CN1293486A - 压电谐振器 - Google Patents

Abstract

一种压电谐振器,其内电极包括夹在陶瓷压电层中间的两层。表面电极置于压电层上下主表面上。中间压电层不极化,其两侧的压电层则以基本上垂直于主表面的方向极化,从而极化方向相反。一侧表面上设置的连接电极电气连接表面电极与内电极,并用绝缘材料与内电极绝缘。另一相对侧面上的另一连接电极电气连接表面电极与内电极,并以绝缘材料与内电极绝缘。

Description

压电谐振器

本发明涉及应用于压电振荡器件、梯形滤波器和其它同类设备的压电谐振器，尤其涉及端间电容大、以弯曲(bending)振动模式振动的压电谐振器。

普通谐振器的陶瓷压电材料在300kHz～800kHz频带内作扩展(spreading)振动。图1A是表示扩展振动谐振器1的结构的透视图，图1B是表示扩展振动谐振器1的极化方向与电场方向的侧视图。在扩展振动谐振器1中，表面电极3设置在单层压电基片2的上下主表面上，基片2呈方形，且整块压电基片2沿垂直于两主表面的方向极化。相应地，在表面电极3之间所加的电场的方向垂直于这两个主表面且平行于极化方向。在这种扩展振动谐振器1中，当在表面电极3之间加上信号电压时，压电基片2就在平行于两主表面的平面内向外扩展或向内收缩。

在扩展振动谐振器1中，一边的长度L_s与谐振频率f_r的乘积几乎是常数，其关系定义为：

L_s×f_r=A_s    (1)式中A_s为常数(频率相关常数)，且A_s≌2100mmkHz。例如，要获得谐振频率f_r=450kHz的谐振器，要求其一边的长度L_s=4．67mm。

由于电子元件越益要求小型化，所以这种扩展振动谐振器几乎无法做得小型、轻量和廉价。

图2示出具有二级结构的梯形滤波器6，它包括串联谐振器7a与7b和并联谐振器8a与8b；图3示出梯形滤波器6的衰减特性。鉴于这种梯形滤波器6的某种特性，必须尽量增大图3所示的保证衰减值Att．。若用C₁表示串联谐振器7a与7b的端间电容，C₂表示并联谐振器8a与8b的端间电容，则二级结构的梯形滤波器6的保证衰减值Att．定义为：

Att．=2×20log(C₂／C₁)    (2)因此，为了增大保证衰减值Att．，就要增大并联谐振器8a与8b的端间电容C₂，并减小串联谐振器7a与7b的端间电容C₁。然而，当将上述扩展振动谐振器1应用于并联谐振器8a与8b时，则难以增大端间电容C₂，原因如下。

图1A所示扩展振动谐振器1的端间电容C_s以下式定义：

C_s=(ε·ε₀·L_s ²)／t      (3)式中L_s是谐振器1一边的长度，ε是压电基片的介电常数，t为压电基片的厚度，而ε₀为真空中的介电常数(即，8．854×10^-12)。

在选择了扩展振动谐振器1的谐振频率f_r后，确定谐振器1一边的长度L_s(比较公式(1))，因此端间电容C_s仅由基片2的厚度t和介电常数ε来确定。

为了增大扩展振动谐振器1的端间电容C_s，必须增大压电基片2的介电常数ε，或使压电基片更薄。然而，由于压电基片2的介电常数ε是由构成该基片2的材料确定的，所以无法随意选择介电常数ε，而且若改变压电基片的材料，就会影响其它特性。再者，若把基片2的厚度减薄，则抗断强度降低，扩展振动谐振器1容易减薄，则抗断强度降低，扩展振动谐振器1容易损坏。因此，限制了可选择的厚度。

结果，对于梯形滤波器的并联谐振器而言，虽然希望有端间电容大的谐振器，但是难以获得端间电容大的扩展振动谐振器。反之，如果研制的压电谐振器具有对应于上述常数C_s的小常数，且能把压电谐振器制成小尺寸，则端间电容将减小。因此，当把压电谐振器用作并联谐振器时，会劣化保证衰减值。

为解决上述问题，本发明的较佳实施例提供了一种尺寸极小的压电谐振器，它具有很大的端间电容，且实现了所需的谐振频率。

根据本发明一较佳实施例的压电谐振器，包括层叠的四层或更多层电极和三层或多层压电层，压电层中的至少有两层以基本上垂直于电极的方向极化。这些电极相互如此连接，从而在压电层的第一部分中，产生的电场与压电层的极化方向同方向，而在压电层的第二部分中，产生的电场与压电层的极化的方向不同。

根据本发明的另一较佳实施例的压电谐振器，包括上述的一种压电谐振器，其中将偶数层电极与奇数个压电层层叠起来，而且诸电极相互如此连接，从而中间压电层不极化，在中间压电层的一侧上，极化方向与电场方向相同，而在中间压电层的另一侧上，极化方向与电场方向相反。

在根据上述较佳实施例的压电谐振器中，由于极化方向与电场方向相同的压电层沿着向层中心的方向收缩，而极化方向与电场方向相反的压电层沿着向层边缘的方向扩展，因此在整个压电谐振器中产生弯曲振动。与扩展振动谐振器相比，在表现出这种弯曲振动的压电谐振器中，谐振器一边的长度与谐振频率的乘积变得更小。因此可大大减小压电谐振器的尺寸，并可应用同一所需频带。另外，由于压电谐振器具有四层或更多层的电极，所以大大增大了每对电极之间产生的端间电容和总的端间电容。再者，因为每个压电层是层叠的，所以大大减小了每个压电层的厚度而不降低压电谐振器的强度，甚至还增大了端间电容。

在根据另一较佳实施例的压电谐振器中，中间压电层不极化，在中间压电层的一侧上，极化方向与电场方向相同，而在中间压电层的另一侧上，极化方向与电场方向相反。因而产生强烈的弯曲振动。此外，通过***一不极化的压电层，可使其它压电层更薄而不降低谐振器的强度，甚至还增大了端间电容。

通过以下对较佳实施例的详述并参照附图，本发明的其它特征、要素、特性与优点将变得更加清楚。

图1A是示出普通扩展振动谐振器的结构的透视图；

图1B是示出图1A谐振器的极化方向与电场方向的侧视图；

图2是梯形滤波器的电路图；

图3是示出图2中梯形滤波器的特性的图；

图4是本发明一较佳实施例的压电谐振器的透视图；

图5是图4所示压电谐振器的放大剖视图；

图6A是示出母基片极化处理的透视图与剖视图；

图6B是示出母基片第一次切割处理的透视图；

图6C是示出经切割的母基片的透视图；

图6D是示出母基片第二次切割处理的透视图；

图6E是完成的压电谐振器的透视图；

图7A是示出根据本发明另一较佳实施例的压电谐振器的极化处理的图；

图7B是示出图7A压电谐振器的驱动的图；

图8A是示出根据本发明另一较佳实施例的压电谐振器的极化处理的图；

图8B是示出图8A压电谐振器的驱动的图；及

图9是示出其双层结构适于以弯曲振动模式振动的压电谐振器的透视图。

图4是示出根据本发明一较佳实施例的压电谐振器9的透视图，图5是根据本发明该较佳实施例的谐振器的剖视图。例如，将该压电谐振器9用作频带约300kHz到约800kHz的陶瓷振荡器。压电谐振器9最好包括：内电极12和14，这两层内电极夹在陶瓷压电层11、13和15中间，这三层陶瓷压电层基本上为方形；以及设置在层叠起来的压电层11、13和15及内电极12与14的上下两主表面上的表面电极10与16。中间压电层13不极化，压电层13两侧上的压电层11与15以基本上垂直于主表面的方向极化，从而极化方向相反。另外，极化方向可如图5中的实线箭头所示在中间压电层13两侧上向内，或者在中间压电层13的两侧上向外。

在压电谐振器9的两侧表面上设置了连接电极18与20。一连接电极18电气连接至两个分开压电层所在的表面电极10和内电极14，并利用设置在侧面上的绝缘材料17与在中间的内电极12绝缘。另外，另一连接电极20电气连接至两个分开压电层所在的表面电极16与内电极12，也利用设置在另一侧面上的绝缘材料19与在中间的内电极14绝缘。

因此，当在两个表面电极10与16之间加上电压从而产生沿图5中虚线箭头所示方向的电场方向时，电场方向与极化方向在一压电层11里变为相同，且压电层11向其中心方向收缩，但电场方向与极化方向在另一压电层15里变为相反，压电层15向其边缘方向伸展。结果，当把信号(高频电场)加到表面电极150与16之间时，压电层11与15都以扩展振动模式沿其边缘方向扩展并沿其中心方向收缩。于是，由于压电层11与15的伸展和收缩的相位相反，所以整个压电谐振器9产生形变，两主表面弯曲而交替地形成凹面和凸面(以下把该形变称为弯曲振动，把本发明各较佳实施例的压电谐振器9称为弯曲谐振器)。

在具有这种三层结构的弯曲谐振器9中，L_b表示谐振器9一边的长度，ε表示压电层11、13和15的介电常数，t₁、t₂与t₃分别表示压电层11、13和15的厚度，把端间电容C_b定义为：

C_b=(ε·ε₀·L_b ²)(1／t_a+1／t_b+1／t_c)    (4)ε₀是真空中的介电常数。

当扩展振动谐振器1和弯曲谐振器9均用同种材料(ε相同)制作时，其中尺寸基本上一样，而且厚度大体上相等(t_a+t_b+t_c=t)，可用公式(3)定义扩展振动谐振器1的端间电容，但当压电层11、13与15各自的厚度基本上相同时(t_a=t_b=t_c=t／3)，则由下式(4′)定义弯曲谐振器9的端间电容：

C_b=(ε·ε₀·L_b ²)(9／t)=9C_s    (4′)因此，在本发明较佳实施例的弯曲谐振器9中，得到的端间电容是同尺寸、同厚度扩展振动谐振器1的端间电容的9倍。而且，即便将压电层11、13与15的厚度做得更薄，但层叠压电层的总厚度不变，所以强度也不变。

结果，当将图2中梯形滤波器使用的并联谐振器8a与8b从扩展振动谐振器1改为三层结构的弯曲谐振器9时，梯形滤波器的保证衰减值增大约38．2dB，如下式(5)所示：

ΔAtt．=2×20log(C_b/C_s)=38．2dB          (5)如果将选择不同介电常数的材料、改变串联谐振器与并联谐振器的厚度以及常规技术中常见的其它方法结合起来，就能以更宽的范围设计相对电容与保证衰减值。

在弯曲谐振器9中，一边的长度L_b与谐振频率f_r的乘积也几乎不变，可定义为：

L_b×f_r=A_b这里，频率相关常数为：

$A_b\≡430\mathrm{mmkHz}$

由于弯曲谐振器9的频率相关常数A_b大约是扩展振动谐振器1的频率相关常数A_s的0．3倍 $(A_b/A_s\≡0.3)$ ，所以对于同样的谐振频率，弯曲谐振器9一边的长度L_b约为扩展振动谐振器1一边长度L_s的0．3倍。因此，在比较弯曲谐振器9与扩展振动谐振器1时，弯曲谐振器9一边的长度变得小于扩展振动谐振器1一边长度的约1／3．3，在面积上小于约1／10。结果，只要使用同一谐振频率，弯曲谐振器9的尺寸比扩展振动谐振器1的尺寸减小很多。

再者，在比较同一谐振频率的扩展振动谐振器1与弯曲谐振器9时，弯曲谐振器9变成扩展振动谐振器1的1／10那么大(L_b ²=L_s ²／10)，当压电层11、13与15各自的厚度为扩展振动谐振器1厚度的1／3时(t_a=t_b=t_c=t／3)，弯曲谐振器9的端间电容C_b变为扩展振动谐振器1的端间电容C_s的9／10，就是说，虽然弯曲谐振器9的尺寸约为扩展振动谐振器1的1／10，但是却具有与谐振器1几乎一样的端接电容。另外，虽然弯曲谐振器9的厚度不变，但是强度大大增大了。

接下来说明上述弯曲谐振器9的制造方法。首先，在层叠了经厚膜印刷导电膏所制备的内电极12a与14a以及压电材料制成的生片(greensheet)11a、13a与15a并经烧结之后，通过在烧结材料的两表面上形成外电极10a与16a形成图6A所示的母基片21，并在烧结材料的端面形成连接至内电极12a与14a的端电极22。此时，在外电极10a和16a与端电极22之间加一电极，烧结材料就沿图6A中的箭头方向极化。接着，沿图6B所示箭头线切割母基片21，使之成条形，就可得到图6C所示条形的母基片23。接下来，沿图6D所示箭头线切割条形母基片23，得到图6E所示单个单元的压电谐振器24。接着，如图5所示给内电极12与14的端部覆盖绝缘材料17与19，在压电谐振器9的端面上将连接电极18与20置于绝缘材料17与19上面。以此法可以一次制作许多图4所示的弯曲谐振器9。

图7A示出本发明另一较佳实施例的压电谐振器31是如何极化的，图7B表示如何驱动压电谐振器31。在压电谐振器31中，层叠了五个压电层33、35、37、39与41(层数可以是等于7或更大的奇数)与四层内电极34、36、38与40(层数可以是等于6或更大的偶数)，表面电极32与42设置在层叠件的两个表面上。在极化处理中，如图7A所示电气连接表面电极32与42和内电极36与38，内电极34与40也电气连接，并在它们之间加一电压。于是，中间的压电层37不极化而位于压电层37上面或下面的压电层33、35、39与41被极化。之后，如图7B所示，利用一连接电极把表面电极32同内电极36与40电气连接起来，并用另一连接电极把内电极34与38同表面电极42电气连接起来。于是，因为在中间压电层37上面的压电层33与35中，极化方向与电场方向相同，而在中间压电层37下面的压电层39与41中，极化方向与电场方向相反，所以压电谐振器作弯曲振动。利用这种结构，由于在表面电极32、42与内电极34、40之间以及在内电极34、36、38与40自身之间产生端间电容，所以可得到大得多的端间电容。

图8A示出本发明再一个较佳实施例的压电谐振器51是如何极化的，图8B表示如何驱动压电谐振器51。在压电谐振器51中，层叠了偶数个压电层53、55、57与59(例如，四层)和奇数个内电极54、56与58(例如，三层)，表面电极52与60设置在层叠件的两个表面上。在极化处理中，如图8A所示电气连接表面电极52、60与内电极56，内电极54与58也电气连接，并在其间加一电压。于是，压电层53、55、57与59被极化。之后，如图8B所示，第一连接电极将表面电极54与内电极56、58电气连接，第二连接电极将内电极54与表面电极60电气连接。于是，由于在上半部分的压电层53与55中，极化方向与电场方向相同，而在最下层的压电层59中，极化与电场方向相反，所以压电谐振器51作弯曲振动。即使采用这种结构，由于在表面电极52和60与内电极54和58之间以及内电极54与56之间产生端间电容，所以得到的端间电容极大。

再者，在图7A与7B或图8A与8B的较佳实施例中，极化与驱动的布线可以颠倒。然而，如按图示那样布线，由于可在驱动的两表面电极之间加信号，故可简化安置压电谐振器的管壳或封装的结构。

此外，图9示出作弯曲振动的压电谐振器61，其中层叠了两块压电层63和65(内电极64夹在其间)，外电极62与66设置在层叠件两表面上。像本发明各较佳实施例的压电谐振器的情况那样，与扩展振动模式的压电谐振器相比，压电谐振器61的尺寸大大缩小了，但在同尺寸、同厚度和同一压电材料的压电谐振器61中，与本发明诸较佳实施例的压电谐振器相比，其端间电容很小。因此，若用压电谐振器61作为串联谐振器且用压电谐振器61作为并联谐振器来构成图2所示的梯形滤波器(或具有三级或更多级)，则可以制成保证衰减值大、尺寸小的梯形滤波器。

根据本发明各较佳实施例的压电谐振器，压电谐振器实现了小型化，但仍能得到大的端间电容，并以弯曲振动模式振动。因此，若将压电谐振器用作梯形滤波器的并联谐振器，可大大提高衰减值。

此外，根据本发明各较佳实施例的压电谐振器，中间的压电层不极化，在中间压电层一侧上，极化方向与电场方向相同，而在中间压电层的另一侧上，极化方向与电场方向相反。因此，压电谐振器的弯曲振动大大增强且非常强烈。

虽然已参照诸较佳实施例描述了本发明内容，但是本领域的技术人员将会理解，可以在形式上和细节上作出上述和其它更改而不背离本发明的精神与范围。

Claims (20)

1．一种压电谐振器，包括：

包含至少四层的多个电极；

与多个电极层叠以限定谐振器主体的至少三个压电层；其特征在于

至少三个压电层中的至少两个压电层以基本上垂直于多个电极的方向极化，诸电极相互如此连接，从而在压电层第一部分中，产生的电场与压电层的极化方向同方向，而在压电层第二部分中，产生的电场与压电层的极化方向不同。

2．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于偶数个电极层与奇数个压电层层叠而限定谐振器主体，多个电极相互连接成使中间压电层不极化，而且在中间压电层的一侧上，极化方向与电场方向相同，在中间压电层的另一侧，极化方向与电场方向相反。

3．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于将压电谐振器构成操作于约300kHz到约800kHz的频带。

4．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于至少四层电极大体上呈方形。

5．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于至少三个压电层大体上呈方形。

6．如权利要求2所述的压电谐振器，其特征在于极化方向在中间压电层两侧向内定向。

7．如权利要求2所述的压电谐振器，其特征在于极化方向在中间压电层两侧向外定向。

8．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于将层叠谐振器主体中的内电极与压电层安置成响应于对其施加的电压以弯曲振动模式振动。

9．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于L_b表示层叠谐振器主体一边的长度，ε表示压电层的介电常数，t₁、t₂和t₃表示各压电层的厚度，把端间电容C_b定义为：

C_b=(ε·ε₀·L_b ²)(1／t_a+1／t_b+1／t_c)式中ε₀为真空中的介电常数。

10．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于压电层的数目至少为五。

11．如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于内电极数至少为四。

12．一种压电谐振器，包括：

多个电极层；

与多个电极堆迭以限定谐振器主体的多个压电层；其特征在于

压电层中的至少两个压电层以基本上垂直于多个电极层的方向极化，诸电极相互如此连接，从而在压电层第一部分中，产生的电场与压电层的极化方向同方向，而在压电层第二部分中，产生的电场与压电层的极化方向不同。

13．如权利要求12所述的压电谐振器，其特征在于偶数个电极层与奇数个压电层层叠以限定谐振器主体。

14．如权利要求12所述的压电谐振器，其特征在于多个电极相互连接成使中间压电层不极化，而且在中间压电层的一侧上，极化方向与电场方向相同，在中间压电层的另一侧，极化方向与电场方向相反。

15．如权利要求12所述的压电谐振器，其特征在于压电谐振器构成操作于约300kHz到约800kHz的频带。

16．如权利要求12所述的压电谐振器，其特征在于多个电极层与多个压电层大体上呈方形。

17．如权利要求14所述的压电谐振器，其特征在于极化方向在中间压电层两侧向内定向。

18．如权利要求14所述的压电谐振器，其特征在于极化方向在中间压电层两侧向外定向。

19．如权利要求12所述的压电谐振器，其中将层叠谐振器主体中的内电极与压电层安置成响应于对其施加的电压以弯曲振动模式振动。

20．如权利要求1所述的压电谐振器，其中压电层的数目至少为三，内电极层数至少为二。

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