專利名稱：一種壓電陶瓷致動元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷致動元件及其制作方法，尤其涉及ー種壓電陶瓷單晶片或雙晶片致動元件及其制作方法，屬于壓電元件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電材料是指受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料，而這種現(xiàn)象則稱為壓電效應(yīng)；同時，壓電材料在外電場下會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)。利用壓電材料的這些特性可實現(xiàn)機械振動和交流電的互相轉(zhuǎn)換，因而壓電材料已被廣泛用于制作傳感器、換能器等元件。壓電材料大致可分為無機壓電材料和有機壓電材料，其中無機壓電材料又包括壓 電多晶體材料(即壓電陶瓷)和壓電單晶體材料。在現(xiàn)有壓電材料中，壓電陶瓷是應(yīng)用最廣泛的ー種。壓電陶瓷本身對沖擊電流的抗干擾性很強，并且發(fā)熱小，不存在電流瞬變時的過渡過程而發(fā)生的有害振動，更不存在受電磁場干擾等現(xiàn)象，特別是在高速動作中穩(wěn)定性很高，差錯率低。壓電陶瓷還具有易控制，重量輕，體積小，電磁噪聲低，位移與電壓成正比，維護(hù)容易，能量轉(zhuǎn)換效率高，易于加工成任意形狀等優(yōu)點，已被廣泛用于各種精密機械和機電一體化設(shè)備中。在壓電致動和驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域中，應(yīng)用的主要是壓電陶瓷單、雙晶片。壓電陶瓷單、雙晶片致動元件是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，使壓電元件產(chǎn)生伸縮帶動致動端(與其相對的一端通常固定，稱之為固定端)產(chǎn)生大位移彎曲和出力。通常壓電陶瓷致動元件由基片與壓電陶瓷片粘接而成，基片可以采用金屬、碳纖維等導(dǎo)電材料，此時基片可直接作為基片電極，與壓電陶瓷片非粘接面上的電極面一起形成輸入驅(qū)動電壓的兩個驅(qū)動電扱；基片也可以使用非導(dǎo)電材料制成，此時需要利用刷銀漿、覆銅膜等方式在其表面制作出基片電扱?，F(xiàn)有壓電陶瓷単/雙晶片致動元件均存在致動端出力較小的缺陷，其實際出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到理論水平；而且隨著使用時間變長，其所能產(chǎn)生的實際出力會下降的越來越多，亦即其實際使用壽命較短；更有甚者，目前國內(nèi)的壓電陶瓷単/雙晶片的每單位厚度上的電壓受到很大限制，可加載電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到獨立的壓電陶瓷片可承受電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的致動端出力較小、可加載電壓不高及實際使用壽命較短的缺陷，提供ー種具有更大出力、更高可加載電壓和更長使用壽命的壓電陶瓷致動元件及其制作方法。本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題。ー種壓電陶瓷致動元件，包括具有基片電極的基片，以及一片或兩片正反表面分別附著有電極層的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片與基片電極通過粘劑相互粘接，壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上存在至少ー處填充有導(dǎo)電物質(zhì)的無粘劑區(qū)域。
作為其中一個優(yōu)選方案，所述無粘劑區(qū)域位于靠近所述壓電陶瓷驅(qū)動元件的固定端的位置。作為其中另ー優(yōu)選方案，所述導(dǎo)電物質(zhì)為導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬。ー種如上所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，所述壓電陶瓷片為一片，包括以下步驟步驟A、在所述壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域；步驟B、在無粘劑區(qū)域注入適量導(dǎo)電物質(zhì)；步驟C、將上述壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ够c其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體；步驟D、使所述粘劑固化。ー種如上所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，所述壓電陶瓷片為兩片，其特征在于，包括以下步驟步驟A、分別在兩片壓電陶瓷片的其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域；步驟B、分別在兩片壓電陶瓷片的無粘劑區(qū)域注入適量導(dǎo)電物質(zhì)；步驟C、將其中一片壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片與其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體；步驟D、將另一片壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，令基片另一面朝下，將基片覆蓋于該壓電陶瓷片上表面，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使兩片壓電陶瓷片以及基片形成較穩(wěn)定的整體；步驟E、使所述粘劑固化。為了降低制作エ藝難度，作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)方案，所述基片上設(shè)置有數(shù)量、位置以及大小與所述壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上的無粘劑區(qū)域相同的通孔，通孔與相對應(yīng)的無粘劑區(qū)域形成連通孔，連通孔中充滿導(dǎo)電物質(zhì)。一種如進(jìn)一步改進(jìn)方案所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，所述壓電陶瓷片為ー片，該方法包括以下步驟步驟A、在所述壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域；步驟B、將上述壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，基片上預(yù)先設(shè)置有與所述無粘劑區(qū)域的數(shù)量、位置以及大小相適應(yīng)的通孔，使基片上的通孔與無粘劑區(qū)域?qū)?zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片與其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體；步驟C、向基片上的通孔中注滿導(dǎo)電物質(zhì)；步驟D、在基片上表面生成一覆蓋層，使注入的導(dǎo)電物質(zhì)被封裝于通孔中；步驟E、使所述粘劑固化。一種如進(jìn)一步改進(jìn)方案所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，所述壓電陶瓷片為兩片，兩片壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上的無粘劑區(qū)域的數(shù)量、位置以及大小均相同，該方法包括以下步驟
步驟A、在一片壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域；步驟B、將上述壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，基片上預(yù)先設(shè)置有與所述無粘劑區(qū)域的數(shù)量、位置以及大小相適應(yīng)的通孔，使基片上的通孔與無粘劑區(qū)域?qū)?zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片與其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體；步驟C、向基片上的通孔中注滿導(dǎo)電物質(zhì)；步驟D、在另一片壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成與基片上通孔的數(shù)量、位置以及大小相適應(yīng)的無粘劑區(qū)域；令涂覆有粘劑的一面朝下，將壓電陶瓷片覆蓋于基片上表面，使壓電陶瓷片上的無粘劑區(qū)域與基片上的通孔對準(zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使兩片壓電陶瓷片以及基片形成較穩(wěn)定的整體；、
步驟E、使所述粘劑固化。本發(fā)明通過在壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上設(shè)置填充有導(dǎo)電物質(zhì)的無粘劑區(qū)域，使基片電極與壓電陶瓷片粘接面的電極層之間實現(xiàn)充分電導(dǎo)通，有效提高了壓電陶瓷致動元件工作時的出力，且增加了壓電陶瓷致動元件的使用壽命；并進(jìn)ー步通過在基片上與無粘劑區(qū)域所對應(yīng)的位置設(shè)置充滿導(dǎo)電物質(zhì)的通孔，降低了制作エ藝難度。


圖I為ー種現(xiàn)有壓電陶瓷雙晶片致動元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有壓電陶瓷致動元件的等效電路圖；圖3為本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例ニ的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實施例五的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明實施例六的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為對比試驗所使用的測試平臺示意圖；圖中各標(biāo)號含義如下1為基片，11為基片電極，2、3為壓電陶瓷片，21、22為壓電陶瓷片2的兩個電極層，31、32為壓電陶瓷片3的兩個電極層，4、5為粘劑層，6、7分別為粘劑層4和粘劑層5中的無粘劑區(qū)域，8為基片I上的通孔，9為覆蓋層。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明一種現(xiàn)有壓電陶瓷雙晶片致動元件的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括基片I、壓電陶瓷片
2、壓電陶瓷片3，壓電陶瓷片2和3的兩個表面分別有ー層電極層21、22以及31、32，壓電陶瓷片2的電極層22通過粘劑層4與基片I的ー個表面粘接，壓電陶瓷片3的電極層31通過粘劑層5與基片I的另ー個表面粘接?；琁可以直接使用金屬材料或碳纖維等導(dǎo)電材料制成，從而將其本身作為壓電陶瓷片2和3共用的基片電極；也可以通過批覆銀漿、銅膜等方法在其表面形成基片電扱。將該壓電陶瓷雙晶片致動元件的一端固定，另一端作為致動端，當(dāng)在基片電極與壓電陶瓷片2和3的電極層21、32之間施加驅(qū)動電壓時，由于逆壓電效應(yīng)的作用，壓電陶瓷片2和3產(chǎn)生變形，帶動致動端發(fā)生位移，從而推動負(fù)載運動。但此類壓電陶瓷單/雙晶片致動元件均存在致動端實際出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到理論水平的現(xiàn)象；而且隨著使用時間變長，其所能產(chǎn)生的實際出力會下降的越來越多，亦即其實際使用壽命較短，更有甚者，其實際可加電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于獨立的壓電陶瓷片可受電壓。經(jīng)試驗與研究發(fā)現(xiàn)，此種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于粘劑層4和5的存在所產(chǎn)生。眾所周知，在制作壓電陶瓷単/雙晶片致動元件時，需要將壓電陶瓷片與基片粘接以起到固定的作用。為了確保粘接的牢固性，通常所使用的粘接劑為不導(dǎo)電的有機體膠，在壓力下，粘接劑所形成的粘劑層很薄，一般認(rèn)為不會影響其兩端的基片電極與壓電陶瓷電極層之間的電導(dǎo)通。但實際上，由于粘劑層的存在，基片電極與壓電陶瓷電極層之間在微觀上呈現(xiàn)ー種點接觸的情形，即兩者之間是通過ー些不連續(xù)的接觸點實現(xiàn)電導(dǎo)通，因此實際上容易形成不 良導(dǎo)通。壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)滿足以下公式Q = Fd (I)其中d為壓電系數(shù)，F(xiàn)為對壓電陶瓷片的作用力，Q為壓電陶瓷片兩端電極面上的電荷量。逆壓電效應(yīng)的公式可由以上公式變換得到F = Q/d (2)因為d為材料參數(shù)，故可知壓電陶瓷片兩端電極面的電荷量越大，則壓電陶瓷片產(chǎn)生的作用力越大?？紤]粘接在基片上的壓電陶瓷單晶片的情況，壓電陶瓷片相當(dāng)于ー個電容，以Cl表示。在理想狀況下，即基片電極與其所粘接的壓電陶瓷電極層之間為良好導(dǎo)通，加載在基片電極與壓電陶瓷另ー電極層之間的驅(qū)動電壓與電容Cl兩端電壓相等，此時壓電陶瓷片的實際出力可達(dá)到理論值。然而，由于粘劑層的存在，使得基片電極與壓電陶瓷電極層之間呈現(xiàn)不完全導(dǎo)通的情況，如圖2的等效電路所示，相當(dāng)于給電容Cl串聯(lián)了ー個電阻R1，由電路原理可知，當(dāng)加載在基片電極與壓電陶瓷另ー電極層之間的驅(qū)動電壓為ー固定值的交變電壓吋，由于電容Cl較大(可達(dá)200 250nF)，在驅(qū)動電壓的ー個半周期內(nèi)，可認(rèn)為是正向充電，但就是因為電阻Rl也很大，造成電路的電流很小，那么對電容Cl的充電效果也就很慢。所以在一個頻率下，電量每次都沒有達(dá)到電容Cl可充電荷的滿值，故電容Cl的エ作值始終無法達(dá)到實際值Cl。結(jié)合公式(2)即可知，同樣工作在交變電壓狀況下的傳統(tǒng)的壓電陶瓷單/雙晶片致動元件致動端實際出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到理論水平。長時間工作的情況下，基片電極與壓電陶瓷電極層之間的不良導(dǎo)通情況會更趨嚴(yán)重，相當(dāng)于電阻Rl在逐步增大，由此導(dǎo)致壓電陶瓷片的正負(fù)兩極上最大電量變得越來越小，致動元件實際出力越來越小。更有甚者，當(dāng)交變電流加在壓電陶瓷片的正負(fù)兩極電壓為正吋，因為致動元件的交變電壓一般為方波，所以在壓電陶瓷片靠近膠層一面因為大電阻Rl的影響，其電荷還沒有充滿時，而在壓電陶瓷片靠近膠層的一面與基片靠近膠層的一面的點接觸處的周圍有薄的低介電常數(shù)膠層，在這些薄層的兩面就形成了ー個高電勢差，而膠層的抗擊穿電壓很低，故造成了在這些薄層處的放電現(xiàn)象，而在致動元件尤其是壓電陶瓷単/雙晶片中是禁止放電現(xiàn)象的發(fā)生，極易導(dǎo)致點接觸處周圍的薄膠層在微觀上的剝離，使得點接觸效果更加惡劣，更容易導(dǎo)致壓電陶瓷片因放電而產(chǎn)生暗裂紋以及被擊穿的效果。
通過以上分析可知，要解決傳統(tǒng)壓電陶瓷單/雙晶片致動元件實際出力較低、無法加高壓以及壽命比較短的問題，必須使基片電極與壓電陶瓷電極層之間實現(xiàn)良好導(dǎo)通。一個最容易想到的解決方案是采用高導(dǎo)電性的粘接劑，但現(xiàn)有導(dǎo)電膠是添加金屬粉末于膠中，雖然提高了導(dǎo)電性能，但也會造成整體膠合狀態(tài)惡劣的問題，主要體現(xiàn)在膠粘效果、壓電陶瓷單雙晶片的彈性系數(shù)以及熱膨脹系數(shù)等性能的惡化，會嚴(yán)重影響元件的可靠性及使用壽命。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種壓電陶瓷致動元件，包括具有基片電極的基片，以及一片或兩片正反表面分別附著有電極層的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片與基片電極通過粘劑相互粘接，其特征在于，壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上存在至少一處填充有導(dǎo)電物質(zhì)的無粘劑區(qū)域。采用上述技術(shù)方案，可以在不降低粘接牢固性的情況下，通過粘接面的無粘劑區(qū)域中填充的導(dǎo)電物質(zhì)使基片電極與壓電陶瓷片的電極層實現(xiàn)充分電導(dǎo)通，從而避免了粘劑 層直接帶來的不良影響以及長時間工作狀態(tài)下粘劑在微觀上的剝離從而對點接觸處造成的隔開效應(yīng)，提高元件的工作性能，延長使用壽命。而且本發(fā)明實現(xiàn)工藝簡單，有利于大批量生產(chǎn)制造。上述技術(shù)方案中，無粘劑區(qū)域最好位于靠近所述壓電陶瓷驅(qū)動元件的固定端的位置，從而避免致動端長期動作可能產(chǎn)生的不良影響。所述導(dǎo)電物質(zhì)可以是導(dǎo)電的氣、液、固或者混合物質(zhì)，但為了利于簡化制作工藝，優(yōu)選采用導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬。為了便于公眾理解本發(fā)明技術(shù)方案，下面以幾個具體的實施例來對本發(fā)明的壓電陶瓷致動元件及其制作方法進(jìn)行說明。實施例一、圖3顯示了采用本發(fā)明技術(shù)方案的一種壓電陶瓷單晶片致動元件，其結(jié)構(gòu)如圖所示，包括金屬基片I和壓電陶瓷片2，壓電陶瓷片2的兩個表面具有兩個電極層21、22，電極層22通過粘劑層4與基片I的其中一面粘接，粘劑層4中存在一處無粘劑區(qū)域6，無粘劑區(qū)域6中填充有導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬等導(dǎo)電物質(zhì)。本實施例中，粘劑層4使用粘接性強的非導(dǎo)電有機膠，無粘劑區(qū)域6的位置靠近固定端。金屬基片I本身同時作為基片電極，其與電極層22之間通過無粘劑區(qū)域6中的導(dǎo)電物質(zhì)實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通。上述壓電陶瓷單晶片致動元件可通過以下方法制造得到步驟A、在壓電陶瓷片2的電極層22上涂覆一層粘劑，涂覆時在電極層22表面形成一處無粘劑區(qū)域6 ;例如，可以通過在印刷網(wǎng)板上留出對應(yīng)位置的圖形，從而達(dá)到印刷粘劑時，在壓電陶瓷片2的電極面22對應(yīng)位置處形成無粘劑區(qū)域的效果；步驟B、在無粘劑區(qū)域6中注入(例如可使用針筒、滴管等裝置或者其它自動化裝置)適量導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬(例如汞)等導(dǎo)電物質(zhì)；步驟C、將壓電陶瓷片2涂有粘劑的電極層22朝上水平放置，將基片I覆蓋于其上，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片I與其下的壓電陶瓷片2形成較穩(wěn)定的整體；步驟D、根據(jù)所使用的粘劑的特性采用加熱或陰干等適當(dāng)方式使其固化，至此即得到了本實施例的壓電陶瓷單晶片致動元件。無粘劑區(qū)域6中的導(dǎo)電物質(zhì)使金屬基片I與電極層22之間實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通，且由于無粘劑區(qū)域6相對于整個粘接面而言，所占的面積極小，因此對粘接效果無影響。實施例二、
圖4顯示了采用本發(fā)明技術(shù)方案的一種壓電陶瓷雙晶片致動元件，其結(jié)構(gòu)如圖所示，包括基片I、壓電陶瓷片2、壓電陶瓷片3，壓電陶瓷片2和3的兩個表面分別有一層電極層21、22以及31、32，基片I本身為非導(dǎo)電材料，其表面覆有一層銅膜11作為基片電極，壓電陶瓷片2的電極層22通過粘劑層4與基片I的一個表面粘接，壓電陶瓷片3的電極層31通過粘劑層5與金屬基片I的另一個表面粘接。如圖所示，粘劑層4、粘劑層5中分別存在一無粘劑區(qū)域6、無粘劑區(qū)域7，無粘劑區(qū)域6和無粘劑區(qū)域7中分別填充有導(dǎo)電物質(zhì)。本實施例中，粘劑層4、5優(yōu)選粘接性強的非導(dǎo)電有機膠，其位置優(yōu)選靠近固定端處，無粘劑區(qū)域6和無粘劑區(qū)域7的位置、形狀及大小可以相同也可以不同?；姌O11分別通過無粘劑區(qū)域6、無粘劑區(qū)域7中填充的導(dǎo)電物質(zhì)與電極層22、31之間實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通。上述壓電陶瓷雙晶片致動元件可通過以下方法制作得到步驟A、分別在壓電陶瓷片2的電極層22、壓電陶瓷片3的電極層31上涂覆一層粘劑，涂覆時在電極層22、電極層31的表面分別形成一處無粘劑區(qū)域6、無粘劑區(qū)域7 ;例如，可以通過在印刷網(wǎng)板上留出對應(yīng)位置的圖形，從而達(dá)到印刷粘劑時，在壓電陶瓷片的電極層表面對應(yīng)位置處形成無粘劑區(qū)域的效果；
步驟B、分別在兩片壓電陶瓷片的無粘劑區(qū)域6、7中注入適量導(dǎo)電物質(zhì)；步驟C、將壓電陶瓷片2涂有粘劑的電極層22朝上水平放置，將基片I覆蓋于其上，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片I與其下的壓電陶瓷片2形成較穩(wěn)定的整體；步驟D、將壓電陶瓷片3涂有粘劑的電極層31朝上水平放置，令基片I另一面朝下，將基片I覆蓋于壓電陶瓷片3的上表面，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使兩片壓電陶瓷片以及基片形成較穩(wěn)定的整體；步驟E、根據(jù)所使用的粘劑的特性采用加熱或陰干等適當(dāng)方式使其固化，至此即得到了本實施例的壓電陶瓷雙晶片致動元件。實施例三、圖5顯示了采用本發(fā)明技術(shù)方案的一種壓電陶瓷單晶片致動元件，其結(jié)構(gòu)如圖所示，包括金屬基片I和壓電陶瓷片2，壓電陶瓷片2的兩個表面具有兩個電極層21、22，電極層22通過粘劑層4與基片I的其中一面粘接，基片I的另一面固定有一覆蓋層9，在基片I上存在一通孔8，粘劑層3中存在一無粘劑區(qū)域6，通孔8的位置、形狀及大小與無粘劑區(qū)域6相同，無粘劑區(qū)域6與通孔8構(gòu)成了一個連通孔，該連通孔中充滿導(dǎo)電物質(zhì)。本實施例中，粘劑層4使用粘接性強的非導(dǎo)電有機膠，連通孔中的導(dǎo)電物質(zhì)優(yōu)選導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬，連通孔的位置靠近固定端。金屬基片I本身同時作為基片電極，其與電極層22之間通過連通孔中的導(dǎo)電物質(zhì)實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通。上述壓電陶瓷單晶片致動元件可通過以下方法制造得到步驟A、在壓電陶瓷片2的電極層22上涂覆一層非導(dǎo)電有機粘劑4，涂覆時在電極層22表面形成一處無粘劑區(qū)域6 ;例如，可以通過在印刷網(wǎng)板上留出對應(yīng)位置的圖形，從而達(dá)到印刷粘劑時，在壓電陶瓷片2的電極層22表面對應(yīng)位置處形成無粘劑區(qū)域的效果；步驟B、將壓電陶瓷片2涂有粘劑的電極面22朝上水平放置，將金屬基片I覆蓋于其上，金屬基片I上預(yù)先設(shè)置有一個與無粘劑區(qū)域6的位置、形狀以及大小相適應(yīng)的通孔8，使金屬基片I上的通孔8與電極層22表面的無粘劑區(qū)域6對準(zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ菇饘倩琁與其下的壓電陶瓷片2形成較穩(wěn)定的整體；
步驟C、向金屬基片I上的通孔8中注滿導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬(例如汞)等導(dǎo)電物質(zhì)；步驟D、在金屬基片I上表面生成一覆蓋層9，例如，可以采用涂覆一層封裝膠的方式，使注入的導(dǎo)電物質(zhì)被封裝于通孔8中；步驟E、根據(jù)所使用的粘劑的特性采用加熱或陰干等適當(dāng)方式使粘劑固化，至此即得到了本實施例的壓電陶瓷單晶片致動元件。電極層22表面的無粘劑區(qū)域6與金屬基片I的通孔8 —起構(gòu)成了連通孔，其中填充的導(dǎo)電物質(zhì)使金屬基片I與電極層22之間實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通，且由于連通孔相對于粘接面而言，所占的面積極小，因此對粘接效果無影響。
實施例四、圖6顯示了采用本發(fā)明技術(shù)方案的另一種壓電陶瓷單晶片致動元件，基本結(jié)構(gòu)與實施例三基本相同，區(qū)別之處在于基片I為非導(dǎo)電材料，在其表面批覆了一層銀漿11作為基片電極，其結(jié)構(gòu)如圖所示。該元件可采用與實施例一相同的制作方法，此處不再贅述。連通孔中填充的導(dǎo)電物質(zhì)使基片電極11與電極層22之間實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通。實施例五、圖7顯示了采用本發(fā)明技術(shù)方案的一種壓電陶瓷雙晶片致動元件，其結(jié)構(gòu)如圖所示，包括金屬基片I、壓電陶瓷片2、壓電陶瓷片3，壓電陶瓷片2和3的兩個表面分別有一層電極層21、22以及31、32，壓電陶瓷片2的電極層22通過粘劑層4與基片I的一個表面粘接，壓電陶瓷片3的電極層31通過粘劑層5與金屬基片I的另一個表面粘接，粘劑層4、粘劑層5中分別存在一個無粘劑區(qū)域6、7，金屬基片I上存在一個通孔8，無粘劑區(qū)域6、無粘劑區(qū)域7以及通孔8的位置、形狀以及大小均相同，從而共同構(gòu)成一連通孔，該連通孔中充滿導(dǎo)電物質(zhì)。本實施例中，粘劑層4、5使用粘接性強的非導(dǎo)電有機膠，連通孔中的導(dǎo)電物質(zhì)優(yōu)選導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬，連通孔的位置靠近固定端。金屬基片I本身同時作為基片電極，其與電極層22、31之間通過連通孔中的導(dǎo)電物質(zhì)實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通。上述壓電陶瓷雙晶片致動元件可通過以下方法制造得到步驟A、在壓電陶瓷片2的電極層22上涂覆一層粘劑，涂覆時在電極層22表面形成一處無粘劑區(qū)域6 ;例如，可以通過在印刷網(wǎng)板上留出對應(yīng)位置的圖形，從而達(dá)到印刷粘劑時，在壓電陶瓷片2的電極層22表面對應(yīng)位置處形成無粘劑區(qū)域的效果；步驟B、將壓電陶瓷片2涂有粘劑的電極層22朝上水平放置，將金屬基片I覆蓋于其上，金屬基片I上預(yù)先設(shè)置有與無粘劑區(qū)域6的位置、形狀以及大小相適應(yīng)的通孔8，使金屬基片I上的通孔8與電極層22表面的無粘劑區(qū)域6對準(zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使金屬基片I與其下的壓電陶瓷片2形成較穩(wěn)定的整體；步驟C、向金屬基片I上的通孔中注滿導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬(例如汞)等導(dǎo)電物質(zhì)；步驟D、在壓電陶瓷片3的電極層31表面上涂覆一層粘劑，涂覆時利用步驟A中類似的方法在電極層31表面形成與金屬基片I上通孔8的位置、形狀以及大小相適應(yīng)的無粘劑區(qū)域7 ;令電極層31表面朝下，將壓電陶瓷片3覆蓋于金屬基片I的上表面，使壓電陶瓷片3上的無粘劑區(qū)域7與金屬基片I上的通孔8對準(zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使兩片壓電陶瓷?、3以及金屬基片I形成較穩(wěn)定的整體；步驟E、根據(jù)所使用的粘劑的特性采用加熱或陰干等適當(dāng)方式使所述粘劑固化，至此即得到了本實施例的壓電陶瓷雙晶片致動元件。電極層22、電極層31表面的無粘劑區(qū)域與金屬基片I上的通孔一起構(gòu)成了一個連通孔，其中填充的導(dǎo)電物質(zhì)使金屬基片I與電極層22、電極層31之間實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通，且由于連通孔相對于粘接面而言，所占的面積極小，因此對粘接效果無影響，保證了粘接的牢固性。實施例六、圖8顯示了采用本發(fā)明技術(shù)方案的另一種壓電陶瓷雙晶片致動元件，基本結(jié)構(gòu)與實施例五基本相同，區(qū)別之處在于基片I為非導(dǎo)電材料，在其表面批覆了一層銀漿11作為基片電極，其結(jié)構(gòu)如圖所示。該元件可采用與實施例五相同的制作方法，此處不再贅述。連通孔中填充的導(dǎo)電物質(zhì)使基片電極11與電極層22、電極層31之間實現(xiàn)了良好的電導(dǎo)通。為了驗證本發(fā)明的有益效果，進(jìn)行了以下對比試驗。分別制作兩個壓電陶瓷雙晶片致動元件:1#和2#，其中，1#為使用金屬基片的常規(guī)60-2兩線壓電選針片；2#為采用本發(fā)明實施例五方案的60-2兩線壓電選針片。分別在相同條件下測試兩個樣品的出力、壽命、電容及高壓極限。各參數(shù)的測試方法如下I、測試出力將試驗對象按圖9所示裝置在測試平臺上，使用壓電陶瓷電源在樣品引出線兩端加載50V或-50V電壓，通過高精度推拉力計在測力點處進(jìn)行靜態(tài)出力數(shù)據(jù)的采集。2、測試壽命將試驗對象按圖9所示裝置在測試平臺上，使用壓電陶瓷電源在樣品引出線兩端持續(xù)產(chǎn)生50V、50Hz交變電壓。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)靜止或通過高精度推拉力計在測力點處進(jìn)行動態(tài)出力數(shù)據(jù)低于llOmN，則認(rèn)為產(chǎn)品損壞。3、測試電容樣品空載，使用LCR直接在60-2兩線壓電選針片的引出端測試。4、高壓極限與測試出力裝置相同，在測力點處空載，使用壓電陶瓷電源加載一恒定電壓，2秒后撤除電源并測試電容，如電容有50 %以上變化量，則認(rèn)為高壓擊穿；如小于50 %變化量則通過不斷遞增電壓值來確定高壓極限。表I
權(quán)利要求
1.ー種壓電陶瓷致動元件，包括具有基片電極的基片，以及一片或兩片正反表面分別附著有電極層的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片與基片電極通過粘劑相互粘接，其特征在干，壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上存在至少ー處填充有導(dǎo)電物質(zhì)的無粘劑區(qū)域。
2.如權(quán)利要求I所述壓電陶瓷致動元件，其特征在于，所述無粘劑區(qū)域位于靠近所述壓電陶瓷驅(qū)動元件的固定端的位置。
3.如權(quán)利要求I所述壓電陶瓷致動元件，其特征在于，所述導(dǎo)電物質(zhì)為導(dǎo)電膠或者液態(tài)金屬。
4.如權(quán)利要求I所述壓電陶瓷致動元件，其特征在于，所述基片上設(shè)置有數(shù)量、位置以及大小與所述壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上的無粘劑區(qū)域相同的通孔，通孔與相對應(yīng)的無粘劑區(qū)域形成連通孔，連通孔中充滿導(dǎo)電物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求4所述壓電陶瓷致動元件，其特征在于，所述壓電陶瓷片為兩片，兩片壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上的無粘劑區(qū)域的數(shù)量、位置以及大小均相同。
6.一種如權(quán)利要求I所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，所述壓電陶瓷片為一片，其特征在于，包括以下步驟 步驟A、在所述壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域； 步驟B、在無粘劑區(qū)域注入適量導(dǎo)電物質(zhì)； 步驟C、將上述壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片與其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體； 步驟D、使所述粘劑固化。
7.—種如權(quán)利要求I所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，所述壓電陶瓷片為兩片，其特征在于，包括以下步驟 步驟A、分別在兩片壓電陶瓷片的其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域； 步驟B、分別在兩片壓電陶瓷片的無粘劑區(qū)域注入適量導(dǎo)電物質(zhì)； 步驟C、將其中一片壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片與其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體； 步驟D、將另一片壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，令基片另一面朝下，將基片覆蓋于該壓電陶瓷片上表面，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使兩片壓電陶瓷片以及基片形成較穩(wěn)定的整體； 步驟E、使所述粘劑固化。
8.—種如權(quán)利要求5所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟A、在所述壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域； 步驟B、將上述壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，基片上預(yù)先設(shè)置有與所述無粘劑區(qū)域的數(shù)量、位置以及大小相適應(yīng)的通孔，使基片上的通孔與無粘劑區(qū)域?qū)?zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片與其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體； 步驟C、向基片上的通孔中注滿導(dǎo)電物質(zhì)； 步驟D、在基片上表面生成一覆蓋層，使注入的導(dǎo)電物質(zhì)被封裝于通孔中；步驟E、使所述粘劑固化。
9.一種如權(quán)利要求6所述壓電陶瓷致動元件的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟A、在一片壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成至少ー處無粘劑區(qū)域； 步驟B、將上述壓電陶瓷片涂有粘劑的一面朝上水平放置，將基片覆蓋于其上，基片上預(yù)先設(shè)置有與所述無粘劑區(qū)域的數(shù)量、位置以及大小相適應(yīng)的通孔，使基片上的通孔與無粘劑區(qū)域?qū)?zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使基片與其下的壓電陶瓷片形成較穩(wěn)定的整體； 步驟C、向基片上的通孔中注滿導(dǎo)電物質(zhì)； 步驟D、在另一片壓電陶瓷片其中一面的電極層上涂覆ー層粘劑，涂覆時在電極層表面形成與基片上通孔的數(shù)量、位置以及大小相適應(yīng)的無粘劑區(qū)域；令涂覆有粘劑的一面朝下，將壓電陶瓷片覆蓋于基片上表面，使壓電陶瓷片上的無粘劑區(qū)域與基片上的通孔對準(zhǔn)，然后施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使兩片壓電陶瓷片以及基片形成較穩(wěn)定的整體； 步驟E、使所述粘劑固化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電陶瓷致動元件。本發(fā)明的壓電陶瓷致動元件包括具有基片電極的基片，以及一片或兩片正反表面分別附著有電極層的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片與基片電極通過粘劑相互粘接，壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上存在至少一處填充有導(dǎo)電物質(zhì)的無粘劑區(qū)域。本發(fā)明通過在壓電陶瓷片與基片電極的粘接面上設(shè)置填充有導(dǎo)電物質(zhì)的無粘劑區(qū)域，使基片電極與壓電陶瓷片粘接面的電極層之間實現(xiàn)充分電導(dǎo)通，有效提高了壓電陶瓷致動元件工作時的出力，且增加了壓電陶瓷致動元件的使用壽命；并進(jìn)一步通過在基片上與無粘劑區(qū)域所對應(yīng)的位置設(shè)置充滿導(dǎo)電物質(zhì)的通孔，降低了制作工藝難度。本發(fā)明還公開了一種壓電陶瓷致動元件的制作方法。
文檔編號H01L41/113GK102664234SQ201210157180
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者花毅 申請人:花毅