專利名稱：適合疊層壓電陶瓷耦合器的壓電陶瓷材料及其疊層壓電陶瓷耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是壓電陶瓷材料及器件，特別是適合疊層壓電陶瓷耦合器的壓電陶瓷材料及其疊層壓電陶瓷耦合器。它是利用摻雜改性、低溫?zé)Y(jié)四元系鈮鎂鈮錳鋯鈦酸鉛(簡(jiǎn)稱PMMN)壓電陶瓷材料制造疊層壓電陶瓷耦合器，屬于壓電陶瓷材料及器件制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
壓電陶瓷耦合器是利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效應(yīng)研發(fā)成的一種新型耦合器，由輸入端、輸出端以及絕緣部分組成。當(dāng)在壓電陶瓷耦合器的輸入端加頻率為耦合器固有諧振頻率的交變電壓時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，壓電耦合器產(chǎn)生長(zhǎng)度方向上的伸縮振動(dòng)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過(guò)聲學(xué)系統(tǒng)耦合到輸出端，在輸出端又由于正壓電效應(yīng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。輸入和輸出部分之間的電阻大，耐壓高，有很好的絕緣作用。壓電陶瓷耦合器具有信號(hào)傳輸特性好、抗干擾能力強(qiáng)、輸出端不怕短路、體積小(為片式結(jié)構(gòu))等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于固態(tài)繼電器等領(lǐng)域。目前湖北大學(xué)周桃生教授和柴荔英教授已成功研制出片式壓電陶瓷耦合器，中國(guó)專利(壓電陶瓷耦合固體繼電器，專利號(hào)ZL01250266)公開(kāi)了用片式壓電陶瓷耦合器構(gòu)成的壓電陶瓷耦合固體繼電器，具有靈敏度高、可靠性好、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)。
通常的片式壓電陶瓷耦合器不能適應(yīng)集成電路表面組裝技術(shù)(SMT)向高性能、大功率、微型化和集成化發(fā)展的需要。目前提出的解決方案是將壓電陶瓷元器件制成疊層陶瓷復(fù)合體，研制出疊層壓電陶瓷耦合器，就能進(jìn)一步減小裝貼面積，使其進(jìn)一步小型化，滿足集成電路表面組裝技術(shù)的需要。
實(shí)現(xiàn)疊層結(jié)構(gòu)有兩種方法，一種方法是先燒成單片，再粘成疊層結(jié)構(gòu)，但這樣會(huì)降低器件整體性能；另一種方法是采用Pt、Pd等貴金屬作內(nèi)電極從而多層疊合一次燒成。這種方法需要解決內(nèi)電極和陶瓷坯片適應(yīng)性問(wèn)題，避免在較高燒結(jié)溫度下內(nèi)電極過(guò)度滲透到陶瓷基體中或銀電極飛濺，從而引起陶瓷絕緣電阻降低和內(nèi)電極分布不均勻的問(wèn)題，所以必須選擇合適的中低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷材料以及與之相匹配的內(nèi)電極漿料。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用MgO作為摻雜改性劑，以CdO/SiO2組合作為低熔點(diǎn)添加劑的四元系鈮鎂鈮錳鋯鈦酸鉛(PMMN)壓電陶瓷材料及其制備方法。同時(shí)提出一種用上述壓電陶瓷材料制作的疊層壓電陶瓷耦合器。
本發(fā)明提出的壓電陶瓷材料是用MgO作為摻雜改性劑，以CdO/SiO2組合作為低熔點(diǎn)添加劑的四元系鈮鎂鈮錳鋯鈦酸鉛(PMMN)壓電陶瓷材料。其配方及化學(xué)式為 Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46O3+xwt％MgO+ywt％CdO+zwt％SiO2 其中x值為0.1～0.35，最佳值是0.25，y值為0.2～1.2，最佳值為0.8，z值為0.05～0.3，最佳值為0.1，wt％為重量百分比。
該材料不僅具有高壓電活性、高介電性能，因而耦合作用強(qiáng)，能有效驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器中的可控硅，實(shí)現(xiàn)繼電器動(dòng)作，而且燒結(jié)溫度低，適合于制備低成本電極的疊層壓電器件。
本發(fā)明的疊層壓電陶瓷耦合器制作方法如下 1).按通式Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46O3+xwt％MgO的化學(xué)計(jì)量比稱量原料放于球磨罐內(nèi)，其中x＝0.1～0.35； 2).加入原料總量50～70％的蒸餾水后，先將球磨罐放在行星球磨機(jī)上以100轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速先磨20min，再以200轉(zhuǎn)/min磨2小時(shí)，使配料充分混合并磨細(xì)； 3).將配料放進(jìn)烘箱，100℃烘干，將烘干后的配料放于坩堝內(nèi)845℃預(yù)燒； 4).在預(yù)燒合成后，由合成的重量按比例再加入ywt％CdO+zwt％SiO2；其中y值為0.2～1.2，z值為0.05～0.3； 5).將上述混合粉料加入球磨罐中，加入原料總量50～70％的蒸餾水后進(jìn)行第二次濕式球磨，以200轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速磨4小時(shí)磨細(xì)； 6).把磨細(xì)后的物料烘干，按瓷料∶粘合劑∶增塑劑＝30∶5∶0.9的重量比例稱料，置于表面皿中并用金屬勺攪拌，使粉料和粘合劑初步混合制成泥料，然后將泥料放在軋膜機(jī)上進(jìn)行軋制； 7).將軋制好的膜片沖片成尺寸規(guī)則的坯片，膜厚為0.25～0.7mm。然后涂覆內(nèi)電極。內(nèi)電極排列如圖1所示。選擇價(jià)格適宜的M-IP9020型Ag-Pd作內(nèi)電極，Ag/Pd比為80∶20； 8).整形排膠將涂覆內(nèi)電極的坯片以3～11片為一疊(奇數(shù)片)，使內(nèi)電極交錯(cuò)排列(如圖1所示).疊放整齊，壓在光滑平整的剛玉板之間，放在通風(fēng)爐中，以100℃/小時(shí)的速率升溫，至250℃保溫2小時(shí)，再以50℃/小時(shí)的速率升溫，至650℃保溫2小時(shí)，降溫過(guò)程是隨爐自然降溫至室溫； 9).一體化燒結(jié)在將整形排膠后的疊片上加一定重量的剛玉板，然后置于燒結(jié)爐中進(jìn)行一體化燒結(jié)。燒結(jié)溫度為1020℃，保溫4小時(shí)，降溫階段采用控溫冷卻工藝，以250℃/小時(shí)的降溫速率降至770℃，再隨爐溫自然冷卻。
10).被敷外電極及極化將疊層體鍍上外電極，置于150℃±5的硅油中，按樣品每毫米厚度加2～4千伏電壓的直流電場(chǎng)極化10～15min。壓電耦合器的輸入和輸出部分都應(yīng)極化，極化方向如圖2中所示。
疊層壓電耦合器是在片式壓電耦合器的基礎(chǔ)上，利用以MgO作為摻雜改性劑、以CdO/SiO2組合作為低熔點(diǎn)添加劑的四元系鈮鎂鈮錳鋯鈦酸鉛(PMMN)壓電陶瓷材料，采用類似MLCC多層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)研制的一種新型耦合器。這種多層結(jié)構(gòu)是由單層壓電陶瓷片涂覆內(nèi)電極疊燒而成，形成壓電陶瓷單層機(jī)械上串聯(lián)，電學(xué)上并聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)。因而多層壓電陶瓷耦合器的介電常數(shù)是片式壓電陶瓷耦合器的n倍。n為多層壓電陶瓷耦合器的層數(shù)。
本發(fā)明制作的疊層壓電耦合器具有良好的耦合特性和溫度穩(wěn)定性，且損耗低，絕緣性能好，可滿足固體繼電器對(duì)耦合的要求。疊層壓電耦合器體積小，裝貼面積較片式壓電耦合器顯著減小，且在一定的耦合參數(shù)要求下，裝貼面積可隨疊層層數(shù)的增加而減小，可適應(yīng)集成電路表面組裝技術(shù)(SMT)的需要。



圖1為本發(fā)明疊層壓電陶瓷耦合器內(nèi)電極結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2為本發(fā)明一體化燒結(jié)疊層壓電耦合器示意圖， 從圖中看出本發(fā)明疊層壓電耦合器由內(nèi)電極、外電極、3-11片壓電陶瓷片三部分組成。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 1).按通式Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46O3+xwt％MgO的化學(xué)計(jì)量比稱量原料放于球磨罐內(nèi)，其中x分別取以下值0，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35； 2).加入原料總量50～70％的蒸餾水后，先將球磨罐放在行星球磨機(jī)上以100轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速先磨20min，再以200轉(zhuǎn)/min磨2小時(shí)，使配料充分混合并磨細(xì)； 3).將配料放進(jìn)烘箱，100℃烘干，將烘干后的配料放于坩堝內(nèi)845℃預(yù)燒； 4).將上述混合粉料加入球磨罐中，加入原料總量50～70％的蒸餾水后進(jìn)行第二次濕式球磨，以200轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速磨4小時(shí)磨細(xì)； 5).把磨細(xì)后的物料置于選定的模具中，壓制成所需要的陶瓷坯片； 6).將坯片按200℃/小時(shí)升溫到1200℃保溫2小時(shí)，降溫過(guò)程是隨爐自然降溫至室溫； 7).將燒結(jié)后的陶瓷片上銀電極，在150℃±5的硅油中，按樣品每毫米厚度加2～4千伏電壓的的直流電場(chǎng)極化10～15min。
試驗(yàn)結(jié)果如下表所示 表一不同MgO含量陶瓷性能參數(shù)比較 實(shí)施例2 按照配方Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46O3+xwt％MgO的化學(xué)計(jì)量比稱量原料，其中x＝0.25； 步驟1)-3)，4)-8)與實(shí)施例1相同，在步驟3)與步驟4)之間插入一步由合成的重量按比例再加入ywt％CdO+zwt％SiO2；其中值z(mì)值為0.1；y分別取以下幾個(gè)值0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示 表二不同CdO含量陶瓷性能參數(shù)比較 實(shí)施例3 材料和步驟同實(shí)施例2，不同之處在于插入步驟 由合成的重量按比例再加入ywt％CdO+zwt％SiO2；其中y值為0.8；z分別取以下幾個(gè)值0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示 表三不同SiO2含量陶瓷性能參數(shù)比較 實(shí)施例4 材料和前三個(gè)步驟同實(shí)施例1，后續(xù)步驟如下 4).在預(yù)燒合成后，由合成的重量按比例再加入ywt％CdO+zwt％SiO2；其中y＝為0.8；z＝0.1； 5).將上述混合粉料加入球磨罐中，加入原料總量50～70％的蒸餾水后進(jìn)行第二次濕式球磨，以200轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速磨4小時(shí)磨細(xì)； 6).把磨細(xì)后的物料烘干，按瓷料∶粘合劑∶增塑劑＝30∶5∶0.9(g)的比例稱料，置于表面皿中并用金屬勺攪拌，使粉料和粘合劑初步混合制成泥料，然后將泥料放在軋膜機(jī)上進(jìn)行軋制； 7).將軋制好的膜片沖片成尺寸規(guī)則的坯片，膜厚為0.25～0.7mm。然后涂覆內(nèi)電極。內(nèi)電極排列如圖1所示。選擇價(jià)格適宜的M-IP9020型Ag-Pd作內(nèi)電極，Ag/Pd比為80∶20； 8).整形排膠將涂覆內(nèi)電極的坯片以3～11片為一疊(奇數(shù)片)，使內(nèi)電極交錯(cuò)排列(如圖1所示).疊放整齊，壓在光滑平整的剛玉板之間，放在通風(fēng)爐中，以100℃/小時(shí)的速率升溫，至250℃保溫2小時(shí)，再以50℃/小時(shí)的速率升溫，至650℃保溫2小時(shí)，降溫過(guò)程是隨爐自然降至室溫； 9).一體化燒結(jié)在將整形排膠后的疊片上加一定重量的剛玉板，然后置于燒結(jié)爐中進(jìn)行一體化燒結(jié)。燒結(jié)溫度為1020℃，保溫4小時(shí)，降溫階段采用控溫冷卻工藝，以250℃/小時(shí)的降溫速率降至770℃，再隨爐溫自然冷卻。
10).被敷外電極及極化將疊層體鍍上外電極，置于150℃±5的硅油中，按樣品每毫米厚度加2～4千伏電壓的直流電場(chǎng)極化10～15min。壓電耦合器的輸入和輸出部分都應(yīng)極化，極化方向如圖2中所示。
表4疊層壓電陶瓷耦合器的尺寸及性能參數(shù) 。
權(quán)利要求
1、一種適合疊層壓電陶瓷耦合器的壓電陶瓷材料，其特征在于配方及化學(xué)式為
Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46O3+
xwt％MgO+ywt％CdO+zwt％SiO2
其中x值為0.1～0.35，y值為0.2～1.2，z值為0.05～0.3，wt％為重量百分比。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合疊層壓電陶瓷耦合器的壓電陶瓷材料，其特征在于配方及化學(xué)式為
Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46C3+
xwt％MgO+ywt％CdO+zwt％SiO2
其中x值為0.25，y值為0.8，z值為0.1，wt％為重量百分比。
3、一種疊層壓電陶瓷耦合器，其特征在于結(jié)構(gòu)由內(nèi)電極、外電極、3-11奇數(shù)片壓電陶瓷膜片疊層三部分組成，其材料是用MgO作為摻雜改性劑，以CdO/SiO2組合作為低熔點(diǎn)添加劑的四元系鈮鎂鈮錳鋯鈦酸鉛(PMMN)壓電陶瓷材料。
4、一種疊層壓電陶瓷耦合器的制作方法，其特征在于步驟為
1)、按通式Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46O3+xwt％MgO的化學(xué)計(jì)量比稱量原料放于球磨罐內(nèi)，其中x＝0.1～0.35；
2)、加入原料總量50～70％的蒸餾水后，先將球磨罐放在行星球磨機(jī)上以100轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速先磨20min，再以200轉(zhuǎn)/min磨2小時(shí)，使配料充分混合并磨細(xì)；
3)、將配料放進(jìn)烘箱，100℃烘干，將烘干后的配料放于坩堝內(nèi)845℃預(yù)燒；
4)、在預(yù)燒合成后，由合成的重量按比例再加入ywt％CdO+zwt％SiO2；其中y值為0.2～1.2，z值為0.05～0.3；
5)、將上述混合粉料加入球磨罐中，加入原料總量50～70％的蒸餾水后進(jìn)行第二次濕式球磨，以200轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速磨4小時(shí)磨細(xì)；
6)、把磨細(xì)后的物料烘干，按瓷料∶粘合劑∶增塑劑＝30∶5∶0.9(g)的重量比例稱料，置于表面皿中并用金屬勺攪拌，使粉料和粘合劑初步混合制成泥料，然后將泥料放在軋膜機(jī)上進(jìn)行軋制；
7)、將軋制好的膜片沖片成尺寸規(guī)則的坯片，膜厚為0.25～0.7mm。然后涂覆內(nèi)電極，選擇價(jià)格適宜的M-IP9020型Ag-Pd作內(nèi)電極，Ag/Pd比為80∶20；
8)、整形排膠將涂覆內(nèi)電極的坯片以3～11的奇數(shù)片為一疊，使內(nèi)電極交錯(cuò)排列，壓在光滑平整的剛玉板之間，放在通風(fēng)爐中，以100℃/小時(shí)的速率升溫，至250℃保溫2小時(shí)，再以50℃/小時(shí)的速率升溫，至650℃保溫2小時(shí)，降溫過(guò)程是隨爐自然降溫至室溫；
9)、一體化燒結(jié)在將整形排膠后的疊片上加一定重量的剛玉板，然后置于燒結(jié)爐中進(jìn)行一體化燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1020℃，保溫4小時(shí)，降溫階段采用控溫冷卻工藝，以250℃/小時(shí)的降溫速率降至770℃，再隨爐溫自然冷卻；
10)、被敷外電極及極化將疊層體鍍上外電極，置于150℃±的硅油中，按樣品每毫米厚度加2～4千伏電壓的直流電場(chǎng)極化10～15min，壓電耦合器的輸入和輸出部分都應(yīng)極化。
全文摘要
本發(fā)明首先制備出以MgO作為摻雜改性劑，以CdO/SiO2組合作為低熔點(diǎn)添加劑的四元系鈮鎂鈮錳鋯鈦酸鉛(PMMN)壓電陶瓷材料，是一種可用于疊層壓電陶瓷耦合器制作的高壓電活性、高介電性能、低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷材料。該材料的組成為Pb(Mg1/3Nb2/3)0.04(Mn1/3Nb2/3)0.04Ti0.46Zr0.46O3+xwt％MgO+ywt％CdO+zwt％SiO2其中x值為0.1～0.35，y值為0.2～1.2，z值為0.05～0.3，然后設(shè)計(jì)出疊層壓電陶瓷耦合器的結(jié)構(gòu)，并用上述材料制備出多層壓電陶瓷耦合器。該耦合器具良好的耦合特性和溫度穩(wěn)定性，且損耗低，絕緣性能良好，可滿足固體繼電器對(duì)耦合的要求。且體積小，裝貼面積小，可適應(yīng)集成電路表面組裝技術(shù)(SMT)的需要。
文檔編號(hào)H01L41/18GK101343181SQ200810048200
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者周桃生, 蔣紅霞, 尚勛忠, 柴荔英, 何云斌 申請(qǐng)人:湖北大學(xué)