓電陶瓷和振膜的匹配性，首選振膜為彈性模量較大的鈹青銅，并使用黃銅和不銹鋼作為備選對比材料。

2.3 多層壓電汽車揚聲器的制作

LTCC壓電汽車揚聲器的制備工藝主要包括：制漿、流延、裁膜、打孔、絲網(wǎng)印刷和疊層（印疊）等靜壓、切割、燒結、極化、粘片、焊線、測試等工序，其工藝流程圖如圖3 所示。

圖3 LTCC 技術制備工藝流程

制漿：該工藝步驟是將復合陶瓷粉、粘合劑、增塑劑以及有機溶劑按照一定的比例配方混合，形成具有一定流動性的漿料。該步驟在整個工藝中起到重要的作用，漿料中各個成分的比例能夠改變所流延膜片的綜合性能和成品的電性能。實驗中采用壓電陶瓷粉料、丁酮、乙醇、PVB 等原料，通過球磨機球磨混勻24 小時獲得流動性良好的漿料。

流延：將制備好的漿料使用流延機流延成一定尺寸（通常為6 英寸、8 英寸）的陶瓷膜片。流延工藝參數(shù)決定著膜片的厚度與均勻性，流延好的膜片附著在PET 膜帶上。實驗中將流延漿料勻速倒入流延缸，調(diào)整好流速和刮刀刀距，在40℃左右烘干獲得壓電陶瓷膜片。

裁膜：使用裁膜機將膜帶卷裁切到一定尺寸，一般為正方形，邊長通常為6 英寸、8 英寸。

打孔：利用機械沖壓、鉆孔或激光打孔技術形成通孔。通孔是在生瓷片上打出的小孔，用在不同層上以互聯(lián)電路。實驗中使用機械打孔機在壓電陶瓷膜帶上進行直接沖孔。

印疊：將一定黏度的金屬導體（金、銀）通過印刷機印刷在膜片的表面，在60℃左右進行烘干形成電路圖形。然后，按照設計的規(guī)則將印刷好的膜片依次疊壓在一起，在一定的溫度和壓力下，膜片相互粘接在一起。實驗中采用95/5Ag-Pb 漿進行電極印刷，并按照設計的壓電汽車揚聲器層數(shù)將多片印好的膜片按一定的次序疊在一起。

等靜壓：使用等靜壓機將印疊好的生坯在一定壓力、溫度下進行溫等靜壓處理。實驗中等靜壓壓力為14psi，溫度為62℃。

切割：將等靜壓后致密生坯通過切割機進行切割，形成單個揚聲器坯體。檢查坯體側面無毛邊，上下表面無壓痕、缺銀，生坯無掉角、無開裂、無分層、電極無連通現(xiàn)象。

燒結：將生坯放在燒結爐中進行燒結，在一定溫度下排除陶瓷膜片中的有機物與水分，在高溫下整個生坯燒結成瓷，在燒結工序中由于金屬導體與陶瓷一起共燒，其相互間的匹配性是LTCC 工藝中最需要解決的問題。實驗中將壓電汽車陶瓷揚聲器生坯放入快速升溫爐中，升溫速度控制在0.5℃/min，燒結溫度為920℃，保溫4 小時。

極化：該工藝的作用是使陶瓷多晶體中的鐵電疇在外加電場作用下沿電場方向定向排列，由各向同性轉變?yōu)楦飨虍愋?，呈現(xiàn)極性，顯示出壓電效應。實驗中將燒結好的多層壓電陶瓷片置于硅油中進化極化，極化溫度90℃。

實驗中利用LTCC 工藝技術制備了3、5、7 不同層數(shù)的多層壓電陶瓷片，設計金屬化微孔的直徑為0.3~0.8mm，壓電陶瓷片和振膜的直徑分別為50mm、75mm，制備工藝流程如圖3 示。將極化后的多層壓電陶瓷片按照設計結構進行粘接，烘膠溫度小于100℃，要求方向保持一致（+.-.+.-）。實驗制備的多層壓電陶瓷片及壓電汽車揚聲器如圖4 所示。

圖4 實驗制備的多層壓電陶瓷片及壓電汽車揚聲器

3 測試結果及分析

3.1 壓電陶瓷性能

3.1.1 壓電陶瓷居里溫度

居里溫度Tc決定了壓電揚聲器的工作溫度。實驗設計的壓電陶瓷制備成測試片，利用相對介電常數(shù)與溫度的變化關系曲線來測量壓電陶瓷的居里溫度。測試升溫范圍為25℃~500℃，每隔5℃記錄一次樣品的電容，計算出介電常數(shù)。圖5 為實驗中壓電陶瓷的介電溫譜曲線，由圖可見其居里溫度為236℃，可以滿足揚聲器實際的工作溫度。

圖5 壓電陶瓷介電溫譜曲線

3.1.2 壓電陶瓷綜合性能

將實驗設計的壓電陶瓷制備成測試片，930℃燒結成型，利用中科院聲學研究所的ZJ 型準靜態(tài)d33測量儀進行壓電常數(shù)的測量，利用安捷倫4291 型阻抗分析儀進行阻抗特性測試，通過計算得到機電耦合系及數(shù)品質(zhì)因素，壓電陶瓷的具體性能如表1 所示，可見實驗中設計的壓電陶瓷介電性能良好，燒結溫度低，滿足多層揚聲器的制作。

表1 壓電陶瓷性能

3.1.3 多層壓電陶瓷片容值

在400Hz 頻率下，利用LCR 電橋?qū)O化后雙面粘接的多層壓電陶瓷片進行電容值測量，具體如表2 所示，可見隨著層數(shù)的增加容值明顯增大，與理論一致。

表2 不同層數(shù)壓電陶瓷片的電容值測量結果

3.2 多層壓電汽車聲頻特性

在驅(qū)動電壓為13V，測試距離2m，背景噪聲30dB的條件下，在電子靜音室對制作的3 層、5 層、7 層壓電汽車揚聲器分別進行聲強測試，聲頻曲線如圖6 所示，可見3 層壓電汽車揚聲器在頻率為350Hz 時聲強最大可達100dB，5 層壓電汽車揚聲器在頻率為360Hz 時聲強最大可達106dB，7 層壓電汽車揚聲器在頻率為420Hz 時聲強最大可達102dB，對于不同層數(shù)的壓電揚聲器不同頻段聲級有所增加，在頻率高于一定值時，聲強明顯衰減。隨著層數(shù)增大，低頻下聲強并未隨層數(shù)增加呈明顯增強趨勢，可見層數(shù)不可太多。實驗中制作的5 層壓電揚聲器在低頻下具有較高的聲強。

圖6 不同層數(shù)壓電揚聲器的聲強-頻率曲線

4 結束語

本文采用Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3體系的壓電陶瓷，具有較高的壓電常數(shù)和居里溫度，同時具有良好的機電性能。文中設計了多層結構的壓電陶瓷芯片，在較低驅(qū)動電壓下可獲得較高的聲強。利用LTCC 工藝技術制備了多層壓電陶瓷片，一定程度減小了壓電揚聲器的體積。對不同層數(shù)的多層壓電汽車揚聲器聲頻特性測試結果表明，多層結構的壓電汽車揚聲器低頻特性較好，其中，5 層壓電汽車揚聲器性能最佳，在頻率為360Hz 時聲強最大，可達106dB。