一種基于壓電陶瓷材料的電感及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電感器件，尤其涉及一種基于壓電陶瓷材料的電感及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]電感器件是專門用在電路里實(shí)現(xiàn)電感的電路元件，現(xiàn)有的電感元件是由電導(dǎo)材料盤繞磁芯制成，典型的如銅線，也可把磁芯去掉或者用鐵磁性材料代替。比空氣的磁導(dǎo)率高的芯材料可以把磁場更緊密的約束在電感元件周圍，因而增大了電感。電感有很多種，大多以外層瓷釉線圈(enamel coated wire)環(huán)繞鐵氧體(ferrite)線軸制成，而有些防護(hù)電感把線圈完全置于鐵氧體內(nèi)。一些電感元件的芯可以調(diào)節(jié)，由此可以改變電感大小。小電感能直接蝕刻在PCB板上，用一種鋪設(shè)螺旋軌跡的方法。隨著無線通信的發(fā)展，越來越多的設(shè)備追求小型化，低成本，低耗能，對電路的集成度提出了進(jìn)一步的要求。而現(xiàn)有的傳統(tǒng)電感件基于線圈繞制的技術(shù)原理使得制造工藝復(fù)雜，體積龐大，從面積到成本都嚴(yán)重制約著集成電路的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種能滿足集成電路對電感需求的基于壓電陶瓷材料的電感及其應(yīng)用。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明的基于壓電陶瓷材料的電感，采用壓電陶瓷材料制成以下任一種形狀的壓電元件:
[0006]矩形、圓盤形、圓環(huán)形、三角形和梯形，所述壓電元件的兩個表面分別設(shè)置一對上電極和下電極。
[0007]本發(fā)明的上述的基于壓電陶瓷材料的電感的應(yīng)用，用于壓電變壓器驅(qū)動中的容性補(bǔ)償。
[0008]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于壓電陶瓷材料的電感及其應(yīng)用，由于采用壓電陶瓷材料制成矩形、圓盤形、圓環(huán)形、三角形或梯形的壓電元件，便于集成，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、不用銅鐵材料、不怕受潮、不會燃燒、不受電磁干擾、能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，可以一定程度上滿足集成電路對電感的需求。
【附圖說明】
[0009]圖la、圖lb、圖lc、圖1d分別為本發(fā)明實(shí)施例提供的矩形、長條形、圓盤形、圓環(huán)形的基于壓電陶瓷材料的電感的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中矩形壓電電感器輪廓輻射振型示意圖。
[0011]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中矩形壓電電感器45kHz到IlOkHz阻抗相角有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果示意圖。
[0012]圖4a為本發(fā)明實(shí)施例中矩形壓電電感器輪廓輻射振型等效電感、等效電阻和阻抗相角示意圖。
[0013]圖4b為圖4a中虛線部分的放大圖。
[0014]圖5a為本發(fā)明實(shí)施例中矩形壓電陶瓷電感。
[0015]圖5b為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷電感用于壓電變壓器驅(qū)動中的容性補(bǔ)償?shù)牡刃г韴D。
[0016]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中壓電變壓器在矩形壓電陶瓷電感補(bǔ)償前后的阻抗相角變化。
[0017]圖7a為本發(fā)明實(shí)施例中壓電變壓器在矩形壓電陶瓷電感補(bǔ)償前的電壓和電流波形圖，電壓滯后于電流。
[0018]圖7b為本發(fā)明實(shí)施例中壓電變壓器在矩形壓電陶瓷電感補(bǔ)償后的電壓和電流波形圖，電壓超前電流。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0020]本發(fā)明的基于壓電陶瓷材料的電感，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0021]采用壓電陶瓷材料制成以下任一種形狀的壓電元件:
[0022]矩形、圓盤形、圓環(huán)形、三角形或梯形，所述壓電元件的兩個表面分別設(shè)置一對上電極和下電極。
[0023]所述矩形包括正方形和長條形。
[0024]該基于壓電陶瓷材料的電感在振動模態(tài)工作的振動模式包括以下任意一種或多種:
[0025]長條形振動模式、徑向振動模式、厚度振動模式、輻射振動模式。
[0026]本發(fā)明的上述的基于壓電陶瓷材料的電感的應(yīng)用，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0027]用于壓電變壓器驅(qū)動中的容性補(bǔ)償，也可以用于其它任何應(yīng)用電感的場合。
[0028]本發(fā)明的基于壓電陶瓷材料的電感，針對壓電材料在諧振狀態(tài)從容性到感性再到容性過程中，存在感性狀態(tài)的特征，根據(jù)不同頻率的需求，設(shè)計相應(yīng)的壓電陶瓷電感器。
[0029]與電磁式電感相比，壓電陶瓷電感利用壓電材料在諧振狀態(tài)從容性到感性再到容性過程中，存在感性狀態(tài)的特征，根據(jù)不同頻率的需求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的壓電陶瓷電感器。壓電陶瓷電感便于集成，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、不用銅鐵材料、不怕受潮、不會燃燒、不受電磁干擾、能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，可以一定程度上滿足集成電路對電感的需求。
[0030]壓電電感的工作原理是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)將施加的固有頻率的電壓，轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，使得壓電陶瓷工作在感性狀態(tài)。壓電電感器根據(jù)壓電陶瓷的工作方式大致可以分成四種類型:長條形振動模式型、徑向振動模式型、厚度振動模式型和輻射振動模式型。
[0031]本發(fā)明通過利用壓電材料在諧振狀態(tài)的感性區(qū)域，制作特定頻率段的電感器，滿足現(xiàn)有電子電路對無線圈電感的需求。通過壓電材料的振動模式、尺寸和形狀設(shè)計特定頻率段的電感器，適用于長條形振動模式型、徑向振動模式型、厚度振動模式型和輻射振動模式型。振動模式型壓電電感器工作頻率一般在5kHz-100MHz之間，使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))工藝可以做到兆赫茲的范圍。
[0032]具體實(shí)施例一:
[0033]基于壓電陶瓷材料的電感根據(jù)振動模式主要分為四類:
[0034]第一類:長條形振動模式型電感器；
[0035]第二類:徑向振動模式型電感器；
[0036]第三類:厚度振動模式型電感器；
[0037]第四類:輻射振動模式型電感器。
[0038]本發(fā)明的基于壓電陶瓷材料的電感的形狀包括:
[0039]矩形壓電電感器(如圖1a)、長條形壓電電感器(如圖1b)、圓盤形壓電電感器(如圖1c)、圓環(huán)形壓電電感器(如圖1d)等工作在振動模態(tài)的壓電電感器。
[0040]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0041]壓電陶瓷電感利用壓電材料在諧振狀態(tài)從容性到感性再到容性過程中，存在感性狀態(tài)的特征，根據(jù)不同頻率的需求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的壓電陶瓷電感器。壓電陶瓷電感便于集成，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、不用銅鐵材料、不怕受潮、不會燃燒、不受電磁干擾、能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，可以一定程度上滿足集成電路對電感的需求。
[0042]以下以矩形壓電電感器為例，詳細(xì)解釋壓電電感器設(shè)計方法:
[0043]矩形壓電電感器設(shè)計:
[0044]圖1a示出了矩形壓電電感器，包括壓電元件，具有:兩個相對的矩形主表面，即第一和第二表面；以及連接第一和第二表面的四個側(cè)表面，上電極設(shè)置在壓電元件的第一表面上；下電極設(shè)置在壓電元件的第二表面上。
[0045]圖2示出了矩形壓電電感器輪廓輻射振型。矩形幾何中心點(diǎn)此模態(tài)下位移最小(理論上為零)，將預(yù)緊力施加介質(zhì)放于此處對整個振型影響最小，即對功率傳遞和功率傳遞效率影響最小。
[0046]圖3為矩形壓電電感器45kHz到IlOkHz阻抗相角有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。通過仿真可以輔助設(shè)計矩形壓電電感器的頻率和電感值。
[0047]圖4a和圖4b示出了矩形壓電電感器輪廓輻射振型等效電感、等效電阻和阻抗相角。在諧振點(diǎn)附近，隨著頻率的增加，阻抗相角從容性變?yōu)楦行?，在圖4a中87kHz出現(xiàn)了突變點(diǎn)，阻抗相角由-90度變成+90度。圖4b中是將感性范圍區(qū)段放大圖，可以看出在諧振感性區(qū)域，隨著頻率的增加電感逐漸增加，剛剛進(jìn)入電感區(qū)域，基本上是線性的增加，到后期接近諧振點(diǎn)出現(xiàn)指數(shù)級別巨大的增加。因此可以根據(jù)特定頻率調(diào)整電感值。
[0048]具體實(shí)施例二:
[0049]矩形壓電電感用于壓電變壓器驅(qū)動中的容性補(bǔ)償:
[0050]圖5a示出了一片矩形壓電陶瓷電感。圖5b示出了該壓電陶瓷電感用于壓電變壓器驅(qū)動中的容性補(bǔ)償?shù)牡刃г韴D。壓電變壓器在工作頻率下是呈容性的，而容性負(fù)載相對于前端驅(qū)動電路來說是不利的。驅(qū)動電路在純阻性負(fù)載下效率最高，而容性負(fù)載下，會增加開關(guān)損壞，影響電路的驅(qū)動效率?，F(xiàn)有的解決方案是在驅(qū)動電路和壓電變壓器之間加一個容性補(bǔ)償電感。而傳統(tǒng)的線圈電感制作工藝復(fù)雜，同時會增加整個電路的體積，失去壓電變壓器本身固有的優(yōu)勢。因此，這里采用壓電陶瓷電感來取代傳統(tǒng)的線圈電感，對壓電變壓器工作中的容性進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，這里的壓電陶瓷電感尺寸為30 X 20 X 0.4mm3，壓電變壓器的工作頻率為92.18kHz ο在該頻率下，壓電陶瓷的等效電感為264.6 μ H。
[0051]圖6示出了壓電變壓器在矩形壓電陶瓷電感補(bǔ)償前后的阻抗相角變化。補(bǔ)償前，隨著驅(qū)動功率的增加，壓電變壓器的容性是呈增大趨勢的，不利于驅(qū)動電路的效率提高。在矩形壓電陶瓷電感補(bǔ)償之后，整體的相角從容性變成了感性，而且隨著驅(qū)動功率的增加，補(bǔ)償效果比較穩(wěn)定，說明了壓電陶瓷電感的可靠性。
[0052]圖7示出了壓電變壓器在矩形壓電陶瓷電感補(bǔ)償前后的電壓和電流波形圖。圖7a中，電壓滯后于電流，說明補(bǔ)償前壓電變壓器是呈容性的。圖7b中，電壓超前電流，說明補(bǔ)償后壓電變壓器是呈感性的，證明了矩形壓電陶瓷作為電感的有效性和可靠性。
[0053]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于壓電陶瓷材料的電感，其特征在于，采用壓電陶瓷材料制成以下任一種形狀的壓電元件: 矩形、圓盤形、圓環(huán)形、三角形或梯形，所述壓電元件的兩個表面分別設(shè)置一對上電極和下電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷材料的電感，其特征在于，所述矩形包括正方形和長條形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓電陶瓷材料的電感，其特征在于，該基于壓電陶瓷材料的電感在振動模態(tài)工作的振動模式包括以下任意一種或多種: 長條形振動模式、徑向振動模式、厚度振動模式、輻射振動模式。
4.一種權(quán)利要求1、2或3所述的基于壓電陶瓷材料的電感的應(yīng)用，其特征在于，用于壓電變壓器驅(qū)動中的容性補(bǔ)償。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電陶瓷材料的電感及其應(yīng)用，電感采用壓電陶瓷材料制成矩形、圓盤形、圓環(huán)形、三角形或梯形的壓電元件，壓電元件的兩個表面分別設(shè)置一對上電極和下電極。針對壓電陶瓷材料諧振狀態(tài)下從容性到感性再到容性過程中，存在感性狀態(tài)的特征，根據(jù)不同頻率的需求，設(shè)計相應(yīng)的壓電陶瓷電感器。電感在振動模態(tài)工作的振動模式包括長條形振動模式、徑向振動模式、厚度振動模式、輻射振動模式等?？梢杂糜趬弘娮儔浩黩?qū)動中的容性補(bǔ)償或其它任何應(yīng)用電感的場合。便于集成，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、不用銅鐵材料、不怕受潮、不會燃燒、不受電磁干擾、能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，可以一定程度上滿足集成電路對電感的需求。
【IPC分類】H01F37-00, H01L41-187
【公開號】CN104821224
【申請?zhí)枴緾N201510253394
【發(fā)明人】馮志華, 琚斌, 肖廣軍, 李偉
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月18日