一種低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器

徐全吉，袁家軍

(中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060)

0 引言

國外對壓電材料體系的研究起步較早，已有一系列成熟應用的低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器的產品。而國內還處于材料開發及器件驗證材料性能的階段，尚無系列化的工程應用。本文通過對低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器調整生瓷配方，降低燒結溫度，設計多層結構，使變壓器的輸入、輸出升壓比達到1 200。

1 原理

壓電陶瓷材料具有獨特的極化特性和壓電特性。極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場的作用下，內部電疇與外加電場的取向一致；壓電特性是指在一個極化好的壓電陶瓷材料上施加壓力后，會有自由電荷流入外接電路，這種現象稱為正壓電效應，反之則稱為逆壓電效應。壓電陶瓷變壓器的基本原理是利用輸入交變電壓的激發使壓電陶瓷片處于機械簡諧振動狀態，再由輸出端電極利用壓電效應將高應變產生的機械能換成同頻率的電能，從而完成電能機械能電能的能量傳遞過程。通常要求輸入電壓頻率與壓電陶瓷的固有頻率一致，這樣陶瓷片會產生機械共振現象，從而有效地傳遞能量。

壓電陶瓷變壓器的基本原理如圖1所示。由圖可知，整個陶瓷片分成驅動部分和發電部分，即驅動部分作為輸入端，沿厚度方向極化；發電部分作為輸出端，沿長度方向極化。圖中，w為器件寬度；p為極化強度；L為驅動或發電部分長度；t為變壓器的厚度。

圖1 壓電陶瓷變壓器基本原理

當壓電變壓器處于空載的情況下，整個系統處于諧振時的升壓比：

(1)

式中：Qm為材料的機械品質因數；K31、K33為材料的機電耦合系數；Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓。

2 器件設計

2.1 材料設計

鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，燒結溫度為1 200～1300 ℃。因PZT壓電陶瓷具有電性能優異，性能穩定，制造方便及成本低等優點而被廣泛應用于各種壓電陶瓷器件領域中，本文中的新型器件就是采用該體系材料制作的。

壓電陶瓷材料的最高燒結溫度主要取決于其配方的化學組成。降低多層共燒壓電陶瓷變壓器的燒結溫度是選擇合適的、具有較高燒結活性的低熔點添加物，并與基料組成合理的匹配[1]。在燒結過程中，低熔點活性添加物作為過渡液相促進燒結，而在后期作為最終相進入主晶格中起改性的作用。這樣在保持較好壓電性能不變的同時降低材料的最高燒結溫度。因此，要想在低溫共燒情況下得到優良的壓電陶瓷材料，須選用合適的助燒劑。

PZT基壓電陶瓷常用的低溫助燒劑材料如表1所示。常規壓電陶瓷為了降低燒結溫度通常采用摻雜CdO或Li2CO3，或摻雜二者混合物的方式進行，但均不能將燒結溫度降低到1 000 ℃以下，并且還會導致內電極的銀遷移失效，不能滿足要求。

表1 常用低溫助燒劑

低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器采用摻雜低熔點玻璃(B-Bi-Cd)制成生瓷帶，使陶瓷材料的燒結溫度降至950 ℃以下，壓電性能有所提高，同時能耗降低，并減少了PbO的揮發污染[2]。

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2.2 結構設計

由式(1)可知，如果想大幅提升壓電陶瓷變壓器的升壓比，除了采用具有高的Qm和K31、K33參數的材料外，還可以通過改變壓電變壓器的長度和厚度來獲得所需的升壓比。設計時增加器件的長度或減薄器件的厚度可增大器件的長厚比，但由于陶瓷的機械強度無法支撐大尺寸器件，特別是長厚比較大的器件，因此不能無限地增加器件的長度或減薄器件的厚度。將變壓器的驅動部分做成多層結構，不需減薄器件就可得到較小的厚度，在減小器件體積、節省材料及提高輸出功率的同時提升器件的整體強度[3]。

本文研究的器件樣品結構如圖2所示。由圖可知，多層壓電陶瓷變壓器的外形尺寸約為35 mm×4.8 mm×1 mm，輸入端有10層，每層厚為0.1 mm，內電極采用叉指結構，電極厚約為6 μm。器件樣品的基本特性如表2所示。表中數值為樣品平均值，d31、d33分別為輸入端沿厚度方向和輸出端沿長度方向的壓電常數，ε33為估算的介電常數。

圖2 多層壓電陶瓷變壓器結構圖

表2 樣品基本特性

壓電陶瓷變壓器多層結構的設計首先要考慮分層問題。因作為內電極的銀漿中玻璃和有機樹脂的含量較少，所以印刷銀基電極后多層陶瓷間附著力會更差，在燒結后易出現分層或開裂問題，既不能使器件的性能穩定，也會降低器件的可靠性。通常有兩種方式可解決這個問題：

1)將內電極的面積減小或變成柵格，但這樣會降低器件的性能。

2)刷涂粘接劑，但這會降低加工效率，且會造成燒結過程的鼓泡缺陷。

通過深入分析影響多層低溫共燒壓電陶瓷層間膠結強度的因素及生瓷片層間膠結原理，確定了層壓工藝的關鍵參數，通過對熱熔樹脂物理特性的優化，預熱及施壓工藝調整，合理設置預熱溫度、壓力等參數，實現了多層壓電陶瓷的有效層壓，解決了多層陶瓷層間分層或開裂問題，提高了器件的加工成品率和長期可靠性。圖3為多層壓電陶瓷變壓器剖面圖。

圖3 多層壓電陶瓷變壓器剖面圖

3 實驗結果

根據第2節的設計方案制作了低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器，采用低熔點玻璃(B-Bi-Cd)作為低溫助燒劑，通過對樣品的晶粒輪廓清晰程度，晶格分布均勻性、燒結致密性等進行對比發現，摻雜后的低溫共燒壓電陶瓷的最佳燒溫度為910 ℃，燒結后的樣品層間膠結緊密，無分層或氣泡的現象。樣品按照二倍壓測試電路連接(見圖4)，測得壓電陶瓷變壓器的輸入、輸出特性曲線如圖5所示。

圖4 低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器基本測試電路

圖5 輸入、輸出電壓的關系

由圖5可知，低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器具有很高的交流升壓比，輸入較小的電壓可得到較大的輸出電壓，且該輸出電壓與層數和厚度有關，層數越多、厚度越大則升壓比越高。圖6為升壓比與頻率間的關系特性圖，由圖可知，升壓比隨著頻率的變化而不斷地變化，當頻率為53.8 kHz時，升壓比達到最大值，此頻率為變壓器的諧振頻率。

圖6 升壓比與頻率關系特性

4 結束語

本文介紹了一種新型的低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器，提出了采用低熔點玻璃作為低溫燒結助燒劑的新思路。通過實驗驗證，在顯著降低壓電陶瓷材料燒結溫度的同時提升了壓電材料的整體性能；設計了多層結構的驅動部分，在大幅提升變壓器效率和升壓比的同時保證器件的機械強度，完成了該器件升壓比大于1 000的設計目標。

壓電陶瓷變壓器未來的發展方向是小型化、輕量化、高性能、高可靠性。低溫共燒多層壓電陶瓷變壓器在通信、航空、探測計算機和軍工等領域具有廣闊的應用前景。