專利名稱：單片預(yù)應(yīng)力陶瓷器件及其制法的制作方法
總的來說，本發(fā)明涉及電激勵陶瓷器件，更具體地說，涉及制作帶整體式電極的單片內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置的壓電或電致伸縮器件的方法，以及由此制成的器件。
壓電或電致伸縮材料當(dāng)處于應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)時形成一個極化電場。反之，當(dāng)處于外加電場之中時它們發(fā)生尺寸改變。壓電或電致伸縮材料的尺寸改變量(即膨脹或收縮)為外加電場的函數(shù)。壓電或電致伸縮材料可以具有許許多多諸如下述的有用性質(zhì)的綜合壓電(電場隨應(yīng)變變化)、電致伸縮、介電、熱電(極化隨溫度變化)、鐵電(極化隨電場改變)以及電光(光學(xué)雙折射隨電場變化)等特性。
近來，電致伸縮器件因其在相當(dāng)大的載荷下產(chǎn)生較大的應(yīng)變以及不要求高電壓已引起人們的重視。另外，通過改變壓電器件的幾何形狀來提高可以獲得的應(yīng)變的方法也引起了人們的注意。這些器件具有廣泛的用途，包括致動元件、泵、揚聲器、傳感器、開關(guān)、水聽器、水揚聲器、自適光學(xué)器件、變焦反射鏡及透鏡、振子、曲片式壓電換能器(下稱彎曲器)、加速度計、應(yīng)變儀和鞍形漸動螺桿。
在外加電場作用下，壓電晶體沿其所有軸線產(chǎn)生變形。它沿某些方向膨脹，同時沿另一些方向收縮。描述此種變形的壓電(或應(yīng)變)系數(shù)通常用張量Clij來表示，Clij＝Xj/Ei(X恒定)＝Pi/Xj(E恒定)其中X等于應(yīng)變(單位長度伸長)；X等于應(yīng)力(單位面積的力)；E等于電場(每厘米伏特)，而P等于極化(每平方米庫侖)。下標(biāo)i·j表示晶體軸線，而在陶瓷的場合下，則指該陶瓷的極化方向。例如，d31是橫向應(yīng)變系數(shù)，而d33則是縱向應(yīng)變系數(shù)。
一種象直接式致動元件這樣的典型陶瓷器件直接利用激活時材料尺寸的改變，不需要將此實際位移放大。直接式致動元件包括一只壓電或電致伸縮陶瓷板，夾在一對在其主要表面上形成的電極之間。通常，這種器件都是用具有足夠大的壓電和/或電致伸縮系數(shù)的材料制成的，以便在陶瓷板中產(chǎn)生所要求的應(yīng)變。借助在此種器件某些尺寸的兩端施加適當(dāng)大小和極性的電壓，將造成壓電(或電致伸縮)材料沿該方向膨脹或收縮。當(dāng)器件沿一個維度膨脹或收縮(厚度或長度方向)時，它通常在與之垂直平面內(nèi)的維度(平面或斷面方向)上收縮或膨脹。
直接式致動元件利用縱向伸長模式或橫向伸長模式，而且能在壓縮狀態(tài)下承受高載荷(在25V/mil(密耳)外電場作用下一根 英寸的棒能承受超過l000磅)。然而，直接式致動元件存在著位移(應(yīng)變)極小的缺點，它們能達到的位移在最好情況下也只有千分之幾。
間接式致動元件通過外部構(gòu)造達到應(yīng)變放大。一個間接致動元件的例子是可彎曲張力變換器?？蓮澢鷱埩ψ儞Q器是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，由壓電陶瓷元件及金屬殼、應(yīng)力塑料或玻璃纖維結(jié)構(gòu)組成。傳統(tǒng)可彎曲張力器件的致動位移一般是由于壓電材料中發(fā)生的膨脹，經(jīng)機械方法與器件橫向的經(jīng)放大的收縮相結(jié)合造成的。在使用中，它們在±25V/mil外電場下能顯示出高達約0.5％的應(yīng)變，且可以承載高達數(shù)百磅。
最近，新開發(fā)出一種叫做“新月”(moonie)的可彎曲張力變換器。舉例說，U.S專利4,999,819披露一種變換器，它包括一塊帶電極的壓電體板，它同兩個各帶有一凹槽的金屬板粘合并夾在中間。新月的性能比傳統(tǒng)可彎曲張力變換器好，提供的位移也大。例如，在25V/mil外場作用下，一只總厚度約148mil的雙層新月能產(chǎn)生1.5mil(1.02％應(yīng)變)的位移。然向，正是由于能承受比傳統(tǒng)變換器大的應(yīng)變，新月只能承受不到100磅的載荷。
間接式致動元件的其他例子包括單型(單壓電晶片)、雙型(單壓電晶片)、多型以及單純型致動元件。典型的單型是由一只壓電元件和從外面與之粘合的柔性金屬箔組成，當(dāng)用變動電壓激勵時后者(金屬箔)受到壓電元件的激勵并因反抗壓電元件運動而產(chǎn)生軸向彎曲或變形。單型的致動運動可以靠收縮也可以靠膨脹產(chǎn)生。單型可顯示出高達10％的應(yīng)變，然而承受的應(yīng)變載荷卻不足1磅。
傳統(tǒng)的雙型壓電器件包括一只中間柔性金屬箔，夾于兩只粘貼在該片上的壓電元件當(dāng)中。電極粘貼在陶瓷元件的每個主要表面上，金屬箔粘合到二個內(nèi)側(cè)電極上。被稱做多型的多層器件可以通過交替地迭合陶瓷元件和金屬片的層而制成。電壓加到電極上時，雙型或多型便彎曲或振動。雙型和多型表現(xiàn)出比單型高的位移，其原理在于，在外電壓作用下一只陶瓷元件收縮而同時另一只元件則膨脹。雙型和多型能表現(xiàn)在25V/mil條件下高達20％的應(yīng)變，然而正象單型情況一樣，卻只能承受不足1磅的載荷。
典型的單純型彎曲器包括一塊壓電板，其每一面配置有導(dǎo)電電極，且能象類似雙型那樣地彎曲。但是，單純型中的彎曲是靠壓電板內(nèi)不均勻電場分布來實現(xiàn)的。在1KV/mm之下單純型能表現(xiàn)出高達15％的應(yīng)變，然而卻承受不住大于大約1磅的載荷。
盡管上述的間接彎曲式致動元件能表現(xiàn)出較直接式為大的應(yīng)變，但間接式致動器的承載能力卻非常小。此外，間接式致動器承載能力一般地隨可達應(yīng)變的提高而減少。可見，需要開發(fā)出一種能產(chǎn)生大應(yīng)變而且還能承受適度載荷的壓電或電致伸縮器件。
用于上述器件的壓電或電致伸縮片材或元件可以通過多種方法制造，而最廣泛采用的兩種是大氣燒結(jié)和熱壓。用于上述各種器件的金屬電極典型地采用沉積在陶瓷元件上的做法。然而，當(dāng)采用還原工藝生產(chǎn)時，可以通過將整片的扁平陶瓷元件進行化學(xué)還原來形成電極，即在CO還原氣氛中進行熱處理生產(chǎn)出在每個主要表面上都帶有整體電極的扁平陶瓷元件。例如，Haertling(1990)，<第四屆國際SAMPE電子學(xué)會議>，pp.699-711披露一種將鋯酸鈦酸鉛鑭(PLZT)晶片的二個主要表面進行化學(xué)還原的方法，這是在600℃～1000℃之間的溫度下用CO還原完成的。如此生產(chǎn)出的扁平PLZT晶片在每一主要表面帶有整體導(dǎo)電電極。該元件的中心是電介質(zhì)，且該PLZT晶片不具有任何不對稱內(nèi)部壓縮應(yīng)力，它也不產(chǎn)生任何平面之外的位移。
U.S專利5,091,820和4,987,515披露一種圓柱形陶瓷核心，例如鈦酸鋯酸鉛(PZT)(PZT是Vernitron公司的注冊商標(biāo))，在核心的每個相對的端面上形成了整體電極。這種電極是通過將整個核心置于氫或氮氣氛中，于650℃～1000℃之間的溫度下還原生成的。此過程在整個核心表面上生成一種還原金屬層。然后，除去核心圓柱表面上的還原層，只在核心的相對端面上留下兩個還原電極。然而，由于整個陶瓷核心被還原，該過程并不產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力偏置也不改變原來的核心形狀。
U.S專利號3,676,322抱露一種雙型彎曲器，包括一個波紋導(dǎo)電中心片，夾在一對凹面形陶瓷晶片之間。在每只晶片的兩面上均加接了導(dǎo)電電極。中心片的構(gòu)造是，在雙型元件的中央部位中心片剛性最大，且剛性連續(xù)減小，直到雙型的圓周處中心片剛度最小。結(jié)果，雙型的復(fù)合物剛度趨于克服機械滯后，原因是中心片在驅(qū)動信號跨越零點(交叉點)時能提供趨于克服材料自然回彈并使雙型回到其初始取向的恢復(fù)力。在制做過程中，做成偏平圓形晶片之后，用機械方法將晶片壓成凹面形狀以便它們能包住中間片。接著，在陶瓷元件的每個主要表面上加裝電極。故而，這種陶瓷晶片不具有整體電極，不具有不對稱內(nèi)應(yīng)力，制做過程復(fù)雜，要求波紋導(dǎo)電中間片的機械滯后小于先有技術(shù)帶有均勻厚度中間片的扁平晶片。
U.S專利號3,447,217披露制做壓電振子的還原/再氧化方法。其中一種方法包括，將PZT片材在800℃溫度下暴露于氫氣流中達15分鐘，以使整個片材還原。繼而，把該片材放在650℃下，于氧氣流中氧化2小時。這種方法生產(chǎn)出整體式扁平形壓電振子，它包括夾在一對氧化物層中間的還原層。在另一實施方案中，將兩個扁平元件還原，然后把每個元件的一個表面加以保護使之不受到再氧化，于是元件只有一個表面被氧化。這樣生產(chǎn)出的扁平元件，一面是還原的，而另一面是氧化的。結(jié)果，這些方法生產(chǎn)不出不對稱內(nèi)應(yīng)力偏置凹面形壓電元件。
可見，需要開發(fā)出一種壓電或電致伸縮器件，既能產(chǎn)生較大的應(yīng)變，又能承受適度的載荷。同時還需要開發(fā)出一種帶不對稱內(nèi)應(yīng)力偏置的此種器件，以便提供超出平面的軸向位移且提高機械強度。另外，還需要簡化用于生產(chǎn)此種電激勵陶瓷器件的制做方法。
本發(fā)明旨在提供制做單片、內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置、電激勵陶瓷器件的方法以及用此法制做的器件。由于不對稱內(nèi)應(yīng)力偏置的存在，本發(fā)明的陶瓷器件能提供超出平面的軸向位移和較高的機械強度。本發(fā)明的陶瓷器件能產(chǎn)生大的位移(應(yīng)變)并能承受適度的載荷。本方法的第一步是利用任何熟知的方法，例如熱壓或大氣燒結(jié)，制做具有彼此相對的第一和第二表面的陶瓷元件。此種晶片可以用壓電或電致伸縮材料制做，例如鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鈦酸鉛鑭(PLZT)、錫酸鋯酸鈦酸鉛(PSZT)、鋯酸鈦酸鉛鋇(PBZT)和鈮酸鉛鎂(PMN)。原料晶片還可以具有各種各樣的形狀，包括圓形、矩形和正方形。
本發(fā)明方法的下一步是通過在還原劑組成的還原氣氛中進行熱處理，僅將晶片的一面化學(xué)還原。還原劑可以是能把晶片中的部分氧化鉛還原成對應(yīng)的金屬狀態(tài)的還原劑。此類還原劑的例子包括石墨(碳)、一氧化碳、氫或者任何其他能把氧化鉛還原成其金屬狀態(tài)的合適還原劑。在進行這一步時，只讓晶片的一面受到化學(xué)還原氛的作用，而另一面或者任其裸露或者用掩模保護，使其免受還原氛的作用。舉例說，用一氧化碳還原時，可以把晶片放在一個碳塊上，或者一個碳塊和一個掩模塊(如氧化鋯)之間。熱處理期間，僅僅同碳塊接觸的一面被暴露于還原性一氧化碳?xì)夥铡?br> 本發(fā)明方法生產(chǎn)出的晶片，其第一表面變成陶瓷材料的金屬/導(dǎo)電性還原形式。此外，本方法能生產(chǎn)出凹面形晶片，其原因是(1)相對于未還原材料而言，被還原材料的體積收縮和(2)還原側(cè)和電介質(zhì)(未還原)側(cè)之間熱膨脹的差異。由于是凹面形的，在外場為零的情況下，還原側(cè)處于拉伸而電介質(zhì)側(cè)處于壓縮狀態(tài)。本方法獲得的綜合效果是使晶片的電激勵側(cè)(電介質(zhì)側(cè))處于壓縮狀態(tài)，而從可靠性，承載能力和使用壽命的角度看，這是最理想的構(gòu)形。本發(fā)明陶瓷晶片的這種不對稱內(nèi)應(yīng)力偏置還能提高機械強度并造成超出平面以外的位移。這種形狀還為本發(fā)明的器件提供機械過載保護；也就是說，過載只不過導(dǎo)致陶瓷晶片底部展至表平面而不會碎裂。更進一步，還造成了一種完全整體化的單片器件。
晶片的還原側(cè)起著機械襯底和導(dǎo)電基極的作用。這樣，只需在晶片的電介質(zhì)側(cè)沉積金屬電極。另一種做法，也可以在還原層或者其周邊沉積金屬電極，以確保在高速運行時有良好的電氣接觸。在二電極接上導(dǎo)線之后，狀置便可供使用了除原有的壓電或電致伸縮性能之外，本發(fā)明的壓電和電致伸縮陶瓷器件還具有許多有用的性質(zhì)，包括熱電、鐵電、電光等等。因而，本發(fā)明電激勵陶瓷器件具有廣泛的用途。
當(dāng)采用圓形晶片時，本發(fā)明的方法能生產(chǎn)一種穹頂形陶瓷晶片。兩只這樣的穹頂形裝置可以放在一起構(gòu)成一個完整的蛤殼構(gòu)造。可以沿每只殼的內(nèi)邊緣涂上粘合劑，但是并不要求這樣做。這二種器件可以串聯(lián)使用，以產(chǎn)生兩倍于單個器件的位移。做為一種替代的實施方案，每只穹頂形晶片可以具有相反的溫度特性，這樣，當(dāng)結(jié)合成一個蛤殼構(gòu)造時，它們便構(gòu)成了一種非熱化器件。這種方案獲得一種溫度穩(wěn)定的器件。做為進一步的實施方案，不管是非熱化的與否，都可以將多只這種蛤殼構(gòu)造彼此碼放組成一只體積很小的高線位移泵或馬達。
在本發(fā)明進一步的實施方案中，可以將本發(fā)明穹頂形晶片彼此碼放，每只取向相同(例如，每只晶片的還原側(cè)均朝下)，關(guān)在二晶片中間配置一塊剛性片。然后再進一步碼放更多的穹頂形晶片和居間的剛性片，結(jié)果做成一種手風(fēng)琴式的結(jié)構(gòu)。如同蛤殼構(gòu)造一樣，也可以將兩種具有相反溫度一應(yīng)變特性的晶片配成兩個一組，從而做成非熱化器件。該實施方案也可以用來做成體積非常小的高線位移泵或馬達。
本發(fā)明的電激勵陶瓷器件提供一種單片、預(yù)應(yīng)力、凹面形構(gòu)造，它能產(chǎn)生大位移并能承受適度的載荷。該陶瓷器件可產(chǎn)生高達百分之幾百的應(yīng)變(比最好的雙型還大一個數(shù)量級)，而且能承受至少10磅的載荷(比最好的雙型還大一個數(shù)量級)。本發(fā)明提供一種簡單而且成本效益好的電激勵陶瓷器件生產(chǎn)方法。另外，本發(fā)明制品還是可表面安裝的，所需備件少，不要粘結(jié)，高度靈活適用，多功能，故可應(yīng)用于各種各樣設(shè)備中。


圖1是按本發(fā)明加工前一只陶瓷晶片的頂部透視圖。
圖2-4是按本發(fā)明加工前另一個陶瓷元件實例的頂部透視圖。
圖5是采用一氧化碳還原來制做本發(fā)明電激勵陶瓷器件的一種組裝件的剖面圖。
圖6是圖5的組裝件在按本發(fā)明方法加工后的視圖。
圖7是本發(fā)明的兩種PLZT電激勵的陶瓷器件還原層的歐姆特性曲線。
圖8是在電介質(zhì)側(cè)配置了電極的本發(fā)明電激勵陶瓷器件的頂部透視圖。
圖9是在還原層周邊也配置了電極的圖8陶瓷器件的底部透視圖。
圖10是在整個還原層表面上進一步配置了電極的圖8器件替代性方案的底部透視圖。
圖11是用做一種致動元件的本發(fā)明電激勵陶瓷器件的剖面視圖。
圖12是一系列按照本發(fā)明的電激勵陶瓷器件的壓力和應(yīng)變特性曲線圖。
圖13-14是本發(fā)明進一步的電激勵陶瓷器件具體方案的頂部透視圖。
圖15是傳統(tǒng)致動元件和本發(fā)明電激勵陶瓷器件之間的應(yīng)變與壓力對比。
圖16是一對本發(fā)明電激勵陶瓷器件當(dāng)做一只蛤殼構(gòu)造來操作時的剖面圖。
圖17是可以當(dāng)做一種非熱器件使用的兩種本發(fā)明陶瓷元件的溫度一應(yīng)變特性曲線圖。
圖18是做為一個單元工作的多對本發(fā)明陶瓷器件的剖面圖。
圖19-20是按照本發(fā)明進一步實例的多級陶瓷器件的剖面圖。
先看圖1，它表示的是一只按本發(fā)明加工成器件之前的陶瓷晶片10。晶片10是平面園形壓電或電致伸縮材料晶片，具有分別為12和14的第一和第二主要表面。雖然，該陶瓷晶片10具有圓的形狀，但其他的形狀，正如圖2-4所示，例如矩形16、正方形18或任何其他不規(guī)則或奇異的形狀19的也可以使用。
本發(fā)明方法的第一步是用任何熟知的方法，例如熱壓或大氣燒結(jié)，制做壓電或電致伸縮晶片10、16或18。這些方法為本門技術(shù)所熟知，細(xì)節(jié)可見諸于Haertling，“壓電和電致伸縮陶瓷”，<用于電子方法的陶瓷材料、性能和應(yīng)用>(<Ceramic Materials forElectron Process Prop.and Appl.>)，(1986)，PP.169-174。例如，以化學(xué)共沉淀和熱壓制備晶片10要求在高速摻合機里把高純度液態(tài)有機金屬(四丁基鋯酸酯和四丁基鈦酸酯)同PbO混合，繼而，在摻合的同時加入醋酸鑭水溶性溶液使之發(fā)生沉淀。并將生成的淤漿在大約80℃下完全干燥。過程的后續(xù)步驟包括(1)將粉末焙干，(2)濕研磨粉末若干小時以促使進一步均一化，(3)不加粘合劑進行干燥，(4)冷壓粉末，(5)在氧存在下熱壓以及(6)成形和切片。
制做PLZT晶片的典型大氣燒結(jié)(混合氧化構(gòu))包括(1)將氧物(La2O3、ZrO2、TiO2、PbO)稱重至適宜的精確度，(2)在液態(tài)介質(zhì)中摻合，(4)焙干粉末，(5)在液體介質(zhì)中研磨，(6)加粘合劑干燥，(7)冷壓成特定形狀，(8)高溫?zé)Y(jié)以及(9)成形。
適合制做陶瓷晶片10的材料包括高含鉛壓電或電致伸縮材料，例如鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鈦酸鉛鑭(PLZT)、錫酸鋯酸鈦酸鉛(PSZT)、鋯酸鈦酸鉛鋇(PBZT)和鈮酸鉛鎂(PMN)。
本方法的下一步是通過能把晶片中的氧化鉛還原成對應(yīng)的導(dǎo)電性/金屬狀態(tài)(鉛)的還原劑的還原氣氛中熱處理，僅將晶片10的一面進行化學(xué)還原。合適的還原劑包括石墨(碳)、一氧化碳、氫或其他能從被還原表面提取出氧原子的適當(dāng)還原劑。在進行這一步驟時，只有晶片10的一面經(jīng)受還原氣氛的作用，而相對的一面不暴露于該還原氣氛。
作為一個說明性的例子，圖5表示采用一氧化碳還原的用于制做本發(fā)明的電激勵陶瓷器件的一種組裝件20。晶片10被夾在碳塊22和掩模塊24之間，塊24可以是氧化鋯或氧化鎂塊。晶片10的兩面12和14中的一面或兩面可以經(jīng)拋光或研磨后再置于夾塊中間。碳塊22將用來還原第一面12，而任選地用掩模塊24來防止第二面14被還原。應(yīng)該注意，掩模塊24并非是必須的，因為唯一暴露于還原氣氛的表面只有第一面12。
接著，把組裝件20放進爐內(nèi)并開始加熱。組裝件加熱溫度介于600℃到1200℃，時間從5分鐘到24小時不等。一般地說，溫度低則需要的還原時間長。舉例說明，對于PLZT5.5/56/44晶片，加工條件包括將組裝件在975℃下加熱60分鐘。(代號5.5/56/44為本行業(yè)所熟知的，它對應(yīng)于用來制做PLZT晶片的前體材料成分，即鑭/鋯酸鉛/鈦酸鉛的百分比。)熟悉本項技術(shù)的人應(yīng)當(dāng)理解，本方法適用于具有不同前體材料化學(xué)成分的晶片，而且厚度和直徑都可以不同。本方法可以應(yīng)用于厚度介于0.5-500密耳，直徑介于約0.05-10,000密耳之間的晶片。
現(xiàn)在來看圖6，冷卻之后，本發(fā)明的方法制成一種凹面、基本上鞍形或基本上穹頂形的晶片26，它包括電介質(zhì)層27(即，層27未被還原并仍舊是晶片10那樣的壓電或電致伸縮材料)和化學(xué)還原層28。究竟本方法生產(chǎn)出的晶片是凹面形、鞍形亦或是穹頂形，這取決于起始晶片的厚度-直徑比而定。還原層28，由于在還原過程中氧原子被從層28抽出形成一體的導(dǎo)電層28，故主要由遍及整個層細(xì)密分布的金屬鉛組成。在給定的溫度下，晶片熱處理時間愈長，還原層28愈厚。例如，還原溫度為975℃，時間60分鐘時還原層厚度將大約為6密耳，而125分鐘時則厚度大約12密耳。應(yīng)當(dāng)指出，由于還原過程的結(jié)果，在還原層28的表面形成了一薄層氧化物層。但是，可以借助象砂紙這樣的輕度打磨很容易地除去這一薄層。
穹頂效應(yīng)系由于如下的原因造成的，(1)還原層材料相對于未還原材料的體積收縮，以及(2)還原層28(高熱膨脹性)與電介質(zhì)層27(低熱膨脹性)之間熱膨脹差異。本發(fā)明方法的凈效果是使晶片的壓電活性側(cè)27處于壓縮狀態(tài)，從可靠性、承載能力和使用壽命的角度來看這是最理想的構(gòu)形。還原側(cè)28處于張力狀態(tài)。結(jié)果，本發(fā)明制成的晶片26具有不對稱內(nèi)應(yīng)力偏置，它提供更高的機械強度和超出平面的軸向位移。所以，本發(fā)明方法生產(chǎn)出一種還原和內(nèi)應(yīng)力偏置的氧化物晶片(RAINBOW)。BAINBOW器件是一種單片、不對稱內(nèi)應(yīng)力偏置的電激勵陶瓷元件，它帶有整體電極28。此外，RAINBOW器件是雙極器件。
上文描述的組裝件20中，碳塊22按下列反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳還原氣體
另外，第一主表面12上的氧化鉛按下列反應(yīng)被還原該還原過程從壓電或電致伸縮晶片10的晶格中奪走氧原子，產(chǎn)生過剩電子，它連同沿還原層28細(xì)密分布的沉積金屬鉛的存在導(dǎo)致還原層28導(dǎo)電性的提高。
現(xiàn)在看圖7，其中表示的是按本發(fā)明還原的兩種PLZT晶片的歐姆特性。對于PLZT5/56/44試樣，處理溫度975℃，時間60分鐘，生成的電阻為75.3歐姆，電阻率3.83×10-4歐姆-厘米。對9/65/35試樣，處理溫度為1000℃，時間180分鐘，并產(chǎn)生電阻3歐姆，電阻率3.75×10-4歐姆-厘米。典型還原金屬層28的電阻率可介于1歐姆-厘米和1×10-3歐姆-厘米之間。如此低的電阻率表明還原金屬層28可以做為極好的導(dǎo)電電極。
還原層28起機械襯底和導(dǎo)電基極的作用。結(jié)果，如圖8所示，只需要通過任何適當(dāng)?shù)姆椒?，象網(wǎng)板印刷、噴涂、刷涂或真空沉積等在晶片26的電介質(zhì)側(cè)27上沉積或涂敷一層金屬電極30即可。另一些方法，象圖9所示，也可以在還原層28的周邊沉積一層金屬電極32，或者象圖10所示，在還原層28的全部表面上沉積一層金屬電極33以保證在高速操作情況下有良好的電氣接觸。在用做壓電變換元件的場合下，利用還原層28作為應(yīng)力偏置襯底以及一個電極，能有效地避免通常傳統(tǒng)變換元件在操作中遇到的粘結(jié)問題。
下面看圖11，其中畫出了一只典型的使用中的本發(fā)明壓電器件40。器件40包括晶片26，電極30、32分別沉積在電介質(zhì)面27和還原面28上。用導(dǎo)線分別把接線端子42和44連接到電極30和32上，為器件40提供電氣接觸。電極32是通過金屬底板45與接線頭44相連的。電壓源46被用來在器件40上施加一個電壓。在端子42和44兩端加上DC(直流)電壓時，晶片26將變成基本上平面的。相反，當(dāng)解除DC電壓時，晶片又恢復(fù)到圖11所示的凹面形狀。這樣，若以平面45代表基準(zhǔn)平面，本發(fā)明的陶瓷器件便提供了超出平面的軸向位移。這種現(xiàn)象便提供了利用器件40做為，例如，致動元件、泵、傳感器、揚聲器或話筒的工作原理。
作為一個說明性實例，當(dāng)在端子42和44兩端跨接一個交流(AC)或脈沖直流電壓時，例如象收音機或話筒的情況，器件40便會以相等的頻率振動。而如果在電介質(zhì)側(cè)27加上一個負(fù)載，象揚聲器的芯子，則交變電信號便能轉(zhuǎn)換成推動揚聲器芯子運動的機械振動從而發(fā)出聲音。
本發(fā)明的電激勵陶瓷器件能產(chǎn)生大位移和承受適度的載荷。另外，電壓提高一般地產(chǎn)生的應(yīng)變也加大。本發(fā)明的陶瓷器件在1V/mil到200V/mil的外場作用下能產(chǎn)生約0.1到100mil(密耳)的位移。例如，如圖11所示的PLZT9/65/35制成的厚度10mil的裝置在±5V/mil電場下產(chǎn)生10％的應(yīng)變(1mil位移)，而在±25V/mil電場下則產(chǎn)生500％的應(yīng)變(50mil位移)。
再來看圖12，其中畫出的是，對于直徑1.25″的按本發(fā)明的5.5/56/44PLZT裝置，應(yīng)變百分?jǐn)?shù)和最大可用壓力(PSi)對晶片厚度的曲線圖。晶片在975℃下，加熱了60分鐘就制做出這種RAINBOW器件。如圖12所示，10mil厚的晶片能產(chǎn)生高達500％的應(yīng)變(即從這種10mil晶片上能得到50mil的位移)。用于產(chǎn)生該應(yīng)變的電場是±45V/mil。從圖12中還可看到，本發(fā)明陶瓷器件能做成穹頂式(較好的形式)使用，也能做成鞍式或混合式，依晶片26的厚度-直徑比不同而定。在穹頂式情況下，當(dāng)采用脈沖電壓時，晶片26沿其上各點徑向、等量地縮進和脹出。雖然穹頂式是較好的，但本發(fā)明陶瓷器件也能有用地操作在鞍式或混合式之下。在鞍式(單軸伸長式)情況下，當(dāng)加上電壓后晶片26沿其一個主直徑的方向而不是沿全部徑向等量地縮進和脹出。混合式是介于穹頂和鞍形區(qū)間的中介區(qū)間。
雖然上面結(jié)合了圓形晶片10做了描述，但本發(fā)明的方法也可以應(yīng)用于任何其他的形狀，例如矩形、正方形、矩形或正方斷面或異形的元件16、18和19，如圖2-4所表示。當(dāng)起始(原料)晶片是矩形或正方形時，本發(fā)明的方法將生產(chǎn)出如圖13-14所示的凹面矩形(48)或正方(50)的裝置。裝置48和50的斷面形狀與例如圖6所示晶片26的斷面形狀相同。通過在電介質(zhì)(未還原)側(cè)27加上至少一個電極，器件48和50可以被用作彎曲器。前面有關(guān)圓形晶片26的還原層、沉積電極、應(yīng)變/載荷特性等等的討論同樣地可適用于圖13-14的器件48和50。
本發(fā)明的電激勵陶瓷器件提供單片、預(yù)應(yīng)力構(gòu)造，該構(gòu)造使器件能產(chǎn)生大位移和承受適度的載荷。本發(fā)明器件的內(nèi)部不對稱壓縮應(yīng)變的存在提供平面以上的軸向位移和更大的機械強度。平面以上的軸向位移使本發(fā)明的器件與傳統(tǒng)的平面內(nèi)器件相比，用處更大、適應(yīng)性更好(例如只要將本器件同一只發(fā)聲片粘牢就可制成一個揚聲器或泵)。假如在本發(fā)明凹面、穹頂或鞍形器件上所加載荷超過其可承受的數(shù)值，該器件便被壓平并不再工作。然而，一旦過載解除，該器件便恢復(fù)其凹面、穹頂或鞍形的形狀并能重新按要求工作，這樣便提供了針對機械過載的內(nèi)置安全措施。與此對比，傳統(tǒng)的雙型(晶片)將因過載而開裂或破壞并必須更換。
參看圖15，它表示的是各種陶瓷致動元件技術(shù)之間的比較。如圖所示，盡管直接的伸長和彎曲伸長器件能承受較大的載荷，但它們承受不了很大的應(yīng)變。相反，雙型能產(chǎn)生大應(yīng)變但載荷大大減少。可是，本發(fā)明的RAINBOW器件能產(chǎn)生高達百分之幾百的應(yīng)變，比雙型大一個數(shù)量級，且能承受至少10磅的載荷，又比最好的雙型還大出一個數(shù)量級。所以說，本發(fā)明提供能承受很大軸向應(yīng)變、應(yīng)付適度載荷的單片預(yù)應(yīng)力電激勵陶瓷器件，提供機械過載保護，易于制做且成本效益好。
本發(fā)明電激勵壓電或電致伸縮器件表現(xiàn)出許多有用的性能，例如壓電、電致伸縮、熱電、鐵電和電光等效應(yīng)。另外，本發(fā)明器件是適用于混合器件的可表面安裝的，需要的備件少，不需粘結(jié)，高度適應(yīng)和多功能的。因而，本陶瓷器件具有廣泛的用適，包括致動元件、繼電器、泵、振動器、揚聲器、加速度計、傳感器(應(yīng)力/壓力、熱電、運動、光學(xué))、熱電探測器、開關(guān)、超聲波清洗器、超聲波鉆、過濾器、風(fēng)扇、薄膜器件、發(fā)聲器、話筒、水揚聲器、水聽器、自適光學(xué)器件、變焦反射鏡及透鏡、位移器件、振子、脈沖/回聲器件、機械手、應(yīng)變計、鞍形漸動螺桿和打印機錘。
當(dāng)使用圓形晶片10時，本方法制成如上述的基本穹頂形晶片26。由于單個器件26很象半個蛤殼構(gòu)造，故可以象圖16那樣把兩片這樣的器件放在一起湊成一個完整蛤殼器件52。器件52包括第一和第二陶瓷器件54、56，分別帶有第一和第二電極30、32。每只器件的兩內(nèi)側(cè)電極32均同一剛性導(dǎo)電片58(例如一個金屬片)相接觸，后者可以和負(fù)端子60相連結(jié)。(應(yīng)該指出，電極32是任選的，且還原層28可以用作此電極。)導(dǎo)電片58可以松插于器件54和56之間，也可以同器件54和56中每一個粘結(jié)。二外電極30可借導(dǎo)線62連接，然后再與底板64相連構(gòu)成接地端子66。器件54和56以及導(dǎo)電片58的兩兩之間不要求有特別的連接或粘合劑，可以相互簡單迭放。在使用過程中，上面的器件54提供平面以上的軸向位移，而下面的器件56提供平面以下的軸向位移。兩個RAINBOW器件54和56可以串聯(lián)工作，產(chǎn)生二倍于一個器件的位移。
作為另一種替代方案，可以不要不可彎曲導(dǎo)電片58，將器件54和56相互簡單迭放即可。在這種實施方案中，兩個內(nèi)側(cè)電極32(或還原層28)可以直接接觸并把端子60同電極32(或還原層28)中的一個直接相連。在上述任何一種方案(即不管帶或不帶剛性片58)中，都可以通過在兩器件之間沿其內(nèi)周邊的環(huán)氧樹脂，為保持維持良好電接觸，將器件54和56彼此粘結(jié)或同導(dǎo)電片58粘結(jié)。
在本發(fā)明的另一實施方案中，如圖16所示的陶瓷器件54和56中的每一只可以具有彼此相反的溫度特性，構(gòu)成非熱蛤殼器件52。參看圖17，其中表示的是兩種本發(fā)明陶瓷器件的溫度-應(yīng)變特性。作為說明性例子，器件54可以用PLZT8.6/65/35制造，其應(yīng)變隨溫度提高而降低，如圖17曲線A所示。器件56可以用有相反溫度-應(yīng)變特征的PLZT7/65/35制造，其特性如圖17曲線B所示，其中應(yīng)變隨溫度增加而增加。當(dāng)54和56兩器件結(jié)合成一個蛤殼構(gòu)造52之后，整個器件52的結(jié)合后的溫度-應(yīng)變特性，如圖17曲線C所示，為非熱的。換句話說，蛤殼器件52的應(yīng)變特性基本上不隨溫度而改變。故而，本發(fā)明的這個具體方案，除具有上面提到的全部優(yōu)點之外，還具有溫度穩(wěn)定性這一附加的優(yōu)點。
在進一步的實施方案中，蛤殼器件52可以象圖18那樣級聯(lián)。作為一個說明性例子，圖18畫出了三只互相碼放的蛤殼器件52，它們組成了占體積非常小的高線位移馬達或泵68。應(yīng)當(dāng)理解，裝置68可以包括2個以上的蛤殼器件。每個器件52的每個外側(cè)電極通過導(dǎo)線70、72和74彼此相連結(jié)。電極30同底板76相連，且端子78確定了正端子。三蛤殼器件52的每一個的每個內(nèi)側(cè)電極32，通過導(dǎo)線80、82和84互相連結(jié)，它們都與負(fù)端子86相通。
作為替代性方案，可以用剛性導(dǎo)電片87將每個蛤殼器件分隔開。然后，借助剛性片87和導(dǎo)線88、90和92彼此電氣相連。應(yīng)該注意，導(dǎo)線70、72和74對本方案來說是不需要的。
上面有關(guān)圖16中器件52的任選電極32、任選非彎折導(dǎo)電片58以及粘結(jié)的描述，同樣適用于圖18的每個器件52。另外，圖18中每個器件52還可以按上述的方法非熱化，制成非熱泵或馬達68。
在本發(fā)明進一步的實施方案中，兩個以上的陶瓷晶片26可以相互迭放組成手風(fēng)琴式的器件94，如圖19所示，它，例如，可以作為泵、馬達或者致動元件。作為說明性例子，器件94包括分別為第一、第二、第三和第四陶瓷器件的96、98、100和102，每個器件具有第一和第二電極30和32。(應(yīng)當(dāng)注意，電極32是任選的，而還原層28可以被用作每個器件96、98、100和102的第二電極。)如同圖19所示，陶瓷元件96、98、100和102中的每一個可以彼此碼放，使陶瓷元件中任何一個的第一表面12朝向任何一個相鄰陶瓷元件的第二表面14。
四個陶瓷器件中每一個均由剛性導(dǎo)電片104隔開。由于本發(fā)明陶瓷器件是雙極的，使器件94工作的電氣連接可按圖19進行。器件98和102的第一電極30和器件96和100的第二電極32均借助導(dǎo)線108和110，以及兩個導(dǎo)電片104與端子106相連。端子106可以作負(fù)端子。器件98和102的第二電極32和器件96和100的第一電極30通過導(dǎo)線114、116、118、金屬底板120和兩個導(dǎo)電片104都與端子112相連。端子112可以是正端子。
本發(fā)明手風(fēng)琴式器件的另一種實施方案示于圖20，且也可以用作泵、馬達或者致動元件。在器件122中，四個陶瓷元件96、98、100和102中的每一個之間夾著剛性片124，該剛性片包括導(dǎo)電部分126和絕緣部分128。每個器件的每一個外側(cè)電極30通過導(dǎo)線130、132和134互相聯(lián)通。然后，再把這些電極30與端子136連接起來，確定了正端子。四個器件96、98、100和102中每一個的每一內(nèi)側(cè)電極32通過導(dǎo)線138、140、142和144，以及剛性片124的導(dǎo)電部分126和金屬底板146互相聯(lián)通，再全部與負(fù)端子148連接。
就手風(fēng)琴式器件94和122中的每一種，剛性片104和124而言，可以松夾于每個器件96、98、100和102之間，剛性片也可以通過在每個片104和124的每一面上涂上粘合劑(例如，環(huán)氧樹脂)而與每個器件粘結(jié)起來。作為替代方案的器件94和122中的每個，每對器件(96、98)和(100、102)可以按照上面描述的方法非熱化，制成非熱器件94或122。還應(yīng)當(dāng)理解，就非熱器件而言，器件94或122可以由幾對器件組成，其中n＝1、2……。
雖然已結(jié)合本發(fā)明較好實例對本發(fā)明做了具體的揭示和說明，但熟悉本門技術(shù)的人應(yīng)當(dāng)理解仍可做出形式上及細(xì)節(jié)方面的其他改變而不背離本發(fā)明的原則和范圍，本發(fā)明的原則和范圍應(yīng)僅由所附權(quán)利要求的范圍加以限定。
權(quán)利要求
1.一種制做內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置陶瓷元件的方法，包括的步驟有(a)形成帶有彼此相對的第一和第二(表)面的陶瓷元件；(b)通過僅將所說第一面暴露于一種還原劑僅將所說第一面化學(xué)還原。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所說化學(xué)還原步驟包括將所說陶瓷元件還原為其導(dǎo)電狀態(tài)，制成一種凹面狀陶瓷元件，其中所說第一面是陶瓷材料的導(dǎo)電還原形式，且處于張力狀態(tài)，而所說的第二面處于壓縮狀態(tài)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所說化學(xué)還原步驟包括將所說陶瓷晶片加熱。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所說化學(xué)還原步驟包括將所說陶瓷晶片暴露于600℃-1200℃之間的溫度，時間在5分鐘到24小時之間。
5.權(quán)利要求2的方法，其中所說化學(xué)還原氣氛包括選自碳、一氧化碳和氫的還原劑。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所說化學(xué)還原步驟包括把所說陶瓷晶片放在一個碳塊上，讓所說的第一面同所說碳塊接觸；以及將所說構(gòu)造加熱。
7.權(quán)利要求6的方法，其中讓所說第二面暴露于非還原氣氛。
8.權(quán)利要求1的方法，進一步包括下列步驟在所說第二面頂部放上一種掩模塊，使所說陶瓷晶片被夾在所說的碳塊和掩模塊之間；以及將所說夾層構(gòu)造加熱。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所說的掩模塊由選自氧化鋯和氧化鎂的材料做成。
10.權(quán)利要求1的方法，進一步包括在所說陶瓷元件的所說第二面上形成第一電極的步驟。
11.權(quán)利要求10的方法，進一步包括在所說陶瓷元件的所說第一面的周邊上形成第二電極的步驟。
12.權(quán)利要求10的方法，進一步包括在所說陶瓷元件的整個第一表面上形成第二電極的步驟。
13.權(quán)利要求11的方法，進一步包括在所說第一和第二電極之間加上直流、脈沖或交流的一定頻率的電壓，使所說陶瓷元件按照所加脈沖的頻率產(chǎn)生位移。
14.權(quán)利要求13的方法，進一步包括把所說陶瓷元件當(dāng)做一種選自致動元件、泵、傳感器和揚聲器等器件來工作的步驟。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所說的陶瓷元件的厚度介于0.5-500密耳，其直徑介于0.05-10,000密耳。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所說的電壓產(chǎn)生介于±1V/mil(mil＝密耳)和±200V/mil之間的電場，且所說的位移介于0.1mil到100mil之間。
17.權(quán)利要求1的方法，其中所說陶瓷元件是用熱壓或大氣燒結(jié)成形的。
18.權(quán)利要求1的方法，其中所說陶瓷元件被成形為選自圓形、矩形、正方形和異形等形狀。
19.權(quán)利要求1的方法，其中所說的陶瓷元件是圓形晶片，且所說的化學(xué)還原步驟產(chǎn)生基本上為穹頂形的陶瓷元件。
20.權(quán)利要求1的方法，其中所說的陶瓷元件是圓形晶片，且所說的化學(xué)還原步驟產(chǎn)生基本上為鞍形的陶瓷元件。
21.權(quán)利要求1的方法，其中所說的陶瓷晶片材料選自PZT、PLZT、PSZT、PMN和PBZT。
22.一種內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置的陶瓷元件，包括一種凹面形、具有相對的第一和第二(表)面的陶瓷元件；所說的第一面為該陶瓷材料的導(dǎo)電還原層且處于張力狀態(tài)；和所說的第二面為處于壓縮狀態(tài)。
23.權(quán)利要求22的陶瓷元件，進一步包括在所說陶瓷元件的所說第二面上形成的第一電極。
24.權(quán)利要求23的陶瓷元件，進一步包括在所說陶瓷元件的所說第一面的周邊上形成的第二電極。
25.權(quán)利要求23的陶瓷元件，進一步包括在所說陶瓷元件的整個第一面上配置的第二電極。
26.權(quán)利要求24的陶瓷元件，進一步包括用來在所說第一和第二電極上施加直流、脈沖或交流電壓使所說陶瓷元件產(chǎn)生位移的手段。
27.權(quán)利要求26的陶瓷元件，其中所說的陶瓷元件被作為一種選自泵、致動元件、傳感器、揚聲器和話筒等的器件工作。
28.權(quán)利要求26的陶瓷元件，其中所說陶瓷元件的厚度為0.5-500mil，直徑為0.05-10,000mil。
29.權(quán)利要求28的陶瓷元件，其中所說電壓產(chǎn)生介于±1V/mil到±200V/mil之間的電場，且所說陶瓷元件在施加所說電壓期間產(chǎn)生介于0.1mil和100mil之間的位移。
30.權(quán)利要求22的陶瓷元件，其中所說的元件是圓形的，且具有基本上呈穹頂形的形狀。
31.權(quán)利要求22的陶瓷元件，其中所說的元件是圓形的，且具有基本上呈鞍形的形狀。
32.權(quán)利要求22的陶瓷元件，其中所說的元件具有選自圓形、矩形、正方和異形等形狀。
33.權(quán)利要求22的陶瓷元件，其中所說的陶瓷材料選自PZT、PLZT、PSZT、PMN和PBZT構(gòu)成的一組材料。
34.一種內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置、具有相對的第一和二(表)面、所說第一面為該陶瓷材料的導(dǎo)電還原層且處于張力狀態(tài)，而所說第二面處于壓縮狀態(tài)的凹面形陶瓷元件的操作方法，該方法包括的步驟有對所說陶瓷元件施加一定頻率的直流、脈沖或交流電壓，使所說陶瓷元件按照外加脈沖的頻率產(chǎn)生位移。
35.權(quán)利要求34的方法，其中所說對所說陶瓷元件施加直流、脈沖或交流電壓的步驟包括將所說電壓加到第一面上形成的第一電極和第二面上形成的第二電極上去。
36.權(quán)利要求34的方法，其中所說陶瓷元件的厚度介于0.5mil到500mil之間，且直徑介于0.05mil到10,000mil之間。
37.權(quán)利要求36的方法，其中所說電壓產(chǎn)生的電場介于±1V/mil到±200V/mil之間，且所說的陶瓷元件在施加所說電壓期間產(chǎn)生介于0.1mil和100mil之間的位移。
38.權(quán)利要求34的方法，其中所說的陶瓷元件是被當(dāng)作選自泵、致動元件、傳感器、揚聲器和話筒等器件來工作的。
39.一種陶瓷器件，包括至少一個具有第一和第二內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置陶瓷元件的蛤殼構(gòu)造；每個所說陶瓷元件包括一個具有相對的第一和第二(表)面的凹面形陶瓷元件；以及所說的第一面為該陶瓷材料的導(dǎo)電還原層，且處于張力狀態(tài)，所說的第二面處于壓縮狀態(tài)；所說第一陶瓷元件配置在第二陶瓷元件上面上，使所說第一元件的所說還原層的至少一部分與所說第二元件的所說還原層的至少一部分相接觸。
40.權(quán)利要求39的陶瓷器件，其中每個所說的陶瓷元件是選自壓電、電致伸縮、熱電和鐵電等元件。
41.權(quán)利要求39的陶瓷器件，其中每個所說的陶瓷元件進一步包括配置在每個所說第一面的周邊上的第一電極。
42.權(quán)利要求39的陶瓷器件，其中每個所說的陶瓷元件進一步包括配置在每個所說第一面的整個第一表面上的第一電極。
43.權(quán)利要求41的陶瓷器件，進一步包括配置在每個元件第二表面上的第二電極。
44.權(quán)利要求43的陶瓷器件，其中每個所說陶瓷元件具有圓穹頂形狀，且第一元件的所說第一電極的周邊同第二元件的第一電極的周邊相接觸。
45.權(quán)利要求43的陶瓷器件，進一步包括夾于所說第一和第二陶瓷元件之間的剛性導(dǎo)電片，使所說第一元件的至少部分所說第一電極與所說第二元件的至少部分第一電極互相接觸。
46.權(quán)利要求43的陶瓷器件，進一步包括確定了第一端子的、同所說第一和第二元件的所說第一電極相連的第一金屬接觸，以及確定了第二端子的、同所說第一和第二元件的第二電極相連的第二金屬接觸。
47.權(quán)利要求46的陶瓷器件，進一步包括用于在所說第一和第二端子之間施加脈沖電壓以便使所說陶瓷裝置產(chǎn)生位移的手段。
48.權(quán)利要求43的陶瓷器件，進一步包括兩個以上彼此迭合布置的此種蛤殼構(gòu)造；同每個陶瓷元件的所說第一電極相連的第一端子；以及同每個陶瓷元件的所說第二電極相連的第二端子。
49.權(quán)利要求48的陶瓷器件，進一步包括夾于每對相鄰蛤殼構(gòu)造之間以及置于最上面的蛤殼構(gòu)造頂上的剛性導(dǎo)電片。
50.權(quán)利要求48的陶瓷器件，進一步包括配置在每對蛤殼構(gòu)造之間將每個蛤殼構(gòu)造同相鄰的蛤殼構(gòu)造相結(jié)合的結(jié)合手段。
51.權(quán)利要求39的陶瓷器件，進一步包括配置在每個陶瓷元件所說第一面的周邊上用于把所說第一和第二元件結(jié)合結(jié)合手段。
52.權(quán)利要求39的陶瓷器件，其中所說第一陶瓷元件的應(yīng)變隨溫度上升而減小，而所說第二陶瓷元件的應(yīng)變隨溫度上升而增大，從而使所說的陶瓷器件成為一種非熱陶瓷器件，其中所說器件的應(yīng)變基本上不隨溫度變化。
53.一種陶瓷器件，包括至少兩只呈迭合布置的內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置的陶瓷元件；每只所說的陶瓷元件包括一只具有相對的第一和第二(表)面的凹面形陶瓷元件；和所說第一面是該陶瓷材料的導(dǎo)電還原層且處于張力狀態(tài)，以及所說第二面處于壓縮狀態(tài)；每個所說陶瓷元件的排列應(yīng)使得任何元件的第一面均面朝相鄰元件的第二面。
54.權(quán)利要求53的陶瓷器件，其中每個所說的元件選自由壓電、電致伸縮、熱電、鐵電等元件。
55.權(quán)利要求53的陶瓷器件，其中每個所說的陶瓷元件進一步包括在每個所說第一面的周邊上配置的第一電極。
56.權(quán)利要求53的陶瓷器件，其中每個所說的陶瓷元件進一步包括在每個所說第一面的整個第一表面上配置的第一電極。
57.權(quán)利要求55的陶瓷器件，進一步包括在每個元件的第二面上配置的第二電極。
58.權(quán)利要求57的陶瓷器件，其中每個所說的陶瓷元件具有基本上為穹頂?shù)男螤睢?br> 59.權(quán)利要求57的陶瓷器件，進一步包括夾于每個所說陶瓷元件之間、具有第一和第二相對表面的剛性片，其配置方式為，選定元件的至少一部分所說第一電極同所說剛性片的第一表面相接觸，相鄰元件的第二電極同所說剛性片的第二表面相接觸。
60.權(quán)利要求59的陶瓷器件，其中所說的剛性片是導(dǎo)電剛性片。
61.權(quán)利要求60的陶瓷器件，其中第一陶瓷元件的第一電極和第二陶瓷元件的第二電極均同負(fù)端子相連。
62.權(quán)利要求61的陶瓷器件，其中第二陶瓷元件的第一電極和第一陶瓷元件的第二電極均同正端子相連。
63.權(quán)利要求59的陶瓷器件，其中所說剛性片的所說第一表面是導(dǎo)電的，且所說第二表面是電絕緣的。
64.權(quán)利要求63的陶瓷器件，其中第一和第二陶瓷元件的第一電極同正端子相連。
65.權(quán)利要求64的陶瓷器件，其中第一和第二陶瓷元件的第二電極均同負(fù)端子相連。
66.權(quán)利要求59的陶瓷器件，進一步包括配置在每個剛性片的每個所說第一和第二表面上、用于把每個所說陶瓷元件與每個與之相接觸的剛性片粘合的結(jié)合手段。
67.權(quán)利要求53的陶瓷器件，其中所說陶瓷器件包括至少一對第一和第二陶瓷元件，其中每對的第一陶瓷元件的應(yīng)變隨溫度升高而減小，而每對的第二陶瓷元件的應(yīng)變隨溫度的升高而增大，從而使所說的陶瓷器件成為非熱陶瓷器件，其中所說器件的應(yīng)變基本上不隨溫度變化。
全文摘要
披露單片、內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置、電激勵陶瓷器件及其制法。本發(fā)明方法的第一步是制做有兩個相對的第一和第二表面的陶瓷元件。繼而，僅讓第一表面通過在還原氣氛中熱處理而得以化學(xué)還原。于是，產(chǎn)生凹面形、內(nèi)部不對稱應(yīng)力偏置陶瓷元件并在第一表面上生成一導(dǎo)電、化學(xué)還原層，該層作為器件的一個電極。可以在第二表面上沉積另一電極以完成此器件。在本發(fā)明的另一具體方案中，可以把兩片穹頂形陶瓷元件放在一起構(gòu)成一完整的蛤殼構(gòu)造或手風(fēng)琴式構(gòu)造。在進一步的具體方案中，上述蛤殼或手風(fēng)琴式構(gòu)造可以彼此上下碼放。在又一個具體方案中，一對具有相反溫度特性的穹頂形陶瓷器件可以一上一下地放置構(gòu)成一只非熱化陶瓷器件。
文檔編號H01L41/09GK1120874SQ94191712
公開日1996年4月17日 申請日期1994年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月23日
發(fā)明者G·H·赫林 申請人:研究技術(shù)公司