專利名稱：壓電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電器件。特別是，本發(fā)明涉及在被激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移的器件。在其它方面，本發(fā)明還涉及制造這種壓電器件的方法。
壓電材料在受到所施加電場的電激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，或者相反，它可響應(yīng)于所施加的變形而產(chǎn)生電場。已知有許多類型的壓電器件，其使用了設(shè)有電極的壓電材料來施加電場或檢測電場。
最簡單類型的壓電器件是壓電材料塊，其通過在極化方向上施加激勵(lì)電壓而以膨脹-收縮的方式被激勵(lì)。然而，由于壓電效應(yīng)較小，通常在10-10m/V的數(shù)量級(jí)，因此尺寸的變化相對(duì)較小，對(duì)于典型的器件來說不足1微米。因此，已經(jīng)開發(fā)出了具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓電器件，以便實(shí)現(xiàn)較大的位移。
例如，壓電器件的一種已知結(jié)構(gòu)為彎曲件結(jié)構(gòu)，例如具有兩層壓電材料的雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)或具有超過兩層壓電材料的多壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)。在彎曲件結(jié)構(gòu)中，這些層就膨脹-收縮方式被激勵(lì)，在層之間的長度方面具有不同的變化，通常是一個(gè)層膨脹而另一層收縮。由于這些層相互連接在一起而受到限制，因此，長度的這種不同變化就伴隨有圍繞橫穿過層的軸線沿厚度方向的彎曲。因此，在器件的端部處存在著相對(duì)位移。


圖1顯示了具有雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)的壓電器件1，圖1是沿器件1長度的剖視圖。壓電器件1為已知的類型，例如在“反彎的壓電應(yīng)變放大激勵(lì)器系統(tǒng)”，Ervin和Brei，IEEE/ASME Transactionson Mechatronics，第3卷第4期，1998年12月中所公開的那種。器件1包括兩層平行的壓電材料層2。中心電極3在兩個(gè)層2之間沿器件1的整個(gè)長度平行于層2延伸，而外部電極4在層2之外沿器件1的整個(gè)長度平行于層2延伸。層2在沿器件1長度上的兩個(gè)半體5和6中沿相反的方向被極化，各層2在各半體5和6內(nèi)沿相反的方向被極化，如箭頭P所示。
通過對(duì)外部電極4施加相反極性的激勵(lì)電壓，同時(shí)保持中心電極3接地，從而形成如箭頭E所示的在兩個(gè)層2上均為相同方向的電場，便可電激勵(lì)器件1。作為極化P和電場E的相對(duì)方向的結(jié)果，在各半體5和6中，器件1垂直于層1而彎曲，但在兩個(gè)半體5和6內(nèi)具有相反的曲率。因此，如圖2所示，這一彎曲在器件1的端部7和8之間引起了相對(duì)位移，其量為d。此外，由于兩個(gè)半體5和6具有相等的長度，并且器件1的結(jié)構(gòu)沿其長度是均勻的，因此在端部7和8之間不存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
然而，對(duì)于這種已知的結(jié)構(gòu)來說，位移d的大小受到器件1的長度的限制，而器件1的長度本身受到實(shí)際因素的限制。為了得到更大的位移，上面引用的Ervin和Brei的文章還公開了如圖1所示類型的單獨(dú)器件1的陣列，它們機(jī)械式地串聯(lián)且相互平行，使得總位移等于串聯(lián)在一起的器件的位移總和。這種陣列在原理上是有利的，但在實(shí)踐中很難制造。特別是，尤其隨著陣列中的器件數(shù)量增多，很難將所有器件在該陣列內(nèi)正確地對(duì)齊、物理性相連且電連接。例如，Ervin和Brei的文章報(bào)道了一個(gè)實(shí)用的實(shí)施例，其中在器件之間通過環(huán)氧樹脂將各個(gè)層粘合，這使得制造是繁重的過程，要求在構(gòu)建陣列時(shí)高精度地正確對(duì)齊各器件。另一問題是在端部7和8之間產(chǎn)生的杠桿作用。這意味著器件之間的連接必須充分地不具剛性，以防止杠桿剛性會(huì)使整個(gè)器件1扭轉(zhuǎn)，這種情況會(huì)減小所需方向上的位移。
希望提供一種具有這樣結(jié)構(gòu)的器件，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的位移，同時(shí)制造起來比較容易。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種壓電器件，包括交替地來回延伸的連續(xù)壓電元件，其形成了多個(gè)堆疊在一起的平行的筆直部分，并在筆直部分的相對(duì)端部處形成了中間連接部分，各筆直部分構(gòu)造和設(shè)置有電極，其可在被激勵(lì)時(shí)沿著堆疊筆直部分的堆疊方向并以在筆直部分的兩個(gè)半體中具有相反曲率的形式而彎曲，從而在筆直部分的端部之間產(chǎn)生了沿著堆疊方向的位移。
在這種壓電器件中，在被激勵(lì)時(shí)，各筆直部分以在其兩個(gè)半體中具有相反曲率的形式而彎曲，從而在各筆直部分的端部之間產(chǎn)生了相對(duì)位移。因此，各筆直部分自身以與上述已知的器件1類似的方式工作。然而，由于壓電器件具有堆疊設(shè)置的多個(gè)平行的筆直部分，因此在被激勵(lì)時(shí)位移便通過該堆疊體而串聯(lián)地加在一起。因此，可以得到與各筆直部分的位移之和相等的總位移。這意味著壓電器件可被設(shè)置成能產(chǎn)生較大的位移?？偟膩碚f，通過選擇適當(dāng)數(shù)量的筆直部分，就可以實(shí)現(xiàn)任何所需的位移。此外，可以實(shí)現(xiàn)這種較大的位移，同時(shí)將單個(gè)筆直部分的長度保持在較低的水準(zhǔn)，從而避免上述類型的問題。
此外，在將壓電器件形成為交替地來回延伸的連續(xù)壓電元件時(shí)，壓電器件制造起來比較簡單。例如，根據(jù)壓電元件的結(jié)構(gòu)，它可通過使連續(xù)壓電元件產(chǎn)生變形來形成，或通過切割壓電元件薄片以形成從該薄片的相對(duì)側(cè)面延伸出來的交迭縫隙來形成。與機(jī)械式串聯(lián)相接的單個(gè)壓電器件的陣列相比，不存在正確地對(duì)齊、物理性連接以及將單個(gè)器件電連接在一起的困難。
可以設(shè)計(jì)出能導(dǎo)致彎曲的不同類型結(jié)構(gòu)的壓電元件。
在第一種類型的結(jié)構(gòu)中，壓電元件具有彎曲件結(jié)構(gòu)，最好是包括有兩層壓電材料的雙壓電晶片的彎曲件結(jié)構(gòu)，然而也可以是單壓電晶片或多壓電晶片的彎曲件結(jié)構(gòu)。
通過這種彎曲件結(jié)構(gòu)，就能夠比較簡單地制造壓電器件，這是通過將直的可變形的連續(xù)壓電元件的一些間隔開的部分彎曲180°，形成中間連接部分并在它們之間留下筆直部分來實(shí)現(xiàn)的。
或者，根據(jù)本發(fā)明，雙壓電晶片彎曲件的連續(xù)的和共焙燒的(co-fired)堆疊體可采用固體堆疊的多層壓電陶瓷領(lǐng)域中已知的工藝和方法來制造，但對(duì)它們進(jìn)行一些新穎的改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)堆疊的反彎或S形的彎曲件。
在第二種類型的結(jié)構(gòu)中，連續(xù)壓電元件是壓電材料的薄片，其具有從相對(duì)的側(cè)面延伸出來的交迭縫隙，從而在這些縫隙之間形成了筆直部分，并且在薄片的各主要表面上成對(duì)地設(shè)置了相反的電極，它們沿筆直部分延伸并分隔開。
通過這種結(jié)構(gòu)，在筆直部分上分隔開了兩對(duì)相反的電極。在被激勵(lì)時(shí)，在各對(duì)相反的電極之間產(chǎn)生了電場，電場平行于壓電材料被極化的方向。結(jié)果，各對(duì)相反的電極之間的壓電材料以膨脹-收縮方式被激勵(lì)，因此沿著筆直部分產(chǎn)生了不同的長度變化。在使用中，筆直部分被激勵(lì)，并且各對(duì)相反的電極之間的材料在長度上產(chǎn)生了不同的變化。由于形成為一體，因此這兩個(gè)區(qū)域受到約束，這樣，長度的不同變化伴隨有筆直部分的側(cè)向彎曲，這種彎曲是圍繞著平行于薄片厚度的軸線來進(jìn)行的。這與發(fā)生在具有已知的彎曲件結(jié)構(gòu)的器件中的彎曲形成了對(duì)比，在已知的彎曲件結(jié)構(gòu)中，彎曲垂直于層的厚度而產(chǎn)生，即圍繞著橫穿過層的軸線來進(jìn)行。
第二種類型的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于它比相當(dāng)尺寸的第一種類型的結(jié)構(gòu)、即已知的彎曲件結(jié)構(gòu)的器件更剛硬，因而產(chǎn)生了更大的力。這是由于彎曲發(fā)生在筆直部分的寬度上而不是發(fā)生在薄片的厚度上的事實(shí)而帶來的。在要求壓電器件移動(dòng)更大質(zhì)量的許多應(yīng)用中，產(chǎn)生更大的力是有利的。
另外，第二種類型的結(jié)構(gòu)在制造方面提供了若干優(yōu)點(diǎn)。首先，制造根據(jù)本發(fā)明壓電器件比較簡單，通過在壓電材料的薄片中切出交迭的縫隙即可。
在第二種類型的結(jié)構(gòu)中，其制造比第一種類型的結(jié)構(gòu)更簡單，并且成本更低，這是因?yàn)橛捎跊]有埋入式電極，該結(jié)構(gòu)允許在焙燒壓電材料薄片后再施加所有電極。
在已知的雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)中，至少中心電極必須在燒結(jié)壓電元件時(shí)與各層一起共焙燒。因此，中心電極必須使用能夠耐受燒結(jié)期間的高溫的材料，例如貴金屬。這種材料比較昂貴。相反，由于在第二種類型的結(jié)構(gòu)中不存在埋入式電極，電極可在燒結(jié)薄片后施加，例如通過無電淀積或通過沉積金屬墨水來實(shí)現(xiàn)。這就簡化了制造，避免了需要用可耐受燒結(jié)的昂貴材料來形成電極。這一優(yōu)點(diǎn)源于器件的幾何形狀，其中電極對(duì)在筆直部分的寬度上間隔開，而不是在多層元件的厚度上間隔開。
為了更好地進(jìn)行理解，下面將通過非限制性示例并參考附圖來介紹本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1是具有雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)的已知壓電器件的剖視圖，該剖視圖是沿器件的長度來進(jìn)行剖切的；圖2是圖1所示的壓電器件在被激勵(lì)時(shí)的剖視圖。
圖3是壓電器件的透視圖，其包括具有雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)的壓電元件；圖4是圖3所示的壓電器件在被激勵(lì)時(shí)的透視圖；圖5和6分別是雙壓電晶片彎曲件的連續(xù)堆疊體的一部分的剖視圖和分解視圖；圖7是用于制造多個(gè)壓電器件的薄片形式的可變形元件的透視圖；圖8是用于彎曲可變形元件的第一裝置的側(cè)視圖；圖9是用于彎曲可變形元件的第二裝置的側(cè)視圖；圖10和11是形式為薄片的其它可變形元件的透視圖；圖12和13是在彎曲后在圖10和11所示薄片上進(jìn)行的蒸發(fā)沉淀工藝的側(cè)視圖14是壓電器件的透視圖，其包括具有第二種類型結(jié)構(gòu)的壓電元件；圖15是包括具有第二種類型結(jié)構(gòu)的壓電元件的壓電器件的側(cè)視圖；和圖16是具有交替電極結(jié)構(gòu)的中間連接部分的局部側(cè)視圖。
下面將介紹具有連續(xù)壓電元件的壓電器件，該壓電元件具有可在被激勵(lì)時(shí)彎曲的兩種類型的結(jié)構(gòu)。在這兩種情況下，壓電材料沿著元件是連續(xù)的。使用其它可在被激勵(lì)時(shí)彎曲的結(jié)構(gòu)同樣可實(shí)施本發(fā)明。
連續(xù)壓電元件的第一種類型的結(jié)構(gòu)是彎曲件結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)。
圖3顯示了包括具有雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)的連續(xù)壓電元件的壓電器件10，該結(jié)構(gòu)由兩層平行的壓電材料層11構(gòu)成。在垂直于層11的方向上，壓電元件10具有矩形截面，該截面沿著元件10的長度是均勻的。元件10具有平行于層11而延伸的成對(duì)的外部電極12以及一個(gè)中心電極13。為清晰起見，在圖中層11在垂直于層11的方向上的厚度被放大了。層11可由任何壓電材料制成，例如為壓電陶瓷如鋯鈦酸鉛(PZT)，或者是聚合物如聚偏氟乙烯(PVDF)。
對(duì)連續(xù)壓電元件11進(jìn)行彎曲，使其交替地來回延伸，形成了多個(gè)平行的筆直部分14，它們?cè)O(shè)置成相互重疊，從而形成了一個(gè)沿著堆疊方向S的堆疊體。連續(xù)元件10在圖3中顯示為具有三個(gè)筆直部分14，這僅是出于說明的目的。通常來說，元件10可進(jìn)一步交替地來回延伸，從而形成任意數(shù)量的筆直部分14。連續(xù)壓電元件10上的處于筆直部分14之間的部分15被彎曲了180°，這樣便在堆疊體上形成了位于筆直部分14的相對(duì)端部處的連接部分15。
中心電極13沿著元件10的整個(gè)長度延伸，而外部電極12在元件10的長度上被分隔開。具體地說，外部電極12在各筆直部分14的長度上于兩個(gè)半體16和17分隔開一定的間隙18，使得外部電極12的對(duì)在兩個(gè)半體16和17之間電絕緣。這兩個(gè)半體16和17最好具有相等的長度。為清晰起見，間隙18在圖3中顯示為被放大的長度，但在實(shí)際上它可以是任何足以將沿各筆直部分14延伸的兩對(duì)外部電極12隔開的尺寸。為了防止間隙18對(duì)元件10的操作有明顯的影響，間隙18最好比筆直部分14的長度短至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。外部電極12在相鄰的筆直部分14之間圍繞著連接部分15連續(xù)地延伸，但這并非是必需的。
在使用中，外部電極12與一個(gè)電路(未示出)電連接，其用于在被激勵(lì)時(shí)在外部電極12之間提供電壓或檢測該電壓。如下文中更詳細(xì)地介紹，元件10的結(jié)構(gòu)設(shè)置避免了需要在被激勵(lì)時(shí)形成到中心電極13的電連接。
在各筆直部分14的各半體16和17中，層11沿相同的方向P被極化。極化方向P相對(duì)于層11而言在元件10的長度上處于相同的方向，這樣，由于連接部分15彎曲了180°，因此對(duì)于堆疊體上的連續(xù)筆直部分14來說，極化方向P處于交替的方向。
在元件10的使用期間，在外部電極12上施加激勵(lì)電壓，從而在層11上產(chǎn)生了能夠促動(dòng)層11的電場E。在激勵(lì)期間所施加的電場E的方向總是平行于極化方向，因此層11要么膨脹要么收縮，這取決于電場E和極化P的相對(duì)激勵(lì)。在各筆直部分14的各半體16和17中，極化P和所施加電場E的相對(duì)方向選擇成使得其中一個(gè)層11膨脹而另一個(gè)層11收縮。這就使得各筆直部分14的各半體16和17圍繞著橫穿過筆直部分并平行于層11而延伸的軸線彎曲，這是因?yàn)閷?1因通過中心電極13連接在一起而受到約束。
為了進(jìn)行電激勵(lì)，對(duì)所有的外部電極12同時(shí)施加激勵(lì)電壓，其極性如下所述。施加在器件一側(cè)上的各筆直部分14的半體16的外部電極12上的激勵(lì)電壓的極性為第一極性，而施加在各筆直部分14的另一半體17的所有外部電極12上的激勵(lì)電壓為相反的第二極性。結(jié)果，在中心電極13上感應(yīng)了電壓，其處于施加到兩個(gè)半體16和17中的外部電極12上的電壓的中間。所施加的激勵(lì)電壓最好為相同的大小，這樣，由于器件是對(duì)稱的，因此中心電極便在0V的感應(yīng)電壓左右飄游，就象它被接地一樣。結(jié)果，對(duì)于兩個(gè)層11來說，在沿元件10長度上的所有點(diǎn)處，所施加的電場E均處于相反的方向。此外，對(duì)于各筆直部分14的各半體16和17來說，在單個(gè)給定層11上的施加電場E處于相反的方向。因此，筆直部分14以在兩個(gè)半體16和17中存在相反曲率的方式而彎曲。
在圖4中顯示了在被激勵(lì)時(shí)的器件。由于筆直部分14沿堆疊方向S彎曲，并且在兩個(gè)半體16和17中存在相反的曲率，這就使得在各筆直部分14的端部之間存在著沿堆疊方向的相對(duì)位移。此外，各筆直部分14的端部之間的相對(duì)位移在筆直部分14的堆疊體上串聯(lián)地相加，從而使元件10的端部產(chǎn)生相對(duì)位移。
優(yōu)選但不必需使電極12和13在可能保持不被促動(dòng)的連接部分15的周圍連續(xù)地延伸。由于電極12和13在連接部分15的周圍連續(xù)地延伸，因此連接部分的激勵(lì)就為元件10的端部之間的位移提供了額外的貢獻(xiàn)。具體地說，在被激勵(lì)時(shí)，連接部分15彎曲并向外打開，使得與之相鄰的筆直部分14產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致筆直部分用作懸臂梁，這就使元件10的端部進(jìn)一步移動(dòng)。在這種情況下，優(yōu)選設(shè)置偶數(shù)數(shù)量的連接部分15(即奇數(shù)數(shù)量的筆直部分14)，使得由連接部分15的激勵(lì)所引起的旋轉(zhuǎn)在元件10的半體16或17的連接部分之間被抵消。
也可采用極化P和電場E的方向的其它組合，以在被激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生相同的彎曲。
作為圖3所示的元件10的雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)的一種替代，本發(fā)明還可應(yīng)用于具有由一層壓電材料和一層非活性材料構(gòu)成的單壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)的元件中，或應(yīng)用于具有由超過兩層壓電材料構(gòu)成的多壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)的元件中。這種彎曲件結(jié)構(gòu)本身是已知的，其以與上述雙壓電晶片彎曲件結(jié)構(gòu)大致相同的方式操作。
通過對(duì)外部電極12施加激勵(lì)電壓便可電氣式促動(dòng)壓電器件，從而在元件10的端部之間導(dǎo)致機(jī)械位移。在這種情況下，器件可用作執(zhí)行元件，其能夠使置于元件端部上的物體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。反過來，通過使元件10的端部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)便可機(jī)械式促動(dòng)壓電器件，從而在外部電極12上產(chǎn)生激勵(lì)電壓。在這種情況下，由于能檢測激勵(lì)電壓，因此壓電器件可用作傳感器。
下面將介紹包括有第一種類型結(jié)構(gòu)的元件的壓電器件的制造方法。
該方法主要包括提供直的可變形的連續(xù)壓電元件10，其具有所需的彎曲件結(jié)構(gòu)，使該元件的一些間隔開的部分彎曲180°以形成中間連接部分15，并在中間連接部分15之間留下筆直部分14。為了能夠進(jìn)行這種彎曲，初始提供的元件10必須具有足夠程度的柔性以允許產(chǎn)生變形。層11的壓電材料優(yōu)選為處于生坯狀態(tài)(green state)的壓電陶瓷如PZT，其含有聚合物以便為材料提供柔性。在成形后對(duì)元件進(jìn)行燒結(jié)，從而使壓電材料固化。利用這種處于生坯狀態(tài)下的壓電陶瓷并之后進(jìn)行燒結(jié)的制造技術(shù)本質(zhì)上是已知的，并很容易應(yīng)用到本發(fā)明中。
下面將更詳細(xì)地來介紹該制造方法。
首先，采用傳統(tǒng)的技術(shù)制出直的可變形的壓電元件10。對(duì)于壓電材料層11和中心電極13來說，優(yōu)選的技術(shù)是共擠壓。在使用這種技術(shù)時(shí)，中心電極13必須比較厚，這是因?yàn)樵谄渖鳡顟B(tài)下，中心電極具有與生坯狀態(tài)下的層11的材料相似的流變性。這些層的可能材料為PZT，而中心電極13可由含銀PZT制成，在這種情況下層11也添加了少量銀以防止擴(kuò)散。
作為替代，可通過對(duì)壓電材料層11進(jìn)行層壓來形成連續(xù)壓電元件10。在這種情況下，中心電極13可由金屬油墨、例如添加有鉑、銀或鈀的油墨印刷而成。優(yōu)選在中心電極13的邊緣與層11之間的周向外界面之間保持一定的間隙，以防止與在使用中保持飄游的中心電極13形成偶然的電連接。可變形元件10最初可形成為具有一定的尺寸，以便能夠被彎曲成一個(gè)壓電器件。
作為另一替代，可采用新型的層壓或堆疊工藝來形成連續(xù)壓電元件。堆疊同樣是眾所周知的，并主要用于裝配壓電片的多層堆疊體。
例如在已公布的美國專利申請(qǐng)No.01/0009344中介紹了一種已知的堆疊工藝，該申請(qǐng)通過引用結(jié)合于本文中，作為壓電堆疊體的制造工藝的已知工序。
為了制造彎曲件的堆疊體，對(duì)該工藝在一些如下所述的重要方面進(jìn)行了改進(jìn)。
彎曲件堆疊體基于單個(gè)的彎曲件單元，這些單元通過對(duì)單層壓電帶生坯進(jìn)行堆疊來制造。在圖5中顯示了根據(jù)本發(fā)明這一變型的堆疊體的頭兩個(gè)單元，其中包括有兩層壓電材料(PZT)153，154的第一雙壓電晶片彎曲件單元152-1安裝在基底151上。兩個(gè)中心電極155，156嵌入在這兩層之間。兩個(gè)外表面電極157，158分別覆蓋了彎曲件單元的上、下表面。第二單元152-2以相反的方位安裝在第一單元的邊緣159上。因此，多個(gè)彎曲件單元能夠安裝成一個(gè)堆疊體。箭頭顯示了所需的極化方向和激勵(lì)場方向。極化方向用實(shí)線箭頭示出。為產(chǎn)生激勵(lì)而施加的電場用虛線箭頭示出。在極化期間，中心電極155，156保持飄游。
如下所述，單元的所有四個(gè)側(cè)面均具有引出點(diǎn)，其用于制造工藝中的不同階段和堆疊體的激勵(lì)期間。
一種可能的設(shè)置是將外表面電極157，158與左右表面相連，如圖6所示，而中心電極布置成使得一個(gè)半體經(jīng)由前表面相連，而另一半體經(jīng)由后表面相連。由于通過以交替的方位來堆疊彎曲件單元而裝配出該堆疊體，因此在使用中處于同一電位下的所有電極可經(jīng)由堆疊體的相同側(cè)面而接觸到。
在圖7中顯示了彎曲件單元152的一個(gè)分解視圖，圖中顯示了其制造所需的層和印刷的順序。圖中標(biāo)號(hào)與圖6中所用的相同。下方的外表面電極157被絲網(wǎng)印刷在下方的PZT層153上。中心電極155，156被印刷在第一層153的頂面或第二PZT層154的底面上，或部分地印刷在這兩個(gè)PZT層上。上方的外表面電極158被印刷在第二層154的頂面上。
在制造這種結(jié)構(gòu)時(shí)一項(xiàng)重要的考慮是，如何在邊緣159處熔合或?qū)訅弘p壓電晶片彎曲件單元152，同時(shí)在單元的其余部分之間保持一定的間隙。
在本發(fā)明中，在彎曲件單元之間放置了易失層(fugitive layer)或可除去層160。這種層可在生坯帶(green tape)的層疊工藝期間沉積到外部電極層的頂面上，從而保護(hù)了電極的印刷部分。然后可在對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行干燥后物理性地除去這種帶狀材料，或者在除去粘結(jié)劑的階段中燒掉。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果外部垂片保留下來的話，就可在對(duì)層壓物進(jìn)行干燥后除去聚乙烯薄片?；蛘?，易失層160可由例如碳的材料制成，其在燒結(jié)階段中被燒掉。
可在一層生坯帶上平行地制出若干印刷部分。通過以適當(dāng)?shù)捻樞騺矶询B這些層，就可在一次焙燒工藝中制造出包括有一系列彎曲件單元的生坯帶。在引入易失層或可除去帶之后，將彎曲件單元的第二生坯帶層堆疊在第一生坯帶上。通過重復(fù)這些步驟便得到了生坯帶的堆疊體，其可形成彎曲件單元的多重堆疊，各單元通過易失帶分隔開，但在邊緣部分處除外，在這里這些單元設(shè)計(jì)成形成了連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的粘合。在壓制生坯帶堆疊體、干燥并除去任何可除去的或易失的帶部分之后，燒盡堆疊體并進(jìn)行焙燒。因此，通過共焙燒工藝便制出了反彎的或S形彎曲的完全堆疊體，相反，在現(xiàn)有技術(shù)中通過焙燒后的粘合來制出這種堆疊體。而且，相鄰的單元提供了額外的支撐，以防止在焙燒工藝期間垂直對(duì)齊的單元之間的間隙被破壞。
通過設(shè)計(jì)外表面電極的樣式以使所有的外部電極156，157具有共同的導(dǎo)電路徑或跡線，就可在燒結(jié)之后但在將組件切成單個(gè)單元之前使單元各層的整個(gè)堆疊體極化。為了按照?qǐng)D6中實(shí)線箭頭所示的方向來極化壓電層，應(yīng)在外表面電極156，157上施加適當(dāng)?shù)臉O化電壓VP(+)和VP(-)，而中心電極并不必保持在確定的電位下，即保持在飄游電位下。
在極化后，彎曲件單元各層的堆疊體被切開以形成如圖6所示的單個(gè)堆疊體。在切開后，端子或表面電極經(jīng)由沿適當(dāng)表面延伸的壓印電極而與中心電極155，156的引出點(diǎn)相連。外表面電極在激勵(lì)期間保持飄游，因此不需要在堆疊體的側(cè)面設(shè)置接頭。
雖然已知有一些其它的方法用于極化和激勵(lì)反彎的或S形的雙壓電晶片彎曲件，然而對(duì)于連續(xù)堆疊體來說，上述具體結(jié)構(gòu)提供了至少兩項(xiàng)顯著的優(yōu)點(diǎn)僅使用了外表面電極157，158的極化工藝允許在切割前對(duì)一批堆疊體進(jìn)行極化，以及在激勵(lì)期間每彎曲件單元僅具有兩個(gè)端子電極，這促進(jìn)了使端子電極沿堆疊體表面的沉積。
通過共焙燒處于其生坯狀態(tài)下的層壓彎曲件單元，陶瓷部分便熔合而形成了連續(xù)的或基本連續(xù)的壓電彎曲件的堆疊體。
作為形成彎曲件的連續(xù)堆疊體的上述方法的替代，最初可以薄片的形式來提供直的元件，該薄片可通過垂直于連接部分圍繞其而彎曲的軸線的平面切割而被切開，從而形成了多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的壓電器件。圖7顯示了這種薄片20的一個(gè)例子，其包括有兩層壓電材料層11。薄片20在其長度L上具有與圖3所示的單個(gè)器件的壓電元件10相同的結(jié)構(gòu)。在彎曲后，通過沿其長度L垂直于薄片20來進(jìn)行平面切割，便可將薄片20切開成單獨(dú)的元件10。薄片20具有多個(gè)在薄片20的寬度W上間隔開并沿長度L延伸的中心電極13，平面切割在電極13之間進(jìn)行。
用于從直的壓電元件中生產(chǎn)出壓電器件的下述技術(shù)也可同樣地應(yīng)用到將形成單個(gè)器件的可變形元件10中，或應(yīng)用到將被切成多個(gè)器件的如圖7所示的薄片20中。
可變形元件10最初未設(shè)有外部電極12。然而，可變形元件優(yōu)選設(shè)有外部犧牲層，其平行于壓電層11延伸并由可除去的材料形成，例如可由在燒結(jié)期間被燒掉的材料如碳形成。這種犧牲層提供了彎曲后的筆直部分14之間的間隙，從而放寬了彎曲工藝所需的公差。犧牲層例如可以是層壓在元件10上的填充有碳的帶。
然后彎曲該可變形元件，具體地說是將元件的一些間隔開的部分彎曲180°，從而形成了中間連接部分15并在它們之間留出筆直部分14。存在多種進(jìn)行彎曲的方法。
圖8顯示了一種通過從相對(duì)側(cè)順序地壓制元件來進(jìn)行彎曲的裝置。該裝置包括一對(duì)可旋轉(zhuǎn)的壓力機(jī)30，其具有四個(gè)(實(shí)際上可以是任何數(shù)量)徑向延伸的交叉臂31，在臂31的端部安裝有圓柱體32。壓力機(jī)30同步地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可變形元件10在交叉臂31之間被驅(qū)動(dòng)輥33所驅(qū)動(dòng)。結(jié)果，圓柱體32從相對(duì)側(cè)對(duì)元件10順序地加壓，從而使間隔開的部分15彎曲并在它們之間留下了筆直部分14。圖8所示的裝置將間隔開的部分彎曲小于180°的角，從而使帶10呈波紋狀，不會(huì)使筆直部分14相互間平行。為了將連接部分15彎曲成完整的180°，在一個(gè)后續(xù)階段中，將元件10的端部壓在一起，使得筆直部分相互間平行。
圖9顯示了用于彎曲連續(xù)元件10的第二裝置，其使用了設(shè)置成兩組的多個(gè)鉸鏈板40，當(dāng)連續(xù)元件被驅(qū)動(dòng)輥41和42驅(qū)動(dòng)到位時(shí)在元件10的各側(cè)分別設(shè)有一組鉸鏈板。一旦可變形元件10就位，鉸鏈板40就相對(duì)元件10旋轉(zhuǎn)，并交替地使用元件10的相對(duì)兩側(cè)上的兩組鉸鏈板40中的鉸鏈板40。這些鉸鏈板40旋轉(zhuǎn)到鉸鏈板40相互間平行的最終位置，從而從相對(duì)側(cè)順序地對(duì)元件10施壓，并圍繞鉸鏈板的端部來彎曲連接部分15，而且在鉸鏈板40之間的間隙內(nèi)留下筆直部分14。當(dāng)所有鉸鏈板40均已旋轉(zhuǎn)之后，將鉸鏈板從筆直部分14之間的間隙中直線式地抽出，留下成形的元件10。
同樣可構(gòu)思出其它用于彎曲元件10的技術(shù)，例如將元件10壓在兩個(gè)帶有互鎖突起的剛性壓力機(jī)之間，元件10在互鎖突起之間被彎曲成形。
當(dāng)彎曲元件10時(shí)，中間連接部分15的曲率半徑通常等于元件10的厚度。由于其處于生坯狀態(tài)，因此在元件10的筆直部分14之間存在著較大的間隙。這并不是太大的問題，因?yàn)閺澢闹虚g連接部分15本身對(duì)元件10端部的相對(duì)位移有一定的貢獻(xiàn)。作為選擇，為了減小曲率半徑，可在彎曲元件10之前擠壓中間連接部分15以減小其厚度。
下一階段是采用傳統(tǒng)的燒結(jié)技術(shù)來燒結(jié)壓電材料以使之固化。例如，典型的工藝是首先在高達(dá)600℃的溫度下燒結(jié)元件10，之后通過在通常1000℃到1200℃之間的溫度下進(jìn)一步燒結(jié)來使層11的材料致密化。
之后，施加外部電極12。由于電極12在燒結(jié)后施加，因此外部電極12就不必使用能夠耐受燒結(jié)的材料，而是可以使用更便宜的材料。
下一階段是使層11的壓電材料極化。元件10沿著元件10的長度(即就象元件10被拉直一樣)相對(duì)于層11在相同的方向上極化，這樣，由于連接部分15被彎曲了180°，對(duì)于接連幾個(gè)筆直部分14來說極化處于相反的方向。極化可通過從相對(duì)側(cè)將極化電極插入到筆直部分14之間的間隙中來實(shí)現(xiàn)。在從相對(duì)側(cè)插入的電極上施加足以使層11的壓電材料極化的極化電壓。這最好通過將元件11和極化電極浸入到具有高介電常數(shù)、至少大于空氣的介電常數(shù)的流體中來進(jìn)行，以便降低極化電極和壓電材料之間的不可避免的間隙上的場降。這種對(duì)層進(jìn)行極化的技術(shù)特別適用于筆直部分14之間的間隙比較大的較大器件。
外部電極12可通過單獨(dú)地浸漬元件10的各個(gè)半體16和17來形成。適當(dāng)?shù)慕n工藝是將半體16和17中的第一半體浸入到光致抗蝕劑中，然后對(duì)整個(gè)元件10進(jìn)行電鍍，之后除去光致抗蝕劑，然后對(duì)半體16和17中的第二半體重復(fù)該工藝。這種浸漬工藝特別適用于筆直部分14之間的間隙比較大的壓電器件。浸漬工藝的精度需要保證在兩個(gè)半體16和17中的外部電極12之間存在足夠的間隙18，該精度受到筆直部分之間的間隙中的流體的毛細(xì)作用的限制，這種情況隨著間隙的變窄而變得更糟。
用于施加電極的另一種方法是蒸發(fā)沉淀工藝。下面將介紹這種工藝的一個(gè)例子，其在薄片形式的元件上進(jìn)行，該薄片之后將被切割成單獨(dú)的元件10。
采用分別如圖10和11所示的薄片50或60。除下述幾處之外，薄片50和60具有與圖7所示薄片20相同的結(jié)構(gòu)。
薄片50和60均形成有溝槽51，其在將形成有中間連接部分15的位置處橫穿過薄片50和60的寬度而延伸。通過使薄片50和60從具有可形成溝槽51的凸印形狀的輥中通過，便可制出溝槽51。
薄片50還形成有幾組凸臺(tái)52，各組凸臺(tái)52在薄片50的寬度W上間隔開，并且各個(gè)凸臺(tái)均在薄片50的一部分寬度上延伸，這一部分可在切開薄片50后形成單個(gè)元件。如果在薄片50上設(shè)有壓電材料，那么凸臺(tái)可在之后通過絲網(wǎng)印刷形成。作為選擇，可采用第二絲網(wǎng)印刷操作來在如上所述的可除去材料的凸臺(tái)52之間的間隙內(nèi)施加犧牲層。絲網(wǎng)印刷可能需要重復(fù)若干次，以得到適當(dāng)厚度的犧牲層。凸臺(tái)52比中心電極13更寬，因此當(dāng)將薄片50切成單個(gè)元件時(shí)，凸臺(tái)51橫跨在各筆直部分14的整個(gè)寬度上。
圖11所示的薄片60具有凹槽62，其圖案與圖10所示的薄片50的凸臺(tái)52完全相同。
之后采用上述技術(shù)來彎曲薄片50或60，溝槽51用作對(duì)齊點(diǎn)，以使連接部分15處于正確的位置，并且凸臺(tái)52或凹槽62正好處于筆直部分14上的一半位置處，從而可將筆直部分14分成兩個(gè)半體16和17。
在彎曲后對(duì)薄片50或60進(jìn)行燒結(jié)。如果使用了如上所述的犧牲層，那么就對(duì)薄片進(jìn)行壓制，以保證能夠很好地控制生坯狀態(tài)下的尺寸。
在燒結(jié)后采用例如如圖12和13所示的蒸發(fā)沉淀工藝來施加外部電極12。具體地說，將薄片50或60與源材料70一起置于高真空中?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)牟牧?，例如銅或鋁。將源材料70加熱以使其蒸發(fā)，并沉積在薄片50或60上。薄片50的凸臺(tái)52或薄片60的凹槽62形成了未沉積有電極材料的陰影區(qū)域。
可將源70相對(duì)薄片50或60放置成不同的角度，重復(fù)進(jìn)行沉積工藝，以便將電極13的材料沉積在所有需要的表面上。
如薄片50那樣使用凸臺(tái)52的優(yōu)點(diǎn)在于，它們可通過使用與用于層壓薄片50的相同的標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)印刷設(shè)備來制造。
如薄片60那樣使用凹槽62的優(yōu)點(diǎn)在于，它們可在與用于形成溝槽51的相同的凸印工藝中形成。此外，在蒸發(fā)工藝期間，可精確地設(shè)定兩個(gè)半體16和17之間的外部電極12中的切口寬度，不要求源70在角度方面有精密的公差，并且不要求下凹的深度有嚴(yán)格的公差。另一方面，在使用凸臺(tái)52時(shí)，陰影區(qū)域以及半體16和17之間的間隙18的寬度很大程度上取決于凸臺(tái)52的高度以及源材料70相對(duì)薄片50的角度。
沉積工藝將電極材料沉積到凸臺(tái)52或凹槽62之間的間隙內(nèi)，從而在薄片50或60上的各筆直部分14的兩個(gè)半體16和17中的外部電極12之間提供了電連接。之后對(duì)薄片50或60進(jìn)行極化，這可通過與薄片50或60的各主要表面上的外部電極12形成一個(gè)接頭來進(jìn)行，外部電極12在薄片50或60的整個(gè)長度上通過沉積于凸臺(tái)52或凹槽62之間的電極材料而電連接。因此，不必如上所述地將極化電極插入到筆直部分14之間的間隙內(nèi)。
在極化后，通過沿著薄片長度的平面切割來切開薄片50或60，從而形成如圖3所示的單個(gè)壓電元件10。在這樣切割薄片50或60時(shí)，薄片50或60的寬度上的處于凸臺(tái)52或凹槽62之間的部分被除去，因此在筆直部分14的兩個(gè)半體16和17中的外部電極12之間不存在電連接。
上述方法涉及到在燒結(jié)后施加外部電極。作為一種選擇，可在燒結(jié)前將外部電極絲網(wǎng)印刷到可變形元件10上，其方式與中心電極相同。這種選擇不是理想的選擇，首先由于外部電極12必須使用能夠耐受燒結(jié)的材料，而這種材料比較昂貴，其次可變形元件的增大的厚度使得中間部分15的曲率半徑增大，從而增大了筆直部分14之間的間隙。
最好，元件10的各半體16和17的外部電極12在元件10的兩側(cè)上連接到一起，使得各半體16和17的外部電極12通過一個(gè)接頭便可與電路相連。實(shí)現(xiàn)該目的的一種方式是使用如上所述的蒸發(fā)沉淀工藝，但源材料朝向器件上的待形成穿過兩層11的電連接的那一側(cè)。在各筆直部分的半體16和17之間的間隙18上設(shè)置屏障，以阻止在各半體16和17的外部電極12之間沉積出電連接。該工藝最好以源材料相對(duì)器件形成不同角度的方式重復(fù)多次，使得在層11的側(cè)面和表面之間的成角度的角部周圍形成可靠的連接。然后可在器件側(cè)面上串級(jí)鏈?zhǔn)降厥┘鱼~絲或?qū)щ妿?，以便將筆直部分14的相應(yīng)半體16和17連接在一起。絲或帶可通過使用釬焊工藝或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂工藝相連。絲或帶稍稍套在筆直部分14之間，允許進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈灰贫粫?huì)影響電連接。
下面將介紹壓電元件具有第二種類型的結(jié)構(gòu)的壓電器件。
圖14顯示了這種包括有薄片形式的壓電元件101的壓電器件100。元件101具有從相對(duì)側(cè)面交替地延伸出來的交迭縫隙。因此，壓電元件101在縫隙102的周圍來回地交替延伸，并且在縫隙102的交迭部分之間形成了多個(gè)筆直部分103。連接部分104由元件101上的位于縫隙102的端部以外并處于筆直部分103中間的部分形成。
元件101可由任何適當(dāng)?shù)膲弘姴牧现瞥?，例如為壓電陶瓷如鋯鈦酸鉛(PZT)，或者是壓電聚合物如聚偏氟乙烯(PVDF)。
壓電元件的材料在薄片101的主要表面之間的厚度方向上被極化。另外，電極105沿著各筆直部分103來設(shè)置，如下所述。電極105在元件101的各個(gè)相對(duì)的主要表面上具有相同的圖案，在圖14中只能看到其中的一個(gè)主要表面。電極105沿各筆直部分的長度設(shè)置成在筆直部分103的寬度上間隔開的兩對(duì)，在各對(duì)之間存在有間隙106，因此電極105的各對(duì)相互間電絕緣。電極105沿筆直部分103的長度延伸，但在各筆直部分的兩個(gè)半體107和108之間分隔開一定的間隙111，因此電極105在兩個(gè)半體107和108之間電絕緣。這兩個(gè)半體107和108最好具有相同的長度。為清晰起見，間隙111的長度在圖14中被放大，但實(shí)際上該間隙可以是任何足以隔離電極105的尺寸。為了防止間隙111對(duì)元件101的操作有顯著的影響，間隙111最好比筆直部分的長度至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
在使用中，電極105與一個(gè)電路(未示出)電連接。該電路可施加激勵(lì)電壓以電激勵(lì)筆直部分103，或者可檢測由元件101的機(jī)械激勵(lì)所產(chǎn)生的激勵(lì)電壓。
在被激勵(lì)時(shí)，在各對(duì)相反的電極105之間形成了電場，即該電場形成于在各筆直部分103的寬度上間隔開的兩個(gè)區(qū)域109和110中。也就是說，電場形成為穿過筆直部分103的厚度。電場E的方向平行于極化方向，因此區(qū)域109和110中的各筆直部分的材料以膨脹-收縮方式被激勵(lì)。實(shí)際上，在各對(duì)相反的電極105之間施加相反極性的激勵(lì)電壓，使得電場在筆直部分103的寬度上的兩個(gè)區(qū)域109和110中處于相反的方向。因此，在筆直部分103的寬度上的兩個(gè)區(qū)域109和110之間的筆直部分103的長度存在不同的變化，這樣，由于區(qū)域109和110因相互間形成一體而受到約束，該長度的不同變化就伴隨有筆直部分103的平行于其寬度的彎曲。
這與具有已知的彎曲件結(jié)構(gòu)的元件的彎曲類似，在已知的彎曲件結(jié)構(gòu)中，彎曲也是由長度的不同變化所引起的。然而，元件101的彎曲圍繞著平行于產(chǎn)生電場的厚度方向的軸線發(fā)生在筆直部分103的寬度上。這是因?yàn)閰^(qū)域109和110中的電極105的對(duì)在筆直部分103的寬度上隔開。相反，在已知的彎曲件結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生了不同長度變化的層在層的厚度上間隔開，因此彎曲圍繞著延伸穿過垂直于電場的層的軸線而產(chǎn)生，如上參考圖2和4所述。
此外，施加激勵(lì)電壓以使各筆直部分103的兩個(gè)半體107和108以相反的曲率彎曲。由于極化在整個(gè)壓電元件101上為相同的方向，這一目的就可通過在各筆直部分103的兩個(gè)半體107和108上施加相反極性的激勵(lì)電壓來實(shí)現(xiàn)。
極化P和電場E的方向同樣可以是其它的組合。
圖15顯示了在被激勵(lì)時(shí)的器件，其具有與圖14所示相同的結(jié)構(gòu)，但筆直部分103的數(shù)量不同。由于在兩個(gè)半體107和108中存在曲率相反的堆疊方向S，這就使得在各筆直部分103的端部之間產(chǎn)生了沿堆疊方向的相對(duì)位移。為清晰起見，該相對(duì)位移在圖15中被放大了。此外，各筆直部分103的端部之間的相對(duì)位移通過筆直部分103的堆疊而串聯(lián)地相加，因此各筆直部分103的端部之間的相對(duì)位移便加在一起。
至于第二種類型的結(jié)構(gòu)的相對(duì)尺寸，優(yōu)選使各筆直部分103的長度L、寬度W和厚度T設(shè)置成使得L＞＞W(wǎng)＞T。厚度T必須足夠小，以允許對(duì)給定的激勵(lì)電壓來說能在元件101上產(chǎn)生強(qiáng)電場。寬度W選擇成大于厚度T，優(yōu)選大得多。例如，在寬度W為幾毫米的情況下，典型的厚度T為不足1毫米。
由于彎曲產(chǎn)生在寬度方向上，因此筆直部分103在彎曲方向上是剛硬的。這意味著所產(chǎn)生的力增大，雖然與之相關(guān)的是位移減少。因此，與具有相當(dāng)尺寸的元件的第一種類型結(jié)構(gòu)的器件相比，第二種類型的結(jié)構(gòu)的一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是可提供較大的力，然而位移減小。
在上述實(shí)施例中，中間連接部分104未形成有電極，因此它們保持不被促動(dòng)。然而，作為選擇，相鄰筆直部分103上的兩對(duì)電極可圍繞中間連接部分104在筆直部分103之間連續(xù)地延伸，例如作為壓電元件101的局部視圖的圖16所示，圖中顯示了中間連接部分104。在這種情況下，中間連接部分104的形狀是彎曲的。
結(jié)果，在被激勵(lì)時(shí)，連接部分104也以與筆直部分103相同的方式彎曲。這就使得中間部分104打開和閉合，導(dǎo)致與之相鄰的筆直部分103產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)。這又對(duì)元件101的端部之間的位移提供了額外的貢獻(xiàn)，這是通過改變作為懸臂梁的筆直部分的方位來實(shí)現(xiàn)的。
多個(gè)壓電器件100可設(shè)置成并聯(lián)地操作，這是通過以各薄片的主要表面相互面對(duì)的方式來堆疊元件101而實(shí)現(xiàn)的。
壓電器件100的制造方法比較簡單?；旧蟻碚f，通過初始提供作為可被切割以形成縫隙102的完整薄片的元件101，然后采用傳統(tǒng)技術(shù)來施加電極，便形成了該壓電器件。
這種工藝的成本低且簡單，因?yàn)閴弘姴牧系谋∑呛苋菀踪I到的。該方法可應(yīng)用于任何類型的壓電器件中。優(yōu)選的材料是壓電陶瓷如PZT。在這種情況下，元件101可在燒結(jié)之前或之后被切割，然而切割優(yōu)選在燒結(jié)后進(jìn)行，這樣，在燒結(jié)期間不可避免會(huì)發(fā)生的收縮過程中，縫隙102不會(huì)導(dǎo)致元件101產(chǎn)生變形。
電極105可通過任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來施加，例如金屬油墨的無電淀積。原則上，電極可在燒結(jié)之前或之后施加，然而優(yōu)選在燒結(jié)后施加，這樣就不必用能夠耐受足以燒結(jié)壓電材料的溫度的材料來制造電極。電極可由任何適當(dāng)?shù)慕饘僦瞥伞?br> 施加電極的優(yōu)選方法是將元件101傳送通過兩對(duì)帶有適當(dāng)圖案的油墨的輥，從而在元件101的兩個(gè)主要表面上同時(shí)施加電極105?；蛘?，可在燒結(jié)前在狹長部件上沉積電先質(zhì)如活性劑，以便進(jìn)行無電沉積。在這種情況下，在燒結(jié)之后，通過將元件101浸入到適當(dāng)?shù)臒o電鍍液中來產(chǎn)生電極。
在施加了電極103之后，通過施加足以使元件101上的處于各對(duì)相反電極105之間的區(qū)域109和110內(nèi)的材料極化的極化電壓，從而使元件101的材料極化。
權(quán)利要求
1.一種壓電器件，包括交替地來回延伸的連續(xù)壓電元件，其形成了多個(gè)堆疊在一起的平行的筆直部分，并在所述筆直部分的相對(duì)端部處形成了中間連接部分，各所述筆直部分構(gòu)造和設(shè)置有電極，其可在被激勵(lì)時(shí)沿著堆疊所述筆直部分的堆疊方向并以在所述筆直部分的兩個(gè)半體中具有相反曲率的形式彎曲，從而在所述筆直部分的端部之間產(chǎn)生了沿著所述堆疊方向的相對(duì)位移，所述相對(duì)位移可通過所述堆疊體而串聯(lián)地加在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其特征在于，所述連續(xù)壓電元件具有彎曲件結(jié)構(gòu)，其包括有多個(gè)層，其中至少一層由壓電材料制成，該壓電材料在所述至少一層上被極化，所述至少一層設(shè)有平行于所述層并沿所述筆直部分延伸的電極，以便在所述至少一層壓電材料上施加激勵(lì)電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電器件，其特征在于，所述連續(xù)壓電元件的彎曲件結(jié)構(gòu)包括兩層壓電材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的壓電器件，其特征在于，所述連續(xù)壓電元件的中間連接部分彎曲了約180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電器件，其特征在于，所述電極圍繞著所述中間連接部分在相鄰的筆直部分之間連續(xù)地延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電器件，其特征在于，所述壓電器件具有奇數(shù)數(shù)量的筆直部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求4到6中任一項(xiàng)所述的壓電器件，其特征在于，所述中間連接部分比所述筆直部分更薄。
8.根據(jù)權(quán)利要求2到8中任一項(xiàng)所述的壓電器件，其特征在于，各所述筆直部分的兩個(gè)半體中的電極分隔開，所述至少一層壓電材料在各所述筆直部分的各半體中沿相同的方向被極化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其特征在于，所述連續(xù)壓電元件包括彎曲元件的堆疊體，它們?cè)谒鲋虚g連接部分處通過共焙燒而熔合在一起。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其特征在于，所述連續(xù)壓電元件為壓電材料的薄片，其在所述薄片上被極化，并具有從所述薄片的相對(duì)側(cè)延伸出來的交迭縫隙，從而在所述縫隙之間形成了筆直部分，在所述薄片的各主要表面上設(shè)有成對(duì)的相反電極，所述電極沿著所述筆直部分延伸并間隔開。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓電器件，其特征在于，各所述筆直部分的兩個(gè)半體中的電極分隔開，所述壓電材料薄片在各所述筆直部分的各個(gè)半體中沿相同的方向被極化。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的壓電器件，其特征在于，所述電極對(duì)圍繞著所述中間連接部分在相鄰的筆直部分之間連續(xù)地延伸，并且在所述薄片的各主要表面上相對(duì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的壓電器件，其特征在于，所述壓電器件具有奇數(shù)數(shù)量的筆直部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求3到8中任一項(xiàng)所述的壓電器件，其特征在于，各所述筆直部分具有至少兩個(gè)嵌入在中心并可獨(dú)立地接觸到的電極，從而形成了所述筆直部分的兩個(gè)半體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓電器件，其特征在于，所述中心電極具有通到所述器件的不同側(cè)面上的引出線。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓電器件，其特征在于，所述各筆直部分具有單個(gè)極化方向。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓電器件，其特征在于，所述各筆直部分具有表面電極，其能夠在工作期間保持在飄游電位下。
18.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求2到8中任一項(xiàng)所述的壓電器件的方法，包括將直的可變形的連續(xù)壓電元件上的間隔開的部分彎曲約180°，形成中間連接部分并在所述中間連接部分之間留下筆直部分，所述連續(xù)壓電元件具有包括了多個(gè)層的彎曲件結(jié)構(gòu)，其中至少一層為壓電材料；燒結(jié)所述彎曲的連續(xù)壓電元件，使之固化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述可變形的連續(xù)壓電元件具有由可除去材料制成的外部犧牲層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，彎曲所述可變形的壓電元件的所述步驟通過從相對(duì)側(cè)連續(xù)地對(duì)所述元件加壓來形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求18到20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使所述中間連接部分變薄。
22.根據(jù)權(quán)利要求18到21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述燒結(jié)步驟之后施加外部電極，使之平行于所述連續(xù)壓電元件的至少一個(gè)外表面上的層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述電極在各所述筆直部分的兩個(gè)半體之間分隔開。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述筆直部分的兩個(gè)半體中沿相同的方向極化所述至少一層壓電材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，通過從所述壓電元件的相對(duì)側(cè)將極化電極插入到所述筆直部分之間，并且在從所述相對(duì)側(cè)插入的電極上施加極化電壓，從而來執(zhí)行所述極化步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，通過將所述連續(xù)壓電元件浸入到具有高介電常數(shù)的流體中來執(zhí)行所述極化步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求22到26中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過單獨(dú)地浸漬所述筆直部分的各個(gè)半體來執(zhí)行所述施加電極的步驟。
28.根據(jù)權(quán)利要求22到26中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述施加電極的步驟通過蒸發(fā)沉淀來執(zhí)行，所述連續(xù)壓電元件形成為在所述筆直部分的兩個(gè)半體之間具有凸臺(tái)或凹槽，從而通過所述凸臺(tái)或凹槽的陰影來形成分隔。
29.根據(jù)權(quán)利要求18到28中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法為同時(shí)制造多個(gè)壓電器件的方法，其包括彎曲壓電薄片的所述步驟，所述壓電薄片具有包括了多個(gè)層的彎曲件結(jié)構(gòu)，其中至少一層為壓電材料，所述方法還包括在所述彎曲步驟之后，通過進(jìn)行垂直于所述薄片的平面切割來將所述薄片切成單獨(dú)的連續(xù)壓電元件。
30.一種制造根據(jù)權(quán)利要求10到13中任一項(xiàng)所述的壓電器件的方法，包括在壓電材料的薄片中切出交迭的縫隙，并且在所述切割薄片的步驟之前或之后施加所述電極。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述切割薄片的步驟之前或之后燒結(jié)所述薄片，所述施加電極的步驟在燒結(jié)所述薄片之前或之后進(jìn)行。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的制造壓電器件的方法，其特征在于，所述電極通過印刷來施加。
33.一種制造壓電器件的方法，所述壓電器件包括交替地來回延伸的連續(xù)壓電元件，其形成了多個(gè)堆疊在一起的平行的筆直部分，并在所述筆直部分的相對(duì)端部處形成了中間連接部分，各所述筆直部分構(gòu)造和設(shè)置有電極，其可在被激勵(lì)時(shí)沿著堆疊所述筆直部分的堆疊方向并以在所述筆直部分的兩個(gè)半體中具有相反曲率的形式彎曲，從而在所述筆直部分的端部之間產(chǎn)生了沿著所述堆疊方向的相對(duì)位移，所述相對(duì)位移可通過所述堆疊體而串聯(lián)地加在一起，所述方法包括步驟堆疊多組生坯帶的層，并在所述多層的組之間設(shè)置可除去的材料層或易失材料層，其中各組包括至少兩層壓電材料和至少一層可形成埋入式中心電極的層，各所述層可形成至少一個(gè)所述筆直部分；和燒結(jié)所述層的堆疊組，以便在所述相對(duì)端部處垂直地熔合相鄰的筆直部分。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的制造壓電器件的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟使各所述多層的組形成有筆直部分的水平陣列。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的制造壓電器件的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟采用外表面電極來沿一個(gè)方向極化各所述筆直部分，同時(shí)將所述中心電極保持在飄游電位，并使垂直相鄰的筆直部分之間的所述極化方向相反。
全文摘要
一種壓電器件，包括交替地來回延伸的連續(xù)壓電元件(10)，其形成了多個(gè)堆疊在一起的平行的筆直部分(14)，并在筆直部分(14)的相對(duì)端部處形成了中間連接部分(15)。各筆直部分(14)構(gòu)造和設(shè)置有電極(12，13)，其可在被激勵(lì)時(shí)沿著堆疊筆直部分(14)的堆疊方向并以在筆直部分(14)的兩個(gè)半體(16，17)中具有相反曲率的形式彎曲，從而在筆直部分(14)的端部之間產(chǎn)生了沿著堆疊方向的位移，該位移可通過堆疊而串聯(lián)地加在一起。該壓電元件(10)的連續(xù)性本質(zhì)使得制造更容易。公開了具有兩種結(jié)構(gòu)的器件。第一，連續(xù)壓電元件(10)可具有彎曲件結(jié)構(gòu)，例如雙壓電晶體彎曲件結(jié)構(gòu)。第二，連續(xù)壓電元件(101)可以是壓電材料薄片的形式，其具有從相對(duì)側(cè)面延伸出來的交迭縫隙(102)，這樣便在交迭縫隙(102)之間形成了筆直部分(103)，并且在薄片的各主要表面上設(shè)有成對(duì)的相反電極(105)，它們沿筆直部分(103)延伸并間隔開。
文檔編號(hào)H01L41/33GK1610979SQ02826432
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2002年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
發(fā)明者J·阿蘭, G·麥克維特, M·R·舍菲爾德, R·托普利斯, D·H·皮爾斯 申請(qǐng)人:1...有限公司