CN105826461B - 一种温度稳定压电复合陶瓷振子 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种温度稳定压电复合陶瓷振子，压电陶瓷，在所述压电陶瓷两端的表面上形成有第一电极层；介电陶瓷，在所述介电陶瓷两端的表面形成有第二电极层；第一引出端，所述第一引出端与所述压电陶瓷和介电陶瓷同侧的第一电极层、第二电极层紧密接触；第二引出端，所述第二引出端与所述介电陶瓷和介电陶瓷另一同侧的第一电极层、第二电极层紧密接触；其中，在‑30℃的容温变化率为‑35%以内，在85℃的容温变化率为+35%以内，所述压电陶瓷的容量变化率随温度的升高而增大，所述介电陶瓷在‑30℃的容温变化率为+65%以内，在85℃的容温变化率为‑55%以内，所述介电陶瓷的容量变化率随温度的升高而减小。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷领域，具体涉及一种温度稳定压电复合陶瓷振子，特别是用于倒车雷达探头的压电陶瓷振子。
背景技术
自压电陶瓷的问世，国内外许多国家都对压电陶瓷进行了***的研究，并且随着研制的深入，也开发出了一系列性能优越的PZT压电陶瓷材料，压电陶瓷材料的应用范围也大大拓展，其中以锆钛酸铅为基础进行改性。为了得到高性能的压电陶瓷，目前大多对PZT材料本身进行掺杂改性， 通过对PZT压电陶瓷中A位或B位离子取代进行掺杂，以期调整PZT压电陶瓷的性能。
随着技术的发展，现代元器件对压电陶瓷的性能要求也越来越高。这一方面体现在其较好的压电性能上面，另外一方面，由于其应用范围的拓展以及人们对压电器件安全系数要求的提高，其温度稳定性的要求也越来越高。为了提高温度稳定性，传统的方法主要通过调整配方来实现，但是受限于PZT材料本身，要获得温度稳定性较好的PZT陶瓷材料比较困难，这体现再生产难度大、生产周期长，且获得的压电陶瓷材料的综合性能并不让人满意。
如中国专利CN201410053547.9公开了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，通过以铌酸钾钠为基质，掺入第二项物质和第三组分Bi（Mg,Ti）O3建立三元体系，获得了一种压电常数d33为212~225pC/N，机电耦合系数为40%~41.5%的无铅压电陶瓷，但其并未给出该压电陶瓷材料的容温变化率，且过低的机电耦合系数限制了满足应用的要求。
亦如中国专利201310396233.3中公开了一种压电陶瓷材料、烧结体及其制备方法、压电陶瓷器件，通过对PZT压电陶瓷进行A和B位取代改性，并掺杂稀土元素改性，获得了一种相对介电常数为1262、机电耦合系数为0.63，压电常数d33为322 pC/N的温度补偿特性的压电陶瓷材料，但是过低的介电性能以及较低的机电耦合系数导致其综合性能并不使人满意。
另一份申请号为CN200580030714.6的专利文件中公开了一种压电执行元件，其要求所采用的压电元件的电容随温度变化而产生的波动幅度在±14%或±11%以内。例如，在压电倒车雷达的实用过程中，汽车要求能在不同的温度场合下还能正常使用。目前国际上的汽车倒车雷达探头的温度适用范围是-30℃~+85℃，在该温度范围的容量变化率控制在±15%，日本有部分厂家是控制在±10%以内，而压电陶瓷容量变化率越小时，其汽车探头的稳定性也越好。而现有的压电陶瓷振子要保持良好的压电的电性能（介电常数、机电藕合系数）的同时，使其容量变化率控制±10%已很难批量产业化。
针对此种情况，本发明的技术人员在先前的研究中也取得了一定的成果，如中国专利CN201610072538.2中，采用不同温度系数的压电陶瓷层和介电陶瓷层串联，最后得到了温度稳定性能优异的压电陶瓷振子。但是在该技术方案中，由于介电陶瓷片厚度要求较薄，仅为0.01~0.1mm，对批量的生产工艺来说难度较大，介质在烧结时容易变形开裂，次品率高，导致生产成本较高。因此，本发明技术人员在对该技术优化改进的过程中，惊奇的发现，在将压电陶瓷介质与介电陶瓷的结构形式改变为并联时，介电陶瓷的厚度可以明显增加至0.1~0.9mm，而压电陶瓷振子的整体性能还能保持在较高的水平，这无疑解决了先前批量生产过程中介电陶瓷烧结变形、开裂的问题。
发明内容
本发明为了解决现有压电陶瓷振子中存在的问题，提供了一种综合性能良好，同时在-30℃~+85℃范围内，容温变化率为-3%~+3%的压电陶瓷振子，由于采用压电陶瓷和介电陶瓷相互并联的形式，扩大了介电陶瓷的厚度要求，改善了介电陶瓷在烧结时的性能，提高了良品率，降低了生产成本，并且惊奇的发现，本发明提供的压电陶瓷振子整体的容温特性并没有出现劣化。
为了实现本发明的技术目的，本发明采用如下技术方案。
一种温度稳定压电复合陶瓷振子，包括：
压电陶瓷，在所述压电陶瓷两端的表面上形成有第一电极层；
介电陶瓷，在所述介电陶瓷两端的表面形成有第二电极层；
第一引出端，所述第一引出端与所述压电陶瓷和介电陶瓷同侧的第一电极层、第二电极层紧密接触；
第二引出端，所述第二引出端与所述介电陶瓷和介电陶瓷另一同侧的第一电极层、第二电极层紧密接触；
其中，所述压电陶瓷的容温变化率，在-30℃的容温变化率为-35%以内， 在85℃的容温变化率为+35%以内，所述压电陶瓷的容量变化率随温度的升高而增大，所述介电陶瓷在-30℃的容温变化率为+65%以内， 在85℃的容温变化率为-55%以内，所述介电陶瓷的容量变化率随温度的升高而减小，所述压电陶瓷、介电陶瓷在-30℃~85℃的容温变化率相互补偿。
优选的，所述压电陶瓷的化学组成是Pb（ZraTi1-a）O3，其中0.45< a ≤ 0.55。
优选的，所述介电陶瓷的化学组成是Ba ( Ti1-aZr a )O3，其中0.1< a ≤ 0.4。
优选的，所述介电陶瓷的厚度为0.1~0.9mm。
更优选的，所述介电陶瓷的厚度为0.4~0.7mm。
优选的，所述第一电极层和第二电极层是金属电极。
更优选的，所述金属电极是银电极或银/钯电极中的一种。
优选的，所述压电陶瓷为单层陶瓷，所述介电陶瓷为单层或多层陶瓷电容组成。
优选的，所述温度稳定压电陶瓷振子在-30℃~+85℃的容量变化率为-3%~+3%。
本发明的有益效果是：供了一种综合性能良好，同时在-30℃~+85℃范围内，容温变化率为-3%~+3%的压电陶瓷振子，采用压电陶瓷和介电陶瓷相互并联的形式，扩大了介电陶瓷的厚度要求，改善了介电陶瓷在烧结时的性能，提高了良品率，降低了生产成本。并且惊奇的发现，本发明提供的压电陶瓷振子整体的容温特性并没有出现劣化，从而实现在-30℃~+85℃内具有良好的容温变化系数，+85℃时，其容量变化率控制在+3%，在-30℃时，其容量变化率控制在-3%。
本发明通过采用新型的结构设计，在保持良好的压电性能的基础上，改善了电陶瓷介质在烧结时的性能，提高了产品良率，降低了生产成本。同时本发明设计产品使压电陶瓷振子的容温系数大幅改良，大大提高汽车倒车协助探头的压电性能及可靠性，拓展产品的应用范围，可以广泛应用于更高使用环境要求的汽车应用中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1是本发明一种温度稳定压电复合陶瓷振子的结构示意图。
图中： 1-压电陶瓷；2-第一电极层；3-介电陶瓷；4-第二电极层；5-第一引出端；6-第二引出端。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
参照图1所示，本发明提供的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，包括压电陶瓷1，在所述压电陶瓷1两端的表面上形成有第一电极层2；介电陶瓷3，在所述介电陶瓷3两端的表面形成有第二电极层4；第一引出端5，所述第一引出端5与所述压电陶瓷1和介电陶瓷3同侧的第一电极层2、第二电极层4紧密接触；第二引出端6，所述第二引出端6与所述压电陶瓷1和介电陶瓷3另一同侧的第一电极层2、第二电极层4紧密接触；
更具体的，所述压电陶瓷的容温变化率，在-30℃的容温变化率为-35%以内， 在85℃的容温变化率为+35%以内，所述压电陶瓷的容量变化率随温度的升高而增大，所述介电陶瓷在-30℃的容温变化率为65%以内， 在85℃的容温变化率为-55%以内，所述介电陶瓷的容量变化率随温度的升高而减小，所述压电陶瓷、介电陶瓷在-30℃~85℃的容温变化率相互补偿。所述相互补偿是指当压电陶瓷在-30℃-85℃中间的某一温度时，如果该温度下其容温变化率为正，则搭配在该温度下介电陶瓷的容温变化率为负的介电陶瓷。
所述压电陶瓷的化学组成是Pb（ZraTi1-a）O3，其中0.45< a ≤ 0.55，采用固相法烧结制成。
所述介电陶瓷的化学组成是Ba ( Ti1-aZr a )O3，其中0.1< a ≤ 0.4，采用固相法烧结制成。
所述压电陶瓷和/或介电陶瓷为多层陶瓷电容组成。
所述介电陶瓷的厚度为0.1~0.9mm，更好的选择为0.4~0.7mm，可以使工艺和性能均实现最优化。
所述第一电极层2和第二电极层4为导电金属电极材料，优选为银或银/钯电极。理论上来说，对电极厚度没有具体的限制，但是优选的电极厚度为5μm-30μm。这是因为如果电极厚度太薄，可能会导致覆盖不完全，电极覆盖不均匀的问题，如果电极厚度太厚，一方面会增加成本，另外一方面也会降低整体压电陶瓷振子器件的性能。
所述温度稳定压电陶瓷振子在-30℃~+85℃的容量变化率为-3%~+3%。
实施例1：
压电陶瓷在-30℃的容温变化为率为-34%，在+85℃的容温变化为率为+22%；介电陶瓷在-30℃的容温变化率为35%，在+85℃的容温变化为率为-23%，介电陶瓷厚度为0.2mm，所述压电陶瓷为单层陶瓷，所述介电陶瓷为单层陶瓷电容组成，第一、第二电极层均为银电极，厚度为5微米，按要求制成温度稳定压电复合陶瓷振子。
实施例2：
压电陶瓷在-30℃的容温变化为率为-15%，在+85℃的容温变化为率为+35%；介电陶瓷在-30℃的容温变化率为55%，在+85℃的容温变化为率为-65%，介电陶瓷厚度为0.1mm，所述压电陶瓷为单层陶瓷，所述介电陶瓷为多层陶瓷电容组成，第一、第二电极层均为银/钯电极，厚度为20微米，按要求制成温度稳定压电复合陶瓷振子。
实施例3：
压电陶瓷在-30℃的容温变化为率为-35%，在+85℃的容温变化为率为+25%；介电陶瓷在-30℃的容温变化率为15%，在+85℃的容温变化为率为-10%，介电陶瓷厚度为0.6,mm，所述压电陶瓷为单层陶瓷，所述介电陶瓷为多层陶瓷电容组成，第一电极层为银/钯电极，第二电极层为银电极，厚度均为10微米，按要求制成温度稳定压电复合陶瓷振子。
实施例4：
压电陶瓷在-30℃的容温变化为率为-25%，在+85℃的容温变化为率为+25%；介电陶瓷在-30℃的容温变化率为20%，在+85℃的容温变化为率为-10%，介电陶瓷厚度为0.9mm，所述压电陶瓷为单层陶瓷，所述介电陶瓷为多层陶瓷电容组成，第一、第二电极层均为银电极，厚度为30微米，按要求制成温度稳定压电复合陶瓷振子。
对比例1：
压电陶瓷在-30℃的容温变化为率为-25%，在+85℃的容温变化为率为+25%；介电陶瓷在-30℃的容温变化率为35%，在+85℃的容温变化为率为-75%，介电陶瓷厚度为0.7mm，所述压电陶瓷为单层陶瓷，所述介电陶瓷为单层陶瓷电容组成，第一、第二电极层均为银电极，压电陶瓷厚度为5微米，按要求制成温度稳定压电复合陶瓷振子。
对比例2：
采用与实施例2中的压电陶瓷和介电陶瓷组成、含量相同的组分，混合均匀后共烧，得到复合压电陶瓷，按要求被银/钯电极，电极层厚度为20微米，制成温度稳定压电复合陶瓷振子。
表1为实施例1-3和对比例1、对比例2压电陶瓷振子的性能参数表
表1 实施例和对比例中压电陶瓷振子的性能参数
实施例1-3和对比例1中的压电陶瓷的容温变化率为±35%以内，从表1中可以看出，采用本发明的压电陶瓷振子结构，在其顶部或底部固定介电陶瓷后，压电陶瓷的容温特性得到了显著改善，并且压电陶瓷本身的性能也未出现明显的下降。对比例1为容温特性变化较大的介电陶瓷复合后的压电陶瓷振子性能参数，可以看出，容温变化率过高或过低的介电陶瓷均不满足本发明中的要求。对比例2是以与实施例2中压电陶瓷和介电陶瓷组成、含量相同的组分，混合均匀后共烧制得的复合压电陶瓷，按要求制成稳定压电复合陶瓷振子后对其性能进行检测，结果如表1中对比例2所述。显然，通过简单的组分之间的复合，并不能实现本发明的技术目的。
本发明相比于现有技术，打破传统的对压电陶瓷组分进行改性以提高其性能的途径，通过采用新型的结构设计，并且确定了适用本发明的压电陶瓷和介电陶瓷的性能要求，列出了一种组分选择。该新型结构的压电陶瓷振子在保持良好的压电性能的基础上，容温系数大幅改良，大大提高汽车倒车协助探头的压电性能及可靠性，拓展产品的应用范围，可以广泛应用于更高使用环境要求的汽车应用中。
本发明相比于中国专利CN201610072538.2，通过改进，改善了介电陶瓷复合的厚度，降低了工艺难度和次品率，降低了企业生产成本。并且还惊奇的发现，本发明提供的压电陶瓷振子整体的容温特性并没有出现劣化，从而实现在-30℃~+85℃内具有良好的容温变化系数，+85℃时，其容量变化率控制在+3%，在-30℃时，其容量变化率控制在-3%的技术效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作出的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于，包括：
压电陶瓷，在所述压电陶瓷两端的表面上形成有第一电极层；
介电陶瓷，在所述介电陶瓷两端的表面形成有第二电极层；
第一引出端，所述第一引出端与所述压电陶瓷和介电陶瓷同侧的第一电极层、第二电极层紧密接触；
第二引出端，所述第二引出端与所述压电陶瓷和介电陶瓷另一同侧的第一电极层、第二电极层紧密接触；
其中，所述压电陶瓷的容温变化率，在-30℃的容温变化率为-35％以内，在85℃的容温变化率为+35％以内，所述压电陶瓷的容量变化率随温度的升高而增大，所述介电陶瓷在-30℃的容温变化率为+65％以内，在85℃的容温变化率为-55％以内，所述介电陶瓷的容量变化率随温度的升高而减小，所述压电陶瓷、介电陶瓷在-30℃～85℃的容温变化率相互补偿；
所述介电陶瓷的厚度为0.1～0.9mm。
2.根据权利要求1所述的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于：所述压电陶瓷的化学组成是Pb(ZraTi1-a)O3，其中0.45<a≤0.55。
3.根据权利要求1所述的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于：所述介电陶瓷的化学组成是Ba(Ti1-aZra)O3，其中0.1<a≤0.4。
4.根据权利要求1所述的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于：所述介电陶瓷的厚度为0.4～0.7mm。
5.根据权利要求1所述的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于：所述第一电极层和第二电极层是金属电极。
6.根据权利要求5所述的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于：所述金属电极是银电极或银/钯电极中的一种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于：所述压电陶瓷为单层陶瓷，介电陶瓷为单层或多层陶瓷电容组成。
8.根据权利要求7所述的一种温度稳定压电复合陶瓷振子，其特征在于：所述温度稳定压电陶瓷振子在-30℃～+85℃的容量变化率为-3％～+3％。
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