專利名稱：壓電元件的極化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種極化用于陶瓷濾波器或陶瓷共振器的壓電元件的方法。
背景技術(shù)：
在已知技術(shù)中，用鈦酸鋯酸鉛(PZT)或鉑(PT)制成的壓電陶瓷襯底的壓電陶瓷的極化是用下面的方法來完成的。在焙燒壓電陶瓷襯底后，在襯底的兩對面裝上了例如由銀制成的電極。把許多壓電陶瓷襯底同時浸入溫度為60～100C的絕緣溶液中，在此之后，在許多壓電陶瓷襯底上加2到8kv/mm的電場10到30分鐘，從而完成了極化。
當(dāng)在液體中如上所述完成極化時，因為壓電元件被放在液體中，所以在極化過程期間不可能測量壓電元件的極化，由于液體造成由壓電元件所產(chǎn)生的振蕩阻尼，所以壓電元件的特性妨礙了測量。因此，當(dāng)在液體中完成極化時，由于極化只在預(yù)定的時間內(nèi)完成，所以不能精確地控制極化。
因而，為了獲得具有均勻質(zhì)量的壓電元件，而在壓電常數(shù)上又要保持小的和穩(wěn)定的變化，逐漸地使用一種在空氣中控制極性的方法。(第2656041號日本專利)在用于控制極性的方法中，壓電陶瓷的壓電常數(shù)(例如，電機械系數(shù)或極性)是在施加直流電壓極化壓電陶瓷時被測的，而在測量值達到一設(shè)定水平時就撤除加到壓電陶瓷上的該電壓。該設(shè)定水平是通過在剛好撤除了加到壓電(陶瓷)上的直流電壓之后的壓電常數(shù)和在充分的時間之后已穩(wěn)定的壓電常數(shù)之間的相互關(guān)系而獲得的。
但是，當(dāng)使用控制極性的一種現(xiàn)有方法時，雖然在極化期間要把該極性設(shè)定到設(shè)定水平，但是如

圖1所示，由于在批與批之間的組份和焙燒的方式的差異，所以剩余極性Δfrem幾乎不發(fā)生變化。這里，剩余極性Δfrem指的是在被極化后，在老化和冷卻到常溫后的穩(wěn)定的極性。因為剩余極性Δfrem的變化，所以在已制造的每一批上要完成事先的極化調(diào)節(jié)的測試是必要的，還有，由于批與批之間的極性變化，需在隨后的步驟中完成麻煩的頻率調(diào)節(jié)，因而降低了生產(chǎn)率和產(chǎn)量。
在考慮了上述的描述之后，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為在批與批之間的剩余極化Δfrem的變化是由于這些批的許多返回量的差異而造成的，盡管在極化期間，總是把極化控制得一樣，但是這些差異由于批與批之間的組份和焙燒方式不同這個事實造成的，在這里，極性返回量的意思是在剛好撤除加到壓電元件上的電壓之前的極性和在撤除加到壓電元件上的電壓之后經(jīng)歷老化的極性之間的差。另外，各種實驗使發(fā)明人得出下面的研究結(jié)果。這就是，在批與批之間的極性返回量的差在極化期間通過壓電元件的電流值有一個相互關(guān)系。
發(fā)明簡述根據(jù)上面描述的研究結(jié)果，本發(fā)明一個目的是提供一種降低發(fā)生在批與批之間極性變化從而準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)極性的極化壓電元件的方法。
為此，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種極化壓電元件的方法，包括如下步驟通過施加直流電壓至壓電元件來完成壓電元件的極化；當(dāng)極化壓電元件時，測量極性Δfmid；在極化時當(dāng)測量到的極性Δfmid達到設(shè)定水平時，測量通過壓電元件的電流；從已測到的電流預(yù)計剩余極性Δfrem；極化期間當(dāng)極性Δfmid達到已更新的設(shè)定水平時，撤除加到壓電元件上的直流電壓。
較佳的是，極化壓電元件的方法還包括如下步驟在極化時當(dāng)預(yù)計的剩余極化Δfrem小于目標(biāo)值時，更新極性Δfmid的設(shè)定水平；在極化時，當(dāng)極化Δfmid達到設(shè)定水平時，撤除加到壓電元件上的電壓，在極化時當(dāng)預(yù)計剩余極化Δfrem大于或等于目標(biāo)值時，不更新極性Δfmid的設(shè)定水平。
利用剛好撤除加到壓電元件上的直流電壓之前的極性和在撤除加到壓電元件上的直流電壓之后老化和隨后冷卻到常溫的剩余極性之間的相互關(guān)系來獲得設(shè)定水平是較佳的。
更具體地說，通過尋找在剛好撤除加到壓電元件上的直流電壓之前和剩余極性Δfrem之間的相關(guān)性的最佳擬合數(shù)據(jù)直線獲得設(shè)定水平是較佳的，其中數(shù)據(jù)是通過許多批實驗獲得的。最佳擬合直線是用已知方法獲得的，諸如最小平方法。
另外，比較好的是，從已測到的電流預(yù)計剩余極性Δfrem的步驟還包括如下步驟從已測到的電流來獲得極性返回量；以及從設(shè)定水平和極性返回量之間的差來獲得剩余極性Δfrem。
由初始設(shè)定水平和在剩余極性Δfrem的目標(biāo)值和剩余極性Δfrem的預(yù)計之間的差之和來獲得設(shè)定水平的更新值亦是較佳的。
顯而易見的是，本發(fā)明能使由組份中或批與批之間焙燒方式差異造成的極性變化可從極化時的電流來預(yù)計，并能使極性變化在極化時回饋到目標(biāo)極性。所以，把批與批之間極性變化變得最小，從而使精確地控制剩余極性達到目標(biāo)極性成為可能。
還有，本發(fā)明消除了為成批制造而要完成的極化調(diào)節(jié)或預(yù)先測量測試，從而增加了在隨后過程中頻率調(diào)整的效率和產(chǎn)量。
附圖簡述圖1示出了批與批之間剩余極性和極性返回量的比較。
圖2示出了極化時壓電元件極性的變化；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于完成極化的極性控制系統(tǒng)的例子；圖4示出了極化時極性在冷卻到常溫后的極性之間的相互關(guān)系；圖5示出了極化時電流和極性返回量之間的關(guān)系；圖6示出了極化時極性的特性；圖7示出控制極性方法例子的流程圖，以及圖8示出了批與批之間受到極性調(diào)節(jié)的極性比較。
較佳實施例的描述在本發(fā)明中，極性是在壓電元件受到極化時測量它的頻率特性而獲得的。通過尋找共振頻率fr和反共振頻率fa之間的頻率差Δf獲得極性，或相反，通過尋找一個壓電參數(shù)，諸如電機械系數(shù)k或中心頻率來獲得。當(dāng)測量時，確定極化時的極性Δfmid是否已達到設(shè)定水平。
在極化時，極性Δfmid被控制來提升到一預(yù)定的初始設(shè)定水平，當(dāng)極性Δfmid達到初始設(shè)定水平時探測電流，而從該已探測到的電流可以預(yù)計剩余極性Δfrem。在電流和剩余極化Δfrem之間的相互關(guān)系是多批實驗獲得的。
另外，在極化時的極性Δfmid的設(shè)定水平是按照預(yù)計的剩余極化Δfrem來更新的，根據(jù)預(yù)計的剩余極化Δfrem是大于或等于預(yù)定的目標(biāo)值來決定是否有需要來更新這設(shè)定水平。在極化時，當(dāng)極性Δfmid達到已更新的水平時，就撤除加到壓電元件上的直流電壓。
圖2示出了壓電元件在受到極化、老化和冷卻到常溫時它的極性變化。
如圖2所示，當(dāng)極性在它的最大點時用Δfmax’來表示，在老化后的極性用Δfage來表示，而在冷卻到常溫后的極性則用Δfrem來表示，極化時的極性上升到最大點Δfmax’而由于老化降到Δfage，但是，降落的極性由于冷卻到常溫而部分地被恢復(fù)，并在Δfrem處平穩(wěn)，總之剩余極性的意思是冷卻到常溫時的極性Δfmid，然而在本發(fā)明中，剩余極性的意思可能是老化后(在冷卻到常溫前)的極性Δfage或在冷卻到常溫后的極性Δfrem。
這就是說，老化后的極性Δfage和冷卻到常溫后的極性Δfrem之間的相互關(guān)系是根據(jù)壓電元件材料的溫度特性唯一決定的。換句話說，在冷卻到常溫(例如26℃)后的極性Δfrem由決定材料、老化溫度和老化后的極性Δfage所唯一決定的。
還有，圖2示出了極性返回量Qdf，它是由剛好在撤除加到壓電元件上的電壓之前的極性Δfmax和剛好在撤除加到壓電元件上的電壓之后的老化之后的極性Δfage之差所定義的。就是Qdf＝Δfmax-Δfage在極化時，極性反回量Qdf與通過壓電元件的電流相關(guān)，電流愈大，極性返回量變得愈大，因此，剩余極性Δfrem可從在設(shè)定水平和極性返回量Qdf之間的差被精確地預(yù)計到。
當(dāng)在開發(fā)材料時，可以成批實驗獲得極化期間極性返回Qdf與通過壓電元件的電流的相關(guān)性。該相關(guān)性可用一公式來表示或作為一張表存儲起來。如此，極性返回量Qdf可不用復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理在短時間內(nèi)獲得。
如上所述，老化后的極性Δfage和冷卻到常溫的極性Δfrem之間的關(guān)系由材料的溫度特性唯一決定。所以，極性返回量Qdf可由下到公式來定義Qdf＝Δfmax-Δfrem圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于完成壓電元件極化的極性控制系統(tǒng)的例子，標(biāo)號W是由壓電陶瓷制成的受極化的壓電元件。標(biāo)號1是一臺用于調(diào)節(jié)壓電元件W并把氣氛固定在一預(yù)定溫度的恒溫器。標(biāo)號2是用于極化的高壓直流電源。標(biāo)號3是將電壓提升到壓電元件W上去的高壓開關(guān)電路。4是在極化時用于阻斷直流高壓的交流/直流分離電路。標(biāo)號5是用于在極化時測量壓電元件W的極性f的測量裝置。標(biāo)號6是用于測量極化時通過壓電元件W的電流值的電流檢測電路。標(biāo)號7是諸如計算機的控制裝置。
壓電元件W是一塊厚度為5到10mm的鈦酸鋯酸鉛(PZT)。在壓電元件W的兩個相對的面上的每一個做了兩個電極，電極間的電場被固定在1.1kv/mm。
恒溫器1用來完成壓電元件W諸如極化、老化和回到常溫的步驟?？刂蒲b置7對每個過程把恒溫器1內(nèi)的氣氛(空氣)保持在一合適的溫度。把極化溫度保持在老化溫度或較高一點，即，如同在液體中完成極化的情況下，獲得相同極性的溫度。把極化溫度保持在200C。而老化溫度在200C。把老化時間設(shè)定在300秒。按照圖3，恒溫器1僅調(diào)節(jié)一塊壓電元件W，然而，恒溫器1可以同時容納多個壓電元件W來控制極性。
測量裝置5例如可是一網(wǎng)絡(luò)分析器，它將包含在測量裝置5中的交流電源的一個交流信號加到壓電元件W上，并利用壓電元件W的阻抗特性，探測共振頻率fa之差。共振頻率fr與反共振頻率fa之差被稱之為頻率差Δf并被用來測量極性。除了Δf之外，電機械系數(shù)k可能被用來測量極性。
電流探測電路6包括用來檢測檢測電阻和該電阻兩端間的電位差以便從該電位差來測定通過壓電元件W的電流的諸如運算放大器(OP)的放大器，把由測量裝置5檢測到的極性f和由電流檢測電路6檢測到的電流變換成信號并輸入到控制裝置7。該輸入信號被用來控制所加的電壓和極性。更準(zhǔn)確地說，控制裝置7控制了恒溫器1、高壓直流電源2和高壓開關(guān)電路3。當(dāng)在恒溫器1中調(diào)節(jié)許多壓電元件W時，控制裝置可能包括多通道的開關(guān)系統(tǒng)以便順序地對這些壓電元件W的每一個控制極性。
控制裝置7包括各種數(shù)據(jù)，諸如在極化時的極性設(shè)定水平、極化時和冷卻到常溫時的極性之間相關(guān)性的數(shù)據(jù)以及電流和極性返回量相關(guān)性的數(shù)據(jù)?？刂蒲b置7也調(diào)節(jié)用于在預(yù)定方式下控制極性的一個程序。
以下解釋控制裝置7的操作。當(dāng)研制壓電元件W材料時，必需完成用來對兩批的控制極性的調(diào)節(jié)，描述如下1、如圖4所示，在極化時找到了極性Δfmid和剩余極性Δfrem之間的相關(guān)性，在極化時，極性Δfmid可從目標(biāo)剩余極性Δfrem用相關(guān)性反過來計算。當(dāng)極化達到極性Δfmid時，撤除加到壓電元件上的直流電壓。因此，極性被精確地控制到上升至目標(biāo)極性Δfrem從而減少了極性上的變化。
更具體地說，雖然壓電元件由同樣的材料制成，但是對于組分和焙燒方式不同的壓電元件，找到了在極化時的極性Δfmid(在6.5KHz，6.55KHz，以及6.65KHz)和剩余極性Δfrem之間的相關(guān)性。由最小平方法找到了三條最佳擬合直線AVE和AVE±3σ。
2、然后，在極化時將初始設(shè)定水平設(shè)定到所要的極性。當(dāng)目標(biāo)剩余極性為5KHz時，初始設(shè)定水平變?yōu)棣＝6.4KHz，于是，直線AVE±3σ與Δf＝5KHz的剩余極性相交。
在這里，雖然直線AVE±3σ被用來獲得初始設(shè)定水平，但是也可用直線AVE。在這種情況下，初始設(shè)定水平Δf是6.5kHz。
3、當(dāng)極性達到初始設(shè)定水平，就是說，例如，6.4kHz時，就找到了對每一批電流值和極性返回量之間的相關(guān)性(見圖5)。
在圖5中，水平軸線代表當(dāng)極性達到初始設(shè)定水平時每一批的電流，垂直軸代表極性返回量。極性返回量定義如下極性返回量＝(初始設(shè)定水平)-(剩余極性Δfrem)在公式中，剩余極性Δfrem可用老化后極性Δfage來代替。
在圖5中，極化時的電流由x代表，以及極性返回量由y代表時，由下式給出的一個近似y＝0.5048x+1.4256控制極性的方法解釋如下圖6示出了極化時極性隨時間是如何變化的，而圖7則示出了控制極性的流程圖。
(1)把直流電壓加到受到極化的壓電元件W上，(步驟S1)在極化時，直到極性Δfmid達到初始設(shè)定水平，則壓電元件W被極化。(步驟S2)在壓電元件W被極化時，測量電流并在高壓開關(guān)電路3中，在保護電阻處計算電壓降以便把已計算到的電壓饋回到所加的電壓上。這就是說，通過把已計算好的電壓降加到初始所加電壓上可把壓電元件W的兩個電極間的電壓始終控制不變。
(2)在極化時，當(dāng)極性達到初始設(shè)定水平時，測量電流。(步驟S3)獲得極性返回量，如圖5所示。(步驟S4)于是按下列公式所描述的，預(yù)計剩余極性frem(步驟5)。
預(yù)計剩余極性Δfrem＝初始設(shè)定水平-極性返回量例如，當(dāng)已測到的電流為0.3mA，極性返回量為1.58kHz，如果初始設(shè)定水平為6.4kHz，預(yù)計的剩余極性將是。
預(yù)計剩余極性Δfrem＝6.4-1.58＝4.82kHz。
(3)然后把該預(yù)計剩余極性Δfrem與目標(biāo)值，例如5kHz作比較(步驟S6)。當(dāng)預(yù)計剩余極性Δfrem達到或通過目標(biāo)值時，則把設(shè)定水平保持在初始設(shè)定水平，而在極化時，當(dāng)極性Δfmid達到初始設(shè)定水平時，撤除加到壓電元件上的直流電壓(步驟S7)。另外，在撤除加到壓元件上的電壓后，按照與目標(biāo)值的偏離量，可進行附加的過程，諸如反極化或其它類同的過程。
(4)另一方面，當(dāng)預(yù)計剩余極性Δfrem小于目標(biāo)極性，設(shè)定水平要按示于下面的公式來更新(步驟S8)。設(shè)定水平可能被更新得如預(yù)定值一樣高。但是，如果把設(shè)定水平更新到高于必要的水平，它可能造成反極性Δfrem的目標(biāo)值與剩面極性Δfrem的預(yù)計值之間的差之和，則設(shè)定水平可用單一的過程來合適地更新。
已更新的設(shè)定水平＝初始設(shè)定水平+(目標(biāo)極性-預(yù)計剩余極性)當(dāng)預(yù)計剩余極性Δfrem小于預(yù)定目標(biāo)值時，應(yīng)該撤除加到壓電元件上的直流電壓，否則剩余極性Δfrem永遠不會達到目標(biāo)值，因此，當(dāng)預(yù)剩余極性Δfrem不達到目標(biāo)值時，就需要在極化時，當(dāng)極性Δfmid達到更新的設(shè)定水平時，更新設(shè)定水平，并撤除加到壓電元件上的直流電壓。
例如，當(dāng)初始設(shè)定水平為6.4kHz，目標(biāo)值為5kHz，而預(yù)計剩余極性為4.82kHz，則把設(shè)定水平更新到6.58kHz。
因此，剩余極性Δfrem被精確地控制以便達到目標(biāo)值，在這里，剩余極性Δfrem的意思是在老化和冷卻到常溫之后在撤除加到壓電元件上的直流電壓之后的極性的一個穩(wěn)定值。
為尋找設(shè)定水平的更新的值是不限制在上面描述的例子中，另一方面也由下面的公式所示。
設(shè)定水平的更新值＝極性的目標(biāo)值+極性返回量因此，設(shè)定水平根據(jù)極性返回量的增加被更新到大于初始設(shè)定水平，這種增加是由批與批之間極性變化造成的。在極化中，極性Δfmid的設(shè)定水平不一定需要更新。更新的需要是通過判斷預(yù)計剩余極性Δfrem是否是小于目標(biāo)值來作出的。因此，消除了不必要的更新，使得極化能盡早結(jié)束。在極化中，當(dāng)極性Δfmid達到已更新的設(shè)定水平時(步驟S9)，就撤除加到壓電元件上的直流電壓(步驟S7)。
圖8A和8B示出了本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)作比較的批與批之間的極性變化。在本發(fā)明中，由于批與批之間組份或焙燒方式上的差異而造成的不相同的極性返回量被饋回到所要的極性，而在現(xiàn)有的技術(shù)中，沒有提供反饋。
另外，圖8A示出了批與批之間極性的平均(AVE)比較的結(jié)果，而圖8B則示出了在一批中極性(3)比較的結(jié)果，在兩種情況下，初始設(shè)定水平皆為Δf＝6.4kHz。
由圖8A可見，當(dāng)把極性返回量饋回到目標(biāo)極性時，批與批之間在剩余極性Δfrem的平均變化比極性返回量不饋回到所要極性的變化小。在這種情況下，平均變化集中在5kHz的目標(biāo)值。
由圖8B可見，當(dāng)提供反饋時，每批的剩余極性Δfrem(3σ)變化少于極性返回量不饋回到目標(biāo)極性的情況的變化。
正如上面所描述的，由于批與批之間材料或焙燒方式的差異而造成不相同的極性返回量是在極化時用測量電流而獲得的。因此，預(yù)計在極化時不能被極性預(yù)計的剩余極性以及通過將極性返回量饋回到所要極性來降低批和批之間極性變化成為可能。
另外，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)研制壓電元件W的材料時，僅對兩批來完成對控制極性的調(diào)節(jié)是必要的。所以，不再需要對已制造的每批作事先的測試，而它在現(xiàn)有的技術(shù)中是需要的，因此，把連續(xù)的極化過程連成為一個整體。
在上面的實施例中，極性返回量是用尋找已測到的電流來獲取的，而剩余極性Δfrem是從極性返回量預(yù)計的。然而，剩余極化極可能從電流被直接預(yù)計。在這種情況下，在電流和剩余極性之間的相關(guān)性必須要用實驗在事先獲得。
權(quán)利要求
1.一種極化壓電元件的方法，其特征在于包括如下步驟通過施加直流電壓至壓電元件來完成壓電元件的極化；當(dāng)極化壓電元件時，測量極性Δfmid；在極化時當(dāng)測量到的極性Δfmid達到設(shè)定水平時，測量通過壓電元件的電流；從已測到的電流預(yù)計剩余極性Δfrem；極化期間當(dāng)極性Δfmid達到已更新的設(shè)定水平時，撤除加到壓電元件上的直流電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的極化壓電元件的方法，其特征在于還包括如下步驟在極化時當(dāng)預(yù)計的剩余極化Δfrem小于目標(biāo)值時，更新極性Δfmid的設(shè)定水平；在極化時，當(dāng)極化Δfmid達到設(shè)定水平時，撤除加到壓電元件上的電壓，在極化時當(dāng)預(yù)計剩余極化Δfrem大于或等于目標(biāo)值時，不更新極性Δfmid的設(shè)定水平。
3.如權(quán)利要求1或2所述的極化壓電元件的方法，其特征在于利用剛好撤除加到壓電元件上的直流電壓之前的極性和在撤除加到壓電元件上的直流電壓之后老化和隨后冷卻到常溫的剩余極性之間的相互關(guān)系來獲得設(shè)定水平。
4.如權(quán)利要求3所述的極化壓電元件的方法，其特征在于通過尋找在剛好撤除加到壓電元件上的直流電壓之前和剩余極性Δfrem之間的相關(guān)性的最佳擬合數(shù)據(jù)直線獲得設(shè)定水平，其中數(shù)據(jù)是通過許多批實驗獲得的。最佳擬合直線是用已知方法獲得的。
5.如權(quán)利要求1-4中任意一項所述的極化壓電元件的方法，其特征在于從已測到的電流預(yù)計剩余極性Δfrem的步驟還包括如下步驟從已測到的電流來獲得極性返回量；以及從設(shè)定水平和極性返回量之間的差來獲得剩余極性Δfrem。
6.如權(quán)利要求1-5中任意一項所述的極化壓電元件的方法，其特征在于由初始設(shè)定水平和在剩余極性Δfrem的目標(biāo)值和剩余極性Δfrem的預(yù)計之間的差之和來獲得設(shè)定水平的更新值亦是較佳的。
全文摘要
用加直流電壓到壓電元件來完成它的極化和在極化時,測量極性Δf
文檔編號H01L41/24GK1362748SQ0114521
公開日2002年8月7日 申請日期2001年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月26日
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